細(xì)菌胞外聚合物與土壤固相界面作用機(jī)理及其環(huán)境效應(yīng).pdf

1、細(xì)菌胞外聚合物(EPS)是細(xì)菌生長(zhǎng)代謝過(guò)程中分泌的生物大分子聚合物的總稱。EPS與土壤固相的界面作用深刻影響著生物膜的形成、細(xì)胞的遷移、礦物的溶解和生物成礦、土壤的形成等諸多地球化學(xué)過(guò)程，其在重金屬等污染物富集中的重要作用也日益受到關(guān)注。本文以土壤中常見(jiàn)細(xì)菌的EPS和典型礦物、采集并提取的地帶性土壤（棕壤）各粒級(jí)土壤顆粒為供試材料，基于化學(xué)分析方法，綜合運(yùn)用DLVO理論、等溫滴定量熱(ITC)、掃描電鏡(SEM)、傅立葉紅外光譜(FTI

2、R)和X-射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)譜（XAFS）等手段，研究了EPS在土壤顆粒和礦物表面的吸附行為和作用機(jī)理。表征了6種細(xì)菌EPS生物化學(xué)性質(zhì)，考查了它們?cè)卺樿F礦表面的吸附及其對(duì)Cu(Ⅱ)的吸附能力，從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度分析了EPS生物化學(xué)性質(zhì)與吸附的相關(guān)性，獲得如下主要結(jié)果：
　　 ⑴比較了枯草芽孢桿菌EPS在土壤不同粘土礦物和氧化物表面的吸附行為和作用機(jī)理。EPS主要組分為多糖和蛋白質(zhì)，含量分別為437.6±11.8 mg g-1和249.

3、1±3.3 mg g-1，并含有少量的核酸（9.9±0.2 mg g-1）。EPS含有的官能團(tuán)分別是羧基(pKa=4.58±0.33)、磷酸基(pKa=6.49±0.18)、氨基或羥基(pKa=9.11±0.41)。蒙脫石、高嶺石和針鐵礦對(duì)EPS-C、-N和-P的等溫吸附趨勢(shì)均能較好地?cái)M合Langmuir方程。蒙脫石對(duì)EPS-C的吸附量分別是針鐵礦和高嶺石4.8倍和8.9倍，對(duì)EPS-N的吸附量分別是針鐵礦和高嶺石8.9倍和16.2倍。

4、針鐵礦對(duì)EPS-P的吸附量大約是蒙脫石和高嶺石的5倍。因此，含有EPS-C和-N的多糖和蛋白質(zhì)等組分主要被蒙脫石優(yōu)先吸附，而含有EPS-P的核酸組分則優(yōu)先吸附于針鐵礦表面。EPS在針鐵礦表面的吸附親和力最高，高嶺石次之，蒙脫石最小。EPS在礦物表面的吸附隨著pH的降低和離子強(qiáng)度的升高而升高，吸附與EPS和礦物表面zeta電位密切相關(guān)，靜電力主導(dǎo)EPS在礦物表面的吸附。結(jié)合FTIR結(jié)果可知，除了靜電力之外，氫鍵參與了EPS在蒙脫石和高嶺石

5、表面的吸附，配位交換也是針鐵礦選擇吸附EPS組分的作用力之一。
　　 ⑵聯(lián)用DLVO理論、ITC、SEM、FTIR和XAFS技術(shù)，結(jié)合化學(xué)平衡吸附，揭示了惡臭假單胞菌EPS與粘土礦物和氧化物的界面作用機(jī)理。惡臭假單胞菌EPS中多糖、蛋白質(zhì)和核酸的含量分別為532.2±7.0 mg g-1、152.2±1.8 mg g-1和9.2±0.2mg g-1。隨著pH3.0升高到9.0，蒙脫石、高嶺石和針鐵礦對(duì)EPS各元素的吸附百分比均呈

