CN113354189B - 硫还原地杆菌在修复砷污染地下水环境中的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了硫还原地杆菌在修复砷污染地下水中的应用，采用水铁矿对砷污染地下水环境中的砷进行负载，形成载砷水铁矿，且该载砷水铁矿已经老化和失活后，添加硫还原地杆菌进行培养，以对已经老化和失活后的载砷水铁矿所释放的砷进行再固定，并对水铁矿活性位点进行活化。本发明利用G.sulfurreducens的异化铁还原能力，能以水铁矿作为电子受体进行胞外电子传递，能将水铁矿进行还原性溶解，使大粒径，低表面活性的水铁矿转变为小粒径，高表面活性位点“新生”水铁矿，恢复了其固定砷的能力。

Description

硫还原地杆菌在修复砷污染地下水环境中的应用
技术领域
本发明属于微生物环境修复技术领域，具体涉及硫还原地杆菌在修复砷污染地下水环境中的应用。
背景技术
砷(As)是一种众所周知的毒性元素，砷及其所有的化合物都是剧毒的，0.1g的As2O3即可致人死亡。近年来，人类采矿，冶金等工业活动的后遗排放和农业活动的杀虫剂、农药的使用是造成环境中砷污染的主要来源，释放出的砷会在土壤中富集，然后随着环境的变化进入水环境中，对人类健康造成严重威胁，我国有40多个县市超过1500万人面临严重的水环境砷污染问题。因此，水环境中的砷污染问题亟待解决，砷污染的修复治理具有重要的环境意义。
水铁矿由于其高比表面积，表面缺陷(活性位点)性是砷污染地下水修复中最常用、最有效的天然钝化剂，能对水环境中的砷有强烈的吸附和共沉淀作用。现有技术中对水铁矿固定砷的研究主要集中对水铁矿的修饰和负载，提高水铁矿及其复合物固砷效果，优化吸附工艺的性能。CN109453734A公开了一种MnO2改性水铁矿的吸附材料，对As(V)有优良的吸附性能；CN108502962A公开了一种水铁矿-UF膜的组合工艺，同时去除了水中的三价砷和有机物(DOM)，控制了副产物并缓解了膜污染；CN107400515A公开了一种化学-生物钝化剂，将水铁矿与碳渣粉混合后与棘孢木霉菌共培养，干燥研磨后所得的钝化剂减少了农作物对土壤砷的吸收，降低了土壤砷的生物有效性。但上述现有技术并没有解决一个关键性问题：水铁矿由于其弱晶形，在水环境中不稳定，容易团聚为粒径更大矿物和发生转变，丢失大量活性位点，导致固定在表面的砷重新释放到环境，失去固砷能力，造成二次污染。目前现有技术中几乎没有对环境中水铁矿活性位点修复的研究，对砷的固定也仅仅停留在物理化学的吸附沉降，不仅成本高，而且有着二次污染的风险。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提供硫还原地杆菌(Geobactersulfurreducens)在修复砷污染地下水环境中的应用。
本发明的另一目的在于提供一种砷污染地下水环境的修复方法。
本发明的技术方案如下：
硫还原地杆菌在修复砷污染地下水环境中的应用，采用水铁矿对砷污染地下水环境中的砷进行负载，形成载砷水铁矿，且该载砷水铁矿已经老化和失活后，添加硫还原地杆菌进行共培养，以对已经老化和失活后的载砷水铁矿所释放的砷进行再固定，并对水铁矿活性位点进行活化。
在本发明的一个优选实施方案中，在所述砷污染地下水环境中添加乙酸钠作为硫还原地杆菌的碳源。
进一步优选的，所述乙酸钠在所述砷污染地下水环境中的浓度为18-25mM。
更进一步优选的，所述硫还原地杆菌在所述砷污染地下水环境中的共培养温度为25-33℃，时间为17-20d。
再进一步优选的，所述乙酸钠在所述砷污染地下水环境中的浓度为20mM，所述硫还原地杆菌在所述砷污染地下水环境中的共培养温度为30℃，时间为18d。
本发明的另一技术方案如下：
一种砷污染地下水环境的修复方法，采用水铁矿对砷污染地下水环境中的砷进行负载，形成载砷水铁矿，且该载砷水铁矿已经老化和失活，在该砷污染地下水环境中添加硫还原地杆菌进行共培养，以对已经老化和失活后的载砷水铁矿所释放的砷进行再固定，并对水铁矿活性位点进行活化。
在本发明的一个优选实施方案中，在所述砷污染地下水环境中添加乙酸钠作为硫还原地杆菌的碳源。
进一步优选的，所述乙酸钠在所述砷污染地下水环境中的浓度为18-25mM。
更进一步优选的，所述硫还原地杆菌在所述砷污染地下水环境中的共培养温度为25-33℃，时间为17-20d。
再进一步优选的，所述乙酸钠在所述砷污染地下水环境中的浓度为20mM，所述硫还原地杆菌在所述砷污染地下水环境中的共培养温度为30℃，时间为18d。
本发明的有益效果是：
1、本发明利用G.sulfurreducens的异化铁还原能力，能以水铁矿作为电子受体进行胞外电子传递，能将水铁矿进行还原性溶解，使大粒径，低表面活性的水铁矿转变为小粒径，高表面活性位点“新生”水铁矿，恢复了其固定砷的能力。
2、本发明在G.sulfurreducens异化铁还原过程中，G.sulfurreducens通过氧化碳源乙酸钠，将电子传到水铁矿，使铁矿物的Fe(III)还原为Fe(II)，Fe(III)、Fe(II)释放到液相中，在微生物EPS的络合作用下与液相中的As(V)发生共沉淀，对砷的固定起到了双重作用；Fe(II)还能显著提高水铁矿的转化速率，吸附在水铁矿会催化水铁矿发生晶相转变，在晶相转变的过程中，将环境中的As(V)固定在晶核，生成新的载砷次生矿物，对砷的固定起到三重作用。
3、本发明对液相中As(V)的去除率达到100％，克服了环境中水铁矿因为老化和活性位点的丢失而再次释放砷的难题，更充分的利用了水环境中水铁矿固砷的能力，在环境微生物修复治理砷污染领域具有良好的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例1中AF+G.S、AF体系中Fe(II)浓度变化图。
图2为本发明实施例1中AF+G.S、AF体系中As(V)浓度变化图。
图3为本发明实施例1中AF+G.S、AF体系中乙酸钠浓度变化图。
图4为本发明实施例1中AF第0天的矿物扫描电镜图。
图5为本发明实施例1中AF体系第18天的矿物扫描电镜图。
