硫酸盐对磁赤铁矿—磁铁矿厌氧转化过程的影响

高 扬，周跃飞，谢巧勤，陈天虎

合肥工业大学资源与环境工程学院，纳米矿物与污染控制安徽普通高校重点实验室，合肥230009

1 引言

磁赤铁矿（γ-Fe2O3）是表生环境中普遍存在的铁氧化物，常与磁铁矿（Fe3O4）相伴随，它们具有相同的反尖晶石结构，对土壤及沉积物的磁性有重要贡献；此外，纳米磁赤铁矿也被广泛应用于医药、信息存储、水处理等工业领域（Hao et al.,2010;Hua et al.,2012）。了解磁赤铁矿的矿物学特性及形成和转化过程，以及与之关联的矿物磁学特性，在古地磁学、岩石磁学、环境磁学及矿物工业应用上有重要意义（Thouveny et al., 1994;Egli, 2004; Liu et al., 2004; Lin et al., 2014; Chang et al., 2016）。基于磁赤铁矿和磁铁矿的结构相似性，磁赤铁矿主要通过磁铁矿在氧化条件下固相转化而成（Stacey and Banerjee, 1974）。且热力学计算及实验结果表明，大粒径磁铁矿的氧化产物通常为赤铁矿；上述物相间的转化仅发生于纳米尺 度 范 围 （Cornell and Schwertmann, 2003;Navrotsky et al., 2008; Salazar et al., 2011）。因此，天然环境中的磁赤铁矿通常呈现为纳米颗粒结构（Liu et al.,1997;Arató et al.,2005;Chen et al.,2005;Moreau et al.,2005）。

近期研究发现，微生物对磁铁矿和磁赤铁矿两种物相间的相互转化具有促进作用，即微生物可以将纳米磁铁矿氧化为纳米磁赤铁矿；纳米磁赤铁矿及高Fe（III）含量的纳米磁铁矿在厌氧微生物作用下也可以固相转化为纳米磁铁矿（Byrne et al.,2015;Zhou et al.,2019）。可见，磁铁矿—磁赤铁矿固溶体在微生物代谢过程中起到了“电池”的作用。Byrne等（2015）发现异化铁还原菌可以促进高Fe（III）磁铁矿向磁铁矿转化； 且Zhou 等（2019）的研究发现含有或不含硫酸盐体系中的硫酸盐还原菌（sulfate-reducing bacteria,SRB）均可导致纳米磁赤铁矿完全相变转化为纳米磁铁矿。由此可见，SRB 还原硫酸盐产生的酸可挥发性硫（acid-volatile sulfur,AVS）并不是唯一还原剂，SRB 自身也可以向磁赤铁矿传导电子，导致其固相转化为磁铁矿。

通常，SRB 不仅普遍存在于含高浓度硫酸盐的海洋沉积物中，也存在于含低浓度硫酸盐的淡水沉积物中（Portillo and Gonzalez,2009;Masurat et al., 2010）。SRB 的活性常易受上述环境中硫酸盐浓度的影响，进而使SRB 对有机质的利用率及其还原转化纳米磁赤铁矿的能力被制约（Zhou et al.,2019）。硫酸盐主要通过以下两种机制制约纳米磁赤铁矿的厌氧转化：（一）硫酸盐与磁赤铁矿竞争电子，抑制SRB 直接作用还原矿物，Zhou 等（2019）的研究发现磁赤铁矿比硫酸盐更易得到SRB的电子；（二）硫酸盐作为SRB培养基的重要组成成分，其存在可以促进SRB 生长，提高SRB活性和向磁赤铁矿传递电子的能力（Choi and Rim,1990;Lu et al.,2016）。然而，以上两种机制中哪种机制占主导地位，目前仍没有明确的定论。故本研究通过对有/无硫酸盐体系中SRB 还原磁赤铁矿的速率进行比较，探讨硫酸盐及SRB 活性对磁赤铁矿固相转化的影响。该研究结果对阐明沉积环境中磁赤铁矿的矿物学行为及矿物−微生物交互作用机制有一定启示作用。

