微生物与生物炭复合修复铬污染土壤的室内试验研究

夏梦莲, 樊 杰, 雷学文*, 董 欢, 陈亿军

(1.武汉科技大学城市建设学院，武汉430065；2.中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室，武汉430071)

随着铬酸盐生产、电镀、制革等工业活动的发展[1]，越来越多的铬废弃物、铬渣排入土壤中，铬在土壤中常见的为三价和六价，三价铬易被土壤颗粒吸附，不易迁移；六价铬由于其强氧化性、高溶解性、高流动性、不易被土壤吸附[2-3],被认为是毒性最强的铬，且被美国环境保护署(EPA)列为A级人类致癌物[4]。因此，需要对六价铬污染土壤进行处理。

针对重金属铬污染土壤，传统的物理和化学方法已经被广泛研究和使用，但这些方法也存在局限性，如成本高、产生二次污染、工程量大等[5]。当重金属Cr(VI)浓度低于300 mg/kg时，物理和化学还原技术变得无效或昂贵[6]。而微生物具有适应重金属污染土壤的能力，在污染土壤中可以进行长时间的生物生长，生物修复Cr(VI)污染土壤是一种对环境友好，并且不会造成二次污染的修复方法[7]。目前，许多微生物如枯草芽孢杆菌(Bacillussubtilis)、蜡样芽胞杆菌(Bacilluscereus)[8-9]已被分离出来并发现对Cr(VI)污染土壤有良好的修复效果。Xu等[10]研究巴氏芽孢杆菌(Bacilluscereus)在有氧条件下对铬的分馏，结果表明巴氏芽孢杆菌是一种耐铬性菌并且对铬具有还原和吸附作用。

由于直接将微生物加入污染土壤中可能会导致微生物流失或被吞噬，影响修复效果。王婷[8]将微生物枯草芽孢杆菌先附着于生物炭上，再加入重金属污染土壤中取得了较好的修复效果。生物炭具有较大的比表面积能够为微生物提供附着载体，其次也为微生物的生长提供碳源和营养源。基于此，在巴氏芽孢杆菌处理过程中辅以添加生物炭，通过设计不同组试验，对不同试验组中的Cr(VI)残余值含量、浸出浓度、铬形态分布进行相应的测定，来评价巴氏芽孢杆菌、生物炭及两者复合对铬污染土修复的可行性，并通过XPS检测进一步分析巴氏芽孢杆菌与生物炭复合修复效果。

1 材料与方法

1.1 配制Cr(VI) 污染土壤

供试用土为现场取样，属于粉质黏土。试验前将土壤在40 ℃下烘干至恒重，测得试验土壤的物理性质如表1所示。为制备掺有Cr(VI)的土壤样品，通过添加K2Cr2O7溶液得到Cr(VI)污染土壤，直至混合物风干至恒重，粉碎全部过2 mm筛，得到土壤中Cr(VI)浓度为270 mg/kg，浸出浓度为90 mg/L。

表1 供试土壤的基本理化性质Table 1 Basic physical and chemical properties of the tested siol

1.2 供试菌株及培养基

采用一种耐铬性菌巴氏芽孢杆菌作为修复剂，为保证菌的活性与生长，为此需要配置细菌生长所需的液体培养基：胰蛋白胨15 g，蛋白胨5 g，氯化钠5 g,尿素20 g，去离子水1 L,调节pH至7.3。然后将活化好的菌种接种于此液体培养基，在30 ℃，130 r/min 振荡培养箱内进行扩大培养24～36 h得到菌液，菌液浓度用OD600表示，试验所用的菌液浓度OD600为0.6和1.0。

1.3 供试生物炭

该试验采用热解温度500 ℃的玉米秸秆生物炭，测得生物炭理化性质如表2所示，生物炭灰分含量测定参照《木质活性炭灰分含量的测定》(GB/T 12496.3—1999)；采用综合吸附仪测定生物炭比表面积；采用元素分析仪测定生物炭的基本理化性质。

表2 生物炭理化性质Table 2 Physical-chemical properties of biochar

1.4 试验方法

在Cr(VI)含量为270 mg/kg-1的铬污染土中添加不同量的巴氏芽孢杆菌和生物炭进行培养实验，土水比为1:1，巴氏芽孢杆菌和生物炭与土壤充分混匀，然后置于塑料碗中在30 ℃下培养，并保持田间持水量的70%，分别在第1、5、10、15、20 d时进行取样测定修复后土壤浸出浓度、土壤中Cr(VI)含量、土壤pH、修复20 d后土壤重金属Cr的形态分布。试验设空白对照CK，所有试验设三组平行试样，取其平均值，具体试验方案如表3所示。

表3 试验方案Table 3 Test scheme

1.5 分析方法

土壤pH按照文献[11]测定，浸出浓度和 Cr(VI)残留值试验均按照美国EPA的测定方法[12-13]，铬形态提取试验采用改进(BCR)四步连续提取法(BCR)，将重金属铬划为4种不同形态，即弱酸态、可还原态、可氧化态、残渣态，具体试验步骤见文献[14]，并通过X射线光电子能谱分析(XPS)试验进一步分析验证其修复效果。

