酸堿度和鐵離子對毒砂生物氧化作用的影響研究*

陳炳輝,王智美,顏 麗,王夢媛 ,李 文

(1．中山大學地球科學與地質工程學院，廣東 廣州 510275；2. 廣東省地質過程與礦產資源探查重點實驗室，廣東 廣州 510275；3. 廣東藥學院公共衛生學院，廣東 廣州 510310)

硫化物礦物的微生物氧化作用研究被廣泛地應用于濕法冶金領域，認為在氧化亞鐵硫桿菌(A.f.)的作用下，硫化物礦物的氧化速度會加快。近年來，國內外學者開始重視酸性礦山環境中A.f.對黃鐵礦、磁黃鐵礦、黃銅礦、毒砂等硫化物礦物的生物氧化作用的研究[1-9]，發現在pH<4的酸性環境中，硫化物礦物以生物化學氧化過程為主，而且鐵離子會加速硫化物礦物的氧化[1-4]。

毒砂(FeAsS)是金屬硫化物礦床及尾礦中常見的含砷硫化物礦物，毒砂氧化后釋放的砷進入水環境會導致嚴重的生態污染，引起國內學者的關注。郁云妹等研究了毒砂的化學氧化作用與水溶液pH的關系,獲得毒砂氧化釋放的溶解As質量濃度隨溶液pH升高呈V字形變化,pH值在7～8之間最低[8]；張珊珊等通過生物氧化和化學氧化的對比試驗，探討氧化亞鐵硫桿菌與毒砂相互作用的階段性和氧化機制[9]；朱婷婷等實驗研究了毒砂微生物氧化作用形成的次生礦物類型，指出毒砂在A.f.作用下的次生礦物主要為鐵的硫酸鹽、砷酸鹽和亞砷酸鹽；分析了微生物作用前后毒砂表面Fe、As和S三種元素的價態變化，探討了毒砂表面次生礦物成因和As的化學態變化[10]。但不同環境(如pH、Fe2+含量等)對毒砂生物氧化作用的影響還不清楚。

本文利用從大寶山多金屬礦酸性礦山廢水中培養得到的A.f.菌，研究不同初始pH和Fe離子含量對毒砂微生物氧化作用的影響，這不僅有助于深入了解毒砂的微生物氧化機理，而且對富砷酸性礦山廢水的環境治理等方面有參考價值。

1 材料與方法

1.1 9K培養基的配置

準確稱取(NH4)2SO43.00 g，KCl 0.10 g，K2HPO40.10 g ，MgSO4·7H2O 0.50 g, Ca(NO3)20.01 g，雙蒸水600.0 mL，用1∶1 H2SO4調pH為2.00，在121 ℃滅菌15 min, 配制不含Fe的9K培養基。

另稱取FeSO4·7H2O 44.30 g溶于400.0 mL雙蒸水,用同樣的方法將pH調為2.00，用孔徑為0.22 μm過濾器過濾除菌，然后將其與上述不含FeSO4·7H2O的9K培養基混合，配制含Fe的9K培養基。

1.2 氧化亞鐵硫桿菌菌懸液

從大寶山尾礦庫酸性礦山廢水培養得到的A.f.菌株培養液[11]，進行加富培養，用血球計數板計數，實驗用A.f.的菌懸液的密度達到1×107個/mL。

1.3 礦物粉末的制備

將毒砂礦樣敲碎后，在立體顯微鏡下除去多余雜物后，粉碎到直徑小于0.18 mm(過80目篩)，用無水乙醇浸泡30 min后，再用去離子水清洗3遍，放置于真空干燥箱，設定溫度為50 ℃，2 h后取出并封存。

1.4 實驗過程

所有浸泡實驗均在潔凈工作臺(潔凈等級100級)完成。浸泡實驗在250 mL的錐形瓶中進行，礦漿質量濃度為3 g/mL(100 mL溶液中含3 g毒砂粉末)。將毒砂粉末加入到含有Fe2+和不含Fe2+的9K培養基中，接種10%(加入的菌懸液/溶液總體積)的A.f液懸液，用1∶1的H2SO4調節pH，分別為2.00、3.00和3.50，將錐形瓶放置于振蕩器(HZQ-C空氣浴振蕩器)，培養溫度為30 ℃，轉速為150 r/min，每日振蕩20 h。同時進行無菌浸泡的對比實驗。定期測定溶液中As離子、Fe2+質量濃度和pH值。