2 材料和方法

2.1 矿物材料的制备、成分和性质

采用两步煅烧法制备磁赤铁矿：将2 g针铁矿粉末放入25 mm 内径的自制石英管中（内含石英棉支撑层），在300°C的管式炉中煅烧3.5 h，煅烧时向石英管中同步通入高纯H2以保证还原气氛，流量为150 mL·min-1（SGH-300 氢气发生器，北京东方精华苑科技有限公司）；煅烧结束后，在持续通H2的条件下自然冷却样品至室温。其中，用于制备磁赤铁矿的工业级针铁矿购自镇江精细化工厂，X射线衍射（XRD）分析未发现除针铁矿以外的杂质相。

经XRD 分析，煅烧产物为纯磁铁矿，通过Scherrer 公式计算得到晶粒垂直（311）晶面方向的平均尺寸约为28.6 nm，与生物成因纳米磁铁矿尺寸相近（Zhang et al., 1997; Bazylinski and Frankel, 2004）。采用自动比表面积分析仪（Nova 3000 e,美国康塔仪器公司） 测得样品比表面积为18.45 m2·g-1。将纳米磁铁矿在马弗炉（SX-5-12，中国上海跃进医疗器械厂）中300°C有氧煅烧3 d。样品经XRD 分析证实为磁赤铁矿，采用Scherrer公式计算得到晶粒垂直（311）晶面方向的平均尺寸约为28.1 nm，比表面积为19.46 m2·g-1，在磁铁矿向磁赤铁矿转化过程中，矿物形态没有发生明显变化。

2.2 菌种和培养基

实验用菌种SRB 是一株脱硫弧菌（GenBank/HQ022824.1），从合肥王小郢污水处理厂厌氧消化池底部污泥中分离获得（Wang et al.,2014）。

MA的主要成分为（g·L-1）： NH4Cl 1.0，K2HPO40.5，NaCl 0.41，MgCl2·6H2O 1.65，CaCl20.076，NaHCO32.8，质量分数70%的乳酸钠5 mL。培养基 MB 的主要成分为 （g·L-1）：NH4Cl 1.0，K2HPO40.5，Na2SO40.5，MgSO4·7H2O 2.0，CaCl20.076，NaHCO32.8，质量分数70%的乳酸钠5 mL。经计算，MB 中 SO42-浓度为 1.123 g·L-1。其中，配制MA 和MB 培养基的化学试剂均为分析纯；溶剂为二次去离子水。

2.3 矿物分解及转化实验

为了考察硫酸盐对SRB 分解和转化磁赤铁矿的影响，实验设置有/无硫酸盐（即培养基分别为MB 和MA）两组实验，此外，设置两组含培养基、但无菌的控制实验，每组实验设置三个平行实验。

首先，实验用的培养基均在121°C的高温蒸汽灭菌炉中灭菌30 min；磁赤铁矿紫外灭菌40 min。实验在30 mL的血清瓶中进行，在每个血清瓶中加入27 mL灭菌后的培养基、0.01 g抗坏血酸和0.22 g（即 50 mmol·L-1） 磁赤铁矿；将 3 mL SRB 菌液过滤和清洗后（去除残留的硫酸盐和硫化物），接种纯细胞到血清瓶中；补充蒸汽灭菌后的二次去离子水，使血清瓶中的溶液体积达到30 mL；采用丁基胶塞和铝塑盖密封实验瓶。上述实验操作在无氧手套箱里进行，操作过程中用N2:CO2（体积比为80 : 20）混合气体驱除血清瓶中的溶解氧。最后，将所有血清瓶置于震荡箱中，在37°C 条件下开展为期31 d的恒温培养实验。

实验期间，定期监测血清瓶的磁化率。实验结束后，测量溶液pH、氧化还原电位（Eh）、AVS和溶解态Fe；通过离心收集固体物质，用无氧二次去离子水清洗并冷冻干燥。所得固体样品置于厌氧袋中并低温保存，以防止矿物氧化，待测试。

