放射性污染的微生物修復機理及展望

饒苗苗 鄭立莉

(東華理工大學，水資源與環(huán)境工程學院，江西 南昌 330013)

前言

核電發(fā)展給人們帶來福利的同時也給人類帶來了巨大的災難，核試驗、核武器的使用以及核事故的發(fā)生都對環(huán)境造成了巨大的污染，尤其是通過地表浸流和土壤放射性核素遷移的方式對周圍環(huán)境產(chǎn)生巨大的危害。放射性核素對周圍環(huán)境的污染程度一直是人們密切關注的問題，近年來我國許多研究人員對放射性核素的污染狀況展開了大量的調(diào)查和研究。2011年3月11日福島核電站核泄漏事故，研究人員對我國歸國人員以及蘭州地區(qū)部分土壤、河流等進行放射性核素(α、β和γ)污染檢測，結(jié)果表明，從日本歸國人員的體表放射性核素污染接近本底水平，蘭州地區(qū)的自來水、黃河水樣品的總α放射性、總β放射性監(jiān)測結(jié)果均低于國家生活飲用水衛(wèi)生標準中的限值。未對人體健康構(gòu)成危害[1-2]。盡管實驗數(shù)據(jù)表明放射性核素污染對人體暫未產(chǎn)生不良后果，但由于放射性礦物具有遷移性和積累性，放射性礦物污染的修復和治理已經(jīng)得到關注。

用于治理放射性核素污染的常規(guī)方法有物理方法和化學方法，如沸石吸附[3]、離子交換、溶劑萃取等。但這些方法成本較高，易造成二次污染，且難以用于治理環(huán)境中的大面積污染。隨著現(xiàn)代生物科技的發(fā)展，利用微生物法修復受重金屬或放射性核素污染的環(huán)境得到越來越多的重視[4]。微生物由于個體微小、比表面積大、繁殖快、對環(huán)境變化的適應能力強等特點，被廣大學者用于浸礦和修復放射性污染的研究。微生物主要通過吸附、吸收和轉(zhuǎn)化重金屬的方式達到修復放射性重金屬的目的，而微生物法由于安全、易得、費用低等特點被廣泛應用于濕法冶金、酶的生物脫硫、有毒有機物的土壤修復等領域，并取得相應的進展。本文將從放射性污染的來源、放射性污染的微生物修復機理等方面進行論述，并對該領域未來的研究方向提出了展望。

1 放射性污染的主要來源及危害

放射性核素通常分為兩類。根據(jù)放射性核素來源的不同，將其分為兩類，一類為天然放射性核素，即地球誕生時就存在的放射性核素，如鈾238、釷232、鐳226等。另一方面，人類出于不同的目的制造了一些具有放射性的核素，這種核素叫做人工放射性核素，如：碘131、銫137、鈷60等都是人工放射性核素。

自1945年以來，美國，前蘇聯(lián)，英國，法國，中國以及印度，巴基斯坦和朝鮮在全球范圍內(nèi)進行了2000多次核武器試驗，放射性核素總產(chǎn)量達到4.4億噸[5-6]。這些實驗是迄今為止人工生產(chǎn)放射性核素對環(huán)境的最大來源。穩(wěn)定的銫(133Cs)是堿金屬中最稀少的元素，經(jīng)濟價值不高，也不是生物必需的營養(yǎng)元素。據(jù)報道，北半球進行過的423次核試驗導致向環(huán)境釋放137Cs 7.4×1017Bq。放射性核素(如134Cs，137Cs，131I和99Tc)的釋放導致環(huán)境污染，并已成為全世界的熱門問題，因為它對人類和其他生物體具有高度毒性[7-10]。放射性銫(137Cs的半衰期長達30年)是切爾諾貝利事故和福島事故等核災難中釋放到環(huán)境中的潛在有害物質(zhì)[11-12]。此外，銫因其高流動性和水溶性而進入人類和動物食物鏈，對人類和動物造成潛在的危害。

