文章编号：1004-0609(2014)05-1352-07

氧化亚铁硫杆菌淋滤重金属污染底泥的动力学

徐  颖^{1, 2}，谢志钢²，薛  璐²，冯岳阳²，陈  玉²，孙  瑛²

(1. 河海大学 浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室，南京 210098；

2. 河海大学 环境学院，南京 210098)

摘  要：针对氧化亚铁硫杆菌生物(T. f)淋滤法处理重金属污染底泥进行实验研究。采用分批摇床培养方法，分析生物淋滤过程中Fe²⁺浓度对底泥酸化、微生物生长、Fe²⁺氧化以及底泥中重金属溶出率的影响；借助Monod方程得到不同Fe²⁺浓度下氧化亚铁硫杆菌的最大比生长速率及饱和常数；通过经验方程推导出不同Fe²⁺浓度下重金属离子Cu²⁺和Zn²⁺的溶出速率常数。结果表明，当Fe²⁺浓度由2.0 g/L增加到10.0 g/L时，氧化亚铁硫杆菌的最大比生长速率由0.126 h^-1上升到0.159 h^-1，饱和常数由0.881 g/L下降到0.327 g/L，重金属的溶出速率常数与Fe²⁺浓度呈正相关；当Fe²⁺浓度超过10.0 g/L时，氧化亚铁硫杆菌的最大比生长速率降低，而饱和常数增大。随着Fe²⁺浓度的增加Fe²⁺氧化速率增大。综合各个动力学参数可知，Fe²⁺浓度为10.0 g/L是生物淋滤体系的最佳底物浓度。

关键词：重金属；氧化亚铁硫杆菌；生物淋滤；动力学

中图分类号：X524        　   　     文献标志码：A

Bioleaching kinetics of heavy metal from contaminated sediment by Thiobacillus ferrooxidans

XU Ying^{1, 2}, XIE Zhi-gang², XUE Lu², FENG Yue-yang², CHEN Yu², SUN Ying²

(1. Key Laboratory of Integrated Regulation and Resource Development on Shallow Lake of

Ministry of Education, Hohai University, Nanjing 210098, China;

2. College of Environment, Hohai University, Nanjing 210098, China)

Abstract: The bioleaching kinetics of heavy metal from contaminated sediment was studied by batch experiments with Thiobacillus ferrooxidans (T. f). The effects of Fe²⁺ concentrations on the sediment acidification, the growth of T. f, Fe²⁺ oxidation, and solubilization ratio of  heavy metal during the bioleaching process were investigated. Monod equation was used to derive the maximum specific growth rate and the saturation constant of the T. f with different Fe²⁺ concentrations. An empirical equation was also used to derive the rate constants of heavy metal ions (Cu²⁺ and Zn²⁺) solubilization with different Fe²⁺ concentrations. The results show that when Fe²⁺ concentration increases from 2.0 g/L to 10.0 g/L the maximum specific growth rate of T. f increases from 0.129 h^-1 to 0.159 h^-1, the saturation constant reduces from 0.881 g/L to 0.327 g/L and the rate constant of heavy metals solubilization is linearly dependent on the Fe²⁺ concentrations. When Fe²⁺ concentrations is over 10.0 g/L, the maximum specific growth rate of the T. f reduces, while the saturation constant increases. The Fe²⁺ oxidation rates increase with increasing the Fe²⁺ concentrations. Taking all the kinetics parameters into account, the optimal concentration of Fe²⁺ is found to be 10.0 g/L.

Key words: heavy metal; Thiobacillus ferrooxidans; bioleaching; kinetics

近年来为改善城市水体和人居环境质量，我国许多河湖进行了较大规模的疏浚，清淤底泥的处置已成为环境治理的一大难题^[1]。由于疏浚底泥含有大量的营养物，所以，土地利用成为消纳疏浚底泥的有效途径。由于城市河湖底泥中往往含有高浓度的重金属，在底泥土地利用后，重金属的迁移转化将会危害人类健康和环境安全，因此，在土地利用前去除底泥所含重金属非常必要。目前，重金属的去除方法主要包括电动技术法、生物淋滤法、化学试剂浸提法、植物提取法以及离子交换法、微波法和吸附法等。其中，传统的化学方法去除效果明显，但处理费用较高，难于在实践中普遍应用^[2]。

