异化铁还原菌还原分解含As（Ⅴ）水铁矿：矿物生成动力学的制约

殷矫军++汪华明++张鑫++张勋

摘要：指出了砷早已被证明是一种剧毒的致癌物质，砷中毒情况日益严重，三价砷的毒性比五价砷的毒性大将近60倍。水铁矿是一种弱结晶的铁氢氧化物，具有极大的比表面积和高表面活性，可以通过吸附和共沉淀与地表水中的污染物质相互作用，故可利用合成水铁矿来去除废水中的污染物质。以人工合成的水铁矿-砷（Ⅴ）为实验对象，研究了样品在DIRB作用下Fe和As的释放情况，并探究其其物象转移，以期为含砷废水处理提供参考。结果表明： DIRB能够有效溶解水铁矿，并且As含量越多，样品制备时间越长越不利于Fe和As的释放。

关键词：水铁矿；砷矿物生成动力学；异化铁还原菌；还原分解

中图分类号： X142

文献标识码： A 文章编号： 16749944（2015）06023804

1 引言

自然界的水体中砷主要是以砷酸盐（As5+）和亚砷酸盐（As3+）的形式存在的。不同价态的砷的毒性差别甚大，如三价砷的毒性比五价砷的毒性大将近60倍[1～3]。砷早已被证明是致癌物质，导致皮肤癌和内部器官癌，急性的砷中毒则会导致中枢神经出现问题、消化道和呼吸道病变，甚至直接导致中毒死亡；慢性砷中毒也会引起神经系统发生紊乱、食欲减退、全身乏力、恶心及皮肤病变等[4～7]。

由于砷中毒情况日益严重，所以早在1993年，世界卫生组织（WHO）修订饮用水水质标准，将地下水砷的最大允许浓度从50 μg/ L降到10 μg/ L，中国在生活饮水国家卫生标准《二次供水设施卫生规范》（B17051-1997）中规定，饮用水中砷含量必须小于10 μg/ L[8]。

水铁矿（Fe5HO8·4H2O）是一种弱结晶的铁氢氧化物，颗粒尺寸小，通常为2～6 nm。水铁矿具有极大的比表面积和高表面活性，可以通过吸附和共沉淀与地表水中的污染物质相互作用，故可利用合成水铁矿来去除废水中的污染物质，如砷。研究表明，水铁矿对As（Ⅴ）的去除率可以达到99.5%[9]。

水铁矿不稳定，易于转化和分解并伴随As的释放，其中微生物还原分解水铁矿是一种重要As释放机制。水铁矿还原分解除受到微生物种类、环境条件影响之外也受到自身特征的制约，而其矿物学特征往往受其生成动力学的影响[10～14]。

本研究的目的为通过控制水铁矿生成速率，合成不同粒径、结晶度的含As水铁矿，探讨水铁矿在DIRB作用下还原分解和As释放的特征，进而阐明水铁矿生成动力学对其微生物还原分解的制约。

2 材料与方法

2.1 含砷水铁矿的制备

含砷水铁矿的制备：在25℃恒定温度下使用电位滴定仪将氢氧化钠（2.5mol/L）加入到硝酸铁和As（Ⅴ）的混合溶液（初始pH=1.5）中并且不断对溶液进行搅拌来进行水铁矿和As（Ⅴ）的共淀实验。实验中所使用的铁标准贮备液含有0.5mol/L的硝酸铁和0.5mol/L的硝酸，不同实验中的硝酸铁-As（Ⅴ）混合溶液的初始体积均为100mL，其中含有20mL的硝酸铁标准贮备液，硝酸铁的浓度均为0.1mol/L，调节As（Ⅴ）的添加量使得混合溶液中的As/Fe比率分为0、0.001、0.01和0.1四个不同的水平，剩余体积用去离子水补足。控制滴定终点为pH=7.0，通过调节滴定速率来制备不同时间梯度（0h、3h、5h、8h、10h）的水铁矿- As（Ⅴ）共沉淀样品。将滴定之后所得的混合溶液静置2h以达到吸附平衡，之后使用离心机（LXJ-Ⅱ）在3000r/min下离心10min，使用双道原子荧光光度计（AFS-820）测量上清液中的As（Ⅴ）浓度。用去离子水将所得固体清洗3～5遍以洗尽其中的盐，之后将样品置于冷冻干燥机中进行干燥，使用XRD（D/Max-RB）分析样品。所得的水铁矿-As（Ⅴ）固体粉末在冰箱冷冻室中冷冻保存[15～17]。

如图1和图2所示是As/Fe=0时的水铁矿样品的XRD图谱，从图中可以看到该样品无明显衍射峰，说明其结晶程度低，这与Schwert-mann 和Cornell 所认为的水铁矿为结晶程度低的无定形氧化物相符[18]。

