氧化亞鐵硫桿菌對黃鉀鐵炬形成的影響

氧化亞鐵硫桿菌對黃鉀鐵炬形成的影響

1細菌作用下黃鉀鐵項目黃鉀鐵粉[kfer3（so4）2（h）6]主要產(chǎn)于氧化還原帶和酸性采礦排水（amd）等環(huán)境。這是金屬氧化物（主要是fes2）在酸性條件下形成的最重要的次生礦物。在中性和弱酸性條件下，黃鐵礦風化產(chǎn)物為schweintal.1984；lagoffandal.1982；acai等人，1999）。黃鉀鐵礬的形成受到溶液的pH值、離子組成和濃度的影響(Grishinetal.,1988),其形成的酸堿度條件為pH<3.0(Bighametal.,1996)。黃鉀鐵礬晶格中的K+常被Ag+,NH4+,Na+,H3O+取代形成黃鉀鐵礬類礦物(Dutrizacetal.,1976;Baronetal.,1996)。已有許多研究(Colmeretal.,1950;Santellietal.,2001;Sasakietal.,1998)探討黃鉀鐵礬類礦物的形成與化能自養(yǎng)、革蘭氏陰性菌氧化亞鐵硫桿菌(Thiobacillusferrooxidans,簡稱T.f)的關(guān)系。雖然細菌作用下生成的黃鉀鐵礬在化學成分上與非生物成因的黃鉀鐵礬有所不同(Lazaroffetal.,1985),但其差別很小,利用X-射線衍射(XRD)、紅外譜(FTIR)等方法不易區(qū)分(Sasakietal.,2000),但借助于掃描電子顯微鏡進行的形態(tài)學上的研究可以有效區(qū)分,并可以探討細菌對黃鉀鐵礬結(jié)晶過程的影響。許多研究者(Sadowski,1999;Sasakietal.,1995;Lazaroffetal.,1985;Sasakietal.,2000)指出,細菌分泌的多糖等代謝產(chǎn)物,使礦物顆粒和細胞間的吸附作用加強,導致生物成因的黃鉀鐵礬發(fā)生團聚,自形程度降低,并認為氧化亞鐵硫桿菌在黃鉀鐵礬形成過程中起抑制作用。Sasaki等(2000)利用X-射線衍射分析、紅外光譜分析和掃描電鏡等方法,分別對水熱法合成的和氧化亞鐵硫桿菌參與下形成的黃鉀鐵礬[KFe3(SO4)2(OH)6]、銨黃鉀鐵礬[NH4Fe3(SO4)2(OH)6]和銀黃鉀鐵礬[AgFe3(SO4)2(OH)6]進行了模擬實驗。研究得出,影響黃鉀鐵礬晶體形態(tài)的因素是反應過程中Fe3+的供應速率和一價陽離子的類型,通過H2O2氧化Fe2+形成的黃鉀鐵礬晶形要好于氧化亞鐵硫桿菌作用下形成的黃鉀鐵礬。但是,在該實驗過程中,細菌的生長和Fe2+的氧化作用是受到抑制的,而且一價陽離子是在Fe2+完全氧化后才加入的。在實際的表生地球化學過程中,氧化亞鐵硫桿菌具有很強的快速氧化Fe2+的能力(Laceyetal.,1970;Nematietal.,1997;Crundwell,2003;Rodríguezetal.,2003;Nematietal.,1998),一價陽離子參與黃鉀鐵礬的形成過程與Fe2+的氧化是同時進行的。研究表明在酸礦水中存在大量氧化亞鐵硫桿菌,并與硫化物氧化具密切的關(guān)系(陸建軍等,2005)。因此,為了更加合理的揭示自然界中氧化亞鐵硫桿菌在黃鉀鐵礬形成過程中的作用,本文設計模擬實驗,結(jié)合X-射線衍射分析(XRD)、掃描電子顯微鏡觀察(SEM)和能譜分析(EDS)等技術(shù),對化學成因和生物成因的黃鉀鐵礬進行分析,初步探討了自然過程中,氧化亞鐵硫桿菌對黃鉀鐵礬形成的影響。2實驗方法與條件氧化亞鐵硫桿菌最適宜的生長溫度為30℃,pH值為2.5(Barronetal.,1990),實驗室培養(yǎng)的底物為9K培養(yǎng)基(Silvermanetal.,1959)。準確稱取(NH4)2SO43g,K2HPO40.5g,KCl0.1g,MgSO4·7H2O0.5g,Ca(NO3)20.01g,用蒸餾水溶解并定容到800mL。用6mol/L的H2SO4調(diào)節(jié)pH值到2.43,放置在高壓滅菌鍋中,121℃下滅菌20分鐘。另外稱取10gFeSO4·7H2O,用蒸餾水溶解并定容到200mL,用5層Φ0.22μm的微孔濾膜過濾除菌后,加入上述經(jīng)過高溫滅菌的溶液中,再次調(diào)節(jié)pH值至2.50,制備好的培養(yǎng)基即為9K培養(yǎng)基。為對比討論細菌對黃鉀鐵礬形成的影響,設計的兩組平行實驗均以9K培養(yǎng)基為底物。