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1、土壤矿质胶体与微生物相互作用对重金属界面吸附行为影响的研究进展,报告内容,一、研究背景二、研究现状三、研究展望四、研究方案,一、研究背景,1、重金属的污染 近年来，随着工业污染的加剧和农用化学物质种类、数量的增加,土壤重金属污染日益严重1。一般认为，重金属在土壤中不易迁移，但监测发现重金属等强吸附性污染物在土壤中的迁移能力大大超过预期，目前普遍认为土壤胶体引起的易化运输（facilitated transport）是其主要机制之一2。1崔德杰,张玉龙.土壤重金属污染现状与修复技术研究进展J.土壤通报,2004,35（3）：365-370.2 de Jonge LW,Kjaergaard C,M
2、oldrup P.Colloids and colloid-facilitated transport of contaminants in soils:an introduction J.Vadose Zone Journal,2004,3(2):321-325.,2、土壤胶体,土壤胶体常指那些直径小于2m的固相颗粒。Sen and Khilar（2006）指出在讨论“胶体促进污染物迁移”时，所有胶体尺度范围内的小颗粒都有可能起到载体的作用。这里指的小颗粒除了包括通常所说土壤矿质胶体（无机胶体）和腐殖质胶体（有机胶体）外，还包括土壤微生物，它们属于生物胶体3。土壤矿质胶体常见的类型有次生层状
3、粘土矿物和氧化物，其中前者根据其单位晶层中硅氧四面体片和铝氧八面体片的比例又分为11、21及211型，后者根据其中元素的差异分为铁氧化物、铝氧化物、锰氧化物、硅氧化物等4。3 Sen T K,Khilar K C.Review on subsurface colloids and colloid-associated contaminant transport in saturated porous media J.Advances in Colloid and Interface Science,2006,(119):71-96.4 李学垣主编.土壤化学学 M,北京:高等教育出版社,2000
4、.,对土壤胶体的研究一般多关注土壤矿质胶体，而对土壤微生物的胶体特征研究较少。微生物外表千姿百态，就细菌来说，革兰氏染色类型不同其细胞壁结构有较大的差异5。5 沈萍主编.微生物学 M,北京:高等教育出版社,2000.,3、土壤胶体对重金属的吸附,土壤胶体具有相当大的比表面积，带有大量电荷，独特的表面性质使胶体对重金属离子有很强的吸附能力4。不同的领域对矿质胶体和微生物吸附重金属的研究都较多。但在某些情况下，当矿质胶体、微生物、重金属同时大量出现时，它们之间的相互作用研究较少。土壤矿质胶体和微生物同为土壤固相最活跃的组分，二者会发生交互作用形成矿质胶体-微生物复合体。在此过程中，矿质胶体和微生物
5、的表面性质对复合体的表面性质有重要影响，进而影响到其对重金属的吸附作用。4 李学垣主编.土壤化学学 M,北京:高等教育出版社,2000.,二、研究现状,土壤矿质胶体对重金属的吸附土壤微生物对重金属的吸附土壤胶体-微生物复合体对重金属的吸附土壤矿质胶体与微生物相互作用对界面性质的影响影响土壤胶体吸附重金属的环境因素,（一）土壤矿质胶体对重金属的吸附,何宏平等在pH=4，t=23和微量浓度条件下进行蒙脱石、伊利石、高岭石对Cr3+、Cu2+、Zn2+、Cd2+、Pb2+等重金属离子吸附量的试验研究，得出了以下结论6：蒙脱石、伊利石、高蛉石的吸附量（mmol/Kg）,结果表明：(1)不同矿物对同一重
6、金属离子的吸附量：蒙脱石伊利石高岭石。(2)同一矿物对不同重金属离子也有不同的吸附量：蒙脱石:Cr3+Cu2+Zn2+Cd2+Pb2+；伊利石Cr3+Zn2+Cd2+Cu2+Pb2+；高岭石:Cr3+Pb2+Zn2+Cu2+Cd2+。6何宏平，郭九皋，朱建喜，等.蒙脱石、高岭石、伊利石对重金属离子吸附容量的实验研究J.岩石矿物学杂志，2001,20（4）：573-577.,11型矿质胶体以高岭石为代表，CEC为3-15cmol/kg,以可变电荷为主,永久电荷仅占其总电荷量的25%。因为高岭石表面带电荷量少，因此高岭石与重金属离子间的交换吸附作用是非常弱的7。21型矿质胶体以蒙脱石等为代表，CE
