徐晶晶,胡振琪,趙艷玲,位蓓蕾

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)土地復(fù)墾與生態(tài)重建研究所，北京 100083)

煤炭開采和加工過程中會(huì)產(chǎn)生大量煤矸石，一般占原煤的10%～20%，目前我國(guó)工業(yè)固體廢棄物累積堆存已超過100億t，但綜合利用率只有約30%～40%。矸石山的堆積嚴(yán)重破壞了周邊環(huán)境，其自燃和滑坡等災(zāi)害產(chǎn)生更是令當(dāng)?shù)鼐用裾勚?。煤矸石中含有大量硫化物，它們以黃鐵礦(FeS2)的形式賦存。矸石山內(nèi)部的熱量逐漸積累，當(dāng)溫度達(dá)到臨界燃燒點(diǎn)時(shí)，在通風(fēng)環(huán)境下和微生物的催化作用下，會(huì)發(fā)生自燃。自燃的煤矸石山排放出大量的SO2、CO2、CO、H2S等有害氣體與煙塵，破壞周圍植物生長(zhǎng)基質(zhì)，使礦區(qū)寸草不生，嚴(yán)重影響礦區(qū)及礦區(qū)周邊的水質(zhì)、土壤和空氣，其含有的大量重金屬更是加劇威脅人類的健康[1]。

硫化物的氧化反應(yīng)是在嗜酸性氧化亞鐵硫桿菌(A.f菌)的生物催化作用下進(jìn)行的，并且其催化氧化作用使化學(xué)反應(yīng)速率提高到106倍[2]。氧化亞鐵硫桿菌[3]是一種嗜酸的專性好氧革蘭氏陰性菌，屬于原核生物，適宜在pH為2.3，溫度為30～35℃的環(huán)境中生存，水生性強(qiáng)，直徑約為0.5μm，長(zhǎng)約1.2～1.5μm，有細(xì)胞壁和鞭毛，形態(tài)呈桿狀，能游動(dòng)，細(xì)胞內(nèi)接近中性，細(xì)菌生長(zhǎng)周期為6～10d，菌落為黑色，直徑約0.5mm。

氧化亞鐵硫桿菌在酸性煤矸石中的能量來源為亞鐵離子和還原硫化物，主要是通過以下兩種途徑進(jìn)行催化作用[4-8]。

4FeS2+15O2+2H2O=2Fe2(SO4)3+2H2SO4

FeS2+2Fe3+=3Fe2++2S↓

A.f菌將以上作用生成的S和Fe2+氧化為H2SO4和Fe2(SO4)3，其過程為

4FeSO4+O2+2H2SO4=2Fe2(SO4)3+2H2O

2S+3O2+2H2O=2H2SO4

氧化亞鐵硫桿菌在催化氧化的同時(shí)，不斷產(chǎn)生新能源，來完成對(duì)煤矸石的氧化，最終導(dǎo)致礦物的分解,礦山酸性排水加強(qiáng)了鐵和硫氧化細(xì)菌氧化亞鐵硫桿菌的活性，煤炭和地層中的黃鐵礦材料的氧化大大加快了產(chǎn)酸反應(yīng)。因此，氧化亞鐵硫桿菌對(duì)煤矸石的酸化污染和自燃起著至關(guān)重要的作用，抑制氧化亞鐵硫桿菌的活性對(duì)控制酸性自燃煤矸石山有著十分重要的意義，不但有助于減少黃鐵礦的氧化和酸性廢水的產(chǎn)生，還有助于酸性煤矸石山的植被恢復(fù)。

