微生物异化还原含Cd聚合硫酸铁絮体过程中影响因素的研究

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絮凝是处理突发性水体镉污染事故的常用技术,聚合硫酸铁(Polyferric sulfate,PFS)是常用的絮凝剂,PFS可以快速絮凝水体中的Cd2+形成含Cd絮体进入沉积物中,从而降低水相中Cd2+浓度,让河水水质达标。我们前期研究发现,沉积物中的含Cd絮体可以被异化铁还原菌(Dissimilatory iron-reducing bacteria,DIRB)还原溶解,再次将Cd释放出来;而沉积物中除存在DIRB外,还广泛存在着腐殖质、重金属离子、磷酸氢盐等物质,这些物质的存在会怎样影响微生物还原含Cd絮体的还尚不知晓。因此,本研究以含Cd絮体为研究对象,选取典型的腐殖质模型物蒽醌-2-磺酸钠(Disodium anthraquinone-2-sulfonate,AQS),通过改变AQS浓度、添加重金属Zn2+和Cu2+和不同浓度的NaH2PO4×2H2O等条件,探讨不同环境因子对异化铁还原菌Shewanella oneidensis MR-1异化Fe(III)还原、Cd释放及二次矿物生成的影响;同时探讨了异化铁还原菌Shewanella putrefaciens CN32对含Cd絮体还原溶解及二次矿物生成的影响。主要研究结论如下:(1)AQS可以促进MR-1还原絮体中的Fe(III),同时促进絮体中Cd2+的释放。低浓度AQS的促进作用明显高于高浓度AQS。反应后期溶液中Cd2+的下降是由于菌体表面羧基和醇羟基或醚基团、针铁矿和磁铁矿对Cd2+的吸附或络合作用。且随着AQS浓度的增大,二次矿物针铁矿和磁铁矿的结晶度更差;AQS的存在对镉的直接释放和间接释放风险都增大,低浓度AQS体系中镉的直接释放风险更大。(2)重金属Zn2+或Cu2+的添加抑制了微生物还原絮体中Fe(III),可萃取态Fe(II)和溶液中Cd2+的浓度均低于对照组,且添加Cu2+的实验组絮体中的Fe(III)还原及Cd释放的抑制效果更明显。由XRD表征结果可知,添加重金属Zn2+或Cu2+并没有改变矿物的种类,但在一定程度上抑制了磁铁矿的生成,FTIR也证实了XRD的分析结果。(3)在反应前120h,NaH2PO4×2H2O的添加明显抑制了絮体中Fe(III)的还原,进而减少了溶液中Cd2+的释放;随着NaH2PO4×2H2O浓度的增大,抑制效果越明显;而反应后期,推测NaH2PO4×2H2O可以作为营养物质被微生物利用,增强了细胞活性,继续还原絮体中的Fe(III),Cd2+的释放量也随之增大。添加NaH2PO4×2H2O的体系生成的二次矿物为蓝铁矿,且随着NaH2PO4×2H2O浓度的升高,生成的蓝铁矿结晶度更好。(4)与S.oneidensis MR-1还原含Cd絮体的体系相比,含S.putrefaciens CN32体系中可萃取态Fe(II)最高浓度和Cd2+的最大释放量分别是前者的1.24倍和3.22倍;CN32具有更强的Fe(III)还原能力,生成的针铁矿结晶度更好。
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