耐輻射奇球菌對(duì)水中鈾(Ⅵ)的吸附試驗(yàn)

鄧欽文 丁德馨 劉 冬 王永東

(1.南華大學(xué)環(huán)境保護(hù)與安全工程學(xué)院，湖南 衡陽 421001；2.南華大學(xué)核資源工程學(xué)院，湖南 衡陽 421001)

耐輻射奇球菌對(duì)水中鈾(Ⅵ)的吸附試驗(yàn)

鄧欽文1丁德馨2劉 冬1王永東2

(1.南華大學(xué)環(huán)境保護(hù)與安全工程學(xué)院，湖南 衡陽 421001；2.南華大學(xué)核資源工程學(xué)院，湖南 衡陽 421001)

為探索治理鈾污染的新工藝、新方法，對(duì)耐輻射奇球菌吸附鈾(Ⅵ)的影響因素進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，溶液的pH值、吸附時(shí)間和吸附劑投加量對(duì)鈾去除率影響顯著。在含鈾(Ⅵ)模擬廢水pH=5、吸附時(shí)間為180 min、初始濃度為50 mg/L的情況下，投加0.2 g/L的耐輻射奇球菌體吸附劑，鈾(Ⅵ)吸附率可達(dá)92.30%；隨著鈾(Ⅵ)初始濃度的提高，鈾吸附率微幅下降，吸附量幾乎與鈾(Ⅵ)濃度成正比。對(duì)吸附機(jī)理的探討表明，耐輻射奇球菌對(duì)鈾(Ⅵ)的吸附行為符合Freundlich等溫模型和準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型。

耐輻射奇球菌 鈾(Ⅵ) 吸附

鈾礦開采、加工和核廢料處理造成的環(huán)境污染是世界性難題[1-3]，是人類健康和自然生態(tài)環(huán)境安全的巨大威脅。世界各主要核國家對(duì)利用微生物還原、植物修復(fù)等技術(shù)來治理鈾污染投入了大量的人力和財(cái)力[4-6]。近年，科研工作者在細(xì)菌吸附鈾的機(jī)理研究方面取得了一些成果[7-10]。本文將介紹影響耐輻射奇球菌(Deinococcusradiodurans)吸附鈾(Ⅵ)的因素，及其吸附熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性。

1 試驗(yàn)儀器及試劑

1．1 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)儀器有HVE-50型自動(dòng)滅菌鍋、721型分光光度計(jì)、EBC-4型生物安全柜、pHS-3型精密pH計(jì)、PYX-250Z-B型振蕩培養(yǎng)箱、HZQ-C型空氣浴振蕩器、TG16型離心分離機(jī)、BS600H型電子天平、102-2A型電熱鼓風(fēng)干燥箱等。

1．2 試驗(yàn)試劑

瓊脂粉、酵母提取物、胰蛋白胨為工業(yè)品；NaCl、HCl、NaOH等為化學(xué)純?cè)噭烩?Ⅵ)標(biāo)準(zhǔn)溶液按文獻(xiàn)方法配制[11]。

2 試驗(yàn)方法

2.1 培養(yǎng)基的制備

LB固體培養(yǎng)基的制備：取10 g胰蛋白胨、5 g酵母提取物、10 g氯化鈉、20 g瓊脂粉，加蒸餾水至1 000 mL，調(diào)pH至7.2～7.4，120 ℃、0.12 MP下滅菌30 min，4 ℃保存?zhèn)溆谩?/p>

LB液體培養(yǎng)基除不加瓊脂粉外，其他與LB固體培養(yǎng)基相同。

2.2 菌種的選定與制備

菌種均來自鈾礦冶生物技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，使用前需先對(duì)真空冷凍保存的菌種進(jìn)行恢復(fù)培養(yǎng)：將預(yù)先配置好的固體培養(yǎng)基(3個(gè))放入無菌操作臺(tái)，打開紫外燈滅菌20～30 min。用浸過75%酒精的脫脂棉擦凈安瓿管后旋開蓋子，用接種環(huán)挑取菌種在固體培養(yǎng)基上劃平板。把劃好的平板移入30 ℃的恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)2～3 d，選擇最佳的接種下一代。

擴(kuò)大培養(yǎng)：取5支1.5 mL的PVC管，用1 000 μL的針頭向每管加入高溫滅菌后的液體培養(yǎng)基1.0 mL，然后用接種環(huán)挑取恢復(fù)培養(yǎng)的耐輻射奇球菌至各PVC管中，把接種好的PVC管移至30 ℃恒溫振蕩培養(yǎng)箱中培養(yǎng)2～3 d。

干菌體制備(用于吸附鈾(Ⅵ))：將菌體置于37 ℃的液體培養(yǎng)基中振蕩培養(yǎng)48 h，離心(10 000 r/min，5 min)收集菌體，用去離子水洗滌2～3次，菌體于56 ℃(避免溫度過高引起菌體有機(jī)物損失)下烘干[12]，冷卻研磨，過150目篩，干菌體保存于干燥器中備用。

