论文部分内容阅读
细菌胞外聚合物(EPS)是细菌生长代谢过程中分泌的生物大分子聚合物的总称。EPS与土壤固相的界面作用深刻影响着生物膜的形成、细胞的迁移、矿物的溶解和生物成矿、土壤的形成等诸多地球化学过程,其在重金属等污染物富集中的重要作用也日益受到关注。本文以土壤中常见细菌的EPS和典型矿物、采集并提取的地带性土壤(棕壤)各粒级土壤颗粒为供试材料,基于化学分析方法,综合运用DLVO理论、等温滴定量热(ITC)、扫描电镜(SEM)、傅立叶红外光谱(FTIR)和X-射线吸收精细结构谱(XAFS)等手段,研究了EPS在土壤颗粒和矿物表面的吸附行为和作用机理。表征了6种细菌EPS生物化学性质,考查了它们在针铁矿表面的吸附及其对Cu(Ⅱ)的吸附能力,从统计学角度分析了EPS生物化学性质与吸附的相关性,获得如下主要结果：(1)比较了枯草芽孢杆菌EPS在土壤不同粘土矿物和氧化物表面的吸附行为和作用机理。EPS主要组分为多糖和蛋白质,含量分别为437.6±11.8mg g-1和249.1±3.3mg g-1,并含有少量的核酸(9.9±0.2mg g-1)。EPS含有的官能团分别是羧基(pKa=4.58±0.33)、磷酸基(pKa=6.49±0.18)、氨基或羟基(pKa=9.11±0.41)。蒙脱石、高岭石和针铁矿对EPS-C、-N和-P的等温吸附趋势均能较好地拟合Langmuir方程。蒙脱石对EPS-C的吸附量分别是针铁矿和高岭石4.8倍和8.9倍,对EPS-N的吸附量分别是针铁矿和高岭石8.9倍和16.2倍。针铁矿对EPS-P的吸附量大约是蒙脱石和高岭石的5倍。因此,含有EPS-C和-N的多糖和蛋白质等组分主要被蒙脱石优先吸附,而含有EPS-P的核酸组分则优先吸附于针铁矿表面。EPS在针铁矿表面的吸附亲和力最高,高岭石次之,蒙脱石最小。EPS在矿物表面的吸附随着pH的降低和离子强度的升高而升高,吸附与EPS和矿物表面zeta电位密切相关,静电力主导EPS在矿物表面的吸附。结合FTIR结果可知,除了静电力之外,氢键参与了EPS在蒙脱石和高岭石表面的吸附,配位交换也是针铁矿选择吸附EPS组分的作用力之一。(2)联用DLVO理论、ITC、SEM、FTIR和XAFS技术,结合化学平衡吸附,揭示了恶臭假单胞菌EPS与粘土矿物和氧化物的界面作用机理。恶臭假单胞菌EPS中多糖、蛋白质和核酸的含量分别为532.2±7.0mg g-1、152.2±1.8mg g-1和9.2±0.2mg g-1。随着pH3.0升高到9.0,蒙脱石、高岭石和针铁矿对EPS各元素的吸附百分比均呈下降趋势,这一现象符合DLVO理论,表明静电力主导了EPS在矿物表面的吸附。同时,DLVO理论作用势能估算结果表明,其它引力作用如氢键、疏水作用和共价键也参与了EPS在蒙脱石(pH≥3.0)、高岭石(pH≥5.0)和针铁矿(pH≥9.0)表面的吸附。SEM结果显示,体系pH为7.0时,相比EPS-蒙脱石和EPS-高岭石复合体,EPS-针铁矿复合体结构更加紧密,这与针铁矿等温吸附EPS-C、-N和-P的拟合亲和力参数K均高于蒙脱石和高岭石的现象一致。EPS在矿物表面的吸附是一个放热过程(△Had=-0.02～-12.34Jg-1),这种负吸附焓变是由除静电力外的多种作用力(如氢键、疏水作用和共价键)共同参与作用的结果。FTIR结果证实了EPS在粘土矿物表面吸附过程中有氢键的形成,针铁矿吸附EPS时形成了P-OFe配位键。XAFS明确了EPS中磷酸基团与针铁矿表面内圈络合物的配位信息,结果表明,pn较低时磷酸基团与针铁矿表面羟基为单齿配位,随着pH升高时逐渐转变为双齿配位。(3)考查了不同土壤颗粒对EPS的吸附及离子强度对吸附的影响。恶臭假单胞菌EPS在土壤颗粒表面的吸附可用Langmuir方程定量描述。EPS主要吸附在土壤粘粒表面,有机质的存在阻碍了EPS在土壤颗粒表面的吸附。来源于EPS中蛋白质等分子的EPS-C和-N组分主要被在土壤中的粘粒优先吸附,其中对EPS-N的选择性更强,粉粒和砂粒优先吸附含EPS-C的组分,如多糖等分子。体系pH为6.0时,随着NaCl和CaCl2浓度从0mM增加到30mM, EPS-C和_N在土壤颗粒表面的吸附百分比显著增加,继续增加离子浓度,吸附增加趋势趋于平缓。然而,土壤颗粒对EPS-P的吸附百分比随着离子浓度的增加呈下降的趋势。DLVO理论能够解释土壤粒级和有机质对EPS吸附的影响,以及EPS-C和-N吸附随离子强度变化的趋势,但不能解释离子强度对EPS-P在土壤颗粒表面吸附的影响,这说明EPS-P在土壤颗粒表面的吸附机制不同于EPS-C和_N。(4)全面表征了不同来源EPS的生物化学性质,查明了决定EPS在矿物表面吸附及对重金属固定的关键因子。6种细菌EPS中,多糖和蛋白质含量合计占EPS总质量的65%-86%,多糖与蛋白质含量比在0.14-6.81之间：官能团总量在7.61±0.39mmol g-1至34.78±0.38mmol g-1范围内,平均为23.5±0.66mmol g-1;平均分子量在2.19×104g m01-1至3.51×105g mol-1之间；表面均带负电荷,等效直径在525.9-1701nm范围内。EPS在针铁矿表面的吸附都可用Langmuir模型来描述,与其它5种EPS相比S. suis EPS在针铁矿表面的吸附吸附量较大,并呈不同的吸附趋势。聚合物分子间的作用可能使S. suis EPS在针铁矿表面发生多层吸附。EPS在针铁矿表面的吸附与EPS的大分子组成密切相关,尤其是蛋白质含量决定了EPS在针铁矿表面的吸附量。不同细菌EPS对Cu(Ⅱ)的吸附差异非常明显,吸附量最高可达830.6mg g-1。EPS团聚颗粒的等效粒径是影响EPS对Cu(Ⅱ)的重要因素。