Адсорбция и окисление соединений мышьяка минералами

Известия Тульского государственного университета
Естественные науки. 2012. Вып. 3. С. 231–241
Экология
УДК 546.6:574.4
Адсорбция и окисление соединений
мышьяка минералами железа
и в био-минеральных системах ∗
Л. В. Переломов, И. В. Переломова, Н. Д. Лёвкин, Н. Е. Мухина,
А. Корзини, В. Андреони
Аннотация. В исследовании показано, что гетит и магнетит
являются эффективными сорбентами соединений As (III) и
(V) и прочно удерживают их на своей поверхности. После
адсорбции минералами железа часть арсенитов окисляется в менее
токсичные арсенаты. В присутствии микроорганизмов адсорбция
арсенитов на поверхности как гетита, так и магнетита снижается,
что
удовлетворительно
описывается
электростатическими
взаимодействиями в системе. Без создания специальных
условий, благоприятных для метаболизма арсенит-окисляющих
микроорганизмов, биологическое окисление соединений As (III)
уступает их химическому окислению на поверхности минералов
железа.
Ключевые слова: адсорбция, окисление, гетит, магнетит,
мышьяк.
Введение
Неорганический мышьяк присутствует в почвах как As (V) (арсенат
(AsO42− ) и его гидроформы) и As(III) (арсенит (AsO3−
3 ) и его гидроформы).
При рН почвенных растворов арсениты находятся в них, главным образом,
как H3 AsO3 и H2 AsO−
3 , поскольку значения pKa мышьяковистой кислоты
высоки (pKa1 = 9, 2 и pKa2 = 12, 7). Арсенаты находятся в форме анионов
2−
мышьяковой кислоты: H2 AsO−
(pKa1 = 2, 3 и pKa2 = 6, 8
4 и HAsO4
и pKa3 = 11, 6). Поскольку кинетика окислительно-восстановительной
трансформации соединений мышьяка относительно медленная, в почвах
одновременно присутствуют как соединения As (V), так и As(III) [1].
*
Работа выполнена в рамках гранта ФЦП МОН РФ «Научные и научнопедагогические кадры инновационной России» (Лот 2012-1.2.2-12-000-1013). Авторы
благодарят за финансовую поддержку Centro Volta — Landau Network (Cariplo fellowship,
Ломбардия, Италия).
232
Л. В. Переломов, И. В. Переломова, Н. Д. Лёвкин и др.
Высокая плотность заряда и значительная площадь поверхности,
зачастую разупорядоченность и слабая окристаллизованность частиц делает
минералы железа важнейшими сорбентами микроэлементов в почвах [2,3].
Обладая переменным зарядом поверхности, зависящим от рН, они способны
поглощать микроэлементы как в катионной, так и в анионной форме.
Подвижность соединений мышьяка зависит от физико-химических
свойств почв, ведущим из которых, по-видимому, является кислотность
почвенного раствора [4]. Соединения As(V) являются менее токсичными
для живых организмов, чем соединения As(III) [5], и окисление последнего
можно рассматривать как процесс детоксикации мышьяка. Окисление
соединений мышьяка может быть проведено как химическими агентами, так
и специальными штаммами микроорганизмов [6].
Так как окисление арсенитов является экзергоническим процессом,
микроорганизмы могут теоретически получать из этой реакции энергию:
2−
+
AsО−
2 + 0, 5O2 + H2 O = HAsO4 + H ,
∆G0 = −160 кДж.
В настоящее время известно окисление мышьяка гетеротрофами,
миксотрофами и хемолитоавтотрофами. Открыто большое количество
филогенетически различных прокариот, изолированных из различных
местообитаний, в основном, связанных с избыточным содержанием
мышьяка: сточных вод, геотермальных источников, отложений мышьяка,
хвостохранилищ и др. [7,8].
Целью данной работы было исследование особенностей адсорбции
соединений As (III) и As (V), а также окисление арсенитов гетитом,
магнетитом и в био-минеральных системах, включающих указанные
минералы и клетки бактерий штамма Ancylobacter dichloromethanicus As3-1b.
