绿色木霉对云母矿物吸附Pb2+的调控机制研究

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重金属进入土壤后,可与土壤介质发生吸附/解吸、沉淀/溶解、氧化/还原、生物矿化等物理、化学和生物反应。这些复杂的反应控制着土壤中重金属的迁移、转化和归趋,因此重金属在土壤中的微观界面过程一直是环境科学的研究热点和前沿领域,对重金属污染的评价和治理具有科学指导意义。黏土矿物和真菌生物广泛存在于土壤环境,可对土壤重金属的环境化学行为产生至关重要的影响,然而真菌生物对重金属在黏土矿物-水界面富集行为的调控机制仍不清楚。本研究选取了重金属铅Pb2+、云母矿物以及绿色木霉作为研究对象,探索了在真菌生物作用下重金属在黏土矿物-水界面的微观环境化学行为。本研究主要取得了以下研究进展和认识:(1)Pb2+在云母类矿物上的吸附行为。白云母、黑云母和金云母均可通过吸附作用固定Pb2+,从而阻滞Pb2+在土壤中的迁移,且对Pb2+的吸附能力大小顺序为:金云母>黑云母>白云母,这与三种矿物的阳离子交换量相关。云母类矿物对Pb2+的吸附率随p H(3.3-7.4)的增大而升高,说明内层络合是云母类矿物吸附Pb2+的重要机制。离子强度对Pb2+在黑云母和金云母上的固定也有明显影响,证实外层络合和离子交换是黑云母和金云母吸附Pb2+的机制。傅立叶变换红外光谱(FT-IR)揭示云母类矿物表面的O-H、Si-O和Al-O等活性基团参与了对Pb2+的吸附。X射线衍射技术(XRD)显示Pb2+可以进入并撑开黑云母和金云母的层间,利用其层间位点,进而促使黑云母和金云母对Pb2+较高的吸附。X射线光电子能谱技术(XPS)进一步证实内层络合和外层络合是Pb2+在云母类矿物上吸附的主要机制,这与吸附实验结果一致。(2)Pb2+在绿色木霉菌丝体表面的吸附行为。吸附实验显示绿色木霉菌丝体能有效固定进入土壤中的Pb2+,且对Pb2+的吸附容量强于云母类矿物,这和绿色木霉菌丝体较高的比表面积和表面丰富的活性基团有关。FT-IR和XPS进一步证实绿色木霉菌丝体表面的O-H、-NH2、C=O和P-O等活性基团参与了对Pb2+的吸附。此外,绿色木霉菌丝体对Pb2+的吸附明显地受到p H的影响,而受离子强度的影响较弱,说明内层络合是绿色木霉菌丝体吸附Pb2+的主要机制。SEM-EDX和XRD结果揭示Pb2+与绿色木霉菌丝体相互作用中发生矿化,生成了磷酸铅类矿物,这也是绿色木霉菌丝体固定Pb2+的一种重要方式。(3)Pb2+对活性绿色木霉的暴露研究。结果显示,Pb2+暴露对绿色木霉有明显的生物毒性,能够显著地抑制和延迟绿色木霉孢子的萌发和菌丝体的生长,且毒害作用随着Pb2+浓度的增加而增强。Pb2+暴露也明显影响绿色木霉菌丝体的形貌,随着Pb2+暴露浓度的增加,绿色木霉菌丝体直径变大,出现卷曲、折叠、肿胀、破损的形貌,甚至菌丝体被切割成不规则的颗粒。绿色木霉胞内和胞外的分泌物也随着Pb2+暴露浓度改变。此外,负载在绿色木霉菌丝体上的Pb2+相对含量随体系中Pb2+浓度的增加而增加,且主要分布在细胞膜上。FT-IR显示绿色木霉细胞表面的O-H、-NH2、C=O和P-O等活性基团参与了对Pb2+的生物吸附和富集。SEM-EDX、XRD和XPS表明Pb2+在生物吸附和富集过程中发生了矿化作用,生成了磷酸铅类矿物,部分Pb2+被还原为单质铅。(4)Pb2+在云母类矿物-绿色木霉复合物上的吸附研究。结果显示,绿色木霉的丝状分枝生长习性和化学有机营养代谢,不仅使绿色木霉定植在云母类矿物表面,而且使云母类矿物发生风化,结构、Zeta电势和阳离子交换量改变。云母类矿物-绿色木霉复合物能有效吸附Pb2+,对Pb2+的吸附能力的大小顺序为:金云母-绿色木霉复合物>黑云母-绿色木霉复合物>白云母-绿色木霉复合物,且云母类矿物-绿色木霉复合物对Pb2+的吸附能力大于原始矿物。云母类矿物-绿色木霉复合物对Pb2+的吸附明显受p H的影响,且受离子强度的影响较弱,说明内层络合是云母类矿物-绿色木霉复合物吸附Pb2+的主要机制。FT-IR和SEM-EDX显示绿色木霉表面的活性基团以及云母的风化作用促使云母类矿物-绿色木霉复合物对Pb2+的高吸附能力。XRD显示绿色木霉可以促进Pb2+进入金云母和黑云母的层间,同时Pb2+的生物矿化也贡献于云母类矿物-绿色木霉复合物对Pb2+的吸附。XPS进一步证实,云母类矿物-绿色木霉复合物对Pb2+的吸附是绿色木霉和云母类矿物共同作用的结果,且内层络合是复合物固定Pb2+的主要机制。综上可知,土壤环境中的云母类矿物和绿色木霉均可与Pb2+发生相互作用,阻滞Pb2+在土壤中的迁移,有效减缓Pb2+进入其他环境介质或圈层,减轻Pb2+的环境毒性和生态风险。同时,绿色木霉与云母类矿物的相互作用可加速云母类矿物的风化,进而影响土壤环境中Pb2+的化学行为和赋存状态。本研究结果可为准确、有效地评价和预测环境介质中Pb2+的扩散、迁移、阻滞、转化、时空分布和演化等环境化学行为等提供重要的理论基础,亦可为Pb2+在土壤环境中的预防、控制、治理和修复等提供重要的技术支持。
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