大量的人為活動如采礦、燃料加工、武器生產(chǎn)或核事故等與核過程導致鈾(U)污染環(huán)境[13-14]。鈾的密度為19克立方厘米，是一種天然存在的長壽命放射性核素，主要存在于土壤，巖石，海洋和海洋中[15]。據(jù)報道，在河水中，鈾濃度范圍為0.01-6.6μg l-1(取決于地層)，而在自然條件下，地下水和海水中的鈾濃度分別為30和3.32μg l-1U[16]。由于各種核活動，世界一些地區(qū)也報告了非常高濃度的鈾。例如，在美國能源部(DOE)的各個地點[17]，地下水中的濃度高達11.7g l-1，土壤和沉積物中的濃度高達16 mg g-1。據(jù)報道，美國田納西州橡樹嶺國家實驗室的核廢料儲存地點的U含量也很高(0.8mg g-1)[18]。根據(jù)瑞典，芬蘭和美國的人體研究，飲用水中鈾的化學準則值從1998年的2μg l-1增加到2004年的15μg l-1，隨后增加到30μg l-1[19]。與其他一些金屬不同，鈾在生物體中沒有任何生物學作用。該金屬對磷酸基團的親和力增加，并與磷酸化肽強烈結(jié)合[20]。體內(nèi)研究表明，由于谷胱甘肽(一種有效的抗氧化劑)和超氧化物歧化酶(SOD)酶的損失，U處理在肺上皮細胞中對自由基清除活性產(chǎn)生負面影響[21]。已知U對人類造成肝，肺和腎損傷[22]。

雖然有研究者提出許多微生物可吸附鈾[23]，但是鈾抑制了微生物活性且在微生物中具有毒性[24]，鈾會使細胞活力喪失[25]，轉(zhuǎn)錄和翻譯過程中斷[26]，生長停滯和DNA復制的中止等[27]。為了抵抗鈾毒性，微生物采用各種機制，這些機制顯示出鈾固定化和生物修復的潛力。

2 放射性污染的微生物修復機理

放射性金屬污染對人類，環(huán)境健康和安全構(gòu)成重大威脅，因此需要有效解決問題。用于處理金屬污染的物理化學方法，例如膜過濾，化學沉淀，電化學處理，離子交換樹脂的使用，焚燒，挖掘和用有機溶劑萃取通常是成本太高。此外，它們無法有效去除大量有毒金屬，導致產(chǎn)生有害副產(chǎn)物。通過使用微生物系統(tǒng)可以克服物理化學方法相關的難題[28]。

生物技術的發(fā)展使得研究學者們對微生物與金屬之間相互作用機理展開深人研究，人們逐漸認識到微生物法治理重金屬產(chǎn)生的環(huán)境污染是一種極有應用前景的方法。微生物在生物地球化學技術中發(fā)揮重要作用，因為它們具有良好的性能，低成本和大量的可用量。各種類型的微生物，包括藻類[29]，真菌[30]，細菌和酵母[31]，已被用于去除銫。眾多研究表明，微生物修復放射性污染的機理主要包含以下三個方面，即微生物吸附、積累和轉(zhuǎn)化。

2.1 微生物吸附

眾多研究者發(fā)現(xiàn)利用細胞表面結(jié)構(gòu)可固定或吸附金屬離子?；罴毎蜏缁畹纳镔|(zhì)均可以生物吸收；而滅活的生物量通常比活生物質(zhì)吸收更多的金屬[32]。微生物細胞壁上的羥基、梭基、羰基、胺基等官能團對重金屬的吸附具有重要作用[33]。細菌生物膜是微生物群體的固著緊密組合，其可能產(chǎn)生與周圍環(huán)境不同的微環(huán)境。鐵還原菌株(Shewanella)的生物膜能有效地固定鈾，在外膜細胞色素減少的情況下，Shewanella胞外聚合物在固定鈾中發(fā)揮了非常大的作用[34]。然而，還原能力取決于生物膜結(jié)構(gòu)和用于測量該結(jié)構(gòu)的反應器[35]。根據(jù)硫還原桿菌生物的檢查結(jié)果表明，與浮游生長的培養(yǎng)物相比，當鈾的抗藥性增加到5mM時，固定效果更好；且導電菌毛和細胞色素是生物膜增強抗性的主要原因[36]。由于生物膜固定化的增加，一些修復策略包括以生物膜作為捕獲鈾的生物屏障形式，或者正致力于開發(fā)生物膜以部署在可滲透的反應性屏障中[36-37]。新熒光技術可以檢測生物膜環(huán)境中鈾的化學種類[38]。生物膜可以增加微生物之間的相互作用，這使得微生物與鈾的相互作用增強。