7、C较大，为80-150 cmol/kg,具有较大的比表面积，以永久电荷表面为主。21层型的粘土矿物由于硅氧四面体中Al3+对Si4+的置换以及铝氧八面体中Mg2+对Al3+置换，使层间出现永久性的负电荷这些负电荷由层间可交换的K+、Na2+、Ca2+、Mg2+等阳离子来补偿，在溶液中这些阳离子可与重金属离子进行交换8。7吴宏海，刘佩红，张秋云，等.高岭石对重金属离子的吸附机理及其溶液的pH条件J.环境科学学报，2005,11（1）：85-91.8谭光群，李晖，彭同江.蒙脱石对重金属离子吸附作用的研究J.四川大学学报，2001,33（3）：58-61.,此外，对于土壤中的氧化物也有较多的研究，土
8、壤中的氧化物具有巨大的比表面积，铁、铝等无定形水合氧化物和氢氧化物表面是由金属离子和羟基组成，是一种亲水性表面，表面上的羟基会通过解离和缔合H+而使其带有一定量的表面电荷。重金属离子能于金属原子配位壳中的配位基团（-0H和-OH2）进行交换，直接通过共价键或配位键结合在固体表面6。土壤矿质胶体已逐渐成为新型高效吸附材料开发的热点，可在污染土壤修复及水环境治理领域发挥独特的作用9。6何宏平，郭九皋，朱建喜，等.蒙脱石、高岭石、伊利石对重金属离子吸附容量的实验研究J.岩石矿物学杂志，2001,20（4）：573-577.9干方群，周健民，王火焰等.不同粘土矿物对磷污染水体的吸附净化性能比较J.生态
9、环境，2008,17(3):914-917.,（二）土壤微生物对重金属的吸附,微生物（主要是细菌和真菌）细胞壁表面含多种具有络合、配位能力的官能团（如羧基、羟基、磷酸基、氨基等），这些基团解离后通过与金属离子形成离子键或共价键而吸附金属离子。另外金属离子有可能通过沉降或晶体化作用沉积于细胞表面，某些难溶性金属还可能被胞外分泌物或细胞壁的腔洞捕获而沉积10。10 王建龙,韩英健,钱易.微生物吸附金属离子的研究进展J.微生物学通报,2000,27(6):449-452.,微生物表面结构对重金属的吸附起着重要的作用.微生物的表面既带正电荷,又带负电荷.大多数微生物所带的是阴离子型基团,因此在水溶液中
10、呈负电性。不同的微生物因带电性、与重金属间的作用力及作用势能变化不同而对重金属的吸附作用有异.其中革兰氏阳性细菌往往能固定较多的金属离子11.黄巧云等研究了快生型大豆根瘤菌对土壤胶体吸附Cu的影响。结果表明：土壤胶体、矿物与根瘤菌共存体系埘Cu的吸附仍符合Langmuir方程，相关系数达0.99以上：根瘤菌存在下，红壤与黄棕壤的胶体和制铁矿的吸附量较无菌时增加12。11陈素华,孙铁珩,周启星.等.微生物与重金属间的相互作用及其应用研究J.应用生态学报2002,13(2)239242.12 黄巧云，吴剑媚，付永清，等.根瘤菌对土壤胶体对重金属的吸附J.应用生态学报,2003,17(1):29-3
11、4.,曹德菊等研究了不同菌种（大肠杆菌、枯草杆菌、酵母菌）对Cu、Cd离子的吸附特性和环境的pH值变化对生物修复效应的影响。结果表明：微生物对Cu、Cd存在生物吸附作用；当环境中Cu、Cd较低时，微生物修复性能良好，而当Cu、Cd浓度较高时，修复性能下降，且不同菌体对Cu、Cd的修复上存在一定差异13。微生物对重金属也有很强的吸附能力，利用这一点已开展了一些关于微生物在水体重金属污染生物修复、污泥无害化等方面的研究14。13曹德菊，程培.3种微生物对Cu Cd生物吸附效应的研究J.农业环境科学学报,2004，23(3)：471474.14 贾春云,魏德洲,高淑玲,等.氧化亚铁硫杆菌在硫化矿物表
12、面的吸附J.金属矿山,2007,3(74):34-38.,（三）土壤胶体-微生物复合体对重金属的吸附,目前，关于土壤胶体-微生物复合体对重金属的吸附研究较少。华中农业大学黄巧云等先后研究了根瘤菌与土壤胶体、氧化铁对重金属的吸附、耐重金属细菌与土壤胶体吸附Cu2+、Cd2+的动力学研究15。湖南农业大学向红霞等研究了抗锰的枯草芽孢杆菌与矿物（硅藻土、沸石）形成的复合体对锰的吸附行为16。15 黄巧云,吴剑媚,付永清,等.根瘤菌与土壤胶体、氧化铁对重金属的吸附:铜的吸附 J.华中农业大学学报,1998,17(1):29-34.16 向红霞,罗琳,敖晓奎,等.改性硅藻土与细菌复合体对Mn(11)的吸
