半干旱矿区蒙脱石基人工藻结皮的构建及其固铅机制

2023-12-22毕玉晶周克强宋少先

金属矿山 2023年11期

毕玉晶周克强夏令宋少先朱江胡勇

(1.武汉理工大学资源与环境工程学院,湖北武汉 430070;2.湖北三鑫金铜股份有限公司,湖北大冶 435100)

未经修复的含铅尾矿迄今仍是一个世界性的问题,含铅的尾矿在露天堆存、填埋处置和资源化利用过程中均存在潜在生态风险。尾矿的铅类化合物组分复杂,其浓度和性质可归因于矿体及矸石的性质、成分,以及气候、水文和地球化学等环境条件[1]。生物机体摄取铅后易引发中枢神经系统损伤,多种脑部疾病,且对肾脏、肝脏、造血系统、内分泌系统和生殖系统产生不良影响[2]。因此,铅污染的场地修复是亟待解决的环境问题。

微生物修复技术作为传统技术的生态可持续替代品,具有低成本和生态友好的修复优势,可用于处理和管理受污染场地和工业废物,以保护公众健康和环境。微生物诱导的生物矿化即微生物通过自身代谢,稳定矿物晶格或表面的重金属离子,促进重金属离子形成溶解度低的磷酸盐矿物、碳酸盐矿物等,从而减少重金属的生物可利用度[3-4]。因此,微生物法被认为是一种有效的可持续治理手段。

半干旱矿区土地支离破碎,降雨稀少、蒸发量大,生态修复难度极大。在这片区域,风蚀主导着尾矿铅的浸出,而风力运输被认为是暴露铅扩散的重要媒介[5]。另外,由于水分蒸发量大,从尾矿中浸出的铅将随蒸汽再次流向大气[6]。生物结皮作为半干旱区地表的先驱生物,可显著抑制地表侵蚀过程。一项全球荟萃分析表明,与芜原相比,生物结皮集合了数量庞大的微生物群落,将土壤有机碳含量提高近71%[7]。其中,微生物本体及其分泌的胞外多糖含有丰富的氨基、羟基、羧基等官能团,能高效吸附重金属离子,避免铅对细胞产生正面冲击[4,8-9]。因此,生物结皮对干旱矿区地表生态修复具有天然优势。

历经数十年甚至千年的发展,生物结皮不断捕获随大气沉降的细粒黏土[10]。黏土是土壤的主要成分,其对土壤形成和有机质的积累至关重要。黏土的吸附作用及其对微团聚体的保护作用是维持有机质物理化学和物理稳定性的关键因素。例如,在富含黏土的微团聚体内部,微生物代谢或死亡产生的有机质得以长期保存并缓慢分解[7]。黏土矿物(含铝硅酸盐矿物)由原生岩石风化产生,含有表面带正电的铝氧化物和铝氢氧化物成分,可增强阴离子和负电颗粒的吸附和絮凝,且具有固定铅、铬等阳离子的复杂能力[11]。蒙脱石是最典型的黏土矿物之一,可提供大量可交换阳离子,可与微生物细胞搭建阳离子桥接配体,从而降低铅对细菌的毒性[3]。

此前,半干旱矿区的生物结皮快速构建技术仍处于研究的初步阶段,生物结皮对铅的固定效果及固铅机理尚不明确。本研究难点在于构建的人工生物结皮要求耐受极端干旱和铅的强烈生物毒性。本研究通过接种蓝藻-蒙脱石复合物构建人工藻结皮,解析人工结皮对铅固定量及可利用程度的影响。采用扫描电子显微镜-能谱联用仪(SEM-EDS)、傅里叶红外变换光谱仪(FTIR)、X 射线衍射仪(XRD)等手段表征了结皮内铅的分布及形态变化。本研究旨在揭示人工藻结皮对铅污染老土的修复机理,对半干旱矿区地表治理具有深刻启示和借鉴意义。