1. Материалы и методы
Гетит (α-FeOOH) был синтезирован по методу Atkinson et al. [9] путём
медленного добавления при непрерывном интенсивном помешивании 200
мл 2,5М раствора NaOH к раствору, содержащему 50 г Fe(NO3 )3 x9H2 O
в 825 мл деионизированной воды. Суспензия была выдержана в
течение 6 дней при 60◦ С, а затем очищена от растворимых солей
путём диализа. Полученный минерал высушивали при отрицательных
температурах (−18◦ С) и просеивали через сито с диаметром ячеек 0,16
мм. Рентген-дифрактометрическим анализом было показано наличие в
полученном минерале пиков 4,18, 2,69 и 2,45 A◦ , характерных для гетита.
Удельная площадь поверхности гетита, определённая гравиметрически по
удержанию моноэтилового эфира этиленгликоля [10], составила 82 м2 /г.
Точка нулевого заряда, измеренная по методу Sakurai et al. [11], была
локализована при рН 8,2.
Магнетит (Fe3 O4 ) был получен путём окисления на воздухе специального
коммерческого продукта — NANOFER 25 (NANOIRON, Чешская
Адсорбция и окисление соединений мышьяка минералами железа
233
Республика), в котором содержание Fe(0) составляло около 85% сухого
веса. Удельная площадь поверхности материала по данным производителя
составляла более 25 м2 /г.
Ancylobacter dichloromethanicus As3-1b принадлежит к Грамотрицательным неспорообразующим палочкообразным каталаза-положительным
подвижным Протеобактериям [6]. Штамм был выделен их сельскохозяйственной почвы, загрязнённой мышьяком (Тоскана, Италия), в которой
концентрация элемента достигала 250 мг/кг вследствие содержания
шахтных отходов в виде арсенопирита.
Биомасса микроорганизмов была получена путём выращивания
клеток бактеий в жидкой LB среде. Разделение микроорганизмов и
питательной среды осуществляли путём центрифугирования при 9000
оборотов/мин в течение 15 минут с последующей промывкой и аналогичным
центрифугированием.
Исходные растворы соединений As (III) и As (V) были получены
из NaAsO2 и Na2 HAsO4 x7H2 O (Sigma-Aldrich) соответственно. Для
сорбционных экспериментов использовали 0,1 г соответствующего минерала
и 20 мл сорбционного раствора с концентрациями 0,3 мМ, 0,6 мМ, 0,9 мМ
(или 60, 120 и 180 мМ/кг минерала). В экспериментах с микроорганизмами
содержание бактерий составляло 0,5х109 клеток/мл. Минерал был
уравновешен с 5, 10 и 15 мл физиологического раствора в течение 17 часов
без встряхивания. После этого к нему были добавлены соответственно 15,
10 и 5 мл 1,2 мМ раствора солей мышьяка для достижения изучаемых
концентраций. Эксперимент проводился при исходной рН собционного
раствора 7,2. По окончании эксперимента твёрдую и жидкую фазу
отделяли центрифугированием при 9000 оборотов/мин в течение 15 минут
с последующей фильтрацией раствора через фильтр с диаметром пор
0,22 мкм. Промывку твёрдой фазы осуществляли взбалтыванием с 5 мл
дистиллированной воды и последующим центрифугированием при 9000
оборотов/мин в течение 10 минут.
Десорбцию соединений мышьяка проводили добавлением 10 мл 0,1 М
NH4 OH к промытому осадку и при встряхивании в течение 4 часов. В конце
процедуры отделяли твёрдую фазу от жидкой центрифугированием при 9000
оборотов/мин в течение 15 минут с последующей фильтрацией раствора
через фильтр с диаметром пор 0,22 мкм.
Определение мышьяка в растворе проводили спектрометрически [12].
2. Результаты и обсуждение
Адсорбция As (III) и As (V), а также их смеси на поверхности гетита
показана на рис. 1. Гетит эффективно поглощает соединения мышьяка:
адсорбция As (III) минералом составляла от 66 до 82 %, поглощение As (V)
— от 52 до 82 % от внесённого.