13、附特性及动力学研究J.非金属矿,2008,31(1):15-18.,另外，谢朝阳等通过筛选出的耐Cu、Cd的产气肠杆菌对土壤胶体和粘土矿物体系吸附铜能力进行研究，结果表明在加入了耐受菌-产气肠杆菌条件下，土壤胶体矿物(针铁矿)对Cu2+的吸附量显著增加17。17 谢朝阳,黄巧云,魏凌云.耐重金属细菌与土壤胶体吸附Cu2+、Cd2+的动力学研究 J.长江大学学报（自然科学版）,2009,6(3):1-5.,（四）土壤矿质胶体与微生物相互作用对界面性质的影响,土壤矿质胶体与微生物的界面作用涉及一系列复杂的物理化学过程，取决于微生物的生化特性和作用体系中的各种界面的性质。矿质胶体-微生物的相互作用机
14、理包括疏水相互作用、静电作用、氢键作用、化学键合作用等18。18 贾春云,李培军,魏德洲,等.微生物在矿物表面吸附的研究进展J.微生物学通报,2010,37(4):607-613.,矿质胶体-微生物复合体的形成使矿质胶体和微生物的界面理化性质（比表面积、电荷零点、Zeta电位等）甚至矿物结构均发生很大变化19，这必然会改变其与重金属的相互作用。有研究表明：土壤胶体或矿物体系中加入细菌后，导致体系比表面积提高20。19 曹维政,朱云,鲁安怀,等.两株异化铁还原菌与蒙脱石交互作用实验研究J.矿物岩石地球化学通报,2011,30(3):311-316.20张学文，蔡 鹏，黄巧云,等.抗重金属细菌对土
15、壤胶体和矿物比表面积的影响J.华中农业大学学报,2006，25(4)：933-396.,（五）影响土壤胶体吸附重金属的因素,影响土壤胶体吸附重金属的因素主要有介质pH值、吸附时间、吸附温度、吸附剂粒径大小和土壤矿质胶体与微生物浓度比例、介质离子强度、介质离子类型、重金属离子浓度等。a、介质pH:pH值改变了细胞和矿物表面的荷电性,改变静电作用力的大小,还能改变细胞的絮凝性、矿物表面的羟基化程度,影响了土壤胶体对重金属的吸附效果。b、吸附时间:作用时间的长短也影响细胞的吸附效果,因为存在吸附平衡的问题。c、吸附温度:改变细胞的活性,从而影响细胞在矿物表面的吸附效果。在一范围为内，随温度增加，土壤
16、胶体对重金属的吸附量均呈增大趋势。d、吸附剂粒径大小：当矿样粒度不同时,矿物颗粒的表面积不同,因此吸附效果也不同。,e、土壤矿质胶体与微生物浓度比例：比例不同，其作用机理和强度都会不同，从而影响矿质胶体-微生物复合体的表面性质，进而影响土壤胶体对重金属的吸附。f、离子强度:离子强度的变化能使对重金属的吸附量增加或减少。研究表明，随离子强度增大,针铁矿和赤铁矿对Cu2+的吸附量增加,而三羟铝石对Cu2+的吸附量则降低。g、介质离子类型：不同矿物表面化学组成不同,表面疏水性、表面键能、溶解性等都存在差异,因此土壤胶体对重金属的吸附效果也存在差异。h、重金属离子浓度:影响了细胞的生长情况和矿物表面的
17、各种理化性质。21 贾春云,李培军,魏德洲,等.微生物在矿物表面吸附的研究进展J.微生物学通报,2010,37(4):607 613.22王 帅,张晋京,窦 森,等.几种合成铁锰铝氧化物对铜离子的吸附作用及其影响因素研究J.农业环境科学学报,2008，27(3):937-943.,三、研究展望,对于土壤矿质胶体-微生物复合体与重金属的界面相互作用及其环境归宿还有许多问题需要进一步探讨和研究。如表面性质不同的矿质胶体与表面性质不同的微生物间的相互作用，各种矿质胶体-微生物复合体与不同电性重金属离子的相互作用，矿质胶体-微生物复合体对多种重金属离子的竞争吸附、矿质胶体-微生物复合体与重金属长期作用的动力学、矿质胶体-微生物复合体吸附重金属后的稳定性和可移动性等都值得深入研究。,四、研究方案,本研究选择表面性质迥异的四种典型的土壤矿质胶体（包括两种次生层状粘土矿物和两种氧化物）、两种常见的革兰氏染色不同的微生物（革兰氏阳性菌枯草芽孢杆菌和革兰氏阴性菌恶臭假单胞菌）、两种常见的电性不同的重金属离子（Cd2+、CrO42-）为对象，研究物料比例、环境条件对土壤矿质胶体、微生物、重金属相互作用及体系界面性质的影响。阐明矿质胶体、微生物及其复合体的表面电荷、动电性质、疏水性对重金属吸附的影响,以期为揭示土壤中微生物与重金属的环境行为提供科学依据。,谢谢，请各位老师同学批评指正！,