2.4 分析测试

采用MS2B（Bartington仪器有限公司）型磁化率仪测量血清瓶的磁化率，测量三次求平均值。溶液 pH 和 Eh 使用 MYRON L Ultrameter IITM多参数电导/pH 表测定。 使用原子吸收光谱仪（WYS2200，安徽皖仪）测量上清液中溶解态总Fe（包含Fe（II）和Fe（III））的浓度，然后采用邻菲罗啉法精确测定Fe（II）的浓度。采用气相分子吸收光谱（AJ-2100，上海安杰）测定AVS，基本流程为:取1 mL 待测液注入25 mL 密闭反应瓶中，加入2 mL 5 N HCl反应20 min，将所有的AVS（S2−、HS−、H2S 和部分固体硫化物中的S2-）转化为气态H2S后进行测定（Chen et al.,2014）。蛋白质采用福林酚法测定，取0.9 mL 待测液加入到含有0.1 mL浓度为 0.5 mol·L-1NaOH 的离心管中，100 ℃水浴加热 30 min，10000 r·min-1离心 3 min 后取上清液进行测试。

采用XRD（DX-2700，丹东浩元）分析固体物相组合。采用X 射线光电子能谱（XPS）分析Fe和S 的价态及相对含量，图谱由Thermo Scientific™ESCALAB™250Xi 型X 射线光电子能谱仪测得，X射线光斑为500 μm，样品经粉末压片后进行测试。采用穆斯堡尔谱分析矿物相，基本流程：将约100 mg样品置于黄铜样品支架上（直径16 mm，厚1 mm），在室温（293 K）条件下开展穆斯堡尔谱测试（Austin Science S-600，中国科学院地质与地球物理研究所兰州油气资源研究中心），光谱按照洛仑兹曲线以最小二乘法拟合（Hu et al.,2015）。

3 实验结果

3.1 溶液和固相的理化参数

实验结束后，反应体系中溶液和固体的理化参数见表1。有菌和无菌体系中pH 差别不大，溶液均呈弱碱性。不含菌的有/无硫酸盐体系M1 和M2中Eh值为负，表明抗坏血酸的添加导致培养基呈缺氧状态。含菌对应体系M3和M4 中Eh值明显低 于 M1、 M2 且 M4＜M3，均适合SRB生长（Labrenz et al., 2000）。M4 中酸挥发性硫 （AVS）浓度远高于其他实验组，表明SRB 生长导致硫酸盐的还原。蛋白质可以作为SRB 浓度或活性的代用指标，M3 和M4 实验瓶中均具有较高的蛋白质浓度，表明两个实验中SRB生长良好；M4中蛋白质浓度高于M3，表明硫酸盐促进了SRB 的生长。M4 中检测到低含量的溶解态Fe，M3 中未检出；M3 与M4 的固相中均有一定含量的Fe（II），并且M4＞M3。总体而言，Eh、蛋白质、固相中Fe（II）含量等指标均显示，磁赤铁矿可以作为SRB生长的电子受体，而Eh、AVS、蛋白质、溶解态Fe 浓度及固相中Fe（II）含量等指标显示有硫酸盐条件下SRB生长更好。

表1 实验结束后溶液和固体的理化参数Table 1 Physical and chemical parameters of solution and solid after the experiments

3.2 XRD

所有固体样品中均未检测到除磁赤铁矿外的其他物相，磁赤铁矿衍射峰较弱且有一定程度宽化，表明晶粒呈纳米级，经Scherrer公式计算，M3和M4中矿物的晶粒尺寸有减小的趋势（表1），且减小程度为M4＞M3，表明在SRB 作用下磁赤铁矿发生了一定程度的溶解。利用Nelson-Riley（N−R）方法将布拉格角外推到90o获得精确的晶胞参数（a0）（Nelson and Riley,1945），结果显示M3 和M4磁赤铁矿的晶胞参数（a0） 从磁赤铁矿（a0=8.3515 Å）（JCPDS No: 39-1346） 向磁铁矿 （a0=8.3960 Å）（JCPDS No: 19-0629）偏移（表1），初步表明在SRB 的还原作用下磁赤铁矿发生了一定程度的磁铁矿化（图1）。