生物淋滤法是国际上近年来兴起的一项非常有前景的金属浸提技术，该方法主要利用自然界中一些微生物的直接作用或其代谢产物的间接作用，将固相重金属分离出来，从而达到处理效果。与化学浸提法相比，生物淋滤法具有反应温和、耗酸少、运行成本较低等优点^[3-4]，已经成功运用于污水污泥及焚烧飞灰中重金属去除、重金属污染土壤及河流底泥的修复、工业废弃物中重金属脱除及贵重金属的回收等方面^[5-8]。中国对生物淋滤法的研究起步较晚，主要涉及生物淋滤处理污水污泥、河道底泥及焚烧飞灰中重金属的影响因 素研究^[9-11]，对于从动力学角度研究底物浓度对生物淋滤重金属污染底泥的研究报道较少。生物淋滤应用较多的菌种为氧化硫硫杆菌(Thiobacillus thiooxidans, T. t)和氧化亚铁硫杆菌(Thiobacillus ferrooxidans, T. f)等嗜酸性硫杆菌，小分子有机物对其生长会产生抑制作用。底泥中富含的溶解性有机质是否会对微生物的生长产生威胁，这与生物淋滤的效果直接相关。因此，在底泥介质中对微生物生长及底物Fe²⁺的氧化动力学进行研究，对于揭示细菌的氧化机制，提高细菌氧化速率，优化生物淋滤底泥的工艺条件具有重要的参考价值。

本文作者研究采用分批摇床培养方法，分析氧化亚铁硫杆菌生物淋滤过程中Fe²⁺浓度对底泥酸化、微生物生长、Fe²⁺氧化以及底泥中重金属溶出率的影响，借助Monod方程研究不同底物浓度下微生物生长的动力学参数，通过经验方程推求出不同Fe²⁺浓度下Cu²⁺和Zn²⁺的溶出速率常数，分析底物浓度对底泥中重金属溶解速率的影响，为生物淋滤治理污染底泥技术提供支撑。

1  实验

1.1  样品采集及其特性

本研究中采集南京市秦淮河底泥进行实验，底泥pH 7.38；总氮含量0.223%；总磷含量0.004%；有机质含量5.03%(质量分数)；Cu含量99.28 mg/kg；Zn含量422.59 mg/kg。

1.2  样品分析方法

总氮含量采用开氏消煮法测定，总磷含量采用酸溶-钼锑抗比色法测定，有机质含量采用低温外热重铬酸钾氧化-比色法测定，Cu、Zn使用ICP-AES方法测定，pH、氧化还原电位(ORP)采用pH/ORP计测定，Fe²⁺、总铁用邻菲啰啉分光光度法测定，微生物采用血球计数板计数，底泥中重金属形态由BCR逐级提取法测定^[12-13]。

1.3  氧化亚铁硫杆菌的驯化

氧化亚铁硫杆菌(由南京大学地球科学与工程学院提供)接种于9K培养基中，将盛菌液的锥形瓶放入灭菌摇床中，在30 ℃、180 r/min条件下培养，定期监测pH变化。当pH降至2以下时，吸取20 mL菌液，放置在180 mL含20 g/L底泥的9K培养基中，在30 ℃下振荡培养，pH降至2以下时停止。反复驯化3次所得的驯化菌液即为底泥生物淋滤实验的接种物。

1.4  生物淋滤实验分批培养

称取4 g经风干研磨并过孔径150 μm筛的底泥添加到500 mL洁净的锥形瓶中，用8层纱布和牛皮纸封口，放入高压灭菌锅内在121 ℃进行湿热灭菌30 min，冷却后精确量取180 mL Fe²⁺浓度分别为2.0、4.0、6.0、8.0、10.0、12.0、20.0 g/L的灭菌9K培养液(pH为3)于灭菌锥形瓶中，并加入20 mL接种液。将盛有混合液的锥形瓶放入灭菌摇床中，在30 ℃、180 r/min条件下进行培养。定期在生物淋滤反应体系中取一定量的上清液，用孔径0.45 μm的滤膜过滤，然后测定金属Cu²⁺、Zn²⁺、Fe²⁺及总铁(Fe_T)的浓度，同时取上清液进行微生物计数，测定反应体系中的pH及ORP。每组实验反复进行3次，同时做Fe²⁺浓度为10.0 g/L不接种菌液的对照实验。