文中樣品代號的含義：Y-2、Y-3、Y-3.5分別表示初始pH2.00、pH3.00和pH3.50，均為不含Fe2+的9K培養基，接種A.f.浸泡；FeWY-2、FeWY-3、FeWY-3.5分別表示初始pH2.00、pH3.00和pH3.50，均為含Fe2+的9K培養基,無菌浸泡；FeY-2、FeY-3、FeY-3.5分別表示初始pH2.00、pH3.00和pH3.50，均為含Fe2+的9K培養基, 接種A.f.浸泡。

1.5 分析測試方法

實驗溶液中的陽離子利用IRIS(HR)等離子體原子發射光譜儀(ICP-AES)分析，pH值利用PHS-25型精密pH計測定。

2 實驗結果

2.1 浸泡實驗過程溶液變化

在含鐵9K培養基有菌氧化實驗中，初始pH2.00的溶液，前23 d顏色變化不大，后7 d顏色變化較為明顯，至第30天反應結束，溶液變為深綠色；初始pH3.00的溶液，前23天變化微弱，較初始pH2.00溶液顏色稍深，至第30天結束，溶液變為黃綠色；初始pH3.50的溶液變化較為明顯，第2天即已變為土黃色，第6天時為黃褐色且有褐色沉淀生成，至反應結束溶液已變為黃色，大量沉淀附著于瓶壁和瓶底。

在含鐵9K培養基無菌氧化實驗中，初始pH2.00的溶液，與加入菌體同等pH條件下顏色變化類似，前23 d溶液顏色除稍變渾濁外，無其他明顯變化，至第30天反應結束，溶液變為深綠色；初始pH3.00的溶液，前23 d變化非常微弱，可見其逐漸變渾濁的過程，后7 d變化明顯，實驗結束，變為黃綠色，比加入菌體溶液顏色稍淺，偏渾濁；初始pH3.50的溶液變化比較特殊，瓶壁未見沉淀。

在無鐵9K培養基有菌氧化的實驗溶液,顏色變化不如含鐵9K培養基溶液明顯。初始pH2.00的溶液顏色變化比初始pH3.00的溶液變化明顯，前23 d變化較為微弱，稍渾濁，至第30天，前者顏色為深綠色，色澤鮮艷，后者顏色明顯稍淺，混雜灰色；而初始pH3.50的溶液，前23 d溶液顏色時候未見變化，第23天開始稍顯渾濁，至第30天溶液完全變為深綠色，且瓶壁有大量沉淀附著。

2.2 浸泡實驗過程溶液陽離子質量濃度

浸泡實驗過程溶液中As離子和Fe2+離子質量濃度變化如表1所示。

2.3 浸泡實驗過程溶液pH變化

浸泡實驗過程溶液pH變化如表2所示。

3 討 論

3.1 不同初始pH值對毒砂生物氧化溶液As離子質量濃度的影響

為了排除Fe2+對毒砂生物氧化作用的影響，利用不同初始pH值含菌不含鐵培養基實驗溶液As離子質量濃度變化來討論不同初始pH值對毒砂生物氧化的影響。從圖1可以看出，反應前11d，各溶液中As離子質量濃度變化規律較好，呈上升趨勢，且初始pH2.00的溶液中As離子的溶出速率較快，初始pH3.00和3.50的溶液As離子質量濃度變化較慢，到第11天，初始pH2.00、3.00和3.50的實驗溶液中As離子質量濃度分別為616.5, 80.0和48.6 mg/L(表1)，說明反應開始pH越低，毒砂生物氧化速度越快。

表1 實驗溶液中As離子和Fe2+質量濃度1)

