李想等：浸矿微生物氟抑制机理及铁的竞争络合作用 ·1225· 基的氧化还原电位(E。)及溶液中亚铁离子浓度的 超导核磁共振图谱数据采用MestReNova软件进行 变化作为细菌的氧化能力指示.选用易溶的NaF作 分析. 为F来源，选用Fe2(SO,)3为Fe3+来源，配制F/ (3)溶液中离子浓度测定. Fe3+质量浓度(gL-1)比为0：0、0.5：2.0、0.5：2.5、 测定溶液中不同金属的离子浓度采用不同的方 0.5:3.0、1.0:4.0、1.0:5.0和1.5：5.0.考察不同浓 法.Fe2+测定采用重铬酸钾滴定法，Fe3+测定采用 度铁离子对氟离子的络合与解毒作用，研究不同离 乙二胺四乙酸二钠(EDTA)滴定法. 子浓度条件下，不同形态的氟化物对微生物生长及 溶液中F~离子浓度采用氟选择性电极法测定， 对铁氧化能力的影响. 游离F-离子直接测量，总氟测量前添加TISAB I (3)铁氟络合物形态分析. 掩蔽剂避免溶液pH值及Fe3+影响，离子电极型号： 铁氟络合物形态分析采用PHREEQC进行溶液 PXSJ-216F. 中氟不同形态的模拟计算，该软件计算结果能够较 (4)pH值和电位测定 好的与实际表征手段吻合，尤其适用于偏酸性溶液 试验过程中pH值用奥立龙-868型pH计测 中氟离子的计算[5] 定；氧化还原电位(ORP)采用UJ34D型高电阻直流 (4)铁氟络合物分配曲线绘制及络合机理. 电位差计测定 可以通过分配系数⑧，来表示物质FeF-"的占 比，分配系数可以用游离氟离子质量浓度c(F~)函 2结果与讨论 数来定义： a=c(Fe)_Be(F） 2.1氟对CJ-6菌的胁迫作用 (1) 从图1可知，在氟离子胁迫条件下，铁氧化细菌 c(F)T CFe(F) 生长速率明显低于无氟对照组细菌生长速率.无氟 副反应系数可以定义为： 对照组细菌经12h的适应期后就进入对数生长期， aB=1+βc(F)+Bc2(F）+…+Bc(F) 经48h的培养后每毫升细菌数量高达(4.67± (2) 0.14)×10’.当细菌在10mg·L-1氟离子质量浓度 固定F质量浓度为1g·L-1,调整F/Fe3+质 胁迫条件下，适应期时间增加到32h的适应期适应 量浓度比为5：1~1：7，添加稀硫酸(H,S0,与H,0 后才进入对数生长期，其生长速度也较无氟对照组 的体积比为1：1)配成pH值为2，体积100mL的溶 慢，最终菌体浓度也远小于无氟培养对照组.当氟 液.配得溶液并反应60min后，测定溶液中的F-质 离子质量浓度为20和30mg·L时，细菌的生长缓 量浓度，并通过卞隆函数(Bjerrum's function)计算溶 慢，无明显的对数期.试验结果表明，低浓度的氟离 液中络合物的平均配位数. 子同样对细菌产生抑制作用. 卞隆函数如式(3)所示： n=c(F)1-c(F-) 一对照组 c(Fe)T -cF-)=10mg·L 40 A-c(F-）=20mg·L4 gc(F)+2pc2(F)+…+6gc(F2(3） -cF=30mg·L- Fe(F) 30 其中，c(F)r为氟化物的质量浓度的总量，c(Fe),为 铁盐物质浓度的总量，a(D为氟离子与铁离子反应 的副反应系数，c(F-)为游离氟离子浓度，B为铁氟 10 络合常数，n为平均络合常数. 1.3检测方法 40 80 120 160 200 (1)细菌生长曲线的绘制， 时间M 用平板计数法来分析各个菌株的生长曲线变 图1不同F·质量浓度胁迫细菌生长曲线 化，电子显微镜型号为：Nikon ECL IPSE50i Fig.1 Bacteria growth curves under different F-concentrations (2)核磁共振谱(9FNMR)测定. 溶液中的氟络合物形态用型号为Varian--500 2.2氟的抑制机理 NMR超导核磁共振谱仪来测定，以重水、二甲亚砜 分析氟离子在不同pH值条件的9F超导核磁 和氘代氯仿为溶剂，以三氟乙酸钠和氟化钠为内标. 共振图谱可知，从图2(a)中可以看出氟在pH值李 想等: 浸矿微生物氟抑制机理及铁的竞争络合作用 基的氧化还原电位(Eh )及溶液中亚铁离子浓度的 变化作为细菌的氧化能力指示. 