第 卷 第 期 环 境 工 程 学 报 年 月!"#$%"'#%"! 大 肠 杆 菌 配 合 植 酸 对 铀 的 吸 附 范 黎 锋 谢 水 波 刘 迎 九 陈 婧 南 华 大 学 污 染 控 制 与 资 源 化 技 术 湖 南 省 重 点 实 验 室 衡 阳 < 南 华 大 学 铀 矿 冶 生 物 技 术 国 防 重 点 学 科 实 验 室 衡 阳 < 摘 要 研 究 了 用 植 酸 处 理 后 大 肠 杆 菌 对 铀 进 行 吸 附 考 察 了 初 始 浓 度 反 应 时 间 以 及 菌 液 投 加 浓 度 对 吸 附 效 果 的 影 响 实 验 结 果 表 明 植 酸 能 够 提 高 大 肠 杆 菌 菌 悬 液 对 铀 的 吸 附 效 果 植 酸 处 理 后 的 大 肠 杆 菌 能 有 效 结 合 @ 在 < 时 菌 液 投 加 浓 度 为 B 时 吸 附 效 果 最 好 吸 附 ) ' 达 到 平 衡 吸 附 率 为 B 大 肠 杆 菌 配 合 植 酸 吸 附 铀 前 后 电 镜 图 及 % 表 明 反 应 能 使 铀 酰 离 子 络 合 沉 淀 沉 积 在 菌 体 表 面 关 键 词 大 肠 杆 菌 植 酸 吸 附 铀 中 图 分 类 号 - 文 献 标 识 码 文 章 编 号 )<- ) *+,+-) #"8 $' "!!!$$# A2$ %!8 21+! %!# ",#72#8"#"7$! "#9!",,7 "7$! # 7#< #7,2#8"#"7$"##$,$",7 "#!' #9 79"'#!"7 "7$! # 7#< # "$!97 $!!!9"#99 7,#,9 #8","7$5,,"# $!"#!' $"' 5#5#"#9" $,,$!"#!' $9!!9"9$",9!, # #,,"# $!"#!' #9" ' #9,,,"# 5"!99"'# "!59 #!"#!' 5#$#"#87#9"89 87$9!,#7 5#5#"5 5,,"# $!"#!''!' 8" 5#8"9 5! 5#< #9" "#5#B #9 #9"!8"!' 5##89 ##8!) ',#," ',",7#9 "79 ""#7'#8$"#9 #$""9!, 9,##$9!9"#97,#,9 "# ###8",# $ @,' 5, 99!"$#,$$9! #"$9!7,#,9#9"!"#!' 随 着 核 能 事 业 的 发 展 放 射 性 污 染 已 经 成 为 一 个 全 球 性 环 境 问 题 < 尤 其 是 对 人 类 的 健 康 与 环 境 的 可 持 续 性 发 展 造 成 的 严 重 威 胁 - 近 年 来 利 用 植 物 微 生 物 富 集 铀 等 放 射 性 污 染 物 的 研 究 已 经 成 为 现 阶 段 的 研 究 热 点 根 据 侯 伟 峰 等 关 于 植 酸 分 子 式 见 图 抑 制 大 肠 杆 菌 的 研 究 植 酸 浓 度 在 <B 时 就 能 完 全 抑 制 大 肠 杆 菌 的 生 长 并 能 够 破 坏 大 肠 杆 菌 的 细 胞 壁 释 放 出 碱 性 磷 酸 酶 碱 性 磷 酸 酶 具 有 水 解 植 酸 磷 生 成 自 由 磷 酸 根 的 作 用 ) 而 自 由 态 的 磷 酸 根 又 能 跟 铀 酰 离 子 反 应 生 成 絮 凝 沉 淀 <- 大 肠 杆 菌 是 自 然 界 中 一 种 很 常 见 的 细 菌 而 植 酸 也 是 来 自 植 物 的 一 种 廉 价 化 学 物 质 如 果 植 酸 配 合 大 肠 杆 菌 处 理 铀 的 方 法 能 够 实 现 那 就 可 以 提 供 一 种 新 的 铀 矿 冶 废 水 处 理 方 法 将 大 