微生物富集和轉(zhuǎn)化鈾的條件和實(shí)驗(yàn)效果

微生物富集和轉(zhuǎn)化鈾的條件和實(shí)驗(yàn)效果

利用鈾礦和鋯生產(chǎn)和應(yīng)用對水、土壤等環(huán)境造成的效率污染?；瘜W(xué)方法解決水體鈾污染通常是利用硫化氫還原U(Ⅵ)為U(Ⅳ)或者通過離子交換法分離和固定U(Ⅵ),但這些方法不僅費(fèi)用十分昂貴,存在二次污染,而且效率不高,特別是當(dāng)污染水體中鈾的含量較低、凈化水量較大時(shí)。微生物富集和轉(zhuǎn)化金屬是自然界中金屬礦形成的重要因素之一。細(xì)菌中如硫桿菌屬(Thiobacillisp.)、脫硫弧菌屬(Desulfovibriosp.)、假單胞菌屬(Pseudomonassp.),真菌中的啤酒酵母(Sacchromycescerevisiae)、黑曲霉(Aspergillusniger)和少根根霉(Rhizopusarrhizus)及青霉菌屬(Penicilliumsp.)等對水體中的鈾具有廣譜的富集和還原能力。微生物富集和還原重金屬的機(jī)理過程有如下五個方面:(1)胞外沉積:在厭氧環(huán)境下,硫酸鹽還原細(xì)菌如脫硫弧菌和脫硫腸菌屬將硫酸鹽還原為硫化氫,進(jìn)而與某些金屬離子形成難溶解的金屬沉積物;也有微生物在將Fe(Ⅲ)還原為Fe(Ⅱ)的同時(shí)將U(Ⅵ)還原為U(Ⅳ)。由于生物酶直接參與U(Ⅵ)的還原,使得鈾的還原過程十分迅速、高效。(2)胞內(nèi)富集:如假單胞菌屬和硫桿菌屬等通過代謝過程將鈾富集于細(xì)胞內(nèi)。(3)胞外絡(luò)合:微生物分泌的細(xì)胞外高分子物質(zhì)與金屬離子之間產(chǎn)生絡(luò)合作用。這些胞外高分子物質(zhì)包括粘多糖、蛋白質(zhì)和幾丁質(zhì)等。(4)細(xì)胞壁結(jié)合:包括肽聚糖和磷壁酸對金屬離子的離子交換作用,其中革藍(lán)氏陽性細(xì)菌因?yàn)榧?xì)胞壁中肽聚糖和磷壁酸含量高因而細(xì)胞壁結(jié)合作用更顯著。(5)靜電吸引:微生物細(xì)胞的外表帶負(fù)電,因此對帶正電的金屬離子具有靜電吸附性能。1材料和方法1.1微生物及其栽培和分離1.1.1玉米中礦物的生長814.70液體培養(yǎng)基成分為40g·L-1的葡萄糖、10g·L-1NH4NO3、0.5%的玉米浸出汁及礦物質(zhì),培養(yǎng)溫度為45℃,搖床的轉(zhuǎn)速為150r/min。培養(yǎng)48—50h后通過紗布來過濾培養(yǎng)液收獲菌體,然后使用0.1mol/L的NaCl洗滌菌體,菌體經(jīng)過去離子水洗滌后冷凍干燥法提取。1.1.2不同ph值的葡萄糖、規(guī)范木液體培養(yǎng)基成分為2.67g·L-1NH4Cl、5.35g·L-1NaH2PO4、10g·L-1葡萄糖、6mL礦物質(zhì)溶液,培養(yǎng)液在滅菌前使用NaOH調(diào)節(jié)pH值到7(葡萄糖單獨(dú)滅菌)。經(jīng)過30℃下培養(yǎng)48h后,培養(yǎng)液在9000r/min的離心條件下進(jìn)行細(xì)胞分離20min,然后將菌體用去離子蒸餾水洗滌3次。1.1.3麥芽汁、5gl-1蛋白兩種微生物的液體培養(yǎng)基成分均為10g·L-1葡萄糖、3g·L-1酵母膏、3g·L-1麥芽汁、5g·L-1蛋白胨。40℃下培養(yǎng)24h后用去離子蒸餾水洗滌,然后將菌體懸浮于100mgU(Ⅵ)·L-1的硝酸鈾溶液中,菌體含量為0.4g·L-1。1.1.4生化指標(biāo)及微量元素的測定液體培養(yǎng)基成分為2.5g·L-1NaHCO3、1.5g·L-1NH4Cl、0.6g·L-1NaH2PO4、0.1g·L-1KCl、60%的乳糖漿20mL·L-1、1.5g·L-1MgSO4、1.5g·L-1Na2SO4,其它為維生素及微量元素。