微生物吸附放射性核素的研究進展

曹栩菡,黃小軍,楊方文,蔣開勇,楊　迅,張華芳

(1 四川化工職業技術學院，四川　瀘州　646000；2 國家酒類及加工食品質量監督檢驗中心，四川　瀘州　646000)

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微生物吸附放射性核素的研究進展

曹栩菡1,黃小軍2,楊方文1,蔣開勇1,楊迅1,張華芳1

(1 四川化工職業技術學院，四川瀘州646000；2 國家酒類及加工食品質量監督檢驗中心，四川瀘州646000)

全球核能應用產生的大量廢棄放射性核素的累積急待解決，生物吸附法以其原料來源豐富，成本低，無二次污染成為處理該類污染的優選方法。本文綜述了生物吸附應用于放射性核素污染處理的研究進展，從微生物的吸附能力，吸附機理，影響因素，吸附劑的再生和吸附模型進行探討，并對其未來的研究方向進行展望。

微生物；生物吸附；放射性核素；吸附機理

核能作為新能源得到了廣泛的開發和使用，伴隨著大量的放射性廢棄物的產生，其中放射性核素不可避免的進入環境水體，這些核素進入環境后，對人類健康構成了極大威脅。如何有效地處理放射性核素造成的污染備受關注。用于處理放射性核素污染的傳統方法有物理方法和化學方法如沸石吸附、離子交換、溶劑萃、反滲透等。由于這些方法存在成本高、易造成二次污染，學者們一直致力于尋找更高效、經濟的解決核素污染的處理方法。

微生物富集金屬早被廣泛應用于濕法冶金工業，利用微生物的生物吸附作用來處理低放廢物中放射性核素則是新興的綠色環保的治理放射性廢棄物污染的方法。生物吸附是指經過生物化學作用使重金屬離子被生物細胞吸附的現象。生物吸附具有處理效率高、運行費用低、能有效回收金屬、吸附劑易再生等優點，對處理低濃度鈾廢水特別有效[1]，因此它在去除低放廢物中的放射性核素具有廣闊的發展前景。本文從微生物對核素的吸附能力，吸附機理，影響因素，吸附劑的再生和吸附模型方面對生物吸附這種方法進行了概述。

1　微生物對核素的吸附能力

1991年Nature雜志公布了美國學者Lovely等[2]關于微生物還原U(VI)的研究結果，首次揭示了某些細菌能將U(VI)還原為U(IV)，由此開創了研究微生物與放射性核素作用的時代。目前，發現與核素富集作用有密切關系的微生物已有數十種，包括細菌、放線菌、真菌和藻類等。從表1可以看出微生物對核素的吸附能力為細菌>放線菌>真菌>藻類。

表1　微生物對放射性核素的吸附能力

2　生物吸附的影響因素

生物吸附核素是一個復雜的過程，受多種因素的影響，以下就pH、吸附溫度和共存離子對吸附的影響介紹。

2.1溶液的pH值

pH是影響吸附的一個十分重要的因素，適當的pH范圍內，吸附能取得較好的效果。pH過低，溶液中水合氫離子會與金屬離子競爭吸附活性位點，pH過高，會形成氧化物沉淀[16]。一般來說微生物對核素的吸附量隨pH升高而增大，但兩者之間并不呈簡單的線性關系，存在最佳pH范圍。

2.2吸附溫度

吸附溫度主要通過影響生物吸附劑的生理代謝活動、基團吸附熱動力等困素，進而影響吸附效果。孟令芝等[17]在不同溫度下進行Hg2+的吸附實驗，結果表明吸附去除率隨溫度的升高而增加，25℃與45℃的去除率分別為35%、80%，這與吸附熱動力有關；楊智寬等[18]對Cd2+的吸附研究顯示，溫度在20℃ 左右時去除率最高，隨著溫度的升高鎘的去除率有所降低，主要是在高溫環境下，吸附沉淀物會部分溶解。

