1 引言

　　煤礦或各種有色金屬礦在開采與廢礦石堆放過程中，常使與礦層伴生的硫鐵礦暴露于空氣中與 地下水或地表水中，通過系列化學(xué)與生物氧化過程，使得近中性的地下水轉(zhuǎn)變?yōu)榈蚿H、高Fe、SO2-4，且多種重(類)金屬離子(Cd、Pb、Cu、Zn、As等)并存的酸性礦山廢水(acid mine drainage，AMD).此類廢水若不經(jīng)有效處理而任意排放，將嚴(yán)重污染地表水及土地資源，威脅農(nóng)作物、水生生物與人體健康.

　　石灰中和法是世界上最常用的AMD治理方法.然而，大多數(shù)AMD體系中含有較大量的Fe2+，由于Fe(OH)2 離子濃度積(1.6×10-14，18 ℃)遠(yuǎn)大于Fe(OH)3的離子濃度積(1.1×10-36，18 ℃)，所以為了在近中性條件下使得Fe離子完全沉淀，在工程應(yīng)用中，常常在化學(xué)中和前段完成Fe2+氧化過程.以AMD為介質(zhì)，利用氧化亞鐵硫桿菌(A. ferrooxidans)生物氧化Fe2+進(jìn)而合成次生鐵礦物(施氏礦物、黃鐵礬類物質(zhì))不僅可以有效去除AMD中存在一定量的Fe與SO2-4，且此類次生鐵礦物在合成過程中亦可通過吸附與共沉淀方式大幅度去除體系中的Cu、Cd、Hg、Pb、As等有毒有害元素.另需要強(qiáng)調(diào)的是對(duì)于石灰中和法得到的Fe(OH)3絮狀凝膠而言，施氏礦物與黃鐵礬類物質(zhì)沉降性能良好，易于沉淀，可以極大降低后續(xù)固液分離成本.因此，前期氧化亞鐵硫桿菌(A. ferrooxidans)生物氧化Fe2+產(chǎn)生次生鐵礦物與后期化學(xué)中和相結(jié)合的工藝在AMD的治理領(lǐng)域表現(xiàn)出一定的應(yīng)用潛力.

　　由于煤礦及其它有色金屬礦中常有含鎂礦物(白云石富鎂碳酸鹽礦物、蛇紋石與綠泥石等富鎂硅酸鹽礦物等)的存在，使得產(chǎn)生的AMD中含有一定量的Mg2+.研究證實(shí)，A. ferrooxidans菌體及其胞外多聚物可以作為次生鐵礦物合成的晶種.而Mg2+可以在微生物胞外多聚物之間形成架橋使得微生物菌體團(tuán)聚.那么，這一團(tuán)聚過程是否會(huì)使得礦物較易在反應(yīng)器壁粘附，進(jìn)而影響次生鐵礦物合成體系總Fe沉淀率及礦物的形貌?另外，高的轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)高的剪切力.那么，高轉(zhuǎn)速是否會(huì)減緩礦物在反應(yīng)器壁的粘附行為?為了探究此類科研問題，本研究分別在不同培養(yǎng)轉(zhuǎn)速條件下，考察了Mg2+濃度不同對(duì)A.ferrooxidans催化合成次生鐵礦物體系Fe2+氧化率、總Fe沉淀率、次生鐵礦物反應(yīng)器壁粘附狀況及礦物形貌的影響.以期為生物合成次生鐵礦物工藝的優(yōu)化及其在酸性礦山廢水治理領(lǐng)域的成功應(yīng)用提供一些必要的參數(shù).

