硫化物矿山尾矿缓释抑菌剂滴丸的制备及性能测试

张 哲,杨 琛,党 志,舒小华 (华南理工大学环境科学与工程学院,工业聚集区污染控制与生态修复教育部重点实验室,污染控制与生态修复广东省教育厅重点实验室,广东 广州 510006)

金属矿山尾矿在露天堆放过程中,其中所含的硫化物不断被氧化,使尾矿中的金属元素释放出来,给周边环境带来严重的污染[1].在自然界中,相比化学氧化,氧化亚铁硫杆菌(Acidthiobacillus ferroxidans,A.f)等氧化菌对尾矿中硫化物的生物氧化往往发挥更大的作用.研究表明,氧化亚铁硫杆菌能使氧化反应速率提高约106倍[2-3].因此,控制硫化物的生物氧化已成为金属硫化物尾矿污染防治的重要途径之一.20世纪80年代以来,国内外学者在尾矿治理中采用杀菌剂抑制生物氧化和酸性废水的产生,取得了一定的进展[4-8].但由于在野外条件下直接投加杀菌剂,杀菌剂会随雨水淋洗大量流失,同时在光照下失去杀菌活性,限制了杀菌剂在尾矿治理中的使用.近年来,随着微胶囊技术在制药领域的发展,以滴丸型缓释技术为主的微胶囊技术已被广泛应用于药物的缓释和控释等领域[9-12].由于该技术能减少物质的损失,并可以根据需要,持续释放物质进入外部环境,在很大程度上能有效解决杀菌剂在野外使用存在的问题.本研究拟采用微胶囊技术,制备抑菌剂缓释滴丸,控制抑菌剂的释放,延长药效,提高抑菌剂在尾矿露天堆放条件下的使用效率,从而实现对矿区生物氧化产酸的长期有效控制,为矿山尾矿污染治理提供新的途径.

1 实验部分

1.1 材料与方法

材料:醋酸纤维素(CA) (分析纯,康德科技有限公司),丙酮(分析纯,康德科技有限公司),吐温80(分析纯)、液体石蜡、十二烷基磺酸钠(SDS)(分析纯)均购自北京化学试剂公司.

实验所用微生物为本课题组从广东省韶关市大宝山多金属硫化物矿山尾矿筛选出的氧化亚铁硫杆菌(A.f)Z1(GenBank登录号GQ984157).菌株的形态及生理特性见文献[13].该菌在尾矿坝酸性矿坑水中培养5d后可达到对数生长期.

黄铁矿取自广东韶关大宝山矿区,样品取回后自然风干.用玛瑙研钵粉碎,过 80目筛,然后用无水乙醇浸泡 2h,去离子水清洗后,40℃烘干,真空干燥皿内保存备用.经X衍射分析显示,FeS2的含量为93.33%.

缓释滴丸制备采用文献[14]的方法:将醋酸纤维素溶解于丙酮,加入 SDS,搅拌均匀,然后取适量,滴入不相溶的液体冷却剂中,液滴由于表面张力的作用,收缩成球型,在水溶液中凝固成球形抑菌剂滴丸.抑菌剂滴丸的粒径主要通过改变制备工艺进行调整.

1.2 抑菌剂剂量的确定

SDS是典型阴离子型杀(抑)菌剂,生物降解性好,对人体刺激小,可通过使蛋白质变性进而破坏微生物的细胞膜,破坏细胞内部环境,使微生物失活,已在很多领域被用作杀(抑)菌剂.于 100mL锥形瓶中添加 50mL 9K液体培养基,分别加入0,5,10,30,50,100mg/L抑菌剂,接种微生物,接种量为 10%,菌密度 108个/mL,置于 30℃摇床以150r/min的转速培养.每个浓度设 3个平行.每24h取样,Fe2+的浓度用紫外-可见分光光度计(UV-2550,日本岛津公司)以邻菲罗啉分光光度法检测.

1.3 缓释滴丸的表征

1.3.1 缓释滴丸的表面特征 用扫描电子显微镜 SEM(S-3700N型,日本日立公司)观测缓释滴丸的表面形态结构,并用能谱仪(Quantax400型,德国Bruker公司)分别对滴丸的表面和断面进行能谱分析.

1.3.2 缓释滴丸的组成成分 用傅里叶变换红外光谱仪(Nicolet 6700型,美国Thermo公司)对滴丸的结构特征进行分析.

元素组成用元素分析仪(Vario EL Ⅲ, 德国Elementar公司)测得.