2 结果与讨论

2.1 修复前后土壤 pH的变化

图1 添加剂随养护时间对土壤pH的影响Fig.1 Effect of additives on soil pH with curing time

2.2 添加剂对Cr(VI)浸出浓度的影响

不同添加剂对Cr(VI)浸出浓度的影响如图2所示。从图2中可以看出，未经处理的土，Cr(VI)浸出浓度为90 mg/L ，而经不同添加剂处理下Cr(VI)的浸出浓度随着养护时间的增加均降低。由图2(a)可知，添加菌液浓度OD600为1.0，培养至5 d时，Cr(VI)浸出浓度降低为12.54 mg/L，后随着养护时间缓慢降低趋于稳定，在培养至20 d时达到最低值为8.42 mg/L，这是因为巴氏芽孢杆菌具有还原和吸附Cr(VI)的能力，降低了Cr(VI)的浸出浓度，这与Xu等[10]的研究结果一致；由图2(b)可知，添加生物炭浓度为40 g/kg时，Cr(VI)浸出浓度随着培养时间的增加逐渐降低，培养至20 d时，降低为22.46 mg/L，这是因为该生物炭高的灰分含量和比表面积具有吸附铬的能力；由图2(c)可知，当菌液浓度OD600为1.0和生物炭浓度为40 g/kg复合时，Cr(VI)浸出浓度降低至1.08 mg/L，修复效果最好，这可能是因为生物炭和巴氏芽孢杆菌修复铬污染土壤具有协同作用；同时，由图2可知，提高添加剂浓度Cr(VI)浸出浓度降低效果越好。

图2 添加剂随养护时间对浸出浓度的影响Fig.2 Effects of additives on leaching concentration with curing time

2.3 添加剂对土壤中Cr(VI)含量的影响

不同添加剂对土壤中Cr(VI)含量的影响如图3 所示。从图3可以发现，在整个培养过程中，原污染土壤中Cr(VI)含量为270 mg/kg,而经不同添加剂处理后土壤中Cr(VI)含量均降低。由图3(a)可知，添加菌液后，在培养前期土壤中Cr(VI)含量降低明显，后期随着培养时间土壤中Cr(VI)含量缓慢降低至稳定。当菌液浓度OD600为1.0，经 20 d 修复后，土壤中Cr(VI)含量从270 mg/kg 下降为19.67 mg/kg，降低幅度为对照组的92.71%；由图3(b)可知,添加生物炭后，土壤中Cr(VI)含量随着培养时间的增加逐渐降低，当生物炭浓度为 40 g/kg时，土壤中Cr(VI)含量从270 mg/kg降低为 79.68 mg/kg，降低为对照组的70.49%；由图3(c)可知，同时添加巴氏芽孢杆菌和生物炭时，其菌液浓度和生物炭浓度越高情况下土壤中Cr(VI)含量降低越显著，当菌液浓度OD600为1.0和生物炭浓度为40 g/kg时，土壤中Cr(VI)含量从270 mg/kg降低至5.14 mg/kg，降低为对照组的98.09%。由此可以得出，巴氏芽孢杆菌与生物炭复合效果优于巴氏芽孢杆菌和生物炭，巴氏芽孢杆菌效果优于生物炭。在整个培养过程中，提高菌液和生物炭的浓度同样有利于降低土壤中Cr(VI)含量。

图3 添加剂随养护时间对土壤中Cr(VI)含量的影响Fig.3 Effect of additives on Cr (VI) content in soil with curing time

2.4 修复前后铬的形态分布

添加菌液浓度OD600为1.0(T6)、生物炭浓度为40 g/kg(T2)及两者复合处理(T8)修复20 d后对铬形态分布的影响如图4所示。从图4可以发现，对照组土壤弱酸态铬所占比例最高，高达66.03%，经3种添加剂处理后土壤弱酸态铬均下降明显，并促使向残渣态和可还原态转化，而可氧化态还铬无明显变化，这可能是因为在整个过程中反应体系土壤pH迅速升高，降低了Cr的溶解度，促使Cr形成氢氧化物、碳酸盐的形式沉淀下来；而两者复合修复后弱酸态铬最低，这可能是因为向含盐含量的培养基中添加生物炭后，芽孢杆菌繁殖率增加，生物炭吸附了培养基中的盐分，使其有利于芽孢杆菌的生长[16]。

图4 修复后土壤中铬的形态分布Fig.4 Distribution of Chromium in soil after remediation

2.5 XPS检测分析

图5 复合修复前后Cr(VI)污染土壤的XPS图Fig.5 XPS diagram of Cr(VI) contaminated soil before and after composite repair

3 结论

(1)相较于对照组，经巴氏芽孢杆菌、生物炭及巴氏芽孢杆菌与生物炭复合三种不同处理后，Cr(VI)浸出浓度和土壤中Cr(VI)含量均显著降低，其中，菌液浓度1.0、生物炭40 g/kg复合时，土壤中的浸出浓度和土壤中Cr(VI)含量最低，浸出浓度和土壤中Cr(VI)含量分别降低至1.08 mg/L、5.14 mg/kg。因此，不同处理对修复铬污染土的效果为巴氏芽孢杆菌与生物炭复合优于巴氏芽孢杆菌和生物炭，巴氏芽孢杆菌优于生物炭。

(2)菌液浓度OD600为1.0、生物炭浓度为40 g/kg及两者复合处理20 d后，可促使铬从弱酸态向可还原态和残渣态转化，而对可氧化态的铬影响不大，其中巴氏芽孢杆菌与生物炭复合修复后弱酸态铬降低幅度最大。

(3)由XPS检测分析可得，巴氏芽孢杆菌与生物炭复合修复污染土壤为混合还原和吸附的过程。