1、农业环境科学学报Journal of AgroEnvironment Science2023，42（6）:1305-13142023年6月蒙薪赟，赵嘉，刘璟.膨润土中硫酸盐还原菌对As和N的还原作用J.农业环境科学学报,2023,42（6）：1305-1314.MENG X Y,ZHAO J,LIU J.Bio-reduction of arsenic and nitrogen by sulfate-reducing bacteria in bentoniteJ.Journal of Agro-Environment Science,2023,42（6）：1305-1314.膨润土中硫酸盐还原
2、菌对As和N的还原作用蒙薪赟，赵嘉，刘璟*（西南大学资源环境学院，重庆 400715）Bio-reduction of arsenic and nitrogen by sulfate-reducing bacteria in bentoniteMENG Xinyun,ZHAO Jia,LIU Jing*（College of Resources and Environment,Southwest University,Chongqing 400715,China）Abstract：This paper investigates the effects of the sulfate-reduci
3、ng bacteria（SRB）,Desulfovibrio vulgaris Miyazaki,exogenous N additionamount,and organic matter on the species and concentration of arsenic（As）and nitrogen（N）molecules in the bentonite solid-liquidsystem under anaerobic conditions,as well as the relationship between them through microcosmic experimen
4、ts.The results showed thatAs（）was reduced to As（）from day zero,reaching 1 947 gL-1on day seven,in the standard culture medium suitable for SRBgrowth.This is markedly higher than As（）concentration（1 341 gL-1）in ultra-pure water.Biological reduction increased NO-2andNH+4in three different bacterial gr
5、owth conditions.In the control group without nitrogen addition,As（）was almost undetectable.However,in the experimental groups with low and high nitrogen levels,As（）concentrations were 427 gL-1and 1 341 gL-1,respectively,and ammonium formation and denitrification was evident with the addition of nitr
6、ogen.The addition of high and low levels ofsodium acetate markedly increased the amount of As（）available for reduction.The average As（）concentrations obtained were 2.0and 2.5 times higher than those of the control group,respectively.However,the addition of humic acid increased the amount of As（）bein
7、g reduced.Further experiments to explore the relationship between NO-2and As（）show that the concentration of As（）can beincreased from below the detection range to 14.6 gL-1within 5 hours after sodium nitrite is directly added to As（）solution coexistencesystem,therefore NO-2can serve as an electron d
8、onor in the reaction and directly participate in As（）reduction reaction.Keywords：arsenic;nitrogen transformation;sulfate-reducing bacteria;bentonite收稿日期：2022-10-06录用日期：2022-12-19作者简介：蒙薪赟（1997），男，广西河池人，硕士研究生，从事土壤重金属污染研究。E-mail：*通信作者：刘璟E-mail：liujing-摘要：通过微宇宙实验，探究厌氧条件下不同硫酸盐还原菌（Desulfovibrio vlugaris M