1.3.3 缓释滴丸中抑菌成分的缓释性能 于100mL锥形瓶中添加50mL 9K液体培养基,缓释滴丸的添加量为 0.1g,设 3个平行,一个不添加滴丸的空白对照,置于 30℃摇床浸溶,转速为150r/min.每24h取样检测溶液中抑菌成分SDS的浓度,实验周期为15d,SDS浓度采用紫外-可见分光光度计(UV-2550,日本岛津公司)进行检测.

1.3.4 缓释抑菌剂对黄铁矿生物氧化的抑制 选用Z1为目标菌,在250mL锥形瓶中加入150mL的无铁9K培养基,添加1%的黄铁矿,接种10%的富集菌液,设置3个平行,同时设不加抑菌剂的空白对照.置于30℃摇床以150r/min培养,实验周期为30d,间隔取样,检测浸矿溶液的pH值、Eh及相应金属(总铁、Zn2+、Cd2+、Pb2+、Mn2+)的浓度变化.菌密度采用血球板计数, pH值、Eh的测定采用pH计、电位计(6171C型,上海任氏电子有限公司);金属浓度采用电感耦合等离子体发射光谱仪 ICP-OES(Optima 5300DV型,Perkin Elmer公司)测定.

2 结果与讨论

2.1 抑菌剂剂量确定

菌株 Z1为好氧化自养微生物,将基质中的Fe2+氧化为 Fe3+而获得生物生长所需的能量,其生长与 Fe2+的氧化情况密切相关.通过测量溶液中ρ(Fe2+)随时间的变化可以判断Z1菌的氧化活性,从而确定抑菌剂的剂量.在初始ρ(Fe2+)相同的情况下,溶液中 ρ(Fe2+)愈低,ρ(Fe3+)浓度愈高,说明Z1菌将Fe2+氧化为Fe3+的能力愈强,即氧化活性愈好.Z1菌对Fe2+的累积氧化率随时间变化情况如图 1所示.在空白和 SDS浓度为 5mg/L时,Fe2+累积氧化率较高,36h 左右基本氧化完全;SDS浓度为10mg/L时,前24h出现了Fe2+氧化的迟滞期,而后基本以恒定的速率被氧化,直至120h氧化完全;而在SDS为30mg/L及更高浓度的处理中,Fe2+只在前 12h内有缓慢氧化,而后基本不再变化,在整个实验周期内只有不到10%[初始 ρ(Fe2+)为 5.65mg/L]累积氧化率.添加抑菌剂浓度为 30mg/L以上时,可以有效抑制 Z1菌对Fe2+氧化,抑制率达 80%以上.故后续实验选取30mg/L为SDS的最低有效浓度.

图1 不同浓度SDS对Z1菌氧化Fe2+的影响Fig.1 Effects of SDS on the oxidation of ferrous iron by strain Z1

2.2 缓释滴丸的形态结构特征

本研究制得的抑菌剂缓释滴丸为白色球状颗粒,具有一定的光泽,其表面形态见图2.

图2 缓释滴丸SEM图Fig.2 SEM micrograph of sustained-release pills A:表面,×800; B:断面,×1500

从图2可以看出,滴丸表面比较平整,有大量微孔存在,这种结构有利于滴丸内部的SDS溶出.从滴丸断面的SEM图可以看出,滴丸内部结构疏松,有大量的孔隙,也有利于其中 SDS的溶出.图3A和3B分别是对应表面和断面的能谱图.断面能谱图中硫和钠 2个元素的峰值是表面能谱图的2～3倍,说明抑菌剂滴丸负载了SDS,且滴丸内部含有比表面更丰富的SDS.可见,采用滴制法制备醋酸纤维素为骨架的SDS缓释滴丸,可以把其均匀地包裹在滴丸内部.

2.3 抑菌剂缓释滴丸的结构组成分析

滴丸、SDS及载体CA的红外光谱图如图4所示.从图4可以看出,滴丸和SDS的红外谱图中同时出现以下 SDS的特征峰:S(=O)2反对称伸缩峰、S(=O)2对称伸缩峰和多个强的S-O-C伸缩峰;CA的红外谱图中特征峰出现在 1751,1390,1210,1090cm-1,依次为 C=O 伸缩振动、C-H弯曲振动、C(=O)-O伸缩振动和C-N伸缩振动.另外,由于磺酸基吸水性强,易形成水合物(SO3+·H3O+), 1200～1100cm-1之间出现的特征峰,可显示磺酸基的存在.上述结果说明,本研究制备的抑菌剂滴丸中,SDS的化学组成没有改变,仍然以抑菌剂有效成分分布在滴丸中.