1 材料与方法

1.1 样品制备

藻于BG-11 培养基通气培养24 d,培养期间保持光暗循环14、10 h,光照强度40 μE/(m2·s),温度25±2 ℃。培养基成分为2.86 g/L 的硼酸、1.86 g/L的四水氯化锰、0.22 g/L 的七水硫酸锌、0.02 g/L 的钼酸钠、0. 08 g/L 的五水硫酸铜、0. 05 g/L 的硝酸钴、75.00 g/L 的七水硫酸镁、36.00 g/L 的二水氯化钙、6. 00 g/L 的柠檬酸、6. 00 g/L 的柠檬酸铁铵、20.00 g/L 的碳酸钠、300. 00 g/L 的硝酸钠、40. 00 g/L 的三水磷酸氢二钾、1.00 g/L 的乙二胺四乙酸二钠。接种前,蓝藻生物量为0.012 g/mL。

“老土”指使用Pb(NO)3溶液和沙子配制含铅量为125 mg/kg 的湿沙,通过每天加水搅拌、风干循环处理,历时3 个月制得的沙土。干燥的“老土”平铺于直径14.3 cm 的培养皿中,用量为每组200.0 g±0.5 g,粒度集中分布于120～200 μm,“老土”层厚度为1.0 cm±0.1 cm。本研究所用蒙脱石的d50为4.14 μm,d90为12 μm。蒙脱石基人工藻结皮是指由Microcoleussteenstruppi、钠基蒙脱石、BG-11 培养基的混合接种物在沙丘表面形成的土壤硬壳。根据藻的生物量设置M0、M100、M300、M500和M7005 个处理组,即使用5 mL 浓缩藻液(生物量0.002 4 g/mL)、20 mL水、20 mL BG-11 培养基分别与0 g,1.2 g,3.6 g,6.0 g,8.4 g 蒙脱石均匀混合制得。加水方式为养护期(0～14 d)隔天加水5 mL,14 d 后,每4 d 加水5 mL。养护期相当于年平均降雨量28 mm。藻-蒙脱石层记为人工藻结皮表层,“老土”层记为人工藻结皮下层。

人工藻结皮的取样时间为第1 d、第5 d、第9 d、第14 d、第19 d、第36 d、第44 d、第62 d。待测样品均使用直径7 mm 的环刀打孔取得。

1.2 指标测定

叶绿素a 浓度采用优化的三色法测定[12]。样品磨碎,加入8 mL 95%的乙醇,4 ℃避光提取24 h。提取液使用紫外-可见分光光度计测定665 nm 处的吸光度,以95%的乙醇作对照。

胞外多糖的浓度采用苯酚-硫酸法测定[13]。样品磨碎,加入2 mL 超纯水和1 mL 98%的浓硫酸浸提24 h。提取液使用6 mol/L 的氢氧化钠溶液调至pH=7,并定容至8 mL,设定5 000 r/min 离心10 min。取1 mL 上清液加入1 mL 9%的苯酚和5 mL 浓硫酸,测量485 nm 处的吸光度,以超纯水代替提取液设置对照。吸光值代入标准曲线即得胞外多糖的浓度。

可溶性蛋白的浓度采用考马斯亮蓝比色法测定[14]。样品研磨,于5 mL 50 mmol/L pH=7.8 的磷酸缓冲液中冰浴提取20 min,设定5 000 r/min 离心10 min。取1 mL 上清液加入5 mL 考马斯亮蓝染液,室温静置30 min,测定595 nm 处的吸光度。吸光值代入标准曲线即得可溶性蛋白的浓度。

人工藻结皮的照片为相机拍摄的原图。扫描电子显微镜-能谱联用仪(SEM-EDS,Phenom 6.0)通过扫描指定区域的元素分布以便观察藻丝的形态及铅在结皮中的分布情况。激光粒度仪(Mastersizer AP2000)用于确定结皮中黏土、沙子、团聚体的粒径和占比。 Zeta 电位仪(ZEN 3690)用于探究藻-蒙脱石复合材料的表面电荷状态,辅助论证复合材料的固铅特性。傅里叶红外光谱仪(FTIR,Nexus)标识吸附铅前后,复合材料表面官能团的变化情况。 X 射线衍射仪(XRD,D8 Advance)用于检测样品中的晶体结构,揭示铅的赋存形态变化。 X 光电子能谱仪(XPS,ESCALAB 250Xi)用于确定固铅前后材料表面的化学键变化。