9、iyazaki，SRB）活性、外源氮添加量和有机物对膨润土固-液体系中砷（As）和氮（N）形态及浓度的影响，以及二者间的联系。结果表明：与超纯水环境相比，在适宜SRB生长的标准培养液中，As（）从第0天就开始还原成As（），在第7天时As（）达到1 947 gL-1，明显高于超纯水环境中的As（）浓度（1 341 gL-1）。同时，生物还原作用下3种不同细菌生长环境中的NO-2和NH+4都有升高的趋势。在没有外源N添加的控制组，几乎检测不到As（），而在低氮和高氮两种N水平的实验组中，As（）浓度分别高达427 gL-1和1 341 gL-1，成铵作用和反硝化作用随着N源的输入也变得明显。高低
10、两种水平乙酸钠的添加极大地提高了As（）的还原量，得到的平均As（）浓度分别为控制组的2.0倍和2.5倍。但腐植酸的加入使得As（）还原量减少。进一步实验探究NO-2和As（）的关系，其实验结果显示：亚硝酸钠直接加入As（）溶液共存体系后，可在5 h内将As（）的浓度由低于检测范围提高至14.6 gL-1，因此NO-2可以作为反应中的电子供体，直接参与As（）还原反应。关键词：砷；氮素转化；硫酸盐还原菌；膨润土中图分类号：X172文献标志码：A文章编号：1672-2043（2023）06-1305-10doi:10.11654/jaes.2022-0983农业环境科学学报第42卷第6期砷（As
11、）是一种有毒、致癌的类金属元素，通常存在于矿物中，并通过采矿、冶炼、矿物风化和大气降水等途径广泛分布于自然界中，进而对人类健康和生态环境构成潜在威胁1-3。一般来说，黏土对As具有较好的吸附和固定效果。Yamazaki等4调查了孟加拉国一村庄土壤中的As含量，发现黏土中的As含量为20111 mgkg-1，而沙土中的 As 含量则为 37 mgkg-1。在厌氧条件下，As通常为毒性和流动性更强的三价态As（），因此富含黏土矿物且长期处于淹水缺氧环境的土壤受到的 As 污染较为严重5-8。土壤As污染问题已越来越引起人们的关注。氮（N）是农业土壤中的主要养分之一，土壤中N素的转化及其含量的高低，
12、对作物产量和生态平衡影响重大9-10。N在固-液体系中以铵盐（NH+4）、亚硝酸盐（NO-2）和硝酸盐（NO-3）等形态存在并进行转换，NH+4、NO-3、NO-2在水体中具有很高的溶解度，NH+4会通过硝化作用氧化成 NO-3，再通过反硝化作用转化为N2O和N2，NO-3会异化还原为NH+411-12。N和As同处于农田土壤环境中，如果能通过研究发现两者间的联系和其形态变换规律，将为土壤As污染治理和修复提供新思路。土壤中黏土矿物的含量对As的吸附和N含量的变化均有影响13-14。膨润土Al2O34（SiO2）H2O主要由蒙脱石组成，是一种2 1类型的黏土矿物，是国内外开发最早、应用最广泛的
13、非金属矿产之一，具有良好的缓冲和吸附效果，在环境污染治理方面发挥着重要作用15-17。由于膨润土具有较大的比表面积和较强的阳离子交换能力及吸附能力，可通过络合作用吸附金属离子，所以膨润土及其改性产品常作为吸附剂吸附 As等重金属18。Mar等19通过等温吸附实验得出膨润土的As（）吸附量最高可达0.33 mgg-1。程冰冰等20通过干法提纯得到的膨润土对As（）的最大吸附量达0.186 mgg-1。Su等21用阳离子表面活性剂改性制备的有机膨润土，可去除水溶液中As（）和 As（）。除此之外，膨润土也可作为微生物的天然养分载体，提高土壤中微生物的存活率22。因此，膨润土可作为吸附剂和微生物载体
14、用于本研究。在土壤环境中，硫（S）的氧化还原也会影响到As，厌氧环境下硫酸盐还原菌（Sulfate-reducing bacteria SRB）等厌氧微生物会影响土壤中 As 和 N 的流动及变化23-24。目前，关于As污染和N素转化的研究较多，但将两者联系起来的研究相对较少。因此，本研究以膨润土为载体，SRB为优势菌种，探究厌氧环境下不同因素对膨润土固液体系中As和N的影响以及两者间的联系，以丰富对矿区土壤As污染的防控认识。1材料与方法1.1 硫酸盐还原菌的培养本实验所用的硫酸盐还原菌来自四川西南某铜矿区，用固体培养基进行培养，平板划线后分离纯化，经鉴定为 Desulfovibrio v
15、lugaris Miyazaki，以下简称SRB。本研究所用培养基为德国微生物和细胞培养物保藏库（DSMZ）所记录的 DSMZ 63 标准培养基（http：/www.dsmz.de/microorganisms）25。该培养基含有 K2HPO4（0.5 gL-1），MgSO47H2O（2 gL-1），Na2SO4（1 gL-1），CaCl22H2O（2 gL-1），Yeast extract（1 gL-1）和DL-Na-lactate（2 gL-1）。将硫酸盐还原菌接种至上述培养基7 d后取48 mL以10 000 rmin-1（5810，艾本德，中国）离心20 min，倒掉上清液后用超纯水定
16、容至50 mL，摇匀备用。1.2 实验设计1.2.1 SRB厌氧微宇宙实验开展微宇宙实验以研究不同SRB活性对膨润土中 N 和 As 形态以及浓度的影响，通过设置不同的SRB生长环境：超纯水、标准DSMZ 63培养液和寡营养培养液（1%的DSMZ 63培养液），分别建立有差异的SRB生长活性环境。以超纯水为控制对照组，另外两种营养条件作为实验组。在250 mL的三孔蓝盖瓶中分别加入上述溶液 196.76 mL，然后加入 1 g 膨润土，用移液枪吸取对数期生长良好的SRB菌液2 mL注入上述瓶中，加入 1.2 g硝酸钠作为 N 源，1.24 mLAs（）储备液（1 gL-1）作为 As 源，最终使得瓶中溶液体积达到200 mL，初始As浓度和N浓度分别为6 200 gL-1和 4 200 mgL-1。连续通入 10 min氩气以创造厌氧环境，然后将三孔蓝盖瓶置于35，150rmin-1下振荡（IS-RDD3）。试验周期为7 d，每天定时用10 mL针管抽取样品溶液，样液过0.45 m滤膜后，测定As形态As（）、As（）和N形态（NO-3、NO-2和NH+4）。1.2.2 共存N和有机酸