234
Л. В. Переломов, И. В. Переломова, Н. Д. Лёвкин и др.
Рис. 1. Адсорбация As гетитом при внесении As (III), As (V) и их смеси,
pHисх 7,2
По мнению ряда авторов арсениты являются более подвижными по
сравнению с арсенатами соединениями мышьяка в окружающей среде
[13]. В условиях нашего эксперимента (рН 7,2) отсутствовали различия в
поглощении соединений мышьяка III и V при концентрациях 60 и 120 мМ/кг,
а при концентрации 180 мМ/кг из раствора поглощалось больше As (III).
При внесении смеси As (III) и As (V), каждого в концентрации 60 мМ/кг,
общее количество поглощённого гетитом мышьяка значимо не изменилось
по сравнению с внесением 120 мМ As(III) или 120 мМ As (V).
Вероятно, адсорбция арсенатов на поверхности гетита представляет
собой двуступенчатую реакцию обмена лигандами, в результате которой
формируются внутрисферные бидентантные поверхностные комплексы [14].
Sun and Doner [15] установили, что As (III) и As(V) перемещают две единично
координированные поверхностные ОН группы гетита для формирования
двуядерного комплексного соединения.
В качестве десорбирующих агентов нами были изучены 0,005 М и 0,05
М (NH4 )2 SO4 , 0,1 М NH4 OH, 0,2 М NH4 -(Ox)-буфер в 0,1 M аскорбиновой
кислоте (pH 3,25). Раствор 0,1 М NH4 OH показал наилучшие деорбирующие
свойства. Согласно схеме последовательных экстракций Вензеля [16]
гидроксид аммония извлекает специфически адсорбированные формы
соединений мышьяка.
После извлечением гидроксидом аммония специфически сорбированных
форм мышьяка с гетита на поверхности минерала удерживалось от 80,9%
до 92,1% от количества поглощённого элемента (рис. 2). При этом также не
наблюдалось закономерностей в более прочном общем удержании элемента
при внесении какого-то из соединений мышьяка — As (III) или As (V).
Аналогичные закономерности были получены нами и при адсорбции
арсенатов и арсенитов магнетитом.
Адсорбция и окисление соединений мышьяка минералами железа
235
Рис. 2. Количество As, удержанного гетитом после десорбции
В среднем, 87,4 % мышьяка при внесённой концентрации арсенита 60
мМ/кг, 36,1% при 120 мМ/кг и 14,8% при 180 мМ/кг десорбировались в
форме As (V), т.е. наблюдалось химическое окисление арсенитов в арсенаты
на поверхности гетита (рис. 3). Наши результаты согласуются с работами [17,
18], которые указывали на возможность окисления As (III) оксидами железа.
Lievremont et al. [19] было показано, что минерал шабазит (включающий в
свой состав 17,6% Al, 4,1% Fe2 O3 , 0,12% MnO, 0,57% TiO) химически окислял
около половины арсенитов при исходной концентрации 1 мМ после 48 часов
контакта. В тоже время в работе Manning and Goldberg [20] отмечается
отсутствие окисления на поверхности синтетического гетита.
Рис. 3. Десорбция As (V) с поверхности гетита после поглощения As (III)
и смеси As (III) и As (V)
Детальный анализ соединений, адсорбированных на поверхности
магнетита (рис. 4) из смеси As (III) и As (V) при их исходных концентрациях
0,3 мМ, говорит о преимущественной адсорбции минералом As (III). В тоже
время при десорбции преобладали соединения As (V), а соединения As
(III) составляли всего около 16% от общего количества десорбированного
236
Л. В. Переломов, И. В. Переломова, Н. Д. Лёвкин и др.
элемента. Таким образом, причиной низкого извлечения арсенитов может
быть их химическое окисление на поверхности минералов железа.