大 降 低 处 理 铀 废 水 的 成 本 由 于 铀 矿 冶 废 水 占 据 铀 废 水 来 源 的 主 要 部 分 所 以 本 研 究 所 涉 及 的 实 验 主 要 是 针 对 铀 矿 冶 废 水 本 研 究 通 过 静 态 吸 附 实 验 考 察 了 初 始 浓 度 反 应 时 间 等 不 同 因 素 对 其 吸 附 性 能 的 影 响 并 对 吸 机 理 进 行 初 步 探 究 基 金 项 目 国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 -<- 收 稿 日 期 - ) < 修 订 日 期 - - ) 作 者 简 介 范 黎 锋 男 硕 士 研 究 生 研 究 方 向 水 处 理 理 论 与 技 术 %'#$#$=,' 通 讯 联 系 人 %'# 8'"=)
< 环 境 工 程 学 报 第 卷 实 验 部 分 图 植 酸 分 子 式 A"!,!"#$"'!#$7,#,9 + 主 要 实 验 材 料 与 试 剂 大 肠 杆 菌 取 自 南 华 大 学 病 原 实 验 室 植 酸 天 津 市 光 复 精 细 化 工 研 究 所 B 基 准 八 氧 化 三 铀 国 家 标 准 物 质 中 心 分 析 纯 牛 肉 膏 北 京 奥 博 星 生 物 技 术 有 限 责 任 公 司 蛋 白 胨 北 京 奥 博 星 生 物 技 术 有 限 责 任 公 司 ## 均 为 化 学 纯 实 验 用 水 为 超 纯 水 +, 主 要 实 验 仪 器 电 子 分 析 天 平 上 海 友 声 衡 器 有 限 公 司 ) 精 密 计 上 海 精 密 科 学 仪 器 有 限 公 司?E 空 气 浴 振 荡 器 哈 尔 滨 东 联 电 子 技 术 开 发 有 限 公 司 紫 外 可 见 分 光 光 度 计 北 京 普 析 通 用 仪 器 有 限 责 任 公 司? 艾 科 浦 超 纯 水 系 统 重 庆 颐 洋 企 业 发 展 有 限 公 司 / 高 速 离 心 机 % 29 < 型 扫 描 电 镜 日 本 日 立 公 司 E 型 能 谱 仪 德 国 % 公 司 +- 植 酸 处 理 大 肠 杆 菌 的 实 验 方 法 根 据 侯 伟 峰 等 的 研 究 <B 的 植 酸 就 足 以 破 坏 大 肠 杆 菌 细 胞 壁 使 其 中 的 碱 性 磷 酸 酶 2 释 放 出 来 因 此 本 实 验 控 制 锥 形 瓶 中 植 酸 浓 度 为 B 将 - '2 活 化 后 的 $9! 接 种 到 装 有 '2 牛 肉 膏 蛋 白 胨 培 养 基 的 锥 形 瓶 中 于 - "' ) 恒 温 摇 床 中 培 养 测 定 值 根 据 图 中 细 菌 浓 度 曲 线 使 菌 悬 液 浓 度 约 为 C,'2 在 无 菌 操 作 台 上 加 入 植 酸 溶 液 使 锥 形 瓶 中 植 酸 浓 度 为 B 放 入 ) - "' 摇 床 内 培 养 ) 后 取 出 备 用 + 铀 9 标 准 溶 液 配 制 称 取 基 准 八 氧 化 三 铀 置 于 '2 烧 杯 中 加 入 '2) '2)B 的 加 热 至 完 全 溶 解 转 入 '2 容 量 瓶 中 加 水 稀 释 至 刻 度 摇 匀 此 溶 液 '2 含 ' 铀 - 不 同 浓 度 铀 图 细 菌 浓 度 曲 线 A 8#,"#,,"#,!" 