水鐵礦-細(xì)菌復(fù)合體對(duì)Pb(Ⅱ)的吸附：表面絡(luò)合模型模擬及分子機(jī)制研究.pdf

1、鐵氧化物、細(xì)菌和腐殖酸是土壤的重要活性組分，它們控制著土壤中養(yǎng)分元素的吸收與利用、污染物的遷移與轉(zhuǎn)化，也是土壤中重要的重金屬離子“清除劑”。在土壤中，活性組分之間常常以復(fù)合體形式存在。本研究以水鐵礦-細(xì)菌復(fù)合體為研究對(duì)象，采用等溫吸附、X-射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)光譜(XAFS)、微區(qū)熒光光譜（μ-SRF）、等溫滴定量熱法(ITC)等技術(shù)分析Pb(Ⅱ)在水鐵礦-細(xì)菌表面的分布規(guī)律及結(jié)合機(jī)制，并結(jié)合表面絡(luò)合模型模擬Pb(Ⅱ)在水鐵礦-細(xì)菌復(fù)合體表

2、面的吸附行為，得到以下主要結(jié)論:
　　1.采用快速水解法合成了水鐵礦樣品，同時(shí)在細(xì)菌存在條件下合成了水鐵礦-細(xì)菌復(fù)合體樣品。XRD結(jié)果顯示，合成的水鐵礦及水鐵礦-細(xì)菌復(fù)合體在d=1.5(A)和d=2.5(A)處產(chǎn)生兩個(gè)寬峰，為2-線水鐵礦;掃描電鏡圖顯示，水鐵礦包被在細(xì)菌表面，與細(xì)菌緊密結(jié)合;水鐵礦-細(xì)菌復(fù)合體的紅外圖譜表明，水鐵礦結(jié)構(gòu)羥基發(fā)生了向高波數(shù)的偏移，表面羥基振動(dòng)逐漸減弱。
　　2.利用電位滴定和等溫吸附實(shí)驗(yàn)，通過

3、建立表面絡(luò)合模型預(yù)測(cè)Pb(Ⅱ)在細(xì)菌、水鐵礦及其復(fù)合體表面的吸附行為。利用4-位點(diǎn)擴(kuò)散雙電層模型描述細(xì)菌表面的電位滴定曲線，其pK值分別為2.5、4.7、6.6、9.0，擬合得到枯草芽孢桿菌和粘質(zhì)沙雷氏菌的四個(gè)位點(diǎn)密度依次為0.7366、0.4882、0.5732、0.4628 mmol/g干重;0.4524、0.4163、0.6421、0.7753mmol/g干重。Pb(Ⅱ)吸附實(shí)驗(yàn)表明，Pb(Ⅱ)吸附隨pH的變化曲線呈“S”型，pH

4、2.5～4.0時(shí)，Pb(Ⅱ)吸附平緩，pH4.0～6.0范圍內(nèi)，Pb(Ⅱ)吸附急劇增大，隨后趨于平衡。表面絡(luò)合模型擬合結(jié)果表明，Pb(Ⅱ)與水鐵礦表面羥基、細(xì)菌表面羧基和磷酸基均發(fā)生1∶1的配位反應(yīng)，且Pb(Ⅱ)與水鐵礦表面羥基與結(jié)構(gòu)羥基反應(yīng)的絡(luò)合常數(shù)分別為9.96和14.05，遠(yuǎn)高于細(xì)菌表面結(jié)合Pb(Ⅱ)的絡(luò)合常數(shù)。線性疊加模型能夠很好地描述水鐵礦-細(xì)菌復(fù)合體對(duì)Pb(Ⅱ)的吸附行為，且在復(fù)合體中Pb(Ⅱ)主要與水鐵礦結(jié)合。
　　

5、3.通過微量熱實(shí)驗(yàn)獲得了枯草芽孢桿菌、粘質(zhì)沙雷氏菌和水鐵礦及細(xì)菌-水鐵礦復(fù)合體吸附Pb(Ⅱ)的熱力學(xué)信息。結(jié)果表明，枯草芽孢桿菌和粘質(zhì)沙雷氏菌、水鐵礦及其復(fù)合體吸附Pb(Ⅱ)的焓變?yōu)?9.17-59.87 kJ/mol，均為放熱過程，水鐵礦的焓變約為細(xì)菌的5倍;Pb(Ⅱ)與水鐵礦-細(xì)菌復(fù)合體結(jié)合時(shí)，首先與水鐵礦表面的高親和力位點(diǎn)結(jié)合，后逐步與細(xì)菌表面位點(diǎn)結(jié)合;細(xì)菌、水鐵礦及其復(fù)合體吸附Pb(Ⅱ)的熵變?yōu)?1.13～193.47 J/mo

6、l/K，表明吸附過程是個(gè)熵增的過程，同時(shí)受到焓、熵雙驅(qū)動(dòng)。
　　4.利用微觀光譜學(xué)技術(shù)揭示了Pb(Ⅱ)在細(xì)菌、水鐵礦及其復(fù)合體表面的微觀吸附機(jī)制。EXAFS結(jié)果表明，pH6.0時(shí)，Pb(Ⅱ)分別與細(xì)菌表面的羧基與磷酸基形成單齒內(nèi)圈絡(luò)合物，與水鐵礦表面羥基絡(luò)合生成雙齒共邊內(nèi)圈絡(luò)合物?；谒F礦和細(xì)菌吸附Pb(Ⅱ)樣品的EXAFS譜，水鐵礦-細(xì)菌復(fù)合體EXAFS圖譜的七空間線性疊加擬合，結(jié)果表明在水鐵礦-細(xì)菌復(fù)合體中水鐵礦對(duì)Pb(Ⅱ)

7、的吸附起主要貢獻(xiàn)。復(fù)合體比例（水鐵礦與枯草芽孢桿菌質(zhì)量比）為FhB_4∶1和FhB_1∶1的樣品分別約有94.1％和74.6％的Pb(Ⅱ)與水鐵礦表面結(jié)合，而復(fù)合體（水鐵礦與粘質(zhì)沙雷氏菌質(zhì)量比）FhS_4∶1、FhS_1∶1中Pb(Ⅱ)與水鐵礦結(jié)合的比例分別為86.2％和84.9％。
　　5.微區(qū)熒光光譜結(jié)果表明，Pb、Fe、S三種元素之間存在很好的線性相關(guān)性，可推斷細(xì)菌與水鐵礦緊密結(jié)合。在熒光圖譜中選擇Pb元素富集區(qū)域進(jìn)行XAN