培養(yǎng)溫度為35℃,pH為6.8,緩沖液為2.5g·L-1NaHCO3。二次離心分離后的菌體懸浮于NaHCO3緩沖液中。1.2分析1.2.1分子檢測產(chǎn)物的含量U(Ⅵ)含量的測定通過光譜分析法測定水樣中的U(Ⅵ)含量,發(fā)色劑為ArsenzanoⅢ,由它與U(Ⅵ)形成的絡(luò)合物在655nm下分子吸收量為1.27×105L·mol-1·cm-1。1.2.2分析細(xì)菌體內(nèi)的鈾形態(tài)通過電子顯微鏡和X射線能量散射分析富集后鈾的空間分布。1.2.3微生物與原子之間的相互作用分析紅外光譜分析方法。2結(jié)果2.1微生物對原油的聚集和影響因素2.1.1生物活性化合物作為煤系微生物對鈾富集的作用電鏡分析和X射線能量散射分析結(jié)果表明,微生物在富集鈾后在其細(xì)胞外形成了針狀纖維的鈾層(如啤酒酵母),有些微生物也在細(xì)胞內(nèi)形成密集的鈾沉積物(如銅綠假單胞菌)。表1、2所示的是有些微生物對鈾的富集效果及其與活性炭和離子交換樹脂的比較(Ceq為平衡時(shí)U(Ⅵ)的含量,也稱平衡濃度;q為相應(yīng)的富集容量)。從表1、2可知,與離子交換樹脂以及活性炭相比,微生物對鈾具有更高的富集容量。2.1.2預(yù)處理對鈾富集的影響許多研究者通過實(shí)驗(yàn)研究了預(yù)處理對微生物富集鈾效果的影響情況。預(yù)處理主要包括化學(xué)預(yù)處理和物理預(yù)處理兩種方法,化學(xué)預(yù)處理中使用的藥劑有酸堿、生物抑制劑和海水等,物理預(yù)處理中將微生物細(xì)胞加熱。表3所示是預(yù)處理對T.emersoniiCBS814.70富集鈾的情況。從表3可知,微生物經(jīng)過HCL和NaOH溶液處理后該真菌對鈾的富集容量有明顯下降,而使用海水處理菌體后卻明顯增加了其對鈾的富集容量。圖1所示是生物代謝抑制劑預(yù)處理后假單胞菌屬EPS-5028對鈾的富集量的影響。由圖1可知,在初始U(Ⅵ)濃度較低時(shí)生物抑制劑對假單胞菌EPS-5028富集鈾的效果幾乎沒有影響;而當(dāng)初始U(Ⅵ)濃度提高后,影響較為顯著。富集效果以加熱預(yù)處理后最好,初始U(Ⅵ)濃度為200—500mgU·L-1時(shí)其對鈾的富集容量q可相應(yīng)提高40—55%。G.W.Strandberg等人使用氯化汞、甲醛和谷氨酸及天冬氨酸等(預(yù)處理時(shí)間為5—10min)對啤酒酵母細(xì)胞進(jìn)行預(yù)處理考察鈾富集效果的影響,結(jié)果如表4、5所示。由表4、5可知,使用不同的化學(xué)藥劑預(yù)處理啤酒酵母后對鈾富集效果的影響各異,同時(shí)隨著富集時(shí)間的變化而變化。在富集時(shí)間為0.5—1.0h內(nèi),氯化汞和甲醛預(yù)處理后能夠顯著地提高鈾的富集效果;而在0.5—4.0h內(nèi)使用谷氨酸和天冬氨酸預(yù)處理后鈾的富集效果則大幅度降低,富集時(shí)間增加到6h后預(yù)處理對鈾的富集效果幾乎沒有影響。2.1.3溫度對鈾富集的影響表6、7所示分別是富集溫度對假單胞菌EPS-5028、啤酒酵母富集鈾效果的影響情況。由表6可知,在20—50℃范圍內(nèi),溫度對鈾的富集量幾乎沒有影響。表7表明,富集溫度對鈾富集效果有明顯的影響,其影響程度隨富集時(shí)間的變化而不同:富集時(shí)間為0.5h、溫度為50℃時(shí),鈾的富集效果最差,而在1h后卻以50℃時(shí)的富集效果最好;30—40℃范圍內(nèi),隨著富集時(shí)間的延長溫度對鈾富集效果的影響越來越小。2.1.4初始ph值對鈾富集的影響表8、9和圖2是pH值對少根根霉Rhizopusarrhizus、假單胞菌EPS-5028和啤酒酵母富集鈾的影響情況。