2.3共存離子的影響

溶液中存在的某些共存金屬會與主要金屬離子競爭吸附位點，從而抑制金屬離子的吸收，且共存金屬離子與微生物的結合力越強，其阻止吸附劑吸附核素主要金屬離子的能力就越大。其中鐵、銅離子和碳酸根等對微生物吸附核素的影響較大[8,19]。

3　生物吸附機理

微生物對金屬離子的吸附過程一般包括胞外結合與運輸到胞內兩個階段。前者是一個快速過程，不需要消耗能量，稱為被動吸附；后者進行得較為緩慢，依賴于能量及代謝系統的調控，稱為主動吸收[20-21]。

3.1細胞外富集及沉淀

某些微生物在代謝過程中可以分泌一些具有絡合或沉淀金屬離子的胞外多糖，如一些白腐真菌可以分泌檸檬酸(金屬螯合劑)或草酸(與金屬形成草酸鹽沉淀)[21]。Lester[22]綜述了活性污泥和細菌產生的胞外多糖在金屬分離中的作用。不同微生物產生的胞外多糖組成不一樣，從而不同微生物類型結合金屬的性質也不一樣。通過細胞外吸附富集金屬離子只適用于溶液中金屬濃度很低時才是可行的。

3.2細胞表面的吸附及沉淀

微生物的細胞壁組分(蛋白質、多糖、脂類等)中含有很多的羧基、酰胺基、硫酸酯基、氨基、巰基等基團，當金屬離子通過細胞表面時與上述基團發生相互作用，吸附到細胞表面，根據現有的研究研究成果該過程的吸附機理可歸納為表面絡合、靜電吸附、無機微沉淀、離子交換和氧化還原等。對于不同的吸附體系，其吸附機理各有特點，且在一個吸附體系中，可能幾種機理同時存在，如：表面絡合機理[23]，氧化還原機理[24-25]，無機微沉淀機理[19]，離子交換機理[26]。

3.3細胞內富集及沉淀

活性微生物細胞對核素及重金屬離子的吸附與細胞中存在的某些酶的活性有關。Volesky等[27]用活性啤酒酵母菌(Saccharomyccs ccrevisiae)吸附Cd2+，通過能譜儀分析得知，Cd2+是以磷酸鹽的形式沉淀，且酵母細胞的細胞壁上沒有鎘的磷酸鹽沉淀物，而細胞內的液泡中有大量的鎘沉淀物。他認為細胞中磷酸酶將Cd2+運輸進入了細胞。Blackwell等[28]也報道了啤酒酵母內積累的Sr2+、Mn2+、Zn2+分別有70%、90%、60%在液泡內，其余的存在于細胞質或細胞膜上，液泡是胞內金屬離子積累的主要場所。

4　生物吸附劑的再生

生物吸附劑能否再生利用，對于其應用非常重要。解吸劑的選取非常重要，一般要求解吸劑解吸速度快、效率高，解析后不影響吸附劑的質量和吸附能力，便宜。常用的解吸劑主要有金屬鹽、強酸和絡合劑三類。由于表面吸附是可逆的，從理論上講，通過降低溶液的pH便可解吸細胞上吸附的金屬離子。金屬鹽則是利用解吸液中大量的重金屬離子競爭吸附位點，從而把被吸附的重金屬離子從吸附劑上洗脫下來。Sar等[5]用0.01 mol/L的碳酸鈉溶液對銅綠假單胞菌吸附鈾、釷實驗進行解析，吸附周期4次，解析率達92%、對菌體無損傷。絡合劑如EDTA等則是通過對重金屬離子的絡合作用進行解析。徐容等[29]利用EDTA洗脫吸附飽和后的產黃青霉，解吸率達94%，解吸后吸附劑可重復投入使用。