溶 液 分 别 用 铀 标 准 液 稀 释 至 所 需 浓 度 + 吸 附 实 验 取 菌 悬 液 铀 标 液 混 合 加 入 - '2 锥 形 瓶 中 调 节 值 在 ) - "' 恒 温 振 荡 箱 中 振 荡 一 定 时 间 后 取 出 离 心 转 速 为 "' ' 取 上 清 液 测 定 残 留 铀 浓 度 按 式 计 算 吸 附 率 铀 的 测 定 采 用 钒 酸 铵 滴 定 法 吸 附 率 CB 式 中 分 别 为 溶 液 中 铀 的 初 始 浓 度 和 吸 附 平 衡 浓 度 '2, 结 果 与 分 析,+ 对 吸 附 效 果 的 影 响 - 个 - '2 锥 形 瓶 中 加 入 <- '2 之 前 制 备 的 植 酸 与 $9! 混 合 溶 液 在 加 入 - '2 浓 度 为 '2 的 铀 溶 液 使 溶 液 中 铀 浓 度 为 '2 调 节 不 同 的 分 别 取 )<- 在 ) - "' 恒 温 振 荡 箱 中 振 荡 ) ' 离 心 分 离 取 上 清 液 '2 测 定 溶 液 中 铀 浓 度 计 算 铀 的 吸 附 率 图 ) 结 果 表 明 当 值 由 >< 变 化 时 植 酸 处 理 大 肠 杆 菌 的 产 物 对 铀 的 吸 附 率 逐 渐 增 大 从 图 ) 值 对 吸 附 效 果 的 影 响 A)%$,$ #9"
第 期 范 黎 锋 等 大 肠 杆 菌 配 合 植 酸 对 铀 的 吸 附 < B 增 长 到 -B 大 于 < 之 后 对 铀 的 吸 附 效 率 逐 渐 降 低 当 < 时 铀 在 水 溶 液 中 的 主 要 存 在 形 式 为 @ @ @ ) - @ 等 此 时 吸 附 效 果 最 好 G< 时 在 水 溶 液 中 的 主 要 形 式 是 @ 此 时 溶 液 中 @ 浓 度 较 大 @ 会 与 @ 竞 争 吸 附 位 点 导 致 铀 的 去 除 率 不 高 在 M< 时 溶 液 中 ) 容 易 与 铀 酰 离 子 生 成 不 易 被 吸 附 的 碳 酸 铀 酰 络 合 物 铀 的 吸 附 率 也 不 高 因 此 溶 液 初 始 过 高 或 过 低 都 不 利 于 铀 离 子 的 吸 附 后 续 实 验 中 采 用 初 始 为 <,+, 铀 初 始 浓 度 对 吸 附 效 果 的 影 响 由 于 铀 矿 液 废 水 中 铀 的 浓 度 大 致 在 - > '2 故 本 实 验 不 考 虑 对 高 浓 度 废 水 的 吸 附 效 果 - 个 - '2 锥 形 瓶 中 加 入 <- '2 的 按 ) 方 法 得 到 的 植 酸 与 $9! 混 合 溶 液 在 加 入 不 同 体 积 的 浓 度 为 ' 2 的 铀 溶 液 使 溶 液 中 铀 浓 度 分 别 为 - 和 '2 调 节 为 < 在 ) - "' 恒 温 振 荡 箱 中 振 荡 ) ' 离 心 分 离 取 上 清 液 '2 测 定 溶 液 中 铀 浓 度 计 算 铀 的 吸 附 率 图 < 初 始 浓 度 对 吸 附 效 果 的 影 响 A<%$,$#,,"# $ #9" 从 图 < 可 以 看 出 随 着 铀 初 始 浓 度 的 增 加 吸 附 率 呈 现 先 上 升 后 下 降 的 趋 势 在 初 始 浓 度 为 ' 2 时 去 除 率 最 高 说 明 植 酸 配 合 大 肠 杆 菌 对 低 浓 度 铀 废 水 有 较 好 的 吸 附 效 果,+- 吸 附 时 间 对 吸 附 效 果 的 影 响 - '2 锥 形 瓶 中 加 入 <- '2 菌 液 浓 度 为 再 加 入 < '2 浓 度 为 '2 的 铀 溶 液 和 '2 蒸 馏 水 使 溶 液 体 积 为 - '2 且 其 中 铀 浓 度 为 '2 调 节 为 < 在 ) - "' 恒 温 振 荡 箱 中 振 荡 )<))< 和 < ' 离 心 分 离 取 上 清 液 '2 测 定 溶 液 中 铀 浓 度 计 算 铀 的 吸 附 率 从 图 - 可 以 看 出 随 着 时 间 的 增 