因人工藻结皮中生物矿物占比较低,XRD、XPS的待测样品另行制备以剔除沙土的影响。具体制备方法为,在溶液中制备藻(M"0)、藻-蒙脱石(M"500)、蒙脱石(MT)吸附材料,其中藻生物量为0.007 5 g,蒙脱石质量3.75 g。藻使用前用超纯水洗涤3 遍,去除母液中的培养基等成分。上述溶液在150 mL 0.5 mmol/L 的硝酸铅溶液中,以150 r/min 转速搅拌24 h。

铅的存在状态及含量按照Tessier 五步提取法测得[15]。第14 d 和第62 d,明晰人工藻结皮中分别以弱酸可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机结合态、残渣态形式存在的铅含量。

1.3 统计分析

使用软件SPSS 13. 0 进行方差分析、相关性分析,根据Duncan 事后检验分析P<0.05(n=3)水平的叶绿素a、胞外多糖、可溶性蛋白质、铅含量数据的组间显著性。

2 试验结果与讨论

2.1 人工藻结皮的形貌特征

2.1.1 人工藻结皮的照片

养护期内人工藻结皮的照片直观反映其生长状况(图1)。接种时,M0、M100、M300、M500外观相近,M700表面颜色变浅。其原因是等体积溶液条件下,蒙脱石掺入量较大导致接种物粘稠,此时接种物完全覆盖于沙表,下渗量小。第9 d,M300、M500、M700的结皮将沙表完全覆盖,但M700表面轻微开裂。第36 d,表面出现了明显裂纹和起皮现象,原因可能是缺水、扰动等。第62 d,M0、M100处理表层较完整,颗粒感强,M300、M500、M700处理表层完整度下降,其中M500开裂、翘边的程度较轻。

2.1.2 人工藻结皮的微观形貌

第62 d 人工藻结皮的微观形貌如图2 所示。第62 d,M0结构较松散,沙粒间仅有寥寥数根藻丝,而M100、M300、M500、M700呈现藻、胞外聚合物、黏土复合层包裹沙粒的状态。 M100显示相邻片层之间形成“桥梁”结构,说明片层最初是半固态的可延展性物质。 M300、M500组图像中,沙粒外部的藻丝密度较M0大大提高,说明蒙脱石可促进蓝藻的生长或定殖。本研究通过少量多次加水,有效避免了蒙脱石的加水膨胀对蒙脱石基人工藻结皮的扰动。

2.2 人工藻结皮的生长情况

2.2.1 人工藻结皮的叶绿素a 含量变化

由于人工藻结皮的组分复杂,常用叶绿素a 含量变化替代生物量变化来反映藻的生长状态。如图3所示,接种后5 d 内,所有结皮的叶绿素a 近乎下降至零,随后增长,表明在铅沙上构建结皮需要约5 d的适应期。直到第14 d,由于水量减少和铅毒性冲击对结皮再次产生胁迫,M0、M100、M700组的叶绿素a 含量明显下降,而M300、M500组保持稳定,说明该比例下的复合材料更耐受干旱的冲击,同时能缓解铅离子毒性。接种14 d 后,M0、M100、M300的叶绿素a 含量与第62 d 无显著差异,在此期间,叶绿素a 含量呈波动式增减,原因或为3 组人工藻结皮中蓝藻的数量达到环境容纳量。接种后第62 d,M500、M700组叶绿素a 含量均显著高于M0、M100、M300组。研究发现,蒙脱石作为分布广泛的黏土矿物,可被藻结皮的生物质捕获,并作为营养源促进藻结皮的发育[16]。而且,蒙脱石的保水能力极强,在80 ℃,55 MPa、10 MPa 的土壤吸力条件下,密度1 750 kg/m3的蒙脱石的含水量仍可分别保持在15%、22%以上,可用于部分缓解蒙脱石基人工藻结皮的干旱胁迫[17]。综上,接种物中掺入适量蒙脱石能促进结皮蓝藻在铅沙上的增殖。