图6为本发明实施例1中AF+G.S体系第18天的矿物扫描电镜图。
图7为本发明实施例1中AF+G.S体系第18天的次生矿物EDS图。
图8为本发明实施例1中AF在第0天和实验组AF+G.S、空白组AF第18天的XRD图。
具体实施方式
以下通过具体实施方式结合附图对本发明的技术方案进行进一步的说明和描述。
实施例1
本实施例利用厌氧血清瓶反应器进行Geobacter sulfurreducens调控水铁矿固定砷。
一、方法：
1)水铁矿的合成及载砷：取40g Fe(NO3)3·9H2O溶于500mL去离子水中，在1000r的搅拌下利用500mL滴液漏斗快速滴加约330mL的1mol/LNaOH溶液，调pH至7.5，此过程中有大量红褐色沉淀生成，即为水铁矿。配制500mL 9.42g/L的Na2HAsO4·7H2O溶液，加入水铁矿混合液中，调pH至7.5，搅拌1h(1000rpm)。静置5h，去上清液后，剩余浊液用去离子水离心(6000rpm，10min)洗涤5-7次，即为载砷水铁矿。冷冻真空干燥24h，过200目筛，密封避光保存。
2)Geobacter sulfurreducens的富集培养：以乙酸钠为电子供体(15mmol/L)、富马酸(40mmol/L)为电子受体、培养温度为30℃培养G.sulfurreducens至对数后期(24h)，厌氧手套箱中收集细胞，将血清瓶反应器中菌液在手套箱中转移至50mL离心管，离心(6000r，10min)，去上清，沉淀即为Geobacter sulfurreducens菌体。
3)反应体系的建立：在105mL厌氧血清瓶反应器中加入50mL以乙酸钠为碳源的培养基，加入0.2g载砷水铁矿，调pH到7.0，混合气(N2∶CO2＝8∶2)吹扫1h(液面下30min，液面上30min)除尽体系中氧气，封住瓶口。高温高压(121℃、20min)灭菌锅将培养基灭菌和释放体系中部分砷。在超净台中用无菌一次性注射器接种细胞，接种G.sulfurreducens的作为实验组(AF+G.S)，不接种的作为空白组(AF)。
4)检测：所有血清瓶反应器在生化培养箱中30℃避光培养。在18天内定期取样对体系元素含量监测，使用菲哕嗪法测样品中Fe(II)，使用原子荧光-高效液相(AFS-HPLC)联用测体系中As(V)，使用HPLC检测体系中乙酸钠浓度。
5)表征：使用SEM-EDS分析水铁矿表面形貌和元素分布，使用XRD分析水铁矿物相变化。
其中，培养基(1L)的配方如下：
2.04g CH3COONa·3H2O；0.04g CaCl2·2H2O；0.1g MgSO4·7H2O；1.8g NaHCO3；0.5g Na2CO3·H2O；1mLNa2SeO4 stock solution；10mL 100X NB salts stock solution；10mL NB mineral elixir stock solution；15mL DL vitamins stock solution；电子受体。
电子受体：富马酸(40mmol/L)(Geobacter sulfurreducens富集培养体系)、含砷水铁矿4g/L。
二、结果验证：
图1是AF+G.S、AF体系中Fe(II)浓度变化图，由于G.sulfurreducens能将体系总载砷水铁矿中的Fe(III)还原为Fe(II)，固检测液相中Fe(II)浓度变化是对G.sulfurreducens功能的一个宏观反映。从图1可以看出实验组AF+G.S中有明显的Fe(II)生成，在第6天时达到最高3.21mM，随后逐渐下降，第18天反应结束时到0.51mM，而空白组AF在整个18天的反应周期中都没有Fe(II)的生成。图2是AF+G.S、AF体系中As(V)浓度变化图，从图2中可以看出在初始点实验组AF+G.S和空白组AF的液相中都释放出了约23.5mg/L的As(V)，实验组AF+G.S液相中的As(V)浓度在第4天开始明显下降，到第10天后溶液中基本检测不到As(V)，而空白组AF的液相中As(V)浓度在18天的周期内都维持在初始浓度23.5mg/L左右。说明AF体系中添加G.sulfurreducens对砷有很好的固定作用。图3是AF+G.S、AF体系中乙酸钠浓度变化图，液相中乙酸钠浓度的变化能很好的反映G.sulfurreducens作用的效果，在实验组AF+G.S中能明显看到乙酸钠的消耗，从初始的20mM到结束时的15mM，而空白组AF的乙酸钠并未消耗。
图4为AF第0天的矿物扫描电镜图，从图4可以看出，体系中AF在灭菌锅老化作用下，表面光滑，粒径较大，比表面积较小，失去大量活性位点，导致大量的As(V)释放到液相中。图5为AF体系第18天的矿物扫描电镜图，从图5中看出空白组AF中的载砷水铁矿形貌与初始时相同。图6为AF+G.S体系第18天的矿物扫描电镜图，从图6中可以看出，载砷水铁矿表面变得粗糙，大量的小粒径颗粒附着在表面，说明由于G.sulfurreducens的异化铁还原能力，使大粒径的AF裂解为小粒径的AF，具有更大的比表面积和更多的活性位点，进而固定了液相中的As(V)。而且生成的Fe(II)和液相中的As(V)生成新的次生载砷矿物，呈片状吸附在原始矿物表面。图7为实验组AF+G.S第18天次生矿物的EDS图，从图7可以看出，次生矿物中也有As的存在，验证了次生矿物对砷固定的推测。图8为AF在第0天和实验组AF+G.S、空白组AF第18天的XRD图谱，从图8可以看出空白组AF在实验结束(第18天)与初始时物相相同，而实验组AF+G.S在第18天时，有明显的针铁矿的特征峰，说明新生的载砷次生矿物为针铁矿。
总体来讲，本实施例利用G.sulfurreducens的异化铁还原能力，对水铁矿进行还原性溶解，使大粒径，低表面活性的水铁矿转变为小粒径，高表面活性位点“新生”水铁矿，恢复和强化其固定砷的能力，同时生成新的次生矿物针铁矿也具有一定的固砷能力，对水环境中的砷污染处理有很好的作用，对微生物的环境重金属污染修复也具有指导意义。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。