取2個經(jīng)過高溫滅菌的250mL錐形瓶,分別加入100mL9K培養(yǎng)基;實驗Ⅰ不接種細菌,實驗Ⅱ接種體積比為3%的氧化亞鐵硫桿菌。2個錐形瓶用透氣的封口膜密封,置于30℃的恒溫培養(yǎng)箱中,實驗條件見表1。氧化亞鐵硫桿菌由山東大學微生物技術(shù)國家重點實驗室提供。掃描電鏡(LEO-1530VP型,日本)下,T.f菌體呈桿狀,長約2μm,寬約0.5μm(圖1)。物相分析由南京大學現(xiàn)代分析中心的D/Max-RA型X-射線衍射儀測定,工作電壓40kV,100mA,Cu靶,掃描速率10°/min。掃描電鏡觀察在中國科學院南京古生物研究所的LEO-1530VP型掃描電鏡上完成,利用InCA300型能譜儀進行EDS能譜分析。3結(jié)果與討論3.1細菌分離和沉淀物的表征反應過程中,實驗Ⅰ的溶液開始時清澄無色,直到40天后才逐漸有少量淡黃色沉淀物生成。對此淡黃色沉淀物進行EDS能譜分析(圖2I)。結(jié)果顯示,沉淀物為黃鉀鐵礬。從掃描電鏡照片(圖2Ⅰ)可以看出,黃鉀鐵礬晶體發(fā)育不完全,表面有凹坑。實驗Ⅱ在接種T.f菌24小時后就有大量絮狀的白色沉淀物生成,溶液清澄,隨著反應進行,溶液逐漸變?yōu)榧t色,白色沉淀物顏色也慢慢加深,7天后沉淀物變?yōu)樽攸S色。取實驗Ⅱ反應1天后的白色沉淀物和反應7天后的棕黃色沉淀物,進行了掃描電鏡觀察、能譜分析和X-射線衍射分析。從能譜分析和掃描電鏡照片(圖2Ⅱ-a)可以看出,反應1天后的白色沉淀物的成分為黃鉀鐵礬,可以見到T.f菌分布在沉淀物附近,黃鉀鐵礬的形狀多呈不規(guī)則的圓形,其X-射線衍射分析圖譜結(jié)果顯示可能為非晶質(zhì)(圖3-A)。而相同條件下反應7天后的棕黃色沉淀物的X-射線衍射和能譜分析(圖3-B和圖2Ⅱ-b)結(jié)果表明,此沉淀物為比較純凈的黃鉀鐵礬。在掃描電鏡下(圖2Ⅱ-b),黃鉀鐵礬呈現(xiàn)結(jié)晶非常規(guī)則的菱面體,其晶面平整,可以看到細菌吸附在礦物的晶面上。從實驗Ⅰ和實驗Ⅱ(表1)的反應結(jié)果可以看出,隨著反應進行,體系的pH值呈現(xiàn)降低的趨勢,接種細菌的實驗Ⅱ的pH值降低趨勢更加明顯。3.2黃鉀鐵項目的氧化配方對比實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn):無菌的實驗Ⅰ在反應40天后才有少量的黃鉀鐵礬形成,而在氧化亞鐵硫桿菌參與下的實驗Ⅱ反應1天即有大量的黃鉀鐵礬形成,反應7天后黃鉀鐵礬就結(jié)晶非常完整,這說明在氧化亞鐵硫桿菌作用下,黃鉀鐵礬更容易形成。Sasaki等(2000)為了探討氧化亞鐵硫桿菌對黃鉀鐵礬結(jié)晶的影響,曾對比研究了不同方法制備的黃鉀鐵礬晶體特征:(1)在9K培養(yǎng)基中接種T.f菌氧化FeSO4·7H2O得到黃鉀鐵礬;(2)利用H2O2氧化FeSO4·7H2O,再加入K+制備黃鉀鐵礬;(3)在Fe2(SO4)3溶液中加入K+生成黃鉀鐵礬。對3種黃鉀鐵礬晶體進行SEM觀察發(fā)現(xiàn):直接利用Fe3+制備的黃鉀鐵礬結(jié)晶程度最好;利用H2O2氧化FeSO4·7H2O得到的晶體次之;利用T.f菌氧化FeSO4·7H2O得到黃鉀鐵礬晶體晶形最差。Sasaki等(2000)通過實驗得出,Fe3+的供應速率是控制黃鉀鐵礬結(jié)晶程度的重要因素,并由此推斷氧化亞鐵硫桿菌對黃鉀鐵礬的結(jié)晶起抑制作用,這與作者的實驗結(jié)果相反,原因在于實驗方法不同。在Sasaki的實驗過程中,T.f菌將Fe2+完全氧化為Fe3+后,通過添加AgNO3滅菌,再加入K+生成黃鉀鐵礬。這種條件下,細菌雖然催化了Fe2+氧化為Fe3+的反應,但不能認為在黃鉀鐵礬的結(jié)晶過程中起了直接作用。而在本次實驗中,實驗Ⅱ是在細菌充分繁殖的條件下進行的,而且在反應初始即加入K+,這更加符合實際的地球化學過程。對比本文有菌和無菌實驗結(jié)果可以推測,氧化亞鐵硫桿菌通過對Fe2+的快速氧化(Laceyetal.,1970;Jensenetal.,1995),可造成礦物表面微區(qū)內(nèi)Fe3+的供應速率增大,并致使黃鉀鐵礬快速結(jié)晶。細菌的強氧化作用和溶液的低pH值(pH<2.5)抑制了硫代硫酸鹽等礦物的形成(Lazaroffetal.,1982),所以在氧化亞鐵硫桿菌充分繁殖的條件下,黃鉀鐵礬能快速、完好的結(jié)晶。4氧化