1) 分析單位：中山大學測試中心；第1、3、7天測試時稀釋5倍，其它測試時稀釋50倍；最低檢測限: As為0.05 mg/L

從第11-23天，各溶液中As離子質量濃度變化趨勢比較復雜，這可能與反應一段時間后毒砂氧化釋放出的Fe2+以及溶液變化過程見到的次生礦物的沉淀有關。但到反應第30天，初始pH2.00、3.00和3.50的實驗溶液中As離子質量濃度分別為847.5, 239.0和57.0 mg/L，三者比例大約為15∶4∶1。即反應30 d后初始pH2.00比初始pH3.50的溶液中As離子質量濃度要高大約15倍。

表2 浸泡實驗過程溶液pH值

圖1 不同初始pH值含菌不含鐵培養基實驗溶液As離子質量濃度變化

3.2 Fe2+對毒砂生物氧化作用的影響

圖2分別對比了初始pH2.00、3.00和3.50的不含鐵和含鐵培養基的含菌實驗結果，可以明顯看出，相同初始pH的含鐵培養基比不含鐵培養基的實驗溶液As離子質量濃度要高得多，實驗30 d后，初始pH2.00, 3.00和3.50的含鐵培養基溶液中As離子質量濃度(分別為1 564.5, 1 419.0和2 550.5 mg/L)比不含鐵培養基溶液中As離子質量濃度(分別為847.5, 239.0和57.0 mg/L)分別高出約2、6和45倍。

參照實驗結果中實驗過程溶液變化情況，含鐵培養基比不含鐵培養基實驗系列中溶液顏色變化和沉淀情況要復雜，溶液中As離子質量濃度變化未必真正反映毒砂的氧化速率，但結果還是可以說明Fe2+對毒砂生物氧化有明顯的促進作用。

3.3 Fe2+對毒砂氧化作用過程溶液pH的影響

從表2可以看出有鐵培養基無菌(FeWY2、FeWY3、FeWY3.5)和有鐵培養基有菌(FeY2、FeY3、FeY3.5)相同初始pH的溶液，在氧化過程中pH變化類似，并且始終保持pH在4.00以下。

圖2 不同初始pH的含鐵培養基和不含鐵培養基的含菌實驗溶液As離子質量濃度變化

圖3 不同初始pH的無鐵有菌和有鐵有菌實驗溶液pH值變化

對比無鐵培養基有菌(Y2、Y3、Y3.5)和有鐵培養基有菌(FeY2、FeY3、FeY3.5)實驗結果(圖3)，初始pH2.00的溶液在整個實驗過程中，始終保持pH<4.0的酸性環境，Fe2+對溶液pH變化影響不大。但初始pH3.00和3.50的溶液，無鐵培養基實驗溶液第1天后，pH迅速上升到7.0以上，之后有緩慢下降，但保持在較高的pH5.0～8.0之間；而含鐵培養基實驗溶液中卻始終保持pH在4.0以下，結果說明Fe2+對毒砂氧化過程保持低pH溶液起重要作用。

3.4 氧化亞鐵硫桿菌對毒砂氧化溶液As離子質量濃度的影響

圖4分別表示出了初始pH2.00、3.00和3.50的含鐵無菌和含鐵含菌實驗結果，可見反應的前11 d，含菌與不含菌實驗溶液As離子質量濃度和變化趨勢基本一致，但第11天后，無菌實驗溶液As離子質量濃度變化比較復雜，含菌實驗液As離子質量濃度穩步上升，而且30 d后總體上(除了初始pH3.00第30天的數據之外)含菌實驗溶液As離子質量濃度比不含菌實驗溶液As離子質量濃度要高。但從實驗階段的結果來看，無菌和含菌氧化實驗溶液As離子質量濃度差別不是很大，這可能說明Fe2+的加入，改變的溶液的pH值(保持低pH值)，對毒砂氧化起更重要的作用。

圖4 不同初始pH的無菌和含菌含鐵培養基實驗溶液As離子質量濃度變化

4 結 論

在初始pH為2.00、3.00和3.50的酸性條件下，利用A.f對毒砂進行為期30 d的氧化模擬實驗，獲得如下結論：

1)在pH值為2.00～3.50的極端酸性環境下，低pH可促進毒砂的微生物氧化作用。

2)Fe2+會使毒砂生物氧化過程pH保持在4.0以下進行，促進毒砂氧化，提高釋放的As離子質量濃度。

致謝：感謝中山大學地球科學與地質工程學院張恩副教授為本文提供毒砂樣品。

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