1 A.f菌殺菌劑的研究現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

通過抑制A.f菌的活性來控制煤矸石山酸性污染這一方法是Leathen等人[11]在1953年最早提出的。后來陸續(xù)有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，A.f菌只是暫時(shí)被抑制，隨后便會(huì)迅速再生。Hugo,W.B.[12]在1967年發(fā)現(xiàn)洗滌劑能夠改變氧化亞鐵硫桿菌的細(xì)胞質(zhì)膜的半透性能，1985年Andrew A 等人[9]總結(jié)了酸性煤矸石山中氧化亞鐵硫桿菌的緩釋殺菌劑，并分析了三個(gè)階段的產(chǎn)酸機(jī)制。近年來，有很多學(xué)者對(duì)陰離子表面活性劑(anionic urface-tants)和食品防腐劑等對(duì)環(huán)境危害小的殺菌劑產(chǎn)生了興趣。例如，Kleinmann等人[13-18]研究了十二烷基硫酸鈉(SLS)、苯甲酸、烷基苯磺酸鈉以及山梨酸的抑制效果，發(fā)現(xiàn)在這些抑制劑中，十二烷基硫酸鈉的殺菌效果是最好的。1970年，Rao G.S[19]通過實(shí)驗(yàn)證明，在低pH值環(huán)境下將丙酮酸作為A.f菌抑制劑可以迅速使其累積在細(xì)胞中從而停止硫的氧化。

2007年，Sand等人[10]總結(jié)了6年來浸礦細(xì)菌和金屬硫化物氧化緩解措施長(zhǎng)期影響的可用信息和相關(guān)結(jié)果，認(rèn)為SLS只是短暫的降低了浸礦細(xì)菌的數(shù)量和活性，異噻唑啉酮和覆蓋礦山廢物的有機(jī)材料和粉煤灰在一定程度上起到了殺滅A.f菌的效果。同年，Pagnanelli等人[20]通過加入石灰石(抑制pH值的升高)和橄欖果渣油(抑制A.f菌)進(jìn)行了批次試驗(yàn)，細(xì)胞生長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表示為較強(qiáng)的抑制作用。

前人的大量長(zhǎng)期研究結(jié)果表明，若單一采用殺菌劑技術(shù)來實(shí)現(xiàn)原位控制酸性煤矸石山污染，效果是很不理想的。1981年，Kleinmann[21]將表面活性劑納入橡膠包膜中制成顆粒，應(yīng)用于露天礦的治理，并達(dá)到了很好的效果。

1.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)許多學(xué)者對(duì)酸性煤矸石山原位污染與治理進(jìn)行了一定的研究[22]。

胡振琪[23]分別選用SLS(十二烷基硫酸鈉)和SBZ(苯甲酸鈉)作為殺菌劑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以培養(yǎng)液的酸度(pH)、氧化還原電位(Eh)、亞鐵離子被氧化程度為指標(biāo)，探討了抑制A.f菌氧化作用的因素。結(jié)果表明ρ(SLS)10mg/L時(shí)，F(xiàn)e2+氧化抑制率是75.69%，ρ(SBZ)為30mg/L時(shí)，F(xiàn)e2+氧化抑制率是75.89%(表1)；張哲[24]篩選出菌株Z1通過添加不同劑量的殺菌劑十二烷基磺酸鈉(SDS)和十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)分析了不同殺菌劑對(duì)A.f菌生長(zhǎng)的抑制效果，并用滴制法(醋酸纖維素)將殺菌劑制備成緩釋殺菌滴丸。結(jié)果發(fā)現(xiàn)ρ(SDS)30mg/L時(shí)，F(xiàn)e2+氧化抑制率是82.83%，ρ(CTAB)5mg/L時(shí)，F(xiàn)e2+氧化抑制率是80.84%。通過SEM、FTIR、元素分析證實(shí)了SDS滴丸的載藥率達(dá)到40%以上，而CTAB的滴丸的載藥率只有8.42%(載藥率=滴丸中所含藥物量/滴丸的總質(zhì)量×100%)；任婉俠[25]研究了6種低分子量有機(jī)酸(甲酸、乙酸、丙酸、草酸、蘋果酸和檸檬酸)對(duì)A.f菌的抑制影響。結(jié)果表明抑制順序?yàn)椋杭姿?乙酸>丙酸>草酸>蘋果酸>檸檬酸。甲酸濃度為0.254mmol/L時(shí)，F(xiàn)e2+的氧化完全被抑制；蘇鳳賢[26]認(rèn)為天然廣譜植物抗菌素大蒜素可以降低革蘭氏陰性菌的生物活性；吳東升[27]以pH值、溫度和十二烷基硫酸鈉(SLS)的濃度做了正交試驗(yàn)，結(jié)論指出，當(dāng)溫度為25℃，pH為3，SLS濃度為7.5mg/L時(shí)，抑制氧化亞鐵硫桿菌達(dá)到最佳效果。

