重金屬與細(xì)菌-土壤活性顆粒微界面互作的分子機(jī)制.pdf

1、重金屬在土壤中的活性和生物有效性受到多種因素的制約,特別是各種有機(jī)膠體、無(wú)機(jī)礦物以及有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合體對(duì)重金屬離子的吸附、絡(luò)合、氧化還原等。因此,重金屬與土壤中各種固相組分的相互作用一直是土壤學(xué)和環(huán)境化學(xué)等眾多領(lǐng)域科學(xué)工作者研究的熱點(diǎn)。本文以自然界中常見的細(xì)菌、細(xì)菌胞外聚合物及粘土礦物為材料、以宏觀吸附實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ),結(jié)合現(xiàn)代儀器分析手段如等溫滴定微量熱技術(shù)(ITC)、傅立葉變換紅外光譜(FTIR)、X-射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)(XAFS)技術(shù)等系統(tǒng)研

2、究了重金屬銅和鎘在細(xì)菌、胞外聚合物(EPS)、礦物等單一組分和細(xì)菌-礦物、胞外聚合物-礦物等二元復(fù)合體表面的結(jié)合機(jī)制。主要結(jié)果如下。
　　 1.闡明了鈍頂螺旋藻(Spirulina platensis439)、蘇云金芽孢桿菌(Bacillusthuringiensis)、大腸桿菌(Escherichia coli)等自然界幾種常見細(xì)菌的細(xì)胞壁表面官能團(tuán)對(duì)Cu(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)吸附的貢獻(xiàn)。三種細(xì)菌對(duì)Cu(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)吸附能力的

3、大小順序?yàn)?鈍頂螺旋藻>蘇云金芽孢桿菌>大腸桿菌。細(xì)菌表面羧基酯化后,藍(lán)細(xì)菌、蘇云金芽孢桿菌和大腸桿菌對(duì)Cu(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)吸附能力分別下降45.6％～55.5％、72.3％～75.3％和8.2～22.3％,表明羧基在藍(lán)細(xì)菌和蘇云金芽孢桿菌吸附Cu(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)的過(guò)程中的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)大于其在大腸桿菌中的貢獻(xiàn)。電位滴定分析進(jìn)一步證實(shí),Cu(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)主要和蘇云金芽孢桿菌表面的羧基結(jié)合,而大腸桿菌表面的磷酰基團(tuán)是其吸附金屬離子的主要位

4、點(diǎn)。NH4NO3和EDTA對(duì)藍(lán)細(xì)菌表面吸附態(tài)銅的解吸率分別為53.7％和72.7％,吸附態(tài)鎘的解吸率分別為58.0％和80.7％,這表明離子交換和表面絡(luò)合是鈍頂螺旋藻吸附銅和鎘的主要機(jī)理。XAFS分析結(jié)果闡明羧酸銅的雙五元整合環(huán)結(jié)構(gòu)是Cu(Ⅱ)在藍(lán)細(xì)菌表面的主要形態(tài)。
　　 2.首次聯(lián)用ITC和XAFS技術(shù)、結(jié)合等溫吸附和動(dòng)力學(xué)模型擬合,闡明了枯草芽胞桿菌(Bacillus subtilis)表面游離態(tài)EPS對(duì)Cu(Ⅱ)的吸附機(jī)

5、制。結(jié)果表明EPS對(duì)Cu(Ⅱ)的吸附是個(gè)快速過(guò)程,在開始10 min內(nèi),吸附量可以達(dá)到最大吸附量的95％以上,60 min內(nèi)吸附達(dá)到平衡。離子強(qiáng)度的增加顯著降低Cu(Ⅱ)在EPS表面的吸附量和吸附速率,準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程、Elovich方程和顆粒內(nèi)擴(kuò)散方程均能較好擬合不同離子強(qiáng)度下EPS對(duì)Cu(Ⅱ)的吸附,擬合結(jié)果顯示,化學(xué)吸附及吸附初期的內(nèi)部擴(kuò)散作用對(duì)EPS吸附銅有著重要的影響。銅在枯草芽胞桿菌和EPS表面的配位形態(tài)非常類似,主要與羧基

6、結(jié)合形成內(nèi)圈絡(luò)合物。銅在枯草芽胞桿菌表面形成單五元螯合環(huán)和雙五元螯合環(huán)兩種結(jié)構(gòu),而在EPS表面則以單五元螯合環(huán)為主。EPS中的高親和力位點(diǎn)與銅的吸附熱比低親和力位點(diǎn)的更大,是五元螯合銅環(huán)形成的主要部位。
　　 3.查明了細(xì)胞表面固定態(tài)EPS對(duì)細(xì)菌吸附銅和鎘的影響機(jī)制?？莶菅堪麠U菌(Bacillus subtilis)和惡臭假單胞菌(Pseudomonas putida)表面官能團(tuán)總的濃度分別為2.89×10-3和1.85×10-

7、3 mol g-1。去除EPS后,兩種細(xì)菌表面官能團(tuán)的數(shù)量分別減少62.3％和38.9％。去除EPS后的枯草芽胞桿菌對(duì)Cu(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)的最大吸附量分別下降37.8％和51.4％；去除EPS后的惡臭假單胞菌體對(duì)Cu(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)的吸附量分別下降25.4％和9.7％,表明EPS的去除顯著降低細(xì)菌表面吸附位點(diǎn)的數(shù)量及吸附重金屬的能力,EPS對(duì)枯草芽胞桿菌吸附重金屬的影響更大。去除EPS前后的枯草芽胞桿菌、惡臭假單胞菌對(duì)質(zhì)子的吸附行為