Рис. 4. Адсорбция и десорбция соединений As при внесении 0.3 мМ As
(III) и 0.3 мМ As (V)
Андреони с соавт. [6] (2012) была показана высокая эффективность
биогенного окисления арсенитов штаммом Ancylobacter dichloromethanicus
As 3-1b, культивируемых в микробиологической среде BBM, где в качестве
дополнительного источника углерода был использован NaHCO3 (BBMCсреда). В присутствии 0,01% экстракта дрожжей рост микроорганизмов и
окисление арсенитов существенно увеличивались.
Однако в условиях нашего экспериментального раствора при отсутствии
источников углерода процесс биологического окисления арсенитов был
выражен очень слабо. При исходной концентрации арсенитов в растворе
0,3 мМ и концентрации клеток Ancylobacter dichloromethanicus около
0,5х109 клеток/мл не более четверти внесённого мышьяка окислялось до
арсенатов в течение 46 часов. Причинами низкого биологического окисления
может являться отсутствие доступных для микроорганизмов форм
углерода в растворе, а также отсутствие в нашем эксперименте индукции
арсенит-оксидаз в микробиологической среде при культивировании бактерий
путём добавления солей As (III) [19].
Для изучения роли минеральных и биотических компонентов в адсорбции
и окислении соединений мышьяка была использована био-минеральная
система, включающая 1) раствор арсенита, 2) один из изучаемых минералов,
3) суспензию клеток Ancylobacter dichloromethanicus в физиологическом
растворе. Соответствующий минерал и суспензия микроорганизмов были
инкубированы вместе в течение 17 часов, после чего к ним был добавлен
раствор As (III). Время адсорбционного эксперимента с мышьяком
составляло 4 часа.
Данные поглощения и окисления арсенитов в биоминеральных системах
(для гетита при исходной концентрации мышьяка 0,3 мМ и для магнетита
при исходной концентрации 0,6 мМ) показаны на рис. 5 и 6. В присутствии
Адсорбция и окисление соединений мышьяка минералами железа
237
микроорганизмов адсорбция арсенитов на поверхности как гетита, так и
магнетита снижается.
Ранее нами уже было показано, что в био-минеральных системах
значительную роль во взаимодействиях между минералами, микроорганизмами и ионами микроэлементов играют электростатические взаимодействия
[21, 22]. При экспериментальных рН ниже точек нулевого заряда (ТНЗ)
минералов их поверхность имеет, в целом, положительный заряд. ТНЗ
клеточных оболочек большинства микроорганизмов локализованы при рН
4-5 и ниже. Таким образом, при рН 7,2 происходит электростатическое
взаимодействие положительно заряженных минералов и отрицательно
заряженных оболочек микроорганизмов с осаждением последних на
поверхности гетита и магнетита. Такое осаждение может приводить к
маскировке сорбционных позиций на поверхности минералов и частичному
снижению их положительных зарядов. Кроме того, адсорбированные
на поверхности гетита и магнетита клетки бактерий могут отталкивать
одноимённо заряженные ионы (в т.ч. гидратированные) арсенитов. Всё это
приводит с снижению поглощения соединений мышьяка на поверхности
минералов.
Рис. 5. Адсорбция/десорбция соединений As в биоминеральной системе,
включающей гетит (C = 0, 3 мМ)
В варианте с гетитом микроорганизмы также снижают прочность связи
между мышьяком и поверхностью минерала — количество десорбированного
мышьяка возрастает как в абсолютных цифрах, так и в процентном
соотношении к количеству поглощённого элемента в био-минеральной
системе. При этом основную долю десорбированного мышьяка составляют
арсенаты, количество которых увеличивается по сравнению с десорбцией с
поверхности чистого минерала.
В случае магнетита количество десорбированного мышьяка увеличивается
только по отношению к количеству элемента, поглощённому в
био-минеральной системе. При этом количество десорбированного As (V)
238
Л. В. Переломов, И. В. Переломова, Н. Д. Лёвкин и др.
Рис. 6. Адсорбция/десорбция соединений As в биоминеральной системе,
включающей магнетит (C = 0, 6 мМ)
даже уменьшается, что ещё раз подчёркивает значитеьную роль химического
окисления арсенитов.