微生物將鈾捕獲在細胞表面或細胞外基質(zhì)中的EPS、細胞外聚合物等物質(zhì)上。同時，可以在外膜上發(fā)現(xiàn)酶磷酸酶并且也可以排泄到細胞外基質(zhì)中，通過從可溶性磷酸鹽有機化合物或礦物質(zhì)中水解磷酸鹽來產(chǎn)生無機磷酸鹽。表面復合的鈾，磷酸鹽和鈣通常會反應形成固定化的礦物質(zhì)[39-40]。斯湯頓等人發(fā)現(xiàn)放射性銫的分配系數(shù)隨著土壤中有機質(zhì)的增加而降低，嚴重影響了放射性銫的吸附，生物吸收過程可以是主動的也可以是被動的，活躍的生物吸收是一個相對較慢的過程，需要更多的能量，并且可以依賴或獨立于新陳代謝?；罴毎蜏缁畹纳锪靠梢陨镂眨セ钚缘纳锪客ǔ１然畹纳锪课崭嗟慕饘賉41]。

2.2 微生物生物積累

生物累積是“在生物體內(nèi)保留和濃縮物質(zhì)” Jorgensen[42]將生物積累概括為“相對于該環(huán)境的生物體中污染物的富集”。累積可以是細胞內(nèi)或細胞外的，放射性核素的細胞內(nèi)積累可直接歸因于相應放射性核素轉(zhuǎn)運蛋白的存在與否，核素對細胞膜通透性的影響[43]。Francis[44]等人的一項研究表明，在檸檬酸桿菌和鹽單胞菌的系統(tǒng)中U(VI)的細胞內(nèi)積累主要是以磷酸鹽形式，如：羥基磷酸鹽或多磷酸鹽或磷酸氫鈾。土壤枯草芽孢桿菌細胞壁上的碘化物積累在加入葡萄糖時會增強，在接種72小時后，芽孢桿菌(Bacillus vallismortis)顯示在5mg /L濃度下發(fā)生生物累積U(VI)[45]。利用分離因子確定了鈾與質(zhì)子之間放射性核素交換的一項研究結(jié)果表明，革蘭氏陽性細菌，即藤黃微球菌，枯草芽孢桿菌和藤黃微球菌在溶液中都顯示出Th的積累潛力，可積累Th和U。放射性核素和許多穩(wěn)定元素通過傳統(tǒng)的傳輸系統(tǒng)穿透細胞，類似于細胞生理學的離子(Cs+而不是K+，Sr2+和Ra2+代替Ca2+)，一旦進入細胞，有毒金屬(放射性或非放射性)被富含半胱氨酸的金屬硫蛋白螯合[46]。對于較重的放射性核素，如錒系元素，這種代謝依賴性轉(zhuǎn)運機制的吸收較差。有研究表明由于鈾毒性導致的膜通透性增加而不是代謝依賴性轉(zhuǎn)運機制導致的細胞內(nèi)鈾積累[47]。

2.3 微生物轉(zhuǎn)化

微生物對重金屬的轉(zhuǎn)化作用主要包括：①通過其主動和被動堆積作用而使重金屬轉(zhuǎn)化為不活動相；②通過微生物的金屬轉(zhuǎn)化作用，如氧化一還原作用，使重金屬從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)化為另一種狀態(tài)，如氧化亞鐵硫桿菌可以將Fe2+氧化為Fe3+，有些微生物可以將Hg2+干還原為揮發(fā)性Hg，有些微生物在厭氧條件下將As5+還原為As3+等；③微生物在代謝過程中形成的化合物可以絡合環(huán)境中的重金屬，實現(xiàn)不同重金屬形態(tài)間的轉(zhuǎn)化[33]。