加 吸 附 率 逐 渐 升 高 > ' 段 吸 附 率 上 升 很 快 可 能 是 由 于 植 酸 破 坏 大 肠 杆 菌 细 胞 壁 而 释 放 出 碱 性 磷 酸 酶 碱 性 磷 酸 酶 使 植 酸 上 的 磷 酸 根 分 离 ) 磷 酸 根 进 而 与 铀 酰 离 子 反 应 生 成 沉 淀 之 后 随 着 反 应 的 进 行 溶 液 中 磷 酸 盐 含 量 降 低 磷 酸 盐 与 铀 酰 离 子 反 应 减 慢 吸 附 率 上 升 减 慢 并 在 ) ' 时 达 到 吸 附 平 衡 吸 附 率 为 B 因 此 可 认 为 最 佳 吸 附 时 间 为 ) ' 图 - 吸 附 时 间 对 吸 附 效 果 的 影 响 A-%$,$#9" ' #9",+ 菌 液 投 加 比 例 对 吸 附 效 果 的 影 响 - 个 - '2 锥 形 瓶 中 加 入 )< 和 <- '2 的 按 ) 方 法 得 到 的 植 酸 与 $9! 混 合 溶 液 再 加 入 < '2 的 浓 度 为 '2 的 铀 溶 液 再 向 锥 形 瓶 中 加 水 使 溶 液 体 积 为 - '2 此 时 溶 液 中 铀 浓 度 为 ' 2 调 节 为 < 在 ) - " ' 恒 温 振 荡 箱 中 振 荡 ) ' 离 心 分 离 取 上 清 液 '2 测 定 溶 液 中 铀 浓 度 计 算 铀 的 吸 附 率 从 图 中 可 以 看 出 随 着 菌 液 投 加 比 例 的 增 加 吸 附 率 逐 渐 升 高 投 加 比 例 达 到 B 后 逐 渐 趋 于 稳 定 说 明 吸 附 率 与 投 加 比 例 呈 正 相 关 关 系 投 加 比 例 越 大 吸 附 位 点 越 多 有 更 多 的 吸 附 位 与 铀 酰 离 子 生 成 表 面 配 合 物 吸 附 的 铀 也 就 增 多 因 此 可 认 为 最 图 菌 液 投 加 比 例 对 吸 附 效 果 的 影 响 A%$,$"#$%,! #9"
`!@" 环 境 工 程 学 报 第!" 卷 佳的菌体投加浓度为 ="f% DC M?大肠杆菌与植酸单独对铀的吸附实验 取 * 个!E" 9P锥 形 瓶! 向 一 个 锥 形 瓶 中 加 入 `E 9P浓 度 为 @ g!" $ D ' ' 1-9P_! 的 大 肠 杆 菌 菌 悬 液!向另一个锥形瓶 中 加 入! 9P的 +"f 植 酸 与 `` 9P液体培养基的混合溶液!再分别向 * 个锥形瓶中 加入 ` 9P浓度为!"" 9-P_! 的铀溶液 和! 9P蒸 馏水!使溶液体积为 E" 9P!且锥形瓶中 铀的 浓度均 -9 / _! 为 $ 9-P_! % 调节 ZJ为 `!在 A" n!!e" 恒温振荡 箱 中 振 荡!"*"A"+"!*"!$"*`"A"" 和 A+" 9 / 离心分离!取上清液 * 9P!分别测定溶液 中铀浓度!计算铀的吸附率% 从图 @ 和图 $ 可以看出!在相同的处理条件 下! 大肠杆菌与植酸 单 独 对 铀 的 吸 附 效 果 都 不 是 很 高! 但两者配合却可以使吸 附 率 达 到 ="f!说 明 植 酸 配 合大肠杆菌对铀溶液有更好的吸附效果% 图 =#反应前后的大肠杆菌电镜图 e =#[7N 95 1 W3 % $V 5 /W 5 W3D / 着点#由图 =" V$ 可看出!细菌表面有很多附 着物!这 表明絮凝物大量吸 附 在 菌 体 表 面!使 铀 酰 离 子 得 到 吸附!沉积在菌体表面% 电 子 能 谱 图 如 图!" 所 示 % 从 图!" 可 以 看 出! 图 @#大肠杆菌对铀的吸附效果 e @#<W1 Z / 3 5 / 39 W3 % $ 大 肠 杆 菌 配 合 植 酸 在 吸 附 H" / $ 前 后! 