微生物富集和转化铀的条件和实验效果

微生物富集和转化铀的条件和实验效果

利用铀矿和锆生产和应用对水、土壤等环境造成的效率污染。化学方法解决水体铀污染通常是利用硫化氢还原U(Ⅵ)为U(Ⅳ)或者通过离子交换法分离和固定U(Ⅵ),但这些方法不仅费用十分昂贵,存在二次污染,而且效率不高,特别是当污染水体中铀的含量较低、净化水量较大时。微生物富集和转化金属是自然界中金属矿形成的重要因素之一。细菌中如硫杆菌属(Thiobacillisp.)、脱硫弧菌属(Desulfovibriosp.)、假单胞菌属(Pseudomonassp.),真菌中的啤酒酵母(Sacchromycescerevisiae)、黑曲霉(Aspergillusniger)和少根根霉(Rhizopusarrhizus)及青霉菌属(Penicilliumsp.)等对水体中的铀具有广谱的富集和还原能力。微生物富集和还原重金属的机理过程有如下五个方面:(1)胞外沉积:在厌氧环境下,硫酸盐还原细菌如脱硫弧菌和脱硫肠菌属将硫酸盐还原为硫化氢,进而与某些金属离子形成难溶解的金属沉积物;也有微生物在将Fe(Ⅲ)还原为Fe(Ⅱ)的同时将U(Ⅵ)还原为U(Ⅳ)。由于生物酶直接参与U(Ⅵ)的还原,使得铀的还原过程十分迅速、高效。(2)胞内富集:如假单胞菌属和硫杆菌属等通过代谢过程将铀富集于细胞内。(3)胞外络合:微生物分泌的细胞外高分子物质与金属离子之间产生络合作用。这些胞外高分子物质包括粘多糖、蛋白质和几丁质等。(4)细胞壁结合:包括肽聚糖和磷壁酸对金属离子的离子交换作用,其中革蓝氏阳性细菌因为细胞壁中肽聚糖和磷壁酸含量高因而细胞壁结合作用更显著。(5)静电吸引:微生物细胞的外表带负电,因此对带正电的金属离子具有静电吸附性能。1材料和方法1.1微生物及其栽培和分离1.1.1玉米中矿物的生长814.70液体培养基成分为40g·L-1的葡萄糖、10g·L-1NH4NO3、0.5%的玉米浸出汁及矿物质,培养温度为45℃,摇床的转速为150r/min。培养48—50h后通过纱布来过滤培养液收获菌体,然后使用0.1mol/L的NaCl洗涤菌体,菌体经过去离子水洗涤后冷冻干燥法提取。1.1.2不同ph值的葡萄糖、规范木液体培养基成分为2.67g·L-1NH4Cl、5.35g·L-1NaH2PO4、10g·L-1葡萄糖、6mL矿物质溶液,培养液在灭菌前使用NaOH调节pH值到7(葡萄糖单独灭菌)。经过30℃下培养48h后,培养液在9000r/min的离心条件下进行细胞分离20min,然后将菌体用去离子蒸馏水洗涤3次。1.1.3麦芽汁、5gl-1蛋白两种微生物的液体培养基成分均为10g·L-1葡萄糖、3g·L-1酵母膏、3g·L-1麦芽汁、5g·L-1蛋白胨。40℃下培养24h后用去离子蒸馏水洗涤,然后将菌体悬浮于100mgU(Ⅵ)·L-1的硝酸铀溶液中,菌体含量为0.4g·L-1。1.1.4生化指标及微量元素的测定液体培养基成分为2.5g·L-1NaHCO3、1.5g·L-1NH4Cl、0.6g·L-1NaH2PO4、0.1g·L-1KCl、60%的乳糖浆20mL·L-1、1.5g·L-1MgSO4、1.5g·L-1Na2SO4,其它为维生素及微量元素。培养温度为35℃,pH为6.8,缓冲液为2.5g·L-1NaHCO3。二次离心分离后的菌体悬浮于NaHCO3缓冲液中。1.2分析1.2.1分子检测产物的含量U(Ⅵ)含量的测定通过光谱分析法测定水样中的U(Ⅵ)含量,发色剂为ArsenzanoⅢ,由它与U(Ⅵ)形成的络合物在655nm下分子吸收量为1.27×105L·mol-1·cm-1。1.2.2分析细菌体内的铀形态通过电子显微镜和X射线能量散射分析富集后铀的空间分布。1.2.3微生物与原子之间的相互作用分析红外光谱分析方法。2结果2.1微生物对原油的聚集和影响因素2.1.1生物活性化合物作为煤系微生物对铀富集的作用电镜分析和X射线能量散射分析结果表明,微生物在富集铀后在其细胞外形成了针状纤维的铀层(如啤酒酵母),有些微生物也在细胞内形成密集的铀沉积物(如铜绿假单胞菌)。表1、2所示的是有些微生物对铀的富集效果及其与活性炭和离子交换树脂的比较(Ceq为平衡时U(Ⅵ)的含量,也称平衡浓度;q为相应的富集容量)。从表1、2可知,与离子交换树脂以及活性炭相比,微生物对铀具有更高的富集容量。2.1.2预处理对铀富集的影响许多研究者通过实验研究了预处理对微生物富集铀效果的影响情况。预处理主要包括化学预处理和物理预处理两种方法,化学预处理中使用的药剂有酸碱、生物抑制剂和海水等,物理预处理中将微生物细胞加热。表3所示是预处理对T.emersoniiCBS814.70富集铀的情况。从表3可知,微生物经过HCL和NaOH溶液处理后该真菌对铀的富集容量有明显下降,而使用海水处理菌体后却明显增加了其对铀的富集容量。