5　吸附平衡模型

在生物吸附過程中，細胞上被吸附的核素與溶液中的核素離子快速形成平衡，這種平衡可以用吸附等溫線來描述。表2列出了應用最為廣泛的四種等溫吸附模型。

表2　常用的單組分等溫吸附模型

注：qm為最大吸附量(mg/g)；q為吸附量(mg/g)；Ce為吸附平衡時溶液中的金屬離子濃度(mg/L)；a，b，A，B，K為相關的常數。

Langmuir模型和Freundlich模型是描述單組分生物吸附平衡的經典模型，大量文獻[8-9,30-34]用以描述生物吸附金屬離子行為都取得了較好的效果。

Temkin方程是在化學吸附的基礎上推導出來的一個理論公式，其表達式簡單，適用于短時間可達吸附平衡的單組分物質的吸附。Redlich-Peterson方程是結合了Langmuir模型和Freundlich模型而提出的較為合理的經驗方程，克服了Langmuir模型受高濃度限制和Freundlich模型受低濃度限制的缺點。

除上述四種吸附模型，用于描述吸附行為的吸附模型還有許多，但這些模型在解釋吸附機理方面吸附參數需要通過實驗得到。因此，非常有必要建立一個有實際物理意義的吸附模型，其中研究較多的有表面絡合模型和離子交換模型。關于生物吸附的動力學模型也有過不少報道[35-37]，其中，最常用的動力學模型有準一級反應動力學模型和準二級反應動力學模型。總之，關于吸附模型的研究還還不夠成熟，還需要進一步深入研究。

6　結　語

生物吸附法由于其獨特的優點，近年來在礦物資源回收利用、處理低放廢物中放射性核素等領域得到了國內外學者的廣泛關注。但我國還僅停留在對吸附基本規律的研究上[38]。可以從以下幾個方面開展研究：

(1)尋找和篩選對放射性核素具有抗輻射高富集的菌類，利用基因工程的定向技術改變優勢菌類基因結構，提高其對放射性核素的選擇性、親和力和吸收能力，將耐輻射的外源基因導入能富集鈾的受體細胞中，培養并構建抗輻射超富集的工程菌。

(2)深入研究放射性核素-微生物的作用機理，熱力學、動力學的進一步探討和基因工程技術的應用[39]。

(3)進而利用培養出的抗輻射超富集的工程菌對低放廢物中的放射性核素進行實際處理研究，以達到對低放廢物的處理要求。

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Review on Biosorption of Radionuclide by Microorganism

CAO Xu-han1,HUANG Xiao-jun2,YANG Fang-wen1,JIANG Kai-yong1,YANG Xun1,ZHANG Hua-fang1

(1 Sichuan Vocational College of Chemical Technology,Sichuan Luzhou 646000; 2 China National Quality Supervision and Inspection Centre for Alcoholic Beverage Products and Processed Food,Sichuan Luzhou 646000,China)

Radionuclides pollution has become more and more serious environmental problems today,it needs to be resolved immediately.The recent progress in the field of radioactive waste treatment by means of microorganism was reviewed,which was considered to be an efficient method with low cost and no second pollution.The biosorption capacity of radionuclide by different kids of microbe,mechanisms of biosorption,the influential factors,the regeneration of adsorbent and the biosorption equilibrium isotherm models was analyzed.The biosorption largely depended on parameters such as pH,culture conditions,competitive metal ions in solution and temperature.In addition,the structure of cells,such as active groups on the cell wall and intracellular groups,can also play an important role in the biosorption process.The biosorption capacities of radionuclide by bacteria,actinomycete,fungi and algae were decreased progressively in turn.The biosorption mechanism can separate into two parts.One was extracellular accumulation with high speed,the other was cell surface sorption and intracellular accumulation with low speed.It was considered that the main mechanisms of the biosorption were attributed to the electrostatic sorption,surface complexation,redox,abio-micro-precipitation and enzymatic catalysis,etc.The equilibrium and kinetic models of biosorption systems were also introduced.The commonly used single-component adsorption models have been limited in this paper.In most cases,classic Langmiur model and Freundlich model were widely used to describe single metal biosorption system of equilibrium.And the forecast of the future research direction of biosorption of radionuclides was carried on.

microorganism; biosorption; radionuclides; absorption mechanism

曹栩菡(1987-)，女，碩士，助教。

X591

A

1001-9677(2016)011-0044-04