芽孢桿菌Bacillus sp.dwc-2對模擬地下水中U(Ⅵ)的還原行為研究

王 靜，劉 軍,2，趙長菘，涂 鴻，賀含毅，楊吉軍，廖家莉，楊遠(yuǎn)友,*，劉 寧

(1.四川大學(xué) 原子核科學(xué)技術(shù)研究所，輻射物理及技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610064；2.成都理工大學(xué) 核技術(shù)與自動化工程學(xué)院，四川 成都 610059)

鈾是最重要的核能資源之一，具有放射性和化學(xué)毒性[1]。鈾的主要化學(xué)價(jià)態(tài)為6價(jià)，在溶液中的溶解度大，易遷移至生物圈。U(Ⅵ)遷移時(shí)會與環(huán)境介質(zhì)中的微生物等發(fā)生相互作用，如沉淀、氧化還原等反應(yīng)[2-5]，當(dāng)U(Ⅵ)被還原為U(Ⅳ)時(shí)，鈾的溶解度和遷移率降低，從而減弱鈾的遷移。因此關(guān)注環(huán)境中鈾的生物還原行為具有重要意義。

鈾的生物還原行為近年來受到廣泛重視。梁君等[6]研究發(fā)現(xiàn)，絲狀真菌黑曲霉還原U(Ⅵ)為U(Ⅳ)，且U(Ⅳ)產(chǎn)物是單核U(Ⅳ)原子緊密包圍的輕元素殼組成的形態(tài)。Stirling等[7]發(fā)現(xiàn)硫酸鹽還原菌代謝過程中產(chǎn)生的H2S會參與并促進(jìn)鈾的生物還原；Zhou等[8]的研究表明，F(xiàn)e(Ⅲ)金屬還原菌產(chǎn)生的電子參與了鈾的生物還原；Newsome等[9]報(bào)道了在乳酸鈉和乙酸存在時(shí)，U(Ⅵ)從鐵還原菌得到電子從而被還原。此外，Ding等[10]發(fā)現(xiàn)了芽胞桿菌Bacillussubtilis胞外表面復(fù)合物之間斥力抑制鈾的還原過程；Zhang等[11]也認(rèn)為U(Ⅵ)的生物還原受形成的復(fù)合體類型的影響。

芽胞桿菌Bacillussp.dwc-2是從中國西南地區(qū)某處典型土壤中分離出的一種優(yōu)勢菌。本研究小組[12]曾初步探討了厭氧條件下Bacillussp.dwc-2還原去離子水中U(Ⅵ)的行為。本文擬在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步在厭氧條件下研究Bacillussp.dwc-2對模擬地下水中U(Ⅵ)的還原行為，重點(diǎn)考察時(shí)間、地下水中主要無機(jī)陰離子、腐殖酸(HA)以及富里酸(FA)對芽孢桿菌還原鈾的影響，并通過EDS、SAED、TEM、XPS對還原機(jī)制進(jìn)行初步探討，以便在接近真實(shí)環(huán)境條件下了解微生物對U(Ⅵ)的還原行為與機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要試劑與儀器

UV-2450型紫外可見分光光度計(jì)，日本島津；ZDX-35BI型座式壓力蒸汽滅菌鍋，上海申安醫(yī)療器械廠；TG16G離心機(jī)，湖南凱達(dá)科學(xué)儀器有限公司；pHs-3C精密pH計(jì)，上海精密科學(xué)儀器有限公司雷磁儀器廠；ZQLY-180GF振蕩培養(yǎng)箱，上海知楚儀器有限公司；LSHZ-300型恒溫冷凍水浴振蕩器，太倉市豪誠實(shí)驗(yàn)儀器制造有限公司；DELLIX型真空手套箱，成都德力斯實(shí)業(yè)有限公司。

1.2 Bacillus sp.dwc-2對U(Ⅵ)的還原

培養(yǎng)分離Bacillussp.dwc-2后，以4 000 r/min離心5 min，然后用0.05 mol/L NaCl溶液洗滌3次，最后將洗凈的Bacillussp.dwc-2放入真空手套箱中備用。

將配置好的250 mL UO2(NO3)2·6H2O溶液(U(Ⅵ)溶液)加入500 mL燒杯中，并用0.1 mol/L NaOH或HNO3調(diào)節(jié)溶液pH值為7.0，再用N2(99.999%)除氧30 min，將處理后的溶液移入500 mL厭氧培養(yǎng)瓶中，放置在真空手套箱內(nèi)，使氧含量低于1 mg/L，隨即加入一定質(zhì)量的Bacillussp.dwc-2，在恒溫振蕩器上以150 r/min的轉(zhuǎn)速振蕩一定時(shí)間，之后以10 000 r/min離心分離，測量上清液中U(Ⅵ)的濃度，下層沉淀物經(jīng)過冷凍干燥后進(jìn)行表征。

1.3 材料表征

將冷凍干燥后的下層沉淀物在厭氧手套箱中制作為材料表征用樣品。樣品在充滿氮?dú)獾沫h(huán)境中送至檢測中心。采用Escalab 250Xi X射線光電子能譜(XPS)儀進(jìn)行U價(jià)態(tài)分析；采用透射電子顯微鏡(TEM)和區(qū)域電子衍射(SEAD)分析樣品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

分析還原反應(yīng)前后溶液中U(Ⅵ)的含量，按式(1)計(jì)算還原率R：

R=(c0-ct-ca)/c0×100%

(1)

其中：c0和ct分別為還原反應(yīng)前和還原反應(yīng)進(jìn)行到t時(shí)刻溶液中U(Ⅵ)的濃度，mg/L；ca為Bacillussp.dwc-2吸附的總U(Ⅵ)的濃度，mg/L。通過XPS peak 4.1分峰計(jì)算U(Ⅳ)、U(Ⅵ)的面積比，從而計(jì)算吸附的U(Ⅵ)和還原的U(Ⅳ)占芽孢桿菌總吸附鈾的比值，得到ca和還原的U(Ⅳ)濃度。