图3 缓释滴丸能谱图Fig.3 Energy dispersive X-Ray spectraof sustainedrelease pills

图4 缓释滴丸红外谱图Fig.4 FTIR spectra of sustained-release pills

2.4 载药率

滴丸的载药率是衡量滴丸质量的重要指标,这里用 SDS、醋酸纤维素以及缓释滴丸中硫的含量依据下式计算[15].

式中:W1为滴丸质量, mg;a1为滴丸中硫的质量百分数;W2为CA中所含 S元素的质量,mg;a2为SDS中硫的质量百分数.

样品的元素组成如表1所示,结合表1数据算得,本研究制备的缓释滴丸中SDS的载药率为34.8%.

表1 缓释滴丸的元素组成Table 1 Compositions of sustained-release pills

2.5 缓释滴丸在酸性条件下的缓释性能

由于抑菌剂组分与聚合物载体之间的结合方式与活性组分的释放机理十分复杂,聚合物骨架的亲水、亲油性以及聚合物-抑菌剂结合体的交联程度、立体结构、颗粒大小等都可影响抑菌剂的释放[4].为抑制尾矿的生物氧化作用,滴丸中的SDS需被逐渐释放.结合投加量和载药率,可了解滴丸中SDS的释放随时间的变化情况(图5).

图5 滴丸中SDS的释放速率Fig.5 Released rate of ρ(SDS) in pills

前2d滴丸中SDS的释放较多,平均每天释放量达20.46%;之后2d,每天释放量为12.4%;随着时间的增加,释放量明显降低,每天只有1.12%的释放量,15d时SDS溶出量为31mg左右,累积释放量为89%,这说明所采用的高分子载体可满足滴丸中SDS持续缓慢释放的要求.另外,由于所采用的高分子材料可生物降解,因此滴丸中有效成分最终可全部释放.

2.6 缓释滴丸对黄铁矿生物氧化的抑制效果

由于黄铁矿氧化率主要受细菌浓度的影响,通过黄铁矿的生物浸矿实验可直接反映其生物氧化效果.选择黄铁矿测试缓释滴丸抑制矿物生物氧化的效果,结果如图6和图7所示.

图6 浸出液的pH值和Eh变化Fig.6 Variation of pH and Eh of solution

在未添加缓释滴丸的情况下,实验初期,由于Z1菌的菌密度相对较低,黄铁矿的氧化速度较慢,浸出液中金属离子浓度较低,经过适应期后,Z1菌大量繁殖,加速黄铁矿的氧化产酸,pH值降低,浸出液中Zn2+、Fe2+浓度及Eh迅速升高,氧化一段时间后,溶液Eh、pH值基本趋于稳定.而添加了抑菌剂滴丸后,由于在实验过程中不断有SDS从滴丸中释放出来,抑制了 Z1菌的生长繁殖,在实验周期内,Eh、pH 值基本趋于恒定,浸出液中Zn2+和Fe2+浓度也远远低于未添加缓释滴丸时的浓度.由此可知,所研制的抑菌剂缓释滴丸可以有效抑制 Z1菌的生长,进而抑制黄铁矿的氧化产酸及重金属溶出,具有良好的抑制矿物生物氧化的作用.

图7 浸出液中金属浓度的变化Fig.7 Concentrations of Zn2+ and total Fe2+ in solution

3 结论

3.1 十二烷基磺酸钠可以作为所筛菌种的抑菌剂,以Fe2+氧化率作抑制指标,添加量为30mg/L时,对亚铁氧化的抑制率可以达到80%以上,抑制了所选菌株的生长,进而抑制了Fe2+的生物氧化.

3.2 采用滴制法制备出醋酸纤维素抑菌剂缓释滴丸,SDS载药率为34.8%,通过表征发现,SDS以特征基团的形式均匀分散于醋酸纤维素骨架中.

3.3 酸性介质中缓释实验结果显示,缓释滴丸中的SDS经过快速释放阶段之后,释放速度减慢,经过15d的持续释放,累积释放率为89%.

3.4 生物浸矿实验结果显示,添加抑菌剂缓释滴丸,黄铁矿生物浸出液的pH值、Eh变化幅度较小,同时重金属的溶出下降,表明使用抑菌剂缓释滴丸可有效抑制黄铁矿的氧化产酸和金属溶出.

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