选用易溶的 NaF 作 为 F - 来源,选用 Fe2 ( SO4 )3为 Fe 3 + 来源,配制 F - / Fe 3 + 质量浓度(g·L - 1 )比为 0颐 0、0郾 5颐 2郾 0、0郾 5颐 2郾 5、 0郾 5颐 3郾 0、1郾 0颐 4郾 0、1郾 0颐 5郾 0 和1郾 5颐 5郾 0. 考察不同浓 度铁离子对氟离子的络合与解毒作用,研究不同离 子浓度条件下,不同形态的氟化物对微生物生长及 对铁氧化能力的影响. (3)铁氟络合物形态分析. 铁氟络合物形态分析采用 PHREEQC 进行溶液 中氟不同形态的模拟计算,该软件计算结果能够较 好的与实际表征手段吻合,尤其适用于偏酸性溶液 中氟离子的计算[15] . (4)铁氟络合物分配曲线绘制及络合机理. 可以通过分配系数 啄n来表示物质 FeF 3 - n n 的占 比,分配系数可以用游离氟离子质量浓度 c(F - )函 数来定义: 啄n = c(FeF 3 - n n ) c (F) T = 茁 Fe(F) n ·c n (F - ) 琢Fe(F) (1) 副反应系数可以定义为: 琢Fe(F) =1 + 茁 F 1·c(F - ) + 茁 F 2·c 2 (F - ) +… + 茁 F n·c n (F - ) (2) 固定 F - 质量浓度为 1 g·L - 1 ,调整 F - / Fe 3 + 质 量浓度比为 5颐 1 ~ 1颐 7,添加稀硫酸(H2 SO4 与 H2 O 的体积比为 1颐 1)配成 pH 值为 2,体积 100 mL 的溶 液. 配得溶液并反应 60 min 后,测定溶液中的 F - 质 量浓度,并通过卞隆函数(Bjerrum蒺s function)计算溶 液中络合物的平均配位数. 卞隆函数如式(3)所示: n = c (F) T - c(F - ) c (Fe) T = 茁 F 1·c(F - ) + 2茁 F 2·c 2 (F - ) + … + 6茁 F 6·c 6 (F - ) 琢Fe(F) (3) 其中,c(F) T为氟化物的质量浓度的总量,c(Fe) T为 铁盐物质浓度的总量,琢Fe(F)为氟离子与铁离子反应 的副反应系数,c(F - )为游离氟离子浓度,茁 F n为铁氟 络合常数,n 为平均络合常数. 1郾 3 检测方法 (1)细菌生长曲线的绘制. 用平板计数法来分析各个菌株的生长曲线变 化,电子显微镜型号为:Nikon ECL IPSE 50i. (2)核磁共振谱( 19 F NMR)测定. 溶液中的氟络合物形态用型号为 Varian鄄鄄 500 NMR 超导核磁共振谱仪来测定,以重水、二甲亚砜 和氘代氯仿为溶剂,以三氟乙酸钠和氟化钠为内标. 超导核磁共振图谱数据采用 MestReNova 软件进行 分析. (3)溶液中离子浓度测定. 测定溶液中不同金属的离子浓度采用不同的方 法. Fe 2 + 测定采用重铬酸钾滴定法,Fe 3 + 测定采用 乙二胺四乙酸二钠(EDTA)滴定法. 溶液中 F - 离子浓度采用氟选择性电极法测定, 游离 F - 离子直接测量,总氟测量前添加 TISAB 郁 掩蔽剂避免溶液 pH 值及 Fe 3 + 影响,离子电极型号: PXSJ鄄鄄216F. (4)pH 值和电位测定. 试验过程中 pH 值用奥立龙鄄鄄 868 型 pH 计测 定;氧化还原电位(ORP)采用 UJ34D 型高电阻直流 电位差计测定. 2 结果与讨论 2郾 1 氟对 CJ鄄鄄6 菌的胁迫作用 从图 1 可知,在氟离子胁迫条件下,铁氧化细菌 生长速率明显低于无氟对照组细菌生长速率. 无氟 对照组细菌经 12 h 的适应期后就进入对数生长期, 经 48 h 的培养后每毫升细菌数量高达 ( 4郾 67 依 0郾 14) 伊 10 7 . 当细菌在 10 mg·L - 1氟离子质量浓度 胁迫条件下,适应期时间增加到 32 h 的适应期适应 后才进入对数生长期,其生长速度也较无氟对照组 慢,最终菌体浓度也远小于无氟培养对照组. 当氟 离子质量浓度为 20 和 30 mg·L - 1时,细菌的生长缓 慢,无明显的对数期. 试验结果表明,低浓度的氟离 子同样对细菌产生抑制作用. 图 1 不同 F - 质量浓度胁迫细菌生长曲线 Fig. 1 Bacteria growth curves under different F - concentrations 2郾 2 氟的抑制机理 分析氟离子在不同 pH 值条件的19 F 超导核磁 共振图谱可知,从图 2 ( a) 中可以看出氟在 pH 值 ·1225·