微生物還可通過酶促機制催化有毒金屬和類金屬直接轉(zhuǎn)化為溶解度較低或更易揮發(fā)的形式。生物還原可以通過酶促還原，沉淀固體金屬，或產(chǎn)生揮發(fā)性衍生物(通過生物甲基化，例如Se，Te，Hg[48])。在厭氧條件下，幾種微生物可以通過減少替代電子受體而呼吸，微生物在存在氧氣和不存在氧氣的情況下，其氧化還原反應于硝酸鹽，硫酸鹽和二氧化碳中得到充分識別，并且被稱為生物還原或異化還原。研究[49]表明，特殊生物(Fe(III)，Mn(IV)，U(VI)，Se(VI)，Tc(VII))的無氧呼吸過程中，較高價態(tài)的金屬，放射性或非放射性，也可作為替代電子受體。生物甲基化可產(chǎn)生揮發(fā)性甲基衍生物，如Se，Tc，Hg，I，因此在微生物的作用下可降低水或土壤中可溶性污染物的濃度。此外，利用檸檬酸鹽可觀察到相關有機化合物的生物降解，檸檬酸鹽與高度可溶的放射性核素檸檬酸鹽絡合物結(jié)合，然后在某些情況下會被微生物降解，從而產(chǎn)生放射性核素的沉淀，如觀察到的銅綠假單胞菌和惡臭假單胞菌能降解有機化合物[50]。就鈾礦的研究而言，微生物將可溶性的U(Ⅵ)還原成不溶性的U(Ⅳ)，可阻止?jié)B透水中的有毒有害元素的遷移。將生理性電子供體(如乙酸鹽、乳酸鹽或乙醇)引入污染的水層可以促進其土著菌群對U(Ⅵ)的還原反應[51]。

3 研究展望

隨著生物技術的迅猛發(fā)展與微觀機理的深入研究，為開展特異性微生物修復放射性核素污染開辟了新途徑。微生物修復技術由于具有投資低、環(huán)保效益好等優(yōu)點已成為國內(nèi)外研究者廣泛關注的對象，然而由于微生物的生存環(huán)境受到氣候、溫度、地質(zhì)及酸堿度等的影響，微生物修復還存在一些有待解決的問題，對微生物修復放射性核素提出以下幾點展望：

(1)國內(nèi)對微生物修復放射性核素污染的機理研究不夠深入，可以進一步進行理論研究，微生物的細胞壁和細胞膜國外已經(jīng)研究的較為成熟，可以展開對微生物的細胞質(zhì)以及遺傳物質(zhì)和放射性礦物相互作用的機理研究。

(2)我們可以聯(lián)合微生物修復與植物修復技術，探究聯(lián)合技術的修復機理，研究表明生物聯(lián)合修復技術的修復效果比單一植物或者微生物的修復效果顯著，可以聯(lián)合不同的植物和微生物修復放射性核素的污染。

(3)針對研究的前景，我們可以將基因工程技術利用到微生物的特定基因改造中，如還原基因、生物膜改造基因、DNA/RNA損傷修復基因等，可利用基因工程技術提高微生物對放射性核素的選擇性、吸附能力以及親和性，增強其輻射抗性，將會提高放射性污染的修復研究效果。

(4)針對本論文推薦的修復技術可以對礦山污染場地進行治理，根據(jù)現(xiàn)場情況進行研究改進，在投入實際場地環(huán)境修復前，我們需要加大開展利用實際尾礦坑液對微生物的馴化，這樣可以縮短菌種從實驗室培養(yǎng)基環(huán)境中到實際修復場地環(huán)境下的適應時間，增加修復技術的現(xiàn)場應用。