3.3 XPS

M1 与 M2 的 Fe （2p3/2） XPS 谱图与 Gupta 和Sen（1975）的拟合结果一致（表2），包含四个Fe（III）的多重峰，一个高结合能“表面峰”和一个低结合能“前峰”（图2），没有Fe（II）峰出现，表明培养基没有导致Fe（III）还原。高结合能表面峰的出现指示表面Fe（III）配位数的减少或晶场能的减小（Bronold et al., 1994; Droubay and Chambers, 2001; Grosvenor et al., 2004）。M3 和 M4被SRB 还原后所得固相的Fe （2p3/2）XPS 谱图包含四个Fe（III）多重峰，三个Fe（II）多重峰，一个“表面峰”和一个“前峰”（图2）,半定量分析表明，M3和M4样品表面具有较高的Fe（II）含量（表2）。M4 中各峰的结合能普遍低于M3 中对应的峰，原因是Fe 的XPS 峰的结合能正相关于与Fe 键合的阴离子的电负性（Grosvenor et al.,2004），M4 中SRB 还原硫酸盐生成了S2-，进而形成铁硫化物，Fe−S键的存在导致Fe的XPS峰的结合能降低。M4实验中S（2p）的XPS谱图如图3所示，拟合得到S2-（160.91eV）、S22-（162.20eV）、Sn2-（163.15eV）等S 形态，表明固体中可能存在马基诺矿、胶黄铁矿、黄铁矿及铁的多硫化物等次生硫化物（Pratt et al.,1994;Neal et al.,2001）。

图1 固体样品XRD结果（内插图：利用N-R函数求晶胞参数）Fig.1 XRD patterns of solids（Insets:N−R function used to extrapolate a0 to 90o Bragg angle）

表2 用于拟合Fe（2p3/2）XPS图谱的Fe（III）和Fe（II）的多重峰参数Table 2 Fe(III)and Fe(II)multiple peak parameters used to fit Fe 2p3/2 XPS spectra

图2 固体样品Fe（2p3/2）XPS结果（红色、蓝色、绿色、青色拟合线分别代表Fe（III）、Fe（II）、前峰和表面峰）Fig.2 XPS patterns of Fe(2p3/2)for solids(Red,blue,green and cyan fitting lines represent Fe(III),Fe(II),pre-and surface peaks,respectively)

3.4 穆斯堡尔谱

本研究所用纳米磁赤铁矿的穆斯堡尔谱与前人的结果一致（da Costa et al., 1998; Oh et al.,1998）（图4），均为一个加宽的非对称六线峰，同质异能位移（IS）和四级矩分裂（QS）值分别为 0.32 和 0.00 mm·s−1（表3）。在 M3 实验体系中，固相的穆斯堡尔谱发生了很大变化，拟合出两套六线峰，IS、QS 以及超精细磁场强度（Bhf）与磁铁矿相似（De Grave et al., 1993; Li et al.,2009）（表3），其中IS 较小的六线峰对应磁铁矿中四面体位的Fe（A 位），另一个六线峰对应磁铁矿中八面体位的Fe（B位），据峰面积计算得到新物相的化学计量向磁铁矿靠近。对M4 实验固体的穆斯堡尔谱进行拟合后得到四条谱线，两条分别对应磁铁矿的A 位和B 位Fe，一条对应超顺磁性磁铁矿中的Fe2.5+（Dyar et al.,2006），一条对应顺磁性铁硫化物中的Fe2+。从磁铁矿化学计量上看，与M3 相比M4 中的磁铁矿更接近磁铁矿的标准化学计量，表明两个体系中SRB 均可导致磁赤铁矿固相转化为磁铁矿，但添加硫酸盐后转化更彻底”。

图3 M4中固体样品S（2p）XPS结果（实线和虚线分别代表S（2p3/2）和S（2p1/2）峰，红色、绿色和蓝色线分别代表S2−、S22−和Sn2−峰）Fig.3 XPS patterns of S(2p)for solids in M4（Solid and dashed lines represent S(2p3/2)and S(2p1/2),respectively.Red,blue,green and cyan lines represent Fe(III),Fe(II),pre-and surface peaks,respectively）

3.5 磁化率

在31 天实验过程中，M1 和M2 体系中磁赤铁矿颜色始终保持红褐色；而M3 和M4 体系中的磁赤铁矿颜色从红褐色逐渐向黑色转变，这表明磁赤铁矿发生了向磁铁矿或铁硫化物的转化。实验期间，无菌实验（M1、M2）体系的磁化率基本保持不变。有菌实验（M3、M4）体系的磁化率在实验初期快速增加：M3在第16天达到最大值，增加量为22.8%; M4 在第11 天达到最大值，增加量为24.1%。达到最大值后，两个实验体系的磁化率缓慢下降；实验结束时，M4 下降量大于M3（图5），但两个体系的磁化率均未达稳定状态。