6、下降趨勢(shì)，這一現(xiàn)象符合DLVO理論，表明靜電力主導(dǎo)了EPS在礦物表面的吸附。同時(shí)，DLVO理論作用勢(shì)能估算結(jié)果表明，其它引力作用如氫鍵、疏水作用和共價(jià)鍵也參與了EPS在蒙脫石(pH≥3.0)、高嶺石(pH≥5.0)和針鐵礦(pH≥9.0)表面的吸附。SEM結(jié)果顯示，體系pH為7.0時(shí)，相比EPS-蒙脫石和EPS-高嶺石復(fù)合體，EPS-針鐵礦復(fù)合體結(jié)構(gòu)更加緊密，這與針鐵礦等溫吸附EPS-C、-N和-P的擬合親和力參數(shù)K均高于蒙脫石和高嶺石

7、的現(xiàn)象一致。EPS在礦物表面的吸附是一個(gè)放熱過(guò)程（△Had=-0.02～-12.34 J g-1），這種負(fù)吸附焓變是由除靜電力外的多種作用力（如氫鍵、疏水作用和共價(jià)鍵）共同參與作用的結(jié)果。FTIR結(jié)果證實(shí)了EPS在粘土礦物表面吸附過(guò)程中有氫鍵的形成，針鐵礦吸附EPS時(shí)形成了P-OFe配位鍵。XAFS明確了EPS中磷酸基團(tuán)與針鐵礦表面內(nèi)圈絡(luò)合物的配位信息，結(jié)果表明，pH較低時(shí)磷酸基團(tuán)與針鐵礦表面羥基為單齒配位，隨著pH升高時(shí)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)殡p齒

8、配位。
　　 ⑶考查了不同土壤顆粒對(duì)EPS的吸附及離子強(qiáng)度對(duì)吸附的影響。惡臭假單胞菌EPS在土壤顆粒表面的吸附可用Langmuir方程定量描述。EPS主要吸附在土壤粘粒表面，有機(jī)質(zhì)的存在阻礙了EPS在土壤顆粒表面的吸附。來(lái)源于EPS中蛋白質(zhì)等分子的EPS-C和-N組分主要被在土壤中的粘粒優(yōu)先吸附，其中對(duì)EPS-N的選擇性更強(qiáng)，粉粒和砂粒優(yōu)先吸附含EPS-C的組分，如多糖等分子。體系pH為6.0時(shí)，隨著NaCl和CaCl2濃度從0

9、mM增加到30 mM，EPS-C和-N在土壤顆粒表面的吸附百分比顯著增加，繼續(xù)增加離子濃度，吸附增加趨勢(shì)趨于平緩。然而，土壤顆粒對(duì)EPS-P的吸附百分比隨著離子濃度的增加呈下降的趨勢(shì)。DLVO理論能夠解釋土壤粒級(jí)和有機(jī)質(zhì)對(duì)EPS吸附的影響，以及EPS-C和-N吸附隨離子強(qiáng)度變化的趨勢(shì)，但不能解釋離子強(qiáng)度對(duì)EPS-P在土壤顆粒表面吸附的影響，這說(shuō)明EPS-P在土壤顆粒表面的吸附機(jī)制不同于EPS-C和-N。
　　 ⑷全面表征了不同來(lái)

10、源EPS的生物化學(xué)性質(zhì)，查明了決定EPS在礦物表面吸附及對(duì)重金屬固定的關(guān)鍵因子。6種細(xì)菌EPS中，多糖和蛋白質(zhì)含量合計(jì)占EPS總質(zhì)量的65％-86％，多糖與蛋白質(zhì)含量比在0.14-6.81之間;官能團(tuán)總量在7.61±0.39 mmol g-1至34.78±0.38 mmol g-1范圍內(nèi)，平均為23.5±0.66 mmol g-1;平均分子量在2.19×104 g mol-1至3.51×105 g mol-1之間;表面均帶負(fù)電荷，等效直

11、徑在525.9-1701 nm范圍內(nèi)。EPS在針鐵礦表面的吸附都可用Langmuir模型來(lái)描述，與其它5種EPS相比S.suis EPS在針鐵礦表面的吸附吸附量較大，并呈不同的吸附趨勢(shì)。聚合物分子間的作用可能使S.suis EPS在針鐵礦表面發(fā)生多層吸附。EPS在針鐵礦表面的吸附與EPS的大分子組成密切相關(guān)，尤其是蛋白質(zhì)含量決定了EPS在針鐵礦表面的吸附量。不同細(xì)菌EPS對(duì)Cu(Ⅱ)的吸附差異非常明顯，吸附量最高可達(dá)830.6 mg g