表8的數(shù)據(jù)表明:富集pH值為4時(shí)少根根霉對鈾的富集效果較好。由表9可知,最佳初始pH為3左右。由圖2可知,啤酒酵母富集鈾的最佳初始pH為3.5—4.0。2.1.5初始u濃度對鈾富集的影響從表10數(shù)據(jù)可知:在鈾初始濃度為50—200mg/L范圍內(nèi),隨著初始U(Ⅵ)濃度提高鈾富集量也有明顯增加,但富集率卻顯著下降。吳娟等人的研究也得出相似的結(jié)論。2.1.6培養(yǎng)時(shí)間對微生物富集劑的影響由表11可見,微生物培養(yǎng)時(shí)間長短對鈾的富集量沒有顯著影響,吳娟等人的研究也得出相似的結(jié)論。2.1.7鈾富集效果的缺陷表12、表13是Fe2+、Zn2+的存在對鈾富集效果的影響情況。由表12、表13可知,二價(jià)鐵離子和鋅離子對鈾的富集效果有著明顯的影響。2.2微生物對鈾的恢復(fù)和影響因素2.2.1電子緩沖劑的使用D.R.Lovley等人利用脫硫脫硫弧菌D.desulfricans對U(Ⅵ)進(jìn)行還原研究。在還原過程中,使用重碳酸鹽作為緩沖劑,使用乳糖或氫氣作為電子供體。脫硫脫硫弧菌在重碳酸鹽緩沖劑中使用乳糖作為電子供體時(shí)能夠很快地將U(Ⅵ)還原,結(jié)果如圖3所示(初始U(Ⅵ)濃度為1mmol/L,pH為6.8,溫度為35℃)。從圖3可知,還原2.5h后U(Ⅵ)的還原效率為80%,說明在微生物的參與下U(Ⅵ)的還原十分迅速。2.2.2菌種還原實(shí)驗(yàn)結(jié)果D.R.Lovley等人使用乳糖、氫氣作為脫硫脫硫弧菌還原U(Ⅵ)的電子供體或使用80℃下加熱15min后的菌體來還原U(Ⅵ),其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表14所示。由表14可知,使用乳糖和使用氫氣作為脫硫脫硫弧菌的電子供體對U(Ⅵ)的還原效果是相同的,而沒有電子供體時(shí)或者菌體加熱15min后則對于U(Ⅵ)幾乎沒有還原效果。這同樣說明了U(Ⅵ)的還原過程中生物酶起到了重要作用。2.2.3還原時(shí)間0.3mm表15所示是溫度對脫硫脫硫弧菌還原U(Ⅵ)效率的影響情況(初始鈾濃度為0.35mmol/L;還原pH為4.0;還原時(shí)間為1h)。由表15可知,還原的最佳溫度為35℃,低于或超過此溫度時(shí)U(Ⅵ)的還原效率均顯著下降,這說明脫硫脫硫弧菌對U(Ⅵ)的還原屬于生物反應(yīng)性質(zhì)而非化學(xué)反應(yīng)性質(zhì)。2.2.4胞色素c3對u的還原作用D.R.Lovley等人通過普通脫硫弧菌Desulfovibriovulgaris的細(xì)胞色素C3對U(Ⅵ)進(jìn)行還原。實(shí)驗(yàn)表明,失去細(xì)胞色素C3后普通脫硫弧菌便喪失了對U(Ⅵ)的還原作用,而人為投加C3使得普通脫硫弧菌重新具有還原U(Ⅵ)的性能,其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表16。由表16可知,在還原U(Ⅵ)過程中C3、氫化酶和氫氣三者缺一不可。3鈾的富集效果本研究結(jié)果表明,許多微生物對水體中的鈾具有良好而迅速的富集和轉(zhuǎn)化作用,可以替代活性炭和離子交換樹脂用于水體中鈾的凈化。菌種預(yù)處理對鈾的富集有顯著影響,但依據(jù)菌種、預(yù)處理方法和富集時(shí)間以及鈾的初始濃度不同而有很大差異,其中使用海水對TalaromcycesemersoniiCBS814.70預(yù)處理、使用甲醛和氯化汞對啤酒酵母預(yù)處理以及在沸水中對PseudomonasEPS-5028加熱10min都明顯提高了鈾的富集效果;而對Talaromcyc