图3 M0、M100、M300、M500 和M700 处理组人工藻结皮的叶绿素a 含量的变化Fig.3 Changes of chlorophyll a content of artificial algae crusts in M0,M100,M300,M500 and M700 treatment groups

2.2.2 人工藻结皮的胞外多糖含量变化

鉴于官能团丰富,胞外多糖成为生物体抵御环境胁迫的重要机制[8,18]。如图4 所示,5 d 内,即使叶绿素a 含量下降,但M100、M300、M500、M700组的胞外多糖含量仍增加,表明蒙脱石可刺激藻类释放多糖,此时人工藻结皮逐步产生环境适应性。第14 d,叶绿素a含量持续增加,而胞外多糖含量下降,这是由于人工藻结皮的环境适应性进一步提高。直到19 d 后,胞外多糖含量激增,其中M500、M700涨幅最大。包裹沙粒的片层为藻分泌的胞外聚合物,可与蒙脱石组建复合结构,形成附着点或桥梁,从而将矿物颗粒连接在一起。蒙脱石表面的基团与胞外聚合物的主链或支链的末端相互作用使其絮凝,这是形成有机-矿物颗粒的一般机制。胞外聚合物在蒙脱石上的吸附过程涉及静电相互作用,能直接与蒙脱石表面的氧原子形成氢键或通过水分子间接形成氢键,其羟基与阳离子相互作用也有助于吸附[19]。蒙脱石的高吸附能力和大比表面积能截留营养离子,支撑团聚体结构,为微生物提供稳定的依附位点,促进形成微生物-胞外聚合物-蒙脱石复合体,改善土壤理化性质[20]。综上,M500、M700对应的蒙脱石掺入量能促进生物结皮分泌胞外多糖,促进结皮抵御干旱和铅毒的胁迫,这与叶绿素a 含量的变化规律吻合。

图4 M0、M100、M300、M500 和M700 处理组人工藻结皮的胞外多糖含量的变化Fig.4 Changes of exopolysaccharides content of artificial cyanobacterial biocrusts in M0,M100,M300,M500 and M700 treatment groups

2.2.3 人工藻结皮的可溶性蛋白含量变化

可溶性蛋白是重要的渗透调节类物质,反映出微生物应对胁迫时产生抗氧化酶的能力。如图5 所示,可溶性蛋白含量猛增,说明蒙脱石刺激藻类产生可溶性蛋白,进而抑制细胞的过氧化反应,维持细胞的渗透压平衡,破解蓝藻增殖的环境局限。第19 d,M100、M300、M500、M700基本获得环境适应性,而M0需要约44 d 获得。源于蛋白质及核酸的胞外聚合物的N 和P 均能吸附在蒙脱石上,且阳离子浓度的增加有利于胞外聚合物对蒙脱石的吸附,但N 和P 的质量分数及其质量将随pH 增加而下降[21]。当pH>8 时,胞外聚合物中有20%左右的C 和12%左右的N、P 吸附在蒙脱石上。从热力学角度讲,在较高的pH 下,胞外聚合物与蒙脱石的吸附过程放热量较少,原因是胞外聚合物和蒙脱石带有大量负电荷,排斥力强,导致吸附反应的吸热量更大[22]。综上,最佳处理组为M500。接种初期,蒙脱石调控可溶性蛋白产量规避部分环境胁迫,而胞外多糖主导的细胞保护至少需要19 d,胞外多糖和可溶性蛋白协作保护结皮蓝藻的增殖。

图5 M0、M100、M300、M500 和M700 处理组人工藻结皮的可溶性蛋白含量的变化Fig.5 Changes of soluble protein content of artificial cyanobacterial biocrusts in M0,M100,M300,M500 and M700 treatment groups