　　2 材料與方法

　　2.1 嗜酸性氧化亞鐵硫桿菌(A. ferrooxidans)接種液的制備

　　在150 mL改進(jìn)型9K液態(tài)培養(yǎng)基(FeSO4 · 7H2O 44.24 g、(NH4)2SO4 3.0 g、KCl 0.10 g、K2HPO4 0.50 g、Ca(NO3)2 · 4H2O 0.01 g、MgSO4 · 7H2O 0.50 g，去離子水1 L)中接種A. ferrooxidans LX5(CGMCC No.0727)，體系用H2SO4調(diào)節(jié)pH至2.5后，置于180 r · min-1往復(fù)式振蕩器(ZD-85A恒溫振蕩器)中在28 ℃培養(yǎng)2~3 d至體系Fe2+完全氧化.培養(yǎng)液經(jīng)定性濾紙過濾以除去沉淀，過濾所得的液體即為嗜酸性氧化亞鐵硫桿菌菌液.將所得菌液15 mL接種于135 mL改進(jìn)型9K液態(tài)培養(yǎng)基中重復(fù)上述過程.所獲菌液即為本研究后續(xù)次生鐵礦物合成所需的微生物接種菌液，菌密度約為107 cells · mL-1.

　　2.2 生物合成次生鐵礦物試驗(yàn)

　　在一系列250 mL錐形瓶中分別盛放制備好的A. ferrooxidans LX5接種液15 mL，①加入濃縮10倍的改進(jìn)型9K液體培養(yǎng)基(Mg2+濃度為480 mg · L-1，以MgSO4 · 7H2O形式加入)15 mL，后補(bǔ)充去離子水至溶液總體積為150 mL，使得體系Mg2+濃度為48 mg · L-1(記作“Mg2+-48 mg · L-1”體系);②其它試驗(yàn)設(shè)計(jì)同處理①，而體系Mg2+設(shè)計(jì)濃度為4.8 mg · L-1(記作“Mg2+-4.8 mg · L-1”體系).用H2SO4將上述pH調(diào)至2.50，分別將混合液在28 ℃，180 r · min-1或100 r · min-1條件下振蕩培養(yǎng)，每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù).每12 h監(jiān)測(cè)體系pH值，且從體系均勻取樣1 mL，過0.45 μm濾膜，測(cè)定濾液Fe2+及總Fe濃度，進(jìn)而計(jì)算Fe2+氧化率及總Fe沉淀率.待體系Fe2+氧化完全后將不同體系產(chǎn)生的礦物沉淀用定性濾紙收集，酸化的去離子水(pH=2.0)洗3次，再用去離子水洗滌2次后，在50 ℃環(huán)境中烘干，分析礦物的礦相及形貌.

　　2.3 測(cè)定方法

　　溶液pH用PHS-3C型酸度計(jì)測(cè)定，F(xiàn)e2+與總Fe濃度采用鄰菲羅啉比色法進(jìn)行分析. t時(shí)刻Fe2+氧化率=(C (Fe2+)0-C (Fe2+)t)/ C (Fe2+)0×100%，式中，C (Fe2+)0與C (Fe2+)t分別為反應(yīng)初始和反應(yīng)t小時(shí)體系Fe2+濃度.t時(shí)刻總Fe沉淀率=(C (TFe)0-C (TFe)t)/ C (TFe)0×100%，式中C (TFe)0與C (TFe)t分別為反應(yīng)初始和反應(yīng)t小時(shí)體系總Fe濃度.次生鐵礦物礦相用X射線衍射儀(XRD，MiniFles II，日本理學(xué))測(cè)定，測(cè)試工作條件為：管電壓30 kV，管電流15 mA，掃描區(qū)間10~70°(2θ)，步長(zhǎng)0.02°，Cu靶(彎晶單色器).次生鐵礦物形貌采用熱場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM，JSM-7001F)觀察，工作距離(樣品表面到物鏡的距離)9.7 mm，加速電壓5.0 kV.