2 結(jié)果與討論

2.1 Bacillus sp.dwc-2還原U(Ⅵ)的影響因素

1) 時(shí)間

1）做好頂層設(shè)計(jì)，助推實(shí)驗(yàn)室管理制度體系化。設(shè)立由單位領(lǐng)導(dǎo)及各相關(guān)部門負(fù)責(zé)人組成的實(shí)驗(yàn)室安全管理委員會，按專業(yè)類別下設(shè)實(shí)驗(yàn)室安全專家咨詢組，例如：化學(xué)、生物、輻射、環(huán)境保護(hù)、特種設(shè)備、職業(yè)健康等安全專家咨詢組；為委員會評價(jià)和審核各項(xiàng)管理制度、安全手冊、規(guī)范及細(xì)則等提供專業(yè)性意見或建議，促進(jìn)實(shí)驗(yàn)室管理制度體系化發(fā)展。

2) 無機(jī)陰離子

圖1 時(shí)間對Bacillus sp.dwc-2還原U(Ⅵ)的影響Fig.1 Effect of time on U(Ⅵ) reduction by Bacillus sp.dwc-2

表1 無機(jī)陰離子對Bacillus sp.dwc-2還原U(Ⅵ)的影響Table 1 Effect of anion on U(Ⅵ) reduction by Bacillus sp.dwc-2

3) 腐殖酸

4) 富里酸

在與腐殖酸因素研究的相同條件下，富里酸(FA)濃度(0～200 mg/L)對Bacillussp.dwc-2還原U(Ⅵ)的影響示于圖3。由圖3可見，在0～25 mg/L濃度范圍內(nèi)，Bacillussp.dwc-2對U(Ⅵ)的還原率隨FA濃度的升高而增加，最大還原率為16.2%。此后繼續(xù)增大FA濃度，Bacillussp.dwc-2對U(Ⅵ)的還原率有所降低，200 mg/L時(shí)還原率只有5.3%。相對于HA，F(xiàn)A對Bacillussp.dwc-2還原U(Ⅵ)的促進(jìn)作用大，可能是因?yàn)镠A攜帶的羧基較FA多，羧基與U(Ⅵ)離子形成新的配合物，配合作用成為主要反應(yīng)，從而減弱了Bacillussp.dwc-2對U(Ⅵ)的還原。

2.2 還原U(Ⅵ)后的Bacillus sp.dwc-2樣品的表征

1) XPS分析

圖2 HA濃度對Bacillus sp.dwc-2還原U(Ⅵ)的影響Fig.2 Effect of HA concentration on U(Ⅵ) reduction by Bacillus sp.dwc-2

圖3 FA濃度對Bacillus sp.dwc-2還原U(Ⅵ)的影響Fig.3 Effect of FA concentration on U(Ⅵ) reduction by Bacillus sp.dwc-2

圖4a、b為U 4f的XPS譜。所有數(shù)據(jù)均參照文獻(xiàn)[10,12，21-22]進(jìn)行解析處理，分析結(jié)果準(zhǔn)確。XPS譜中的U 4f7/2U(Ⅵ)和U 4f5/2U(Ⅵ)峰值中心點(diǎn)位于(391.9±0.2) eV和(381.5±0.2) eV，U 4f7/2U(Ⅳ)和U 4f5/2U(Ⅳ)峰值中心點(diǎn)位于(390.8±0.2) eV和(380.1±0.2) eV。已有研究[23]表明，位于381.5 eV處的特征峰是≡SOUO2+，可知羥基(≡SO-)與U(Ⅵ)形成了配合物，表明U(Ⅵ)離子的吸附主要是由于芽孢桿菌表面上羥基的配合作用。上述結(jié)果顯示芽孢桿菌還原U(Ⅵ)過程中吸附和還原同時(shí)存在。

圖4 U(Ⅵ)還原后U 4f(a,b)、C 1s(c,d)、O 1s(e,f)的XPS譜Fig.4 XPS pattern of U 4f (a, b), C 1s (c, d), O 1s (e, f) after U(Ⅵ) reduction

由圖4a、b可知，不加HA和FA時(shí)，最大還原率為12.2%。HA和FA濃度為25 mg/L時(shí)，U(Ⅳ)與Bacillussp.dwc-2吸附的總U(Ⅵ)的峰面積比最大，此時(shí)還原率最大。最大還原率分別為14.2%和16.2%。HA和FA濃度繼續(xù)增大，該比值下降，還原率有所下降。

2) TEM-EDS、SAED分析

3 結(jié)論

1)Bacillussp.dwc-2對U(Ⅵ)在24 h時(shí)達(dá)到最大還原率12.2%，HA濃度和FA濃度為25 mg/L時(shí)，Bacillussp.dwc-2對U(Ⅵ)的最大還原率分別為14.2%和16.2%。

3) 低濃度的HA和FA在U(Ⅵ)的生物還原中是電子載體，促進(jìn)U(Ⅵ)的生物還原；隨HA和FA濃度的增加，HA、FA在U(Ⅵ)離子表面形成致密的腐殖層，抑制了鈾酰離子與菌體間電子的轉(zhuǎn)移，減弱了U(Ⅵ)的還原。相對于FA，HA對U(Ⅵ)的還原影響較弱。

4) TEM-SAED和XPS證實(shí)了還原過程中U(Ⅳ)的存在。

上述結(jié)果有助于進(jìn)一步了解真實(shí)地下水環(huán)境中微生物還原U(Ⅵ)的行為。