2  结果与讨论

2.1  不同Fe²⁺浓度下pH和ORP随时间的变化

氧化亚铁硫杆菌浸出污泥中的重金属有2种作用机理^[14]。直接机理的反应式为

MS+2O₂M²⁺+                               (1)

根据直接机理，底泥中的金属硫化物通过微生物的作用直接被氧化亚铁硫杆菌氧化成可溶性的金属硫酸盐浸出。间接机理的反应式为

2FeSO₄+0.5O₂ +H₂SO₄Fe₂(SO₄)₃ +H₂O        (2)

4Fe₂(SO₄)₃+2MS+4H₂O+2O₂→2MSO₄+8FeSO₄+4H₂SO₄                      (3)

按照间接机理，氧化亚铁硫杆菌首先将硫酸亚铁氧化成硫酸铁(式(2))，然后硫酸铁将金属硫化物氧化成金属硫酸盐浸出(式(3))，反应式(2)和(3)构成了氧化-还原的循环系统，使越来越多的重金属溶解到液相，反应式(3)中生成的硫酸降低了淋滤体系的pH值，加快了底泥中重金属的溶解。ORP的上升主要是由于嗜酸性硫杆菌的催化氧化作用，将中间产物还原态硫氧化成硫酸以及将Fe²⁺氧化成Fe³⁺。因此，pH和ORP是表征生物淋滤作用强弱的重要指标，pH降低表明生物淋滤启动，ORP上升表明生物淋滤中嗜酸性细菌大量增殖^[15]。

图1  不同初始Fe²⁺浓度下pH、ORP随时间的变化曲线

Fig. 1  Changing curves of pH and ORP with time at different initial Fe²⁺concentrations

图1所示为不同Fe²⁺浓度下pH、ORP随时间的变化。由图1可知，对照组pH较高，且ORP上升很慢，这是因为Fe²⁺化学氧化速率远低于生物氧化速  率^[16]。不同底物浓度下各实验组的初始pH基本相同，但初始ORP随着Fe²⁺浓度的升高而略有降低。在生物淋滤过程中，Fe²⁺浓度由2.0 g/L增加至10.0 g/L时，pH的下降速率及ORP增加速率均逐渐增大。当Fe²⁺浓度超过10.0 g/L后，pH的下降速率及ORP增加速率逐渐降低，这可能由于Fe²⁺浓度过高抑制了氧化亚铁硫杆菌的活性。

2.2  Fe²⁺浓度对氧化亚铁硫杆菌生长的影响

在生物淋滤的实验过程中，按一定的时间间隔测定氧化亚铁硫杆菌的数量，绘制氧化亚铁硫杆菌数量随时间变化曲线(见图2)，然后利用数值微分法按式(4)计算比生长速率：

                                 (4)

式中：μ_i和X_i分别为t_i时刻微生物比生长速率(h^-1)和微生物数量(mL^-1)。

联合μ_i与t_i时刻Fe²⁺的浓度，绘制不同初始Fe²⁺浓度下t_i时刻Fe²⁺浓度与μ_i的关系(见图3)。将图3中的数据代入Monod方程^[16-17]：

                                 (5)

式中：μ^*、和S分别为最大比生长速率(h^-1)、饱和常数(μ=1/2μ^*时Fe²⁺的浓度，g/L)和t_i时刻Fe²⁺的浓度(g/L)。用麦夸特(Levenberg-Marquardt, LM)方法进行非线性拟合，得到不同初始Fe²⁺浓度下的最大比生长速率及饱和常数(见表1)。将表1中的μ^*和值代入方程(5)得到图3中的曲线，由图3可见，拟合值与实验数据吻合较好。