　　3 結(jié)果與分析

　　3.1 不同培養(yǎng)轉(zhuǎn)速下Mg2+對(duì)生物合成次生鐵礦物體系pH的影響

　　Fe2+生物氧化為Fe3+是一個(gè)能使體系pH升高的過程，后續(xù)Fe3+水解產(chǎn)生次生鐵礦物卻是pH降低的過程.180 r · min-1或100 r · min-1的培養(yǎng)轉(zhuǎn)速下，“Mg2+-4.8 mg · L-1”與“Mg2+-48 mg · L-1”兩生物合成次生鐵礦物體系pH隨時(shí)間的變化情況如圖 1所示.可以得出，轉(zhuǎn)速對(duì)體系Fe2+生物氧化至Fe3+及后續(xù)Fe3+水解過程有明顯的影響.當(dāng)培養(yǎng)轉(zhuǎn)速為180 r · min-1時(shí)，“Mg2+-4.8 mg · L-1”生物合成次生鐵礦物體系pH首先從0 h的~2.50升高至12 h的 ~2.65，后逐漸降低至48 h的~2.07.“Mg2+-48 mg · L-1”體系在此培養(yǎng)轉(zhuǎn)速條件下，pH首先從0 h的~2.50升高至12 h的 ~2.66，后逐漸降低至48 h的~2.12.然而，當(dāng)培養(yǎng)轉(zhuǎn)速為100 r · min-1時(shí)，體系pH下降速度相對(duì)緩慢，“Mg2+-4.8 mg · L-1”體系與“Mg2+-48 mg · L-1”體系pH在12 h均達(dá)到~2.69，后逐漸分別降低至72 h的~2.21與~2.17.

　　圖 1 A. ferrooxidans催化合成次生鐵礦物體系不同培養(yǎng)轉(zhuǎn)速條件下pH變化情況

　　整體而言，不同培養(yǎng)轉(zhuǎn)速下，“Mg2+-4.8 mg · L-1”與“Mg2+-48 mg · L-1”體系pH變化差異主要表現(xiàn)在pH下降階段.然而，“Mg2+-4.8 mg · L-1”與“Mg2+-48 mg · L-1”兩體系pH降低快慢趨勢(shì)卻隨培養(yǎng)轉(zhuǎn)速的不同而不盡相同.在培養(yǎng)轉(zhuǎn)速為180 r · min-1條件下，“Mg2+-4.8 mg · L-1”體系pH下降速度要快于“Mg2+-48 mg · L-1”體系，而當(dāng)培養(yǎng)轉(zhuǎn)速為100 r · min-1 時(shí)，后者pH下降速度卻快于前者.

　　3.2 不同培養(yǎng)轉(zhuǎn)速下Mg2+對(duì)生物合成次生鐵礦物體系Fe2+氧化率的影響

　　體系Fe2+有效氧化是后續(xù)Fe3+水解產(chǎn)生次生鐵礦物的前提條件.本研究中，“Mg2+-4.8 mg · L-1”與“Mg2+-48 mg · L-1”兩生物合成次生鐵礦物體系在180 r · min-1或100 r · min-1的培養(yǎng)轉(zhuǎn)速下，F(xiàn)e2+氧化率隨時(shí)間的變化趨勢(shì)見圖 2.

　　圖 2 A. ferrooxidans催化合成次生鐵礦物體系不同培養(yǎng)轉(zhuǎn)速條件下Fe2+氧化率變化趨勢(shì)

　　從圖 2可以得出，當(dāng)培養(yǎng)轉(zhuǎn)速為180 r · min-1 時(shí)，“Mg2+-4.8 mg · L-1”與“Mg2+-48 mg · L-1”兩體系均可在48 h內(nèi)實(shí)現(xiàn)Fe2+完全氧化.而當(dāng)轉(zhuǎn)速降低至100 r · min-1 時(shí)，兩體系Fe2+完全氧化時(shí)間要延長(zhǎng)至72 h.然而，任一體系次生鐵礦物合成過程中，F(xiàn)e2+氧化率隨培養(yǎng)時(shí)間均呈現(xiàn)“S型”變化趨勢(shì).例如，“Mg2+-4.8 mg · L-1”體系在180 r · min-1的培養(yǎng)條件下，F(xiàn)e2+氧化率在前12 h僅為9.1%，12~36 h 培養(yǎng)過程中，F(xiàn)e2+氧化率聚增至97%，體系培養(yǎng)至48 h時(shí)，F(xiàn)e2+氧化完全.同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)培養(yǎng)轉(zhuǎn)速為180 r · min-1時(shí)，“Mg2+-4.8 mg · L-1”與“Mg2+-48 mg · L-1”兩體系Fe2+氧化率在0~12 h與36~48 h“首尾”培養(yǎng)期間并不存在明顯差異.而在12~36 h 過程中，“Mg2+-4.8 mg · L-1”體系Fe2+氧化率要明顯快于“Mg2+-48 mg · L-1”體系.例如，在培養(yǎng)至24 h時(shí)，“Mg2+-4.8 mg · L-1”體系Fe2+氧化率達(dá)到78.2%，而“Mg2+-48 mg · L-1”體系僅為50.8%.同樣，當(dāng)培養(yǎng)轉(zhuǎn)速為100 r · min-1時(shí)，“Mg2+-4.8 mg · L-1”與“Mg2+-48 mg · L-1”兩體系Fe2+氧化率在0~24 h與60~72 h“首尾”期間亦不存在明顯差異.差異主要集中表現(xiàn)在24~60 h的培養(yǎng)過程中，然而，與180 r · min-1培養(yǎng)條件所得結(jié)果不同，此時(shí)“Mg2+-4.8 mg · L-1”體系Fe2+氧化率卻稍慢于“Mg2+-48 mg · L-1”體系.例如，在36 h與48 h 時(shí)，“Mg2+-4.8 mg · L-1”體系Fe2+氧化率分別為33.2%與61.9%，而相應(yīng)的“Mg2+-4.8 mg · L-1”體系Fe2+氧化率卻分別為40.0%與77.3%.