2.2 DIRB还原分解水铁矿实验

DIRB的活化：称取NaCl 1g、MgCl2 0.02g、CaCl2 0.02g、KCl 0.6g、KH2PO4 0.2g、NH4Cl 0.25g、NaNO3 0.4g、CH3COONa 0.4g置于500L锥形瓶中，加入200mL去离子水制成DIRB的培养基。待完全溶解之后用纱布、锡箔纸和牛皮纸封住瓶口置于消毒箱中在120℃下消毒30min[19]。之后将锥形瓶置于无菌操作台下用紫外线杀菌20min，待溶液冷却至室温时，移除

图1 As/Fe=0时不同反应时间得到的水铁矿-砷（五价）样品的XRD图像

图2 制备时间=10h时不同As/Fe比率的样品的XRD图像

20mL 再加入20mL DIRB菌液置于35.5℃恒温培养箱中培养3～5d，带溶液中出现浑浊现象时进行扩培实验。

DIRB的扩培：称取NaCl 2.5g、MgCl2 0.05g、CaCl2 0.05g、KCl 1.5g、KH2PO4 0.5g、NH4Cl 0.625g、NaNO3 1g、CH3COONa 1g置于500L锥形瓶中，加入500mL去离子水待完全溶解之后用纱布、锡箔纸和牛皮纸封住瓶口置于消毒箱中在120℃下消毒30min。之后将锥形瓶置于无菌操作台下用紫外线杀菌20min，待溶液冷却至室温时，移除50mL 再加入50mL DIRB活化实验所得的菌液置于35.5℃恒温培养箱中培养3～5d，带溶液中出现浑浊现象时进行接种。

取前述实验所得的不同As/Fe比率和不同时间梯度的水铁矿- As（Ⅴ）样品（As/Fe=0、0.001、0.01、0.1；时间为0h、5h、10h）各1g置于250mL盐水瓶中。取12个250mL盐水瓶，用去离子水洗净烘干待用，配置2000mL DIRB培养基，往12个盐水瓶中各加入180mL培养基，再各加入20mL扩培得到DIRB菌液，封住瓶口置于35.5℃恒温培养箱中培养。每隔一定时间取其中2mL溶液离心后1mL测砷含量、1mL测铁含量，待实验结束后取底部水铁矿- As（Ⅴ）样品测量其XRD、TEM和SEM以探究其物象变化情况[20]。

3 结果与讨论

图3～5所示是制备时间为0h、5h和10h下不同As/Fe比率的样品在DIRB作用下Fe和As的释放曲线。从图中可以看到在相同的制备时间下As/Fe=0.1的样品的As释放量远远高于As/Fe=0.01和0.001的样品，这是因为其初始As含量就远远高于其他两个样品，并且随着时间的推移，释放量呈逐渐上升趋势。As/Fe=0.01和0.001的样品的变化趋势不明显，这可能与其本身含有的As的含量很有限有关；在相同的制备时间下As/Fe=0.1的样品的Fe的释放量也低于其他As/Fe比率的样品，这是因为As的存在阻碍了Fe的释放；在相同的As/Fe比率的条件下，制备时间越短，释放量越多，这是由于水铁矿的结晶程度与反应的时间有着密切的关系。时间越短，水铁矿生长的时间就越短，其结晶程度就越低，As与水铁矿的结合程度就越弱；相反，时间越长，水铁矿的生长时间就越长，其结晶程度就越高，As和水铁矿的结合程度就越高。因此，制备时间越短，As的释放量越多；制备时间越长，As的释放量越少。As的含量对Fe的释放有影响，As含量越少，Fe的释放量越多；As含量越高，Fe的释放量越少。这也与相关文献中关于As的含量对Fe释放的影响相一致。

时间为0h的样品的释放量明显高于制备时间为5h和10h的样品，当反应进行到14d的时候，制备时间0h的样品的Fe含量达到28mg/L，同样地，As的释放也表现出相同的状况。这是因为制备时间越长，水铁矿的结晶度就越高，其Fe的释放就越难进行，As的释放也随之难以进行；相反，制备时间越短，水铁矿的结晶程度就越低，其Fe和As的释放就越易进行。

4 结论

本实验结果表明：

（1）DIRB能够有效溶解水铁矿，当水铁矿表面的吸附节点不足以固持As时，As就会释放进入溶液中；

（2）制备时间对水铁矿的结晶程度影响很大，时间越长水铁矿的结晶度越高，越不利于DIRB溶解水铁矿；

（3）As含量对水铁矿的影响很大，As含量越高，越不利于水铁矿的结晶越不利于DIRB溶解水铁矿；

（4）在DIRB作用下水铁矿会向结晶度更高的产物转化，如磁铁矿。

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