Claims (2)

1.硫还原地杆菌在修复砷污染地下水环境中的应用，其特征在于：采用水铁矿对砷污染地下水环境中的砷进行负载，形成载砷水铁矿，且该载砷水铁矿已经老化和失活后，添加硫还原地杆菌进行共培养，共培养温度为30℃，时间为18d，以对已经老化和失活后的载砷水铁矿所释放的砷进行再固定，并对水铁矿活性位点进行活化；其中，在所述砷污染地下水环境中添加乙酸钠作为硫还原地杆菌的碳源，该乙酸钠在所述砷污染地下水环境中的浓度为20mM。
2.一种砷污染地下水环境的修复方法，采用水铁矿对砷污染地下水环境中的砷进行负载，形成载砷水铁矿，且该载砷水铁矿已经老化和失活，其特征在于：在该砷污染地下水环境中添加硫还原地杆菌进行共培养，共培养温度为30℃，时间为18d，以对已经老化和失活后的载砷水铁矿所释放的砷进行再固定，并对水铁矿活性位点进行活化；其中，在所述砷污染地下水环境中添加乙酸钠作为硫还原地杆菌的碳源，该乙酸钠在所述砷污染地下水环境中的浓度为20mM。
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CN108114975A (zh) * 2017-12-07 2018-06-05 中国科学院地球化学研究所 微好氧铁氧化菌团治理砷污染土壤的方法
CN112063385B (zh) * 2020-09-16 2021-04-30 南京大学 一种厌氧条件下高效固定三价砷的钝化剂、其制备方法及其应用

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