表1 幾種氧化亞鐵硫桿菌的殺菌劑

有學(xué)者對(duì)A.f菌的緩釋包膜進(jìn)行了研究[28]，取得了相應(yīng)的進(jìn)展。史航等人[29]用溶劑揮發(fā)法制備苯甲酸鈉的聚苯乙烯聚合物微球，并實(shí)現(xiàn)了苯甲酸鈉的緩釋。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，聚苯乙烯微球中所含的苯甲酸鈉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可以達(dá)到18%，并且微球能夠在涂層基料中分散均勻，最初的釋放速度緩慢，120天以后依然不斷有適量的苯甲酸鈉釋放出來，并表現(xiàn)出良好的抑菌效果。李成學(xué)等[30]通過對(duì)保水肥在不同介質(zhì)中的溶脹度、吸水度及保水劑在不同肥料溶液中對(duì)肥料吸持性能的測(cè)定，研究了不同介質(zhì)對(duì)保水肥吸水性能的影響及不同肥料溶液對(duì)保水劑的保肥性能的影響；何緒生[31]認(rèn)為保水緩/控釋肥料是具有吸水、保水及釋水的新型緩/控釋肥料，其對(duì)改善水肥效率具有良好的前景。

2 考察殺菌劑殺菌效果的重要指標(biāo)

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者考察抑制氧化亞鐵硫桿菌氧化作用的因素，多數(shù)以培養(yǎng)液的pH、氧化還原電位Eh和亞鐵離子被氧化程度為指標(biāo)[20-24]。

測(cè)定pH值：直接使用pH計(jì)測(cè)定。

測(cè)定Eh值：直接使用Eh計(jì)測(cè)定溶液的氧化還原電位。

測(cè)定Fe2+多使用重鉻酸鉀法或鄰菲羅啉分光光度法測(cè)ρ(Fe2+)。

2.1 pH值

培養(yǎng)初期，A.f菌氧化Fe2+時(shí)會(huì)消耗酸使得菌液的pH升高，溶液中Fe3+數(shù)量增多并發(fā)生水解作用，會(huì)在錐形瓶?jī)?nèi)壁和瓶底慢慢結(jié)一層黃色的附著物(黃鉀鐵礬)，溶液中pH值又明顯下降[24]。所以pH值是體現(xiàn)殺菌劑是否對(duì)A.f菌有所抑制的一個(gè)重要指標(biāo)。

2.2 Eh值

Eh值為氧化還原電位，與Fe3+/Fe2+濃度成正比。溶液的氧化還原電位 Eh 用能斯特方程進(jìn)行計(jì)算[32]，見下式。

Eh=0.767+0.059llg([Fe3+]/[Fe2+])

隨著細(xì)菌的生長(zhǎng)，溶液中Fe2+被氧化成Fe3+，[Fe3+]/[Fe2+]比值增加，溶液氧化還原電位Eh 上升[33]。當(dāng)施加殺菌劑之后，由于A.f菌的生長(zhǎng)被大量限制，F(xiàn)e2+氧化緩慢，Eh曲線理論上持平，基本沒有變化?？梢泽w現(xiàn)出殺菌劑是否有效殺滅A.f菌，減緩Fe2+的氧化，使Fe2+基本不會(huì)被氧化成Fe3+。

2.3 Fe2+氧化率

在初始ρ(Fe2+)相同的情況下，同一時(shí)刻溶液中的ρ(Fe2+)越低，ρ(Fe3+)越高，表明A.f菌將Fe2+氧化成Fe3+的能力越強(qiáng)，氧化活性越好。由此說明，F(xiàn)e2+濃度是影響A.f菌生長(zhǎng)的重要條件之一。