表1  不同初始Fe²⁺浓度下T. f的动力学参数

Table 1  Kinetic parameters obtained at different initial Fe²⁺concentrations for T.f

比生长速率描述了细胞生长率与细胞数量的比例关系，比生长速率越大细胞的生长速度越快；表示微生物对营养物的亲和特性，越小，亲和力越强。根据表1，随着Fe²⁺浓度的增加，μ^*呈现先增加后下降的趋势，而的规律与μ^*相反，说明随着Fe²⁺浓度的增加，细菌生长速率加快，Fe²⁺的氧化速率也加快，但当Fe²⁺浓度增加到一定程度时，底物对微生物生长产生抑制作用，导致最大比生长速率降低。是表征细菌的特征常数之一，的大小与微生物细胞对限制性底物依赖性的大小成反比，当比生长速率达最大值时，达最低值，此时细菌对Fe²⁺的亲和力最强，该条件细菌最适合生长。综合动力学参数μ^*和的变化规律可见，在生物淋滤体系中Fe²⁺10.0 g/L是细菌的最适生长浓度。

图2  不同初始Fe²⁺浓度下氧化亚铁硫杆菌的生长曲线

Fig. 2  Growth curves of T. f at different initial Fe²⁺ concentrations

图3  不同初始Fe²⁺浓度下t_i时刻Fe²⁺浓度与μ_i的关系

Fig. 3  Relationship between Fe²⁺concentration and μ_i at different initial Fe²⁺concentrations

2.3  Fe²⁺浓度对Fe²⁺氧化速率的影响

图4(a)所示为Fe³⁺浓度随时间的变化曲线，因对数生长期内Fe³⁺的产量与时间呈线性相关，故利用式(6)^[18]可得Fe²⁺的氧化速率(见表2)，Fe²⁺的氧化速率随时间的变化曲线如图4(b)所示。

图4  不同初始Fe²⁺浓度下Fe³⁺产量及Fe²⁺的氧化率随时间的变化

Fig. 4  Variations in Fe³⁺ production and Fe²⁺ oxidation rate with time at different initial Fe²⁺concentrations

                              (6)

由表2和图4(b)可知，Fe²⁺的氧化速率k_Fe随Fe²⁺浓度的增加而增加，但Fe²⁺的氧化速率随Fe²⁺浓度的增加出现了明显的延迟期。这是因为当Fe²⁺浓度较低时，进入对数期后，由于受底物浓度的限制，Fe²⁺氧化速率偏低；当Fe²⁺浓度升高到一定程度后会对氧化亚铁硫杆菌的生长产生抑制作用，氧化亚铁硫杆菌需要更长的适应期，因此延迟期增长，但进入对数期后Fe²⁺氧化速率较高。因为Fe²⁺氧化与微生物生长同步，所以，Fe²⁺氧化的延迟期能反映微生物的生长状况。可见，在生物淋滤过程中适当提高Fe²⁺浓度有利于氧化亚铁硫杆菌的生长。淋滤体系中Fe³⁺浓度随着Fe²⁺浓度的增加而增加，尽管Fe³⁺能有效加速重金属的浸出，但Fe³⁺的硫酸盐在低pH时易发生水解，生成黄铁钒沉淀(MFe₃(SO₄)₂(OH)₆，M=K⁺，Na⁺，NH₄⁺等)。由于沉淀阻碍了微生物或Fe³⁺与底泥中金属硫化物的直接接触，显著抑制生物淋滤效率；沉淀还易与体系中其他重金属离子产生共沉淀，降低底泥中重金属的去除率。因此，生物淋滤过程中需将Fe²⁺浓度控制在合适范围内。

表2  不同初始Fe²⁺浓度下Fe²⁺的氧化速率

Table 2  Variation of Fe²⁺ oxidation rate at different initial Fe²⁺concentrations

2.4  Fe²⁺浓度对重金属溶出率的影响

重金属的溶出速率可由经验方程^[19]表示：

                            (7)