图1所示是生物代谢抑制剂预处理后假单胞菌属EPS-5028对铀的富集量的影响。由图1可知,在初始U(Ⅵ)浓度较低时生物抑制剂对假单胞菌EPS-5028富集铀的效果几乎没有影响;而当初始U(Ⅵ)浓度提高后,影响较为显著。富集效果以加热预处理后最好,初始U(Ⅵ)浓度为200—500mgU·L-1时其对铀的富集容量q可相应提高40—55%。G.W.Strandberg等人使用氯化汞、甲醛和谷氨酸及天冬氨酸等(预处理时间为5—10min)对啤酒酵母细胞进行预处理考察铀富集效果的影响,结果如表4、5所示。由表4、5可知,使用不同的化学药剂预处理啤酒酵母后对铀富集效果的影响各异,同时随着富集时间的变化而变化。在富集时间为0.5—1.0h内,氯化汞和甲醛预处理后能够显著地提高铀的富集效果;而在0.5—4.0h内使用谷氨酸和天冬氨酸预处理后铀的富集效果则大幅度降低,富集时间增加到6h后预处理对铀的富集效果几乎没有影响。2.1.3温度对铀富集的影响表6、7所示分别是富集温度对假单胞菌EPS-5028、啤酒酵母富集铀效果的影响情况。由表6可知,在20—50℃范围内,温度对铀的富集量几乎没有影响。表7表明,富集温度对铀富集效果有明显的影响,其影响程度随富集时间的变化而不同:富集时间为0.5h、温度为50℃时,铀的富集效果最差,而在1h后却以50℃时的富集效果最好;30—40℃范围内,随着富集时间的延长温度对铀富集效果的影响越来越小。2.1.4初始ph值对铀富集的影响表8、9和图2是pH值对少根根霉Rhizopusarrhizus、假单胞菌EPS-5028和啤酒酵母富集铀的影响情况。表8的数据表明:富集pH值为4时少根根霉对铀的富集效果较好。由表9可知,最佳初始pH为3左右。由图2可知,啤酒酵母富集铀的最佳初始pH为3.5—4.0。2.1.5初始u浓度对铀富集的影响从表10数据可知:在铀初始浓度为50—200mg/L范围内,随着初始U(Ⅵ)浓度提高铀富集量也有明显增加,但富集率却显著下降。吴娟等人的研究也得出相似的结论。2.1.6培养时间对微生物富集剂的影响由表11可见,微生物培养时间长短对铀的富集量没有显著影响,吴娟等人的研究也得出相似的结论。2.1.7铀富集效果的缺陷表12、表13是Fe2+、Zn2+的存在对铀富集效果的影响情况。由表12、表13可知,二价铁离子和锌离子对铀的富集效果有着明显的影响。2.2微生物对铀的恢复和影响因素2.2.1电子缓冲剂的使用D.R.Lovley等人利用脱硫脱硫弧菌D.desulfricans对U(Ⅵ)进行还原研究。在还原过程中,使用重碳酸盐作为缓冲剂,使用乳糖或氢气作为电子供体。脱硫脱硫弧菌在重碳酸盐缓冲剂中使用乳糖作为电子供体时能够很快地将U(Ⅵ)还原,结果如图3所示(初始U(Ⅵ)浓度为1mmol/L,pH为6.8,温度为35℃)。从图3可知,还原2.5h后U(Ⅵ)的还原效率为80%,说明在微生物的参与下U(Ⅵ)的还原十分迅速。2.2.2菌种还原实验结果D.R.Lovley等人使用乳糖、氢气作为脱硫脱硫弧菌还原U(Ⅵ)的电子供体或使用80℃下加热15min后的菌体来还原U(Ⅵ),其实验结果如表14所示。由表14可知,使用乳糖和使用氢气作为脱硫脱硫弧菌的电子供体对U(Ⅵ)的还原效果是相同的,而没有电子供体时或者菌体加热15min后则对于U(Ⅵ)几乎没有还原效果。这同样说明了U(Ⅵ)的还原过程中生物酶起到了重要作用。2.2.3还原时间0.3mm表15所示是温度对脱硫脱硫弧菌还原U(Ⅵ)效率的影响情况(初始铀浓度为0.35mmol/L;还原pH为4.0;还原时间为1h)。由表15可知,还原的最佳温度为35℃,低于或超过此温度时U(Ⅵ)的还原效率均显著下降,这说明脱硫脱硫弧菌对U(Ⅵ)的还原属于生物反应性质而非化学反应性质。2.2.4胞色素c3对u的还原作用D.R.Lovley等人通过普通脱硫弧菌Desulfovibriovulgaris的细胞色素C3对U(Ⅵ)进行还原。实验表明,失去细胞色素C3后普通脱硫弧菌便丧失了对U(Ⅵ)的还原作用,而人为投加C3使得普通脱硫弧菌重新具有还原U(Ⅵ)的性能,其实验结果如表16。由表16可知,在还原U(Ⅵ)过程中C3、氢化酶和氢气三者缺一不可。3铀的富集效果本研究结果表明,许多微生物对水体中的铀具有良好而迅速的富集和转化作用,可以替代活性炭和离子交换树脂用于水体中铀的净化。菌种预处理对铀的富集有显著影响,但依据菌种、预处理方法和富集时间以及铀的初始浓度不同而有很大差异,其中使用海水对TalaromcycesemersoniiCBS814.70预处理、使用甲醛和氯化汞对啤酒酵母预处理以及在沸水中对PseudomonasEPS-5028加热10min都明显提高了铀的富集效果;而对Talaromcyc