2.3 吸附試驗(yàn)

將一定質(zhì)量的干菌體吸附劑加人100 mL含鈾(Ⅵ)的標(biāo)準(zhǔn)溶液中，調(diào)節(jié)初始pH值，在恒溫振蕩器中振蕩(150 r/min)一定時(shí)間后靜置、過濾，測(cè)定上清液中殘留的鈾(Ⅵ)濃度，計(jì)算鈾(Ⅵ)去除率。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 耐輻射奇球菌吸附效果影響因素試驗(yàn)

3.1.1 pH值對(duì)鈾(Ⅵ)吸附效果的影響

在鈾(Ⅵ)初始濃度為50 mg/L的溶液中投加0.3 g/L的菌體吸附劑，在25 ℃下振蕩吸附90 min，pH值對(duì)鈾(Ⅵ)吸附效果影響試驗(yàn)結(jié)果見圖1。

圖1 pH值與鈾(Ⅵ)吸附率的關(guān)系Fig.1 Effect of pH value on U(Ⅵ) removal rate

從圖1可以看出，pH值對(duì)鈾(Ⅵ)吸附效果影響顯著。在 pH=3～4的范圍內(nèi)提高溶液的pH值，耐輻射奇球菌對(duì)鈾(Ⅵ)的吸附率快速上升，到pH=5時(shí)達(dá)到最大值，吸附率高達(dá)92.50%，對(duì)應(yīng)的吸附量為154.17 mg/g；繼續(xù)提高溶液的pH值，耐輻射奇球菌對(duì)鈾(Ⅵ)的吸附率呈先慢后快的下降趨勢(shì)。因此，耐輻射奇球菌體吸附鈾(Ⅵ)的適宜pH值在5左右。

3.1.2 吸附時(shí)間對(duì)鈾(Ⅵ)吸附效果的影響

在鈾(Ⅵ)初始濃度為50 mg/L的溶液中投加0.3 g/L的菌體吸附劑，在pH=5、吸附溫度為25 ℃下振蕩吸附，吸附時(shí)間對(duì)鈾(Ⅵ)吸附效果影響試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2 吸附時(shí)間與鈾(Ⅵ)吸附率的關(guān)系Fig.2 Effect of reaction time on U(Ⅵ) removal rate

從圖2可以看出，吸附時(shí)間對(duì)鈾(Ⅵ)吸附效果影響顯著。在吸附初期，隨著吸附時(shí)間的延長，耐輻射奇球菌對(duì)鈾(Ⅵ)的吸附率快速上升，180 min基本達(dá)到吸附平衡，對(duì)應(yīng)的吸附率為94.00%、吸附量為156.67 mg/g。因此，吸附時(shí)間確定為180 min。

3.1.3 鈾(Ⅵ)初始濃度對(duì)鈾(Ⅵ)吸附效果的影響

在鈾(Ⅵ)溶液中投加0.3 g/L的菌體吸附劑，在pH=5、吸附溫度為25 ℃下振蕩吸附180 min，鈾(Ⅵ)初始濃度對(duì)鈾(Ⅵ)吸附效果影響試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3 鈾(Ⅵ)初始濃度與鈾(Ⅵ)吸附率的關(guān)系Fig.3 Effect of initial U(Ⅵ) concentration on U(Ⅵ) removal rate

從圖3可以看出，鈾(Ⅵ)初始濃度對(duì)鈾(Ⅵ)吸附效果影響不顯著。隨著鈾(Ⅵ)初始濃度的提高，耐輻射奇球菌對(duì)鈾(Ⅵ)的吸附率小幅下降至94.00%以后下降幅度就十分緩慢。因此，耐輻射奇球菌對(duì)含鈾(Ⅵ)廢水的生物吸附潛力巨大。

3.1.4 菌體吸附劑投加量對(duì)鈾(Ⅵ)吸附效果的影響

在鈾(Ⅵ)初始濃度為50 mg/L的溶液中投加菌體吸附劑，在pH=5、吸附溫度為25 ℃下振蕩吸附180 min，菌體吸附劑投加量對(duì)鈾(Ⅵ)吸附效果影響試驗(yàn)結(jié)果見圖4。

圖4 菌體吸附劑投加量與鈾(Ⅵ)吸附率的關(guān)系Fig.4 Effect of Deinococcus dosage on U(Ⅵ) removal rate

從圖4可以看出，菌體吸附劑投加量對(duì)鈾(Ⅵ)吸附效果影響較顯著。在菌體吸附劑投加量較少時(shí)，隨著菌體吸附劑投加量的增加，耐輻射奇球菌對(duì)鈾(Ⅵ)的吸附率呈較快上升趨勢(shì)，當(dāng)菌體吸附劑投加量為0.2 g/L時(shí)，吸附率達(dá)到92.30%，對(duì)應(yīng)的吸附量達(dá)到230.75 mg/g；繼續(xù)提高菌體吸附劑的投加量，吸附率上升的趨勢(shì)較緩。因此，菌體吸附劑的投加量以0.2 g/L較經(jīng)濟(jì)合理。