　　3.3 不同培養(yǎng)轉(zhuǎn)速下Mg2+對(duì)生物合成次生鐵礦物體系總Fe沉淀率的影響

　　一般而言，次生鐵礦物合成體系總Fe沉淀率越高，意味著較多的Fe參與體系次生鐵礦物的合成.所以，總Fe沉淀率變化情況能夠直接反應(yīng)體系次生鐵礦物合成能力.此研究中，“Mg2+-4.8 mg · L-1”與“Mg2+-48 mg · L-1”兩生物合成次生鐵礦物體系在180 r · min-1或100 r · min-1培養(yǎng)轉(zhuǎn)速下，總Fe沉淀率隨時(shí)間變化趨勢(shì)如圖 3所示.

　　圖 3 A. ferrooxidans催化合成次生鐵礦物體系不同培養(yǎng)轉(zhuǎn)速條件下總Fe沉淀率變化趨勢(shì)

　　從圖 3可以得出，當(dāng)培養(yǎng)轉(zhuǎn)速為180 r · min-1 時(shí)，“Mg2+-4.8 mg · L-1”與“Mg2+-48 mg · L-1”兩體系培養(yǎng)前12 h總Fe沉淀率幾乎可以忽略，而在后期培養(yǎng)過程中，兩體系總Fe沉淀率均呈現(xiàn)逐漸增加趨勢(shì)，然而增加的幅度卻不盡一致.“Mg2+-4.8 mg · L-1”體系在12~48 h培養(yǎng)過程中，總Fe沉淀率從1.0%增加至37.4%.而“Mg2+-4.8 mg · L-1”體系在相應(yīng)時(shí)間，總Fe沉淀率僅從1.0%增加至31.7%.前者總Fe沉淀率較后者提高近18.0%.而當(dāng)培養(yǎng)轉(zhuǎn)速為100 r · min-1 時(shí)，上述兩礦物合成體系在培養(yǎng)前24 h總Fe沉淀率亦可以忽略，培養(yǎng)后期總鐵沉淀率逐漸增加.培養(yǎng)至72 h 體系Fe2+完全氧化時(shí)刻，“Mg2+-4.8 mg · L-1”與“Mg2+-48 mg · L-1”兩體系總Fe沉淀率分別為21.3%與23.0%，前者較后者降低7.4%.需要說明的是，相同礦物合成體系，高轉(zhuǎn)速培養(yǎng)更利于總Fe沉淀轉(zhuǎn)化為次生鐵礦物.圖 3結(jié)果表明，“Mg2+-4.8 mg · L-1”與“Mg2+-48 mg · L-1”兩體系在180 r · min-1條件下培養(yǎng)至Fe2+完全氧化時(shí)，體系總Fe沉淀率較同體系在100 r · min-1培養(yǎng)條件下所得總Fe沉淀率增加了75.6%與37.8%.

