不同脅迫條件下放射性核素鈾對希瓦氏菌吸附的影響

摘要：本研究以希瓦氏菌為研究對象，采用批次吸附實驗提取的方法，研究了不同脅迫條件下鈾對微生物吸附的影響，實驗結果表明：鈾被細菌吸附后主要分布在細胞壁和胞內的可溶性組分中，分別為45.4%-63.5%和25.4%-36.2%。細胞器和其他組分中分別為0.1%-1.2%。隨著pH的增加，鈾在細菌體的細胞壁組分和可溶性組分中分布增多，隨著初始鈾濃度的增加，鈾在細菌體內的細胞壁組分和可溶性組分中分布逐漸增多。

關鍵詞：鈾；希瓦氏菌；吸附

近年來，由于鈾礦的大量開采和生產以及工業廢水的不合理排放，導致很多的含鈾低放廢液進入到環境中。其中有很多都是帶有放射性的核素廢液，雖然國家對于放射性的廢水有嚴格的控制和管理，但是由于大多數含鈾低濃度的放射性廢水中的放射性核素半衰期較長且不容易治理，毒性較高，很容易受到人們的忽略。鈾是生物毒性最強的放射性核素之一，它在土壤中的遷移能力較強，微生物可利用性較高，其對作物的毒害不僅使農產品產量下降，還容易累積在可食部分，從而進入食物鏈，對人類的健康構成潛在威脅。廢水中的含鈾放射性核素主要通過地表徑流和地下遷移、滲透而進入土壤和水體的鈾污染問題對人類健康、自然環境和農作物造成潛在的威脅。如果不及時對滲流的放射性廢液進行處理或處理不當，放射性滲出液將會污染地下水資源及破壞土中原有生物環境，并且含鈾廢水會沿食物鏈或食物網被生物吸收、蓄積，最終造成人體積累和慢性中毒，對人體造成損傷甚至死亡.微生物體內的放射性核素以多重結合形態存在，不同微生物在不同的pH和不同濃度的含鈾溶液脅迫下，其形態分布特征不同，且微生物體對放射性核素的吸附與其毒性程度有密切聯系。因而，研究微生物對放射性核素的吸附影響對揭示放射性物質對微生物毒性程度有本質的重要意義。

一、初始濃度對希瓦氏菌吸附鈾的影響

在初始鈾濃度為10mgU/L時，希瓦氏菌對鈾有較好地吸附效果，吸附率在80%-90%之間.與高濃度鈾溶液相比，相同接菌量的微生物在低濃度的鈾溶液中，吸附位點相對充足，UO22+能與微生物細胞表面充分接觸，吸附率較高，當C0=10mgU/L 時，希瓦氏菌表現最佳吸附能力，吸附率達94.0%，隨著溶液初始鈾濃度的增加，微生物對鈾的吸附率整體下降，吸附量逐漸增高，當C0≥200mgU/L后，希瓦氏菌的吸附量趨于平衡，這可能是由于細胞壁上的吸附位點是有限的，當吸附達到平衡時，吸附位點達到飽和，此時鈾的初始濃度再提高，吸附量基本接近穩定；希瓦氏菌在本實驗中設置的最高鈾濃度時獲得最大吸附量，最高達325.5mgU/g，260.3mgU/g.從對鈾的吸附率和吸附量來看，總體表現為希瓦氏菌對鈾的吸附效果好。

二、初始pH對希瓦氏菌吸附鈾的影響

溶液pH值通過改變微生物表面電位電荷分布、結合位點以及溶液中鈾酰離子的絡合形態，從而影響微生物對溶液中鈾的吸附行為[1]馬佳林等認為在強酸性溶液中，鈾主要以UO22+形式存在，當pH>4時，UO22+逐漸水解，溶液中出現一定量的（UO2）2（OH）22+、UO2OH+絡合陽離子.當pH值接近6時，溶液中UO22+則主要以（UO2）2CO3（OH）3-等絡陰離子形式存在，本實驗中當pH值在3.0-8.0時，隨著溶液pH值不斷升高，希瓦氏菌對鈾的吸附量逐漸增加，在pH=6.0時吸附量為240.7mgU/g，希瓦氏菌在pH=5.0時吸附量為43.6mgU/g.結合掃描電鏡結果可以推斷，在初始濃度為100mgU/L的條件下，希瓦氏菌細胞受到嚴重損傷，在作用24h時細胞處于死亡狀態，因此希瓦氏菌與鈾的作用過程可以看作是生物吸附劑對鈾的吸附.生物吸附劑對溶液中離子吸附的最佳pH值通常是由吸附劑表面的等電點（pK=3-5）決定[3]，當溶液pH值超過等電點的pH值時，鈾酰絡陰離子與吸附劑表面的負電荷產生靜電斥力，在本研究中表現為希瓦氏菌在pH=6時吸附能力下降，有研究表明，希瓦氏菌細胞在大于100mgU/L的條件下仍能很好地存活.推斷該類吸附行為是以依賴代謝的生物吸附為主的過程，在越適宜生存的pH值條件下，對溶液中的鈾酰離子吸附作用越有利。

三、等溫吸附的相關參數

Langmuir吸附等溫線假設吸附劑對金屬離子的吸附為均一的單分子層吸附，且被吸附的離子間無相互作用.Freundlich吸附等溫線假設吸附劑對金屬離子的吸附為非均一的多分子層吸附，被吸附的離子的量隨著溶液濃度的增加而增大.本實驗采用Langmuir和Freundlich兩種吸附等溫模型來對希瓦氏菌在不同U（Ⅵ）濃度下的希瓦氏菌對鈾的吸附行為研究。等溫吸附過程進行擬合的相關參數見表3-1.由擬合結果可知Langmuir模型能較好地描述希瓦氏菌對鈾的吸附過程，R2為0.989，擬合所得的希瓦氏菌的最大吸附量分別為334.7mgU/g與實驗所得的最大吸附量325.5mgU/g，吻合較好，表明希瓦氏菌吸附過程表現為單層吸附，1/n=0.287小于0.5，表明吸附容易自發進行。

四、結論

本研究通過靜態吸附實驗，研究不同鈾濃度和pH條件下鈾在希瓦氏菌中對放射性核素鈾的的富集特征，并通過對各實驗數據和相關表征方法，探索微生物對鈾的吸附機理和賦存狀態，實驗主要結論如下：微生物在吸附鈾過后，主要存在于細胞壁中，約占45.6%-63.5%其次存在于可溶性組分中約占26.3%-35.6%，其他細胞器組分中鈾濃度很小，說明細胞壁固定和液泡隔離是微生物耐受高濃度脅迫的主要解毒機制，細胞壁是主要結合位點，具有隔離作用，保護了微生物其他重要細胞器。少部分鈾融入到可溶性組分中，其他細胞器組分中鈾的含量相對較少，且隨著濃度的增加希瓦氏菌在濃度為10mg/L-100mg/L時，細胞壁組分和可溶性組分中隨著濃度的增加鈾的含量逐漸增加，而后趨于平穩，在pH為3-5時菌體中細胞壁組分和可溶性組分中鈾的含量隨著pH的升高而增加，pH為5-8時各組分中鈾的含量下降。

參考文獻：

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