2.3 人工藻结皮的耐铅机理探究

人工藻结皮的粒径分布标志着培养期内蒙脱石的迁移和聚集规律。如图6 所示,结皮表层逐步显示出细颗粒的优势特征,M500中直径-20 μm 的颗粒最多,而M700细颗粒占比降低归因于M700的藻-蒙脱石层厚度大,于溶液中产生的水稳性团聚体直径更大。结皮下层的粒度分布显示,M300有近10%的土壤颗粒粒径小于50 μm,原因可能是,M300给水流速过快,水流夹带着少量蒙脱石进入结皮下层。 M100、M700下层粒度的分布规律相似,而M300、M500下层的颗粒粒径更大。人工藻结皮的颗粒分布(表1)显示,结皮表层和下层的土壤质地占比由大到小均为沙子、粉粒、黏土,其中M500表层含有的黏土级、粉粒级的颗粒分别为4.91%和33.24%。综上,人工藻结皮主要以直径2～20 μm 的微团聚体存在,M500表层的细颗粒含量最高,M300、M500的下层沙粒与蒙脱石团聚作用更强。

表1 第62 d 人工藻结皮的颗粒分布Table 1 The particle distribution of artificial cyanobacterial biocrusts at day 62

图6 第62 d 人工藻结皮的粒度累积分布Fig.6 The accumulation distribution of artificial cyanobacterial biocrusts at day 62

2.3.2 人工藻结皮的pH

第62 d,M0、M100、M300、M500、M700处理组的pH 如图7 所示。分析可知,人工藻结皮的pH 均显碱性,且pH 随着蒙脱石加入量的增加而提高。在该pH 条件下,Pb 通常以氢氧化物或碳酸盐的形式存在。这些化学形态的铅相对稳定,生物可利用度较低。考虑到铅矿开采伴有酸性废水的生成,铅盐应形成弱酸不可溶出的化学形态方可避免铅污染。

图7 M0、M100、M300、M500、M700 处理组的pH(62 d)Fig.7 The pH of M0,M100,M300,M500 and M700 treatment groups at day 62

2.3.3 人工藻结皮的电负性

通过Zeta 电位探究蒙脱石加入对复合体系静电吸附过程的影响,结果如图8 所示。分析可知,M0、M100、M300、M500、M700、MT 的Zeta 电位在pH=5～10 范围内始终为电负性。当pH>8 时,M300、M500、M700的电位绝对值小于M0、MT。当pH 较低时,固铅作用取决于吸附位点上H+的竞争和蒙脱石层间阳离子的静电力。 pH 上升将导致蒙脱石层间阳离子的静电力增强,H+的竞争吸附减弱,从而强化复合体系的铅离子吸附作用。当pH>6 时,复合体系将产生Pb(OH)2沉淀,导致铅离子难以交换出蒙脱石的层间阳离子[23]。当pH=10 时,M500负电位骤降,原因包括藻-蒙脱石复合体表面与铅离子反应生成沉积矿物更易进行,消耗负电性官能团导致体系电位绝对值下降,或部分铅离子侵入结皮颗粒的双电层,使得结皮表面的负电荷减少[24]。考虑到官能团的丰富性和多元性,人工藻结皮中的含铅沉淀需进一步验证。

图8 M0、M100、M300、M500 和M700 处理组及纯蒙脱石组(MT)的Zeta 电位(62 d)Fig.8 The Zeta potential value of M0,M100,M300,M500 and M700 treatment groups and pure montmorillonite group (MT) at day 62