4 讨论

与Zhou 等（2019）的前期工作相似，本研究的AVS、溶解态Fe、XPS 及穆斯堡尔谱等结果均显示当体系存在硫酸盐时，SRB 可以将硫酸盐还原为AVS，其随后与磁赤铁矿反应，还原并释放Fe，进一步生成次生铁硫化物，这一非生物还原机制已被广泛认可（Canfield and Berner, 1987;Canfield et al., 1992; Krom et al., 2002; Poulton et al.,2004）。另一方面，XRD 和穆斯堡尔谱结果显示SRB 可以直接向磁赤铁矿传递电子，导致磁赤铁矿中部分八面体位中的Fe 被还原，磁赤铁矿固相转化为磁铁矿，在此过程中SRB 以铁氧化物为电子受体进行生长。在磁赤铁矿向磁铁矿转化的过程中，两种矿物结构上的相似性是转化的必要条件，而磁铁矿的导电性保证转化可以持续进行。

图4 磁赤铁矿与SRB反应前（NMh）后（M3和M4）的室温穆斯堡尔谱（黑线：数据拟合线；青线：磁赤铁矿中Fe；红线：A位Fe；蓝线：B位Fe；紫红线：超顺磁性Fe2.5+；绿线：顺磁性Fe2+）Fig.4 RT Mössbauer spectra of maghemite before(NMh)and after(M3 and M4)SRB reduction（Open circles:measured data;black line:full data fitting;cyan line:Fe in maghemite;red line:A-site Fe;blue line:B-site Fe;magenta line:superparamagnetic Fe2.5+;green line:paramagnetic Fe2+）

表3 磁赤铁矿与SRB反应前后的穆斯堡尔超精细参数Table 3 Mössbauer hyperfine parameters of maghemite before(NMh)and after(M3 and M4)SRB reduction

图5 实验瓶磁化率（χ）变化Fig.5 Magnetic susceptibility of experimental bottles

对比M3 和M4 实验的XRD 及穆斯堡尔谱结果可知，硫酸盐的添加会导致磁赤铁矿转化速率加快，同时M4 中会有更多超顺磁性磁铁矿的产生，结合两组实验磁化率变化的非同步性，推测硫酸盐制约SRB 还原磁赤铁矿的机制如下：硫酸盐促进SRB 生长（表1 蛋白质浓度）；SRB 附着于磁赤铁矿表面的数量增多（图6）；由于菌体附着的位置优先接受SRB 传递的电子，因此SRB 附着数量的增多可以导致单一磁赤铁矿颗粒在相同时间内不仅转化速率更高，生成的磁铁矿颗粒也更多；部分磁铁矿粒径越过超顺磁—稳定单畴界线（Dunlop and Ozdemir, 1997），导致M4 体系中超顺磁颗粒的比例增加（图4），同时磁化率也增加（图5）；随着反应的进行，部分超顺磁磁铁矿晶粒通过生长或合并作用增大，由超顺磁颗粒向稳定单畴颗粒转化，体系磁化率降低。

图6 SRB通过直接电子传递还原磁赤铁矿为磁铁矿过程示意图Fig.6 Cartoon illustration of the reduction of maghemite to magnetite by SRB via direct electron transfer

不同自然环境中硫酸盐浓度可能会差异较大，这种差异会导致AVS 和SRB 数量出现差别，AVS 浓度增高会促进磁赤铁矿的溶解，而SRB 数量的增加不仅会加速磁赤铁矿向磁铁矿的转化，也会改变磁赤铁矿的转化过程。此外，自然界还存在较多高Fe（III）含量的磁铁矿，SRB 也可以固相还原这些磁性铁氧化物，其还原速率和过程受硫酸盐浓度的制约。

5 结论

通过对比有/无硫酸盐条件下纳米磁赤铁矿厌氧转化过程和分解速率的差异，发现硫酸盐还原产生的AVS 可以提高磁赤铁矿的厌氧分解能力；SRB 主要通过接触作用向磁赤铁矿传递电子，进而促进磁赤铁矿固相转化为磁铁矿；硫酸盐可以促进SRB 的生长，提高SRB 与矿物接触的几率，进而提高矿物的转化速率；有/无硫酸盐条件下矿物转化的过程会有一定差别，次生磁铁矿的理化性能也会有所不同。