式中：k_m为重金属溶出的速率常数(h^-1)，m_s0为原底泥中重金属的质量(mg)，m为各时刻液相中重金属的不同初始质量(mg)，t为时间(h)。

不同初始Fe²⁺浓度下重金属的溶出率如图5所示。利用图5数据，根据式(7)得到不同底物浓度下重金属溶出的速率常数k_m(见表3)。

图5  不同初始Fe²⁺浓度下重金属的溶出率

Fig. 5  Heavy metal solubilization ratio from sediment at different initial Fe²⁺ concentrations

表3  不同初始Fe²⁺浓度下重金属溶出的速率常数

Table 3  Rate constants of heavy metal solubilization at various concentrations of initial Fe²⁺

表4  生物淋滤前后底泥中重金属各形态的含量

Table 4  Contents of different forms of heavy metal in sediment before and after bioleaching

表5  重金属溶出的速率常数与Fe²⁺浓度的关系

Table 5  Relationship between rate constant of heavy metal solubilization and initial Fe²⁺concentration

由表3知，在同一底物浓度下，底泥中Zn²⁺溶出的速率常数k_m显著大于Cu²⁺的，说明Zn²⁺比Cu²⁺易于溶出。这是因为原底泥中Zn²⁺的醋酸可提取态(F1)和可还原提取态(F2)的含量显著高于Cu²⁺的(见表4)，这两种形态易于溶出，而可氧化提取态(F3)、残渣态(F4)需分别在强氧化性及强酸的条件下才能溶出，属于稳定态。要将处于稳定态的重金属溶出需要更低的pH和更高的ORP。随着底物浓度的增加，k_m先由小到大，然后再由大变小。当Fe²⁺浓度小于10.0 g/L时，Cu²⁺和Zn²⁺的k_m与Fe²⁺浓度呈线性相关(见表5)，线性方程的斜率在一定程度上反映了Fe²⁺浓度对重金属溶出率的影响。从Cu²⁺和Zn²⁺的k_m线性方程可见，Fe²⁺浓度对Zn²⁺溶出率的影响稍大于Cu²⁺。Fe²⁺浓度大于10.0 g/L后，Cu²⁺和Zn²⁺的k_m下降，其原因为底物浓度过高对微生物产生了抑制作用，此时微生物对底物的亲和力下降，微生物的生长速率降低，因而导致重金属溶出速率的下降。生物淋滤后底泥中的Cu主要以残渣态的形式存在，Zn的醋酸可提取态显著降低，而残渣态显著增加，生物淋滤后底泥中重金属的生物风险性明显降低。由以上分析可见，适当增加底物Fe²⁺浓度可以提高底泥中重金属的溶出速率，因氧化亚铁硫杆菌增殖较慢，生物淋滤停留时间长是限制其大规模应用的主要因素。因此设法强化淋滤体系的湍动效应，使底泥表面不断更新，增加淋滤体系中的扩散传质速率，促进嗜酸性硫杆菌对底物Fe²⁺的利用，这也是提高重金属溶出效率的有效途径。

3  结论

1) 采用Monod方程研究了不同Fe²⁺浓度下微生物生长的动力学参数，Fe²⁺浓度为10.0 g/L时，氧化亚铁硫杆菌的最大比生长速率和饱和常数分别达最大值和最小值，说明此条件下微生物生长状况最佳。

2) 随Fe²⁺浓度的增加，Fe²⁺的氧化速率k_Fe增加，而Fe²⁺的氧化率随Fe²⁺浓度的增加出现明显的延迟期，这是因为Fe²⁺浓度升高到一定程度后会对氧化亚铁硫杆菌生长产生抑制作用，氧化亚铁硫杆菌需要更长的适应期。

3) 在底物Fe²⁺浓度为2.0~10.0 g/L时，Zn²⁺溶解速率常数k_m均大于Cu²⁺的，这与Zn²⁺在底泥中的存在形态有关。Fe²⁺浓度小于10.0 g/L时，Fe²⁺浓度与Cu²⁺和Zn²⁺的溶解速率常数k_m呈直线相关。

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(编辑  龙怀中)

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51079049)

收稿日期：2013-05-10；修订日期：2013-12-25

通信作者：徐  颖，教授；电话：13912963190；E-mail: xyhohai@163.com