菌株Bacillus sp.C31对湖泊沉积物中铬的修复研究

马岩岩 徐 晶

（江苏安全技术职业学院 江苏徐州 221011）

引言

由于含铬废物的不当处理和处置，导致铬被释放到湖泊环境中，成为湖泊水体和沉积物中常见的污染物质。由于重金属本身的特性，使其很难从沉积物中彻底的分离去除。湖泊水体中的重金属铬污染不仅会危害环境，对湖泊生态系统的健康产生不利影响，还可能通过生物累积的方式对人体健康产生危害。本文将重金属铬抗性菌Bacillus sp.C31投加到太湖沉积物中，研究该菌株对重金属铬的修复作用，并以六价铬的还原量和重金属的赋存形态为指标来考量抗铬菌株的修复效果，以期为湖泊沉积物重金属污染的微生物修复提供一定的理论依据和研究思路。

1 实验材料

1.1 实验沉积物

沉积物采集自太湖梅梁湾，彼得森采泥器采集得到梅梁湾表层沉积物，剔除大块杂质，装入塑料袋中，带回实验室4℃冰箱保存。

1.2 实验菌种

抗铬菌株Bacillus sp.C31，分离自太湖梅梁湾沉积物。

2 实验方法

2.1 实验设计

将采集的沉积物样品混合均匀，放入培养装置，加入铬标准溶液，使 C（VI）=100 mg/kg，待性质稳定后，加入活化的抗铬菌液100 mL（菌液浓度1.43×109CFU/kg），搅拌均匀，水分损失通过称重法进行补偿。定期进行沉积物中重金属含量分析，设置空白对照和非生物对照，每次取样设三次重复。

2.2 样品中铬总量和赋存形态的测定

（1）铬总量测定

称取一定量的冷冻干燥沉积物加入强酸进行微波消解后，根据浓度，稀释后用Agilent 7700 ICP-MS测定。

（2）铬赋存形态含量测定

用改进的重金属顺序提取形态（BCR）法对样品中铬的赋存形态进行测定，测定每次酸溶提取后上清液中酸溶态（B1）、可还原态（B2）、可氧化态（B3）和残渣态（B4）的含量，根据浓度，稀释后用Agilent 7700 ICP-MS测定。

2.3 六价铬和三价铬含量的测定

（1）六价铬测定

称取冷冻干燥样品溶解后用二苯碳酞二肼分光光度法测定。

（2）三价铬测定

总铬浓度和六价铬浓度之差即为三价铬的浓度。

2.4实验数据统计分析

铬含量数据均为三次重复的数据取平均值，采用SPSS 17.0统计分析软件的LSD方法进行差异性分析。

3 实验结果与讨论

3.1 沉积物的理化性质

沉积物样品采集自太湖梅梁湾，实验前实测沉积物理化性质如下：

表1 沉积物样品的基本理化性质

3.2 菌株对沉积物中铬的修复作用

（1）样品中六价铬含量变化

图1 沉积物样品中六价格含量的变化

如图1所示：铬添加前，沉积物样品中六价铬本底含量为25.674 mg/kg，铬添加后实测含量为99.143 mg/kg，抗铬菌株修复一个月后浓度为65.768 mg/kg，经高温杀菌后灭活菌体修复后和无铬添加的空白对照的样品中，经过一个月的培养，六价铬的含量并没有明显变化，分别为99.046 mg/kg和25.658 mg/kg，这说明实验提取到的菌株Bacillus sp.C31对沉积物中的六价铬含量有一定的修复能力，六价铬降解率为33.9%。

（2）菌株对重金属铬形态分布的修复作用

①样品中铬总量的变化情况

如图2所示：修复后各个样品中总铬含量都没有明显变化，这说明抗铬菌株对铬的修复作用主要是将六价铬转化为更稳定和毒性作用更小的三价铬，对铬的总量没有修复作用。

图2 样品中添加抗铬菌株Bacillus sp.KCS311修复后的总铬含量情况

图3 样品中添加抗铬菌株修复后四种形态的铬占铬总量的比重

②样品中铬赋存形态的变化

有研究表明：湖泊沉积物中重金属的环境行为、生物可利用性和对环境的毒性与重金属的含量和重金属的地球化学形态两方面相关。赋存形态不同，重金属的活性、生物毒性及迁移转化等特征也不同。因此，环境中重金属赋存形态的研究对于研究重金属来源、迁移转化规律和生物可利用性等具有重要的意义。

本文采用改进的BCR四步提取方法，对铬的赋存形态进行了测定，如图3所示：活性菌体修复后样品中重金属铬的形态发生了变化，酸溶态铬（B1）在总铬中的含量占比由12.9%降低到了7.6%，可还原态铬（B2）的含量占比由20.9%降低到了17.2%，可氧化态铬（B3）的含量占比由54.8%增加到了59.7%，残渣态铬（B4）的含量占比由13.1%增加到了到了15.4%，这些变化在灭活菌体修复的样品并没有出现。

BCR连续提取法是根据强度不同的强酸溶液将重金属元素分步溶解而提取的，分步提取的四种相态的重金属形态对人体和环境的危害性依次减弱，水溶态和可交换态，在中性环境下就可以释放进入水体，也最具直接危害性。可还原态重金属对周围介质的pH较敏感，在酸性条件下容易释放，对比酸溶态来说，对环境的危害较小。可氧化态是金属元素与铁和锰的氧化物吸附相结合或者自身就是氢氧化物沉淀的部分，对动植物的毒性和生物可利用性都很小。

本研究铬污染沉积物经抗铬菌株修复后，酸溶态和可还原态的铬含量有所减少，可氧化态和残渣态的铬含量有所增加，这说明沉积物经过抗铬菌株修复以后不仅六价铬的含量有所降低，而且会使铬的赋存形态由对环境危害性较大的酸溶态和可还原态向更加稳定的可氧化态和残渣态转变。

结语

微生物修复重金属铬污染的研究已经进行了几十年，多种微生物被证明具有还原重金属铬的能力，但大部分被用于水溶液中铬的处理，仅有少量研究将抗铬菌株应用于修复铬污染土壤。本研究抗铬菌株Bacillus sp.C31对沉积物中100 mg/kg的六价铬有33.9%的还原能力，而且修复后的沉积物中重金属铬的形态也发生了变化，部分转变成了性质更加稳定，对环境危害小的形态。研究结果为沉积物重金属污染的原位修复提供了一定的经验和思路。

本研究是在实验室环境下进行的模拟试验，在不考虑其他因素变化的前提下，试验研究了菌株Bacillus sp.C31对重金属铬的修复，获得了一定的修复效果。但是模拟环境与野外实际环境尚有较大差距，需要考虑抗铬菌株对野外环境的适应能力和生物安全性。同时该菌株只能将六价铬还原成为毒性和迁移性较低的三价铬，并不能将铬污染从环境中彻底去除。在以后的研究中还有待发掘对重金属修复能力更强的菌株，还应考虑将微生物修复与其他修复技术相结合，以期取得更好的效果。