2.3.4 人工藻结皮的元素分布

选区内的元素分布反映出人工藻结皮的铅固定位点,M0、M500处理组某一区域内元素分布情况如图9 所示。图9(a)显示,沙子由Si、O、Al 元素组成,藻丝含有C、N、O、P、Ca、Pb 且元素点位重合度高。 M0组的藻丝表面观察到明显的矿物沉积(图2),说明藻丝吸附了铅离子并可能形成碳酸铅类和磷酸铅类矿物。非藻丝部分的P、Pb 区域证明“片层”由胞外多糖组成,片层中铅高度富集[9]。图9(b)中所示片层同时含有C、N、P 元素,说明蓝藻分布其中,Si、O、Al元素点位密集且高度重合,说明片层中负载了大量蒙脱石颗粒。与图2 的结果相符,片层为藻-EPS-蒙脱石所组成的复合材料。因此,铅离子需要经过EPS层、蒙脱石层才能到达藻丝,大大降低铅离子的生物可利用性。而且,由于藻、EPS 和蒙脱石均对铅离子有固定作用,相比M0、M500组,片层中铅负载量更多。

1.3.1 血压水平采用血压计测量治疗前后两组妊娠期高血压疾病患者的收缩压(SBP)和舒张压(DBP)。

图9 M0、M500 处理组某一区域内元素分布(62 d)Fig.9 The elemental mapping of certain area in M0 and M500 treatment groups at day 62

2.3.5 人工藻结皮中铅的化学形态及含量

为进一步明确人工藻结皮中铅沉积物的类型,以及藻-蒙脱石型人工藻结皮解铅毒的机理,分析了结皮中5 种形态的铅(弱酸可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机结合态、残渣态),结果如图10 所示。分析可知,铅以碳酸盐结合态为主,表明人工藻结皮中含有碳酸铅类沉淀。第14 d,M100的铅固定量最大,原因可能是接种物黏度较小,与表层铅沙的接触面积更大。第62 d,M0、M100的铅固定总量、弱酸可交换态铅含量基本不变,说明M0、M100的固铅效率较高,最大固铅量分别为190. 67 μg/cm2和227.04 μg/cm2。而M500总固铅量提高了27. 89 μg/cm2,弱酸可交换态铅减少8.92 μg/cm2。由于富含胞外多糖,M500、M700有机结合态铅含量更高。人工藻结皮促使基质铅的生物有效性降低,进而降低铅的浸出率和生物毒性。综上,M100的固铅效率更高,M500的固铅总量最大,且由于M500生物质含量最高,铅的生物有效性更低。

图10 人工藻结皮固定Pb(Ⅱ)的能力及其存在形态Fig.10 The immobilization capacity and state of Pb(Ⅱ)in artificial cyanobacterial biocrusts

2.3.6 载铅前后人工藻结皮的官能团变化

载铅前后,M0、M500的谱峰变化及对应功能性官能团如图11 和表2 所示。 3 618 cm-1和3 440 cm-1附近的特征峰表示Al—OH 和H—OH 的拉伸振动,代表结皮中蒙脱石的结构水和层间水[9]。 M500上层1 626 cm-1红移至1 644 cm-1,1 430 cm-1红移至1 457 cm-1,归因于N—H、C—O、C = O、—COO-伸缩振动,表明脂质或蛋白质和羧酸盐的脂肪族基团与铅离子发生络合反应。 1 425 cm-1附近条带的峰变化表示—COO-基团的C = O 伸缩振动,M500上层相应吸收峰红移,原因是M0、M500体系的pH从8.49提高至9.99,体系存在CO23-的不对称拉伸振动,这也印证了上述人工藻结皮生成碳酸铅类沉淀的结果[3,25]。观察到M0的1 167 cm-1的吸收峰属于磷酸酯和磷脂中磷酸基团的P—O,结合M0中O、P、Pb 分布,表明人工藻结皮可能形成磷酸铅类沉淀[26]。M500表层844 cm-1处的弱峰,代表蒙脱石中Al—OH—Mg 的特征峰。 821 cm-1处吸收峰蓝移至795 cm-1附近,可能是铅和含氮生物配体形成铅配位化合物。 647 cm-1的吸收峰偏移至624 cm-1,可能生物矿物沉积的过程改变了蒙脱石的表面结构[3]。

表2 载Pb(Ⅱ)前后M0、M500 处理组的表层和下层组分的FTIR 光谱特征峰及波数变化Table 2 List of changes in the FTIR spectra of the components in surface layer and lower layer of M0 and M500 treatment groups before and after Pb(Ⅱ) loaded