3 討論

1) 我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)以煤炭為主，這個(gè)現(xiàn)狀在短時(shí)期內(nèi)不會(huì)改變，煤炭開采產(chǎn)生的煤系廢棄物煤矸石的排放量在短時(shí)間內(nèi)還會(huì)增加，由煤矸石帶來的環(huán)境問題依然存在。因此，煤矸石的酸性源頭污染控制仍是當(dāng)務(wù)之急。煤矸石酸性主要來自硫的氧化，抑制氧化是治理矸石山的有效途徑，顯然，殺菌劑的使用可以抑制微生物催化氧化。煤矸石酸性治理選用的殺菌劑，不僅要考慮殺菌效果、使用條件，而且要考慮到性價(jià)比，這樣才能更加廣泛地投入在煤矸石的治理中。除此之外，還要充分考慮其使用對(duì)人體長(zhǎng)期的安全性。

2) 在治理過程中，室內(nèi)試驗(yàn)為微生物提供適宜的試驗(yàn)環(huán)境條件來實(shí)現(xiàn)酸性煤矸石的原位污染控制，但是自然界的環(huán)境變化無常，室內(nèi)試驗(yàn)還存在一定的局限性。需要進(jìn)一步在國(guó)內(nèi)煤礦石堆放的外部環(huán)境下深入實(shí)驗(yàn)，探索出如何永久的抑制或殺死微生物，具體的作用機(jī)理還有待進(jìn)一步的詳細(xì)研究。

3) 酸性自燃煤矸石山是礦區(qū)主要的污染源之一，自發(fā)性的自燃煤矸石山治理實(shí)踐，往往導(dǎo)致治理成本高、收效不理想。對(duì)其進(jìn)行深入的理論及試驗(yàn)研究，使得自燃煤矸石山原位治理效果及成本難以把握，造成經(jīng)濟(jì)問題和環(huán)境治理問題，如何探索出合適、高效、低耗的實(shí)驗(yàn)，在優(yōu)化實(shí)驗(yàn)操作的同時(shí)也能深入探尋野外條件下殺菌劑的實(shí)驗(yàn)效果仍然是我國(guó)煤礦區(qū)土地復(fù)墾與生態(tài)環(huán)境治理的難點(diǎn)。

4 前景展望

在環(huán)境問題受到廣泛關(guān)注的今天，環(huán)境受損、生態(tài)補(bǔ)償已成為社會(huì)各方關(guān)注的焦點(diǎn)。煤矸石山由于治理起來十分復(fù)雜，一直是企業(yè)和政府面臨的難題，但是從環(huán)境資源的角度來看，煤矸石也是一種可以用來資源化再利用的資源。如果不把煤矸石當(dāng)成廢料，而是把它作為資源加以利用，就會(huì)產(chǎn)生一定的社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益，因此對(duì)煤矸石的處置和綜合利用是保護(hù)環(huán)境和生態(tài)治理的當(dāng)務(wù)之急。

單一殺菌劑對(duì)于環(huán)境來說不一定是最經(jīng)濟(jì)和長(zhǎng)效的，將包膜緩釋與復(fù)合殺菌這兩項(xiàng)重要的源頭控制技術(shù)結(jié)合起來才能有效地解決源頭控制煤矸石山的酸性氧化問題。因此，應(yīng)該發(fā)掘更有效、更適用、更安全的復(fù)合緩釋殺菌劑來抑制氧化亞鐵硫桿菌，比如已證明具有抑制作用的天然低分子有機(jī)物等，再結(jié)合相適應(yīng)的緩釋方法制備緩釋制劑，能夠更完善的進(jìn)行酸性矸石山原位污染控制。同時(shí)還需要進(jìn)一步研究在煤矸石堆放條件下殺菌劑抑制氧化的更深入機(jī)理，探索更合適的殺菌劑材料和有效使用方法。

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