納米鐵對微生物潛在效應(yīng)的研究.pdf

1、普通鐵粉因來源廣泛，價(jià)格低廉，并具有很強(qiáng)的金屬活潑性和還原能力以及所特有的吸附共沉淀等性能，被廣泛用于地下水和土壤中各種污染物如有機(jī)污染物(鹵代化合物等)、重金屬(鉻、砷、鉛等)、無機(jī)污染物(硝酸鹽、高氯酸鹽等)等的修復(fù)這一領(lǐng)域。但隨著納米技術(shù)和納米材料的發(fā)展，納米級零價(jià)鐵粉(直徑小于100nm)的出現(xiàn)，因相比普通鐵粉具有更多的優(yōu)勢如粒徑小、比表面積大(納米鐵為33.5 m2·g-1，普通鐵粉為0.9 m2·g-1)以及優(yōu)越的吸附性能和

2、極高的還原活性等，可以更高效的處理多種污染物，為污染物的處理提供了一種更好的選擇，逐步替代甚至取代普通零價(jià)鐵粉被用于環(huán)境污染的處理和環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域中，成為目前頗具潛力的環(huán)境修復(fù)方法。
　　 同時(shí)隨著納米鐵的大范圍使用，納米鐵將不可避免地釋放進(jìn)入大氣、地下水、土壤等自然環(huán)境中。而目前我們關(guān)于納米鐵本身所具有的潛在的毒性如蓄積毒性、生理毒性以及納米鐵進(jìn)入自然環(huán)境后的擴(kuò)散、遷移和歸趨及是否會(huì)產(chǎn)生二次污染都知之甚少，因此在享受納米鐵在給環(huán)

3、境帶來正面效應(yīng)的同時(shí)，還應(yīng)該關(guān)注其在環(huán)境方面的未知風(fēng)險(xiǎn)是否會(huì)超過它所帶來的利益。盡管近年來，納米材料與技術(shù)的安全性已引起了世界各國的廣泛關(guān)注，許多國家也已付出實(shí)際行動(dòng)對納米材料的毒性和潛在效應(yīng)著手進(jìn)行研究，甚至已有研究發(fā)現(xiàn)某些納米材料存在一定的毒性或潛在的風(fēng)險(xiǎn)，但目前關(guān)于納米材料所存在的健康和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)等有價(jià)值的相關(guān)信息還是很少，而且主要集中在納米SiO2、TiO2、碳納米管等領(lǐng)域，關(guān)于納米鐵的研究則少之又少。目前，僅有很少的研究對納米鐵

4、注入地下水、土壤等環(huán)境后進(jìn)行了跟蹤監(jiān)測，認(rèn)為納米鐵可能會(huì)腐蝕釋放出活性氫，進(jìn)而引起地下水氧化還原電位的迅速降低，但這是否會(huì)對地下水生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的產(chǎn)生不良影響，是否會(huì)對環(huán)境中的土著微生物產(chǎn)生毒性效應(yīng)還有待進(jìn)一步研究。因此隨著納米鐵的迅猛發(fā)展，其對環(huán)境可能存在的負(fù)面影響成為一個(gè)不容忽視的問題。
　　 由于納米鐵進(jìn)入自然環(huán)境后，除會(huì)對環(huán)境中的個(gè)體、種群產(chǎn)生影響外，還可能會(huì)造成整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的的損傷。而作為生態(tài)系統(tǒng)中最重要的分解者--微生

5、物不僅對污染物的降解轉(zhuǎn)化、生態(tài)環(huán)境的建設(shè)保護(hù)、資源的再生利用起著舉足輕重的作用，而且它們的種類和數(shù)量也都是相當(dāng)大的，甚至可以說是無處不有無處不在的，為人類創(chuàng)造了巨大的物質(zhì)財(cái)富。因此人們常常以它們?yōu)檠芯繉ο髞硌芯考{米材料的潛在效應(yīng)。
　　 為此，本文擬通過液相還原法合成出納米鐵粒子，以具有特定功能的純種微生物反硝化細(xì)菌一真養(yǎng)產(chǎn)堿桿菌和混合微生物-活性污泥為實(shí)驗(yàn)材料，來探討研究納米鐵對微生物可能的毒性，并在此基礎(chǔ)上嘗試通過包覆等修飾