Заключение
Таким образом, гетит и магнетит являются эффективными
сорбентами соединений мышьяка (III) и (V) и прочно удерживают
их на своей поверхности, что может быть активно использовано для
ремедиации загрязнённых почв и грунтов и очистки сточных вод.
После адсорбции минералами железа часть арсенитов окисляется в
менее токсичные арсенаты. В присутствии микроорганизмов адсорбция
арсенитов на поверхности как гетита, так и магнетита снижается, что
удовлетворительно описывается электростатическими взаимодействиями
в системе. Без создания специальных условий, благоприятных для
метаболизма
арсенит-окисляющих
микроорганизмов,
биологическое
окисление соединений As (III) уступает их химическому окислению на
поверхности минералов железа.
Список литературы
1. Masscheleyn P.H., Delaune R.D., Patrick W.H. Effect of redox potential and pH
on arsenic speciation and solubility in a contaminated soil // Environ. Sci. Technol.
1991. V.25, №8. P.1414–1419.
2. Adsorption of Cu and Pb on goethite in the presence of low-molecular mass aliphatic
acids / L. Perelomov [et al.] // Geomicrobiol. J. 2011. V.28, №7. P.582–589.
3. Водяницкий Ю.Н., Добровольский В.В. Железистые минералы и тяжёлые
металлы в почвах. М.: Почвенный институт им. В.В. Докучаева РАСХН, 1998.
216 с.
4. Goldberg S. Competitive adsorption of arsenate and arsenite on oxides and clay
minerals // Soil Sci. Soc. Am. J. 2002. V.66, №2. P.413–421.
Адсорбция и окисление соединений мышьяка минералами железа
239
5. Penrose W.R. Arsenic in the marine and aquatic environments: Analysis, occurrence, and significance // CRC Critical Reviews in Environmental Control. 1974.
V.4, №1–4. P.465–482.
6. Arsenite oxidation in Ancylobacter dichloromethanicus As3-1b strain: detection of
genes involved in arsenite oxidation and CO2 fixation / V. Andreoni [et al.] // Curr.
Microbiol. 2012. V.65, №2. P.212–218.
7. Arsenic in the evolution of earth and extraterrestrial ecosystems / R.S. Oremland
[et al.] // Geomicrobiol. J. 2009. V.26, №7. P.522–536.
8. Arsenic and selenium in microbial metabolism / J.F. Stolz [et al.] // Annu. Rev.
Microbiol. 2006. V.60. P.107–130.
9. Atkinson R.J., Posner A.M., Quirk P. Adsorption of potential determining ions
on the ferric oxide aqueous electrolyte interface // J. Phys. Chem. 1967. V.71, №3.
Р.550–558.
10. Eltantawy I.M., Arnold P.W. Reappraisal of ethylene glycol mono-ethyl ether
(EGME) method for surface area estimation of clays // J. Soil Sci. 1973. V.24, №2.
P.232–238.
11. Sakurai K., Ohdate Y., Kyuma K. Comparison of salt titration and potentiometric
titration methods for the determination of zero point of charge // Soil. Sci. Plant
Nutr. 1988. V.34, №2. Р.171–182.
12. A rapid colorimetric method for measuring arsenic concentrations in groundwater /
R.K. Dhar [et al.] // Analitica Chimica Acta. 2004. V.526, №2. P.203–209.
13. Tamaki S., W.T. Frankenberger Jr. Environmental chemistry of arsenic. In: Reviews
of environmental contamination and toxicology. Springer-Verlag, New York, 1992.
V.124. P.79–110.
14. Arsenate and chromate retention mechanisms on goethite. 2. Kinetic evaluation
using a pressure-jump relaxation technique / P.R. Grossl [et al.] // Environ. Sci.
Technol. 1997. V.31, №2. P.321–326.
15. Sun X., Doner H.E. An investigation of arsenite and arsenate bonding structures
on goethite by FTIR // Soil Sci. 1996. V.161, №12. P.865–872.
16. Arsenic fractionation in soils using an improved sequential extraction procedure /
W.W. Wenzel [et al.] // Analitica Chimica Acta. 2001. V.436, №2. P.309–323.