　　3.4 不同培養(yǎng)轉(zhuǎn)速下Mg2+對(duì)生物合成次生鐵礦物礦相的影響

　　X射線衍射圖譜(XRD)技術(shù)常常被用來分析礦物的礦相.本研究“Mg2+-4.8 mg · L-1”與“Mg2+-48 mg · L-1”體系在不同轉(zhuǎn)速下培養(yǎng)，當(dāng)Fe2+完全氧化時(shí)的礦物X射線衍射圖譜見圖 4.

　　圖 4 生物合成次生鐵礦物體系亞鐵完全氧化時(shí)礦物X射線衍射圖譜

　　本研究中，所有體系產(chǎn)生的次生鐵礦物X射線衍射圖譜出峰位置及相對(duì)強(qiáng)度近似一致.結(jié)合體系元素組成，參考礦物標(biāo)準(zhǔn)衍射圖譜，發(fā)現(xiàn)本研究不同體系所得到的次生鐵礦物衍射圖譜中主要尖銳強(qiáng)峰(“J”標(biāo)注)出峰位置及相對(duì)強(qiáng)度與標(biāo)準(zhǔn)圖譜中黃鐵礬類物質(zhì)(黃鉀鐵礬：No.22-0827;黃銨鐵礬：No.26-1014;草黃鐵礬：No.31-0650)相關(guān)參數(shù)相一致.研究得到次生鐵礦物特有的微弱寬峰(“S標(biāo)注”)與標(biāo)準(zhǔn)圖譜中標(biāo)準(zhǔn)施氏礦物類物質(zhì)(No.47-1775)相關(guān)參數(shù)近似一致.故可以判定，本研究所有體系產(chǎn)生的次生鐵礦物均應(yīng)為黃鐵礬與施氏礦物共存的混合物.

　　3.5 不同培養(yǎng)轉(zhuǎn)速下Mg2+對(duì)生物合成次生鐵礦物存在形態(tài)的影響

　　本研究中“Mg2+-4.8 mg · L-1”與“Mg2+-48 mg · L-1”兩處理體系Fe2+完全氧化時(shí)刻，體系次生鐵礦物實(shí)際形態(tài)見圖 5.由圖 5可以很直觀的看出，當(dāng)培養(yǎng)轉(zhuǎn)速為180 r · min-1且體系Fe2+完全氧化時(shí)，“Mg2+-4.8 mg · L-1”體系產(chǎn)生的約1.21 g的次生鐵礦物均勻分散在培養(yǎng)液中.而“Mg2+-48 mg · L-1”體系礦物總產(chǎn)量為0.98 g，且約70%次生鐵礦物卻牢固粘附于搖瓶底部.當(dāng)培養(yǎng)轉(zhuǎn)速為100 r · min-1且體系Fe2+完全氧化時(shí)，“Mg2+-4.8 mg · L-1”與“Mg2+-48 mg · L-1”兩處理體系產(chǎn)生的次生鐵礦物均全部粘附于搖瓶底部，礦物產(chǎn)生量分別為0.66 g與0.74 g.

　　圖 5 合成次生鐵礦物合成體系Fe2+完全氧化時(shí)礦物的存在形態(tài)(左： Mg2+-4.8 mg · L-1;右：Mg2+-48 mg · L-1，其它元素組成與9K培養(yǎng)基相同)

　　不同體系次生鐵礦物的存在狀態(tài)在一定意義上決定著體系pH、Fe2+氧化率及總Fe沉淀率的變化趨勢(shì).前人研究證實(shí)，體系中存在的微生物細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)或胞外多聚物，與前期合成的次生鐵礦物可以作為“晶種”加速礦物的后期合成，另外，研究表明，次生鐵礦物對(duì)A. ferrooxidans存在一定量的吸附.本實(shí)驗(yàn)180 r · min-1培養(yǎng)條件，“Mg2+-4.8 mg · L-1”體系合成的礦物均勻分散于體系中，體系均勻分散的微生物菌體與前期合成的次生鐵礦物均有利于后期礦物的進(jìn)一步合成，進(jìn)而加速體系總Fe沉淀率的增加及pH下降.而當(dāng)體系Mg2+為48 mg · L-1時(shí)，體系合成的部分礦物不斷粘附于搖瓶底部，前期合成的次生礦物及其所吸附的微生物菌體無法較好的為后期礦物合成提供模板，進(jìn)而減緩體系總Fe沉淀率增加及pH的下降趨勢(shì).另外，粘附于搖瓶底部的礦物由于吸附固定一定量的A. ferrooxidans，進(jìn)而減弱微生物對(duì)體系Fe2+的氧化能力，且這一推論在本研究3.2節(jié)部分結(jié)果中被很好驗(yàn)證.