图11 CG1(藻结皮)、CG2(藻-蒙脱石结皮)及M0、M500处理组表层和下层的FTIR 图谱(62 d)Fig.11 FTIR spectra of CG1 (cyanobacterial biocrust),CG2 (cyanobacteria-montmorillonite biocrust),and surface layer and lower layer of M0 and M500 treatment groups at day 62

2.3.7 人工藻结皮的矿物组成

为了进一步明确体系的矿物种类,使用XRD 分析样品粉末,结果见图12。藻组(M"0)、藻-蒙脱石组(M"500)、蒙脱石组(MT)的XRD 光谱显示,所有处理组均存在碱式碳酸铅,对应2θ=20.8°、26.7°的特征峰,与FTIR 光谱中1 425 cm-1处C=O 伸缩振动的结果吻合[3]。由于XRD 分析手段要求矿物相超过总矿物含量的5%,且碱式磷酸铅2θ=30.6°的特征峰与蒙脱石的特征峰部分重合,M"500组呈现微弱的谱峰右移(2θ=0. 2°),M"0存在特征峰,对应FTIR 结果1 167 cm-1处较弱但可识别的P—O 振动吸收峰[27]。

图12 载Pb(Ⅱ)前后M"0 、M"500、MT 处理组的XRD 图谱Fig.12 XRD spectra of M"0 ,M"500,and MT treatment groups before and after Pb(Ⅱ) loaded

3 讨论

3.1 人工藻结皮的固铅优势

藻和蒙脱石已被公认为吸附重金属的高性能材料。藻表面丰富的有机官能团(如—OH、—COOH)能通过离子交换和表面络合有效吸附重金属阳离子[28]。随后,藻类通过自身矿化作用将重金属阳离子转化为更稳定的铅矿物沉淀。本研究中,M500中约90%的铅离子稳定化程度增强,即碳酸盐还原态铅逐渐转化为铁锰氧化物结合态、有机结合态和残渣态,遏制了铅离子的生物可利用性,这可能是人工结皮在铅污染地表复植的关键机制。研究发现,蒙脱石营造的碱性环境会促进铅离子水解,有利于铅离子生成碳酸盐沉淀或金属氢氧化物沉淀,同时加强胞外聚合物、铁锰氧化物与铅离子结合[24]。铅离子与羧基等官能团的作用,使碳酸盐优先形成于藻丝表面。由于碳酸铅、磷酸铅、碱式碳酸铅、碱式磷酸铅的溶解度分别为10-13、10-42.1、10-45.5、10-60～10-85,碳酸铅更易被有机酸溶解产生溶解度更小的生物矿物。蒙脱石可加快藻类光合作用和尿素水解代谢过程进而促进碱式碳酸铅的形成,同时长期促进生物矿物转移至蒙脱石表面[3]。碱式磷酸铅(Pb5(PO4)3OH)被认为是广泛pH 和Eh 范围内高度稳定的铅化合物。碱式磷酸铅的成核过程可能发生在藻的细胞壁中,磷酸盐可能来源于培养基、裂解细菌DNA 的磷酸基团、细胞膜等[4]。因此,蒙脱石促进铅离子转化为碳酸盐,藻类进一步加强铅的固定。

3.2 人工藻结皮的环境影响

由于半干旱矿区气候恶劣,土壤退化严重,还伴有极端pH、重金属污染等生态问题,传统的植物修复技术难以胜任矿区复垦任务。生物结皮作为退化地表复植的先驱,其生理特性契合区域气候条件。人工藻结皮结合了丝状蓝藻和蒙脱石,有较好的pH 缓冲能力,能将铅离子转化为非弱酸结合态沉积岩,从而有效避免铅离子污染地下水。结皮蓝藻能通过光合作用固定多元营养,并通过蒙脱石吸附实现缓慢释放,保持土壤长期生产力[16]。因此,人工藻结皮可作为未来工程实践中理想的生物过滤器,用于矿区重金属的固定和地表生态环境的改善。