17. Wilkie J.A., Hering J.G. Adsorption of arsenic onto hydrous ferric oxide: effects
of adsorbate/adsorbent ratios and co-occurring solutes // Colloids and Surfaces A:
Physicochemical and Engineering Aspects. 1996. V.107. P.97–110.
18. Sun X.H., Doner H.E., Zavarin M. Spectroscopy study of arsenite [As(III)] oxidation on Mn-substituted goethite // Clays and Clay Minerals. 1999. V.47, №4.
P.474–480.
19. Biological oxidation of arsenite: batch reactor experiments in presence of kutnahorite
and chabazite / D. Lievremont [et al.] // Chemosphere. 2003. V.51, №5. P.419–428.
20. Manning B.A., Goldberg S. Adsorption and stability of arsenic(III) at the clay
mineral–water interface // Environmental Science and Technology 1997. V.31, №7.
P.2005–2011.
21. Perelomov L., Yoshida S. Effect of Microorganisms on the sorption of lanthanides
by quartz and goethite at the different pH values // Water, Air and Soil Pollution.
2008. V.194, №1–4. P.217–225.
240
Л. В. Переломов, И. В. Переломова, Н. Д. Лёвкин и др.
22. Perelomov L., Perelomova I., Kandeler E. Behavior of heavy metals in model
three-component soil systems // Russian J. of Ecology. 2010. V.41, №3. P.272–275.
Переломов Леонид Викторович ([email protected]), к.б.н., доцент,
кафедра медико-биологических дисциплин, Тульский государственный
университет.
Переломова Ирина Владимировна ([email protected]), к.б.н., доцент,
кафедра медико-биологических дисциплин, Тульский государственный
университет.
Лёвкин Николай Дмитриевич ([email protected]), к.т.н, доцент, кафедра
аэрологии, охраны труда и окружающей среды, Тульский государственный
университет.
Мухина Наталья Евгеньевна ([email protected]), аспирант,
кафедра аэрологии, охраны труда и окружающей среды, Тульский
государственный университет.
Корзини Анна ([email protected]), доктор философии, научный
сотрудник, Университет Милана, Милан, Италия.
Андреони Винченца ([email protected]), профессор, Университет
Милана, Милан, Италия.
Adsorption and oxidation of As salts by iron minerals and in
bio-mineral systems
L. V. Perelomov, I. V. Perelomova, N. D. Levkin, N. Y. Mukhina, А. Corsini,
V. Andreoni
Abstract. Investigation of As (III) and As (V) salts adsorption and oxidation
of As (III) by goethite, magnetite and in bio-mineral systems consisting of the
iron minerals and bacteria cells of Ancylobacter dichloromethanicus As3-1b strain
was carried out. Results showed goethite and magnetite effectively adsorbed As
salts in non-exchangeable forms. After adsorption by the minerals As(III) partly
oxidized to As(V). In the presence of microorganisms added to the mineral before
As solution, adsorption of As salts by the minerals decreased sufficiently. In
constructed bio-mineral systems Ancylobacter dichloromethanicus showed more
low oxidation ability in comparison with chemical oxidation on the mineral
surfaces.
Keywords: adsorption, oxidation, goethite, magnetite, arsenic.
Perelomov Leonid ([email protected]), candidate of biological sciences,
associated professor, department of biology and medicine, Tula State University.
Адсорбция и окисление соединений мышьяка минералами железа
241
Perelomova Irina ([email protected]), candidate of biological sciences, associated professor, department of biology and medicine, Tula State University.
Levkin Nicolay ([email protected]), candidate of technical sciences, associated
professor, department of air science and environmental protection, Tula State
University.
Mukhina Natalia ([email protected]), postgraduate student, department of air science and environmental protection, Tula State University.
Corsini Anna ([email protected]), doctor of philosphy, researcher, University of Milan, Milan, Italy.
Andreoni Vinchenza ([email protected]), professor, University of
Milan, Milan, Italy.
Поступила 17.09.2012