3.2 耐輻射奇球菌對(duì)鈾(Ⅵ)的吸附機(jī)理分析

3.2.1 耐輻射奇球菌對(duì)鈾(Ⅵ)的吸附熱力學(xué)

用3.1.3節(jié)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)Langmuir與Freundlich吸附熱力學(xué)方程進(jìn)行擬合。Langmuir與Freundlich吸附熱力學(xué)方程的表達(dá)式分別為

(1)

(2)

式中,q為吸附量，mg/g；ce為吸附平衡時(shí)的鈾(Ⅵ)濃度，mg/L；b為Langmuir吸附平衡常數(shù)；qmax為相應(yīng)的最大吸附量，mg/g；K、n為Freundlich吸附平衡常數(shù)。用上述2個(gè)方程對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合回歸，結(jié)果見表1、表2、圖5、圖6。

表1 吸附方程LangmuirTable 1 Langmuir adsorption equation

表2 吸附方程FreundlichTable 2 Freundlich adsorption equation

圖5 Langmuir 吸附等溫模型曲線Fig.5 Langmuir adsorption model curve at uniform temperature

圖6 Freundlich吸附等溫模型曲線Fig.6 Freundlich adsorption model curve at uniform temperature

附為多分子層吸附，隨著鈾(Ⅵ)濃度的上升，吸附質(zhì)逐漸向內(nèi)層擴(kuò)散，吸附量增加。

3.2.2 耐輻射奇球菌對(duì)鈾(Ⅵ)的吸附動(dòng)力學(xué)

用3.1.2節(jié)試驗(yàn)結(jié)果分別對(duì)一、二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行擬合。一、二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程的表達(dá)式分別為

(3)

(4)

式中，t為吸附時(shí)間，min；qt、qe分別為t時(shí)刻和平衡時(shí)刻的吸附量，mg/g；k1、k2分別為一、二級(jí)吸附速率常數(shù)。用上述2個(gè)方程對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合回歸，結(jié)果見表3、表4、圖7、圖8。

表3 一級(jí)擬合方程Table 3 First-pseudo kinetic equation mode

表4 二級(jí)擬合方程Table 4 Second-pseudo kinetic equation mode

圖7 一級(jí)擬合方程Fig.7 First-pseudo kinetic equation mode curve

圖8 二級(jí)擬合方程Fig.8 Second-pseudo kinetic equation mode curve

衡。因此，二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程為最優(yōu)動(dòng)力學(xué)擬合方程。

4 結(jié) 論

(1)耐輻射奇球菌對(duì)低濃度含鈾(Ⅵ)廢水有較好的去除效果。在廢水pH=5、吸附時(shí)間為180 min、初始濃度為50 mg/L的情況下，投加0.2 g/L的菌體吸附劑，可達(dá)92.30%的吸附率；隨著鈾(Ⅵ)初始濃度的提高，鈾吸附率微幅下降，吸附量幾乎與鈾(Ⅵ)濃度成正比。

(2)耐輻射奇球菌對(duì)鈾(Ⅵ)的吸附行為更符合Freundlich等溫模型，具有多層吸附特性，吸附過程符合準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型。

(3)耐輻射奇球菌對(duì)鈾(Ⅵ)的吸附率可達(dá)90%以上，其吸附機(jī)理的研究還不夠深入、全面，不能滿足開發(fā)新型生物吸附劑的需求，后續(xù)應(yīng)進(jìn)一步探究其吸附原理和機(jī)制。

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(責(zé)任編輯 羅主平)

Adsorption of U (Ⅵ) by Deinococcus Radiodurans in Water

Deng Qinwen1Ding Dexin2Liu Dong1Wang Yongdong2

(1.SchoolofEnvironmentProtectionandSafetyEngineering，UniversityofSouthChina，Hengyang421001，China;2.SchoolofNuclearResourcesEngineering，UniversityofSouthChina，Hengyang421001，China)

The factors influencing adsorption of U(Ⅵ) byDeinococcusradioduranswas studied in order to find out new methods of reducing uranium pollution.The Results showed that pH and adsorption time have significant effect on removal rate of uranium in solution.The removal rate of U(Ⅵ) reached 92.30% with wastewater pH value of 5，adsorption time for 180 minutes，initial concentration of 50 mg/L，andDeinococcusradioduransdosage of 0.2 g/L.With the increase of U(Ⅵ),initial concentration of uranium adsorption rate decreased slightly, the adsorption capucity almost proportional to U(Ⅵ) concentration.Research of adsorption mechanism revealed that the adsorption of U(Ⅵ) byDeinococcusradioduransfixes the Freundlich model and pseudo-second dynamics model.

Deinococcusradiodurans，Uranium(Ⅵ)，Adsorption

2013-11-22

湖南省教育廳項(xiàng)目(編號(hào)：10C1142 2011-2013)，國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào)：51274124)。

鄧欽文(1981—)，男，講師。

X753

A

1001-1250(2014)-01-150-04