　　本實(shí)驗(yàn)100 r · min-1培養(yǎng)條件下，“Mg2+-4.8 mg · L-1”與“Mg2+-48 mg · L-1”兩處理體系產(chǎn)生的次生鐵礦物均全部粘附于搖瓶底部.所以此時(shí)對(duì)體系pH、Fe2+氧化率及總Fe沉淀率變化起主導(dǎo)作用的不再是礦物的存在狀態(tài)，而是體系Mg2+的相對(duì)含量.Mg2+是微生物細(xì)胞內(nèi)酶的重要成分，亦是A. ferrooxidans生長(zhǎng)(或其生長(zhǎng)培養(yǎng)基)必需元素之一，其含量的增加可能會(huì)在一定程度上提高A. ferrooxidans活性，進(jìn)而可在一定程度上提高Fe2+氧化能力及Fe3+的水解速度，進(jìn)而加速總Fe沉淀.筆者認(rèn)為，本研究造成次生鐵礦物在搖瓶底部粘附的主要原因是初期合成的礦物與微生物菌體或微生物胞外多聚物相互作用形成包裹體，在水力剪切條件不足的情況下逐漸沉積粘附于瓶底.本研究結(jié)果已表明，培養(yǎng)轉(zhuǎn)速越低，礦物粘附在搖瓶底部的可能性亦越大，產(chǎn)生次生鐵礦物量相對(duì)較少.另外，由于Mg2+可在微生物胞外多聚物間形成架橋而使得微生物菌體團(tuán)聚，那么Mg2+在A. ferrooxidan胞外多聚物間的架橋作用使得A. ferrooxidans菌體團(tuán)聚體增大，進(jìn)而使得礦物與微生物相互作用形成更大的包裹體，以致增加礦物在瓶底沉積粘附的可能性，本研究培養(yǎng)轉(zhuǎn)速為180 r · min-1 條件下，“Mg2+-4.8 mg · L-1”與“Mg2+-48 mg · L-1”兩處理體系礦物存在形態(tài)可較好的佐證這一推斷.具體參見污水寶商城資料或http://www.northcarolinalenders.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　4 結(jié)論

　　1)培養(yǎng)轉(zhuǎn)速或鎂離子含量可以通過影響體系次生鐵礦物存在形態(tài)及A. ferrooxidans活性來影響次生鐵礦物合成體系Fe2+氧化率、總Fe沉淀率及次生鐵礦物的合成量.

　　2)當(dāng)次生鐵礦物合成體系培養(yǎng)轉(zhuǎn)速較高時(shí)，體系鎂離子含量越高，體系次生鐵礦物與微生物的包裹體越易粘附于反應(yīng)器壁，使得體系一定量微生物由于無法游離于體系而延緩對(duì)Fe2+的氧化，同時(shí)初期合成次生鐵礦物亦無法有效為后續(xù)礦物合成起到“晶種”作用，進(jìn)而使得總Fe沉淀率降低，次生鐵礦物合成量減少.

　　3)當(dāng)次生鐵礦物合成體系培養(yǎng)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，不同鎂離子含量體系產(chǎn)生的次生鐵礦物均易在反應(yīng)器壁吸附，此時(shí)體系鎂離子含量對(duì)微生物活性影響可能是體系Fe2+氧化率、總Fe沉淀率及礦物產(chǎn)生量變化的主導(dǎo)因素.

　　本研究所獲相關(guān)參數(shù)及理念對(duì)生物合成次生鐵礦物工藝的優(yōu)化及其在酸性礦山廢水治理領(lǐng)域應(yīng)用具有一定的借鑒意義.