6、方法來降低納米鐵的毒性。研究結(jié)果表明：
　　 1.納米鐵對反硝化菌的生長和硝化速率的抑制具有明顯的抑制作用，并且其抑制作用隨納米鐵質(zhì)量濃度的增加而增加，兩者之間存在明顯的“劑量-反應(yīng)”關(guān)系。此外，不同類型納米鐵對微生物生長和硝化速率抑制的影響程度由大至小依次為：納米Fe/Ni、納米鐵、油酸鈉包覆性納米鐵。
　　 2.納米鐵加入后對真養(yǎng)產(chǎn)堿桿菌的脫氮速率和產(chǎn)物均產(chǎn)生了很大的影響。當(dāng)體系中真養(yǎng)產(chǎn)堿桿菌濃度OD420=0.00

7、33左右時(shí)，在僅以氫氣做電子供體的體系中，該菌要想將50 mg/L硝酸鹽完全降解僅需4d便可完成，且97％以上的產(chǎn)物為氮?dú)?；而?dāng)體系中無任何電子供體時(shí)，該反硝化菌的脫氮活動(dòng)基本不能維持，5d內(nèi)僅有10％的硝酸鹽被降解；但在加入0.56 g/L納米鐵的體系中，該反硝化細(xì)菌在8d內(nèi)便將50 mg/L硝酸鹽完全降解，但僅30％左右的產(chǎn)物為氮?dú)?。由此可知，雖然納米鐵腐蝕產(chǎn)生的陰極氫可以維持該微生物脫氮過程的進(jìn)行，但是納米鐵的存在會(huì)明顯的抑制反硝

8、化菌的脫氮速率和產(chǎn)物。
　　 3.納米鐵的存在會(huì)明顯改變反硝化菌體系中pH值和氧化還原電位。由于納米鐵腐蝕產(chǎn)氫，真養(yǎng)產(chǎn)堿桿菌脫氮反應(yīng)體系中pH值在反應(yīng)開始的24h內(nèi)由7.2迅速上升至9.1，而氧化還原電位則由18.3mV迅速降低為-490.3mV，抑制了微生物的生長和反硝化過程的進(jìn)行，但隨著反應(yīng)的進(jìn)行，pH值逐漸穩(wěn)定在9.3～9.6這一范圍內(nèi)，溶液的氧化還原電位也逐漸上升，待反應(yīng)結(jié)束后溶液的氧化還原電位又升高至107.5mV，影

9、響了納米鐵的活性，使得毒性逐漸減弱。
　　 4.透射電子顯微鏡(TEM)的表征結(jié)果表明，納米鐵可吸附于細(xì)胞表面并可穿透細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部，造成細(xì)菌死亡。
　　 5.當(dāng)納米鐵濃度在0～2800 mg/L范圍內(nèi)時(shí)，對活性污泥脫氫酶活性具有一定的刺激作用，并且隨著納米鐵質(zhì)量濃度的增加，這種促進(jìn)作用逐漸增強(qiáng)。且經(jīng)相關(guān)分析，這種促進(jìn)效應(yīng)呈現(xiàn)出與納米鐵質(zhì)量濃度的正相關(guān)性。
　　 6.細(xì)菌和真菌在1120 mg/L和560 m

10、g/L下的生長較無納米鐵和低濃度的納米鐵存在時(shí)好。而且，不同微生物對納米鐵的敏感程度不同，真菌較細(xì)菌和需氧菌及兼性厭氧菌更為敏感，主要表現(xiàn)在納米鐵質(zhì)量濃度為0～2800 mg/L范圍內(nèi)，需氧菌及兼性厭氧菌的生長基本不受影響，而細(xì)菌和真菌已經(jīng)開始出現(xiàn)生長不良。但當(dāng)納米鐵達(dá)到一定濃度時(shí)，便會(huì)對所有的微生物產(chǎn)生毒性，如當(dāng)納米鐵的濃度達(dá)到11200 mg/L時(shí)，基本上所有的微生物都不能生長。
　　 7.納米鐵加入后，微生物總的多樣性并未