8、,都可以用三位點(diǎn)非靜電絡(luò)合模型進(jìn)行擬合,且羧基、磷酸基及羥基是細(xì)菌表面的三種主要官能團(tuán)。去除EPS前后的細(xì)菌細(xì)胞壁的組成和化學(xué)特性沒(méi)有發(fā)生改變,銅和鎘主要與細(xì)菌表面的羧基、磷酸基團(tuán)配位。去除EPS前后菌體對(duì)質(zhì)子和金屬離子吸附行為的相似性暗示,金屬離子在細(xì)菌和生物膜上的吸附行為可以用相同的模型進(jìn)行描述。
　　 4.揭示了細(xì)菌和礦物的相互作用對(duì)細(xì)菌.礦物復(fù)合體表面吸附位點(diǎn)及重金屬吸附行為的影響機(jī)制。結(jié)果表明,細(xì)菌、礦物等單一組分對(duì)C

9、u(Ⅱ)的吸附能力大小順序?yàn)?蘇云金芽孢桿菌(28.15 mg g-1)>惡臭假單J~(20.70 mg g-1)>蒙脫石(14.30mg g-1)>高嶺石(9.43 mg g-1)>針鐵礦(3.78 mg g-1)。蘇云金芽孢桿菌,惡臭假單胞菌與蒙脫石形成復(fù)合體后,其表面位點(diǎn)濃度升高1.94％～6.20％,吸附能力增加16.4～30.6％；而與針鐵礦形成復(fù)合體后,其表面位點(diǎn)濃度和吸附能力分別減少6.26％和19.6％。這表明細(xì)菌與礦物

10、的相互作用機(jī)制決定細(xì)菌-礦物復(fù)合體的表面活性位點(diǎn)濃度。蒙脫石-細(xì)菌間松散結(jié)合的相互作用能增加復(fù)合體表面的吸附位點(diǎn),而針鐵礦-細(xì)菌間緊密結(jié)合的相互作用則掩蔽一些反應(yīng)位點(diǎn)。蘇云金芽孢桿菌(革蘭氏陽(yáng)性)對(duì)細(xì)菌-礦物復(fù)合體吸附行為的影響程度遠(yuǎn)大于對(duì)惡臭假單胞菌(革蘭氏陰性)的影響。Cu(Ⅱ)在細(xì)菌及細(xì)菌-礦物復(fù)合體表面的吸附是吸熱過(guò)程,而在礦物表面的吸附為放熱反應(yīng)。首次獲得了金屬離子在細(xì)菌-礦物復(fù)合體表面吸附的熱力學(xué)參數(shù),Cu(Ⅱ)在復(fù)合體表面

11、吸附的焓變和熵變分別為-0.78～6.14kJ mol-1和32.96～58.89 Jmol-1 K-1,意味著Cu(Ⅱ)主要與細(xì)菌-礦物復(fù)合體表面的羧基和磷酸基形成內(nèi)圈絡(luò)合物。
　　 5.首次探討TEPS-礦物復(fù)合體對(duì)銅的吸附行為。EPS與蒙脫石混合后,表面位點(diǎn)濃度增加5.2％,吸附Cu(Ⅱ)的能力提高13.9％；與之相反,EPS-針鐵礦復(fù)合體的表面位點(diǎn)濃度降低8.5％,銅吸附量下降19.1％。說(shuō)NEPS與蒙脫石形成復(fù)合體的過(guò)

12、程可能創(chuàng)造出了一些新的重金屬吸附位點(diǎn),而與針鐵礦復(fù)合過(guò)程中則掩蔽了一些反應(yīng)位點(diǎn)。ITC分析結(jié)果表明,Cu(Ⅱ)在EPS及EPS-礦物復(fù)合體表面吸附的焓變(△H)為19.34～24.11 kJ mol-1,熵變?yōu)?9.53～121.98 J mol-1 K-1。EPS表面位點(diǎn)與Cu(Ⅱ)的結(jié)合熱是復(fù)合體吸附Cu(Ⅱ)過(guò)程中熱量的主要來(lái)源。說(shuō)明Cu(Ⅱ)在EPS-礦物復(fù)合體表面主要與羧基和磷酸基團(tuán)配位形成內(nèi)圈絡(luò)合物。
　　 6.獲得

13、了EPS與針鐵礦的相互作用的分子機(jī)制。結(jié)果表明,針鐵礦對(duì)EPS中各組分的吸附量大小順序?yàn)?EPS-C(27.57 mg g-1)>EPS-N(10.27 mg g-1)>EPS-P(6.32 mg g-1)。EPS各組分與針鐵礦吸附的親和力及分配系數(shù)的大小順序則為:EPS-P>EPS-N>EPS-C,表明EPS中的含P組分與針鐵礦的結(jié)合最牢固,且被優(yōu)先吸附。FTIR結(jié)果顯示,EPS與針鐵礦吸附后,>P=O雙鍵振動(dòng)吸收峰消失,新增了P-O

14、-Fe的伸縮振動(dòng)特征吸收峰,說(shuō)明EPS中的磷酸基團(tuán)與針鐵礦表面羥基配位形成內(nèi)圈絡(luò)合物,而且這些磷酸基團(tuán)主要來(lái)自EPS蛋白質(zhì)和核酸中的磷酰基。XAFS結(jié)果表明,低pH時(shí)(pH3),磷酸基團(tuán)僅有一個(gè)去質(zhì)子化的含氧陰離子直接與針鐵礦表面的FeOH1/2-基團(tuán)結(jié)合形成單齒絡(luò)合物；高pH時(shí)(pH9),磷酸鹽基團(tuán)中有2個(gè)含氧陰離子與針鐵礦表面的2個(gè)FeOH1/2-基團(tuán)結(jié)合形成雙齒絡(luò)合物。體系pH由低到高時(shí)(3-9),吸附產(chǎn)物構(gòu)型由單基配位向雙基配位