都 有 明 显 的 K, L峰! 而 吸 附 H" / $ 后! 电 子 能 谱 出 现 了 铀 的 吸 收 峰 % 电 子 能 谱 图 中 出 现,KL峰!且, K含 量 高!这 与 大 肠 杆 菌 菌 体 中 含 有 大 量, K相 符 #吸 附 后 出 现 H峰!可 能 是 由 于 磷 酸 根 与 铀 酰 离 子 络 合 反 应 生 成 沉 淀 所 导 致 的! 其 结 合 能 为 A b` \ %! 进 一 步 证 明 大 肠 杆 菌 表 面 沉 积 物 为 铀 的 沉 积物% 图 $#植酸对铀的吸附效果 e $#<W1 Z / 3 5 / 39 Z-U D5 D W DC N?扫描电镜及能谱分析 扫描电镜结果如图 = 所示% 由图 = " 5$ 可看出! 大肠杆菌在经过植酸处理后!细菌表面出现损坏!形 成许多不规则突起!这增大了细菌的表面积!为之后 图!"#大肠杆菌吸附前后的电子能谱图 磷酸根与铀酰离子反应生成的沉淀提供了大量的附 e!"#7y? 95 1V 5 /W 5 W3D /
第 期 范 黎 锋 等 大 肠 杆 菌 配 合 植 酸 对 铀 的 吸 附 < - 结 论 大 肠 杆 菌 对 低 浓 度 含 铀 废 水 有 去 除 效 果 其 吸 附 铀 的 最 佳 条 件 为 初 始 浓 度 为 ' 2 < 时 间 ) ' 菌 体 浓 度 菌 悬 液 浓 C,'2 菌 液 投 加 比 例 为 B 植 酸 配 合 大 肠 杆 菌 对 铀 的 吸 附 效 果 比 植 酸 或 大 肠 杆 菌 单 独 吸 附 铀 的 效 果 要 好 说 明 植 酸 确 实 能 够 增 加 大 肠 杆 菌 对 铀 的 吸 附 效 果 并 且 最 终 形 成 的 络 合 产 物 沉 积 在 大 肠 杆 菌 细 胞 表 面 ) 大 肠 杆 菌 配 合 植 酸 对 铀 的 吸 附 率 较 高 但 本 实 验 由 于 采 用 的 是 菌 液 吸 附 生 成 沉 淀 的 实 验 方 法 故 吸 附 量 不 高 对 其 吸 附 机 理 的 研 究 还 不 够 深 入 还 需 进 一 步 探 究 处 理 方 法 和 吸 附 机 理 参 考 文 献 % % /% ##,#!"7#9,"$#,5, #,,!'!# #$"',#'#9 $!"#!'5#9%!" #!"#$7,11 <)< - 22 %'#$!"#!'!9"#"8,#9 ##"8,,9!# 9!',"!'"#%",11 ) --) ) %#9?1!# #"8!,!#"'7,"3#,"8!7#83# $!"#!'!"#!' '#!"#$%"'##9 #,7,11 - < 2%1 %2 21 # # #3#"9$9 "#!'! #" 29 7#,7,11, - 2 / # %/ 1 #A#"'# $#7'##9 7,#,9$"' 5#"!5 '9$9,#$8"',#2",1, ) - 2!# %? # $!,$,#,!' ',"8#"9!, $9 #!"#!',7#9 ",11 <-< A /2%% % #,7$99!"#!' $"#' #""# # 7,,111 ) 2%% 1 1/ " $#7 '##9!"#!' 87#"$ #9 # #!"#$#3#"9!#"#,11 - 吴 唯 民 2%1 等 地 下 水 铀 污 染 的 原 位 微 生 物 还 原 与 固 定 在 美 国 能 源 部 田 纳 西 橡 树 岭 放 射 物 污 染 现 场 的 实 验 环 境 科 学 学 报,1 ) ) <<<- ' 2%1 "9!, #9 ''83# $!"#!'!,#!97## 9#"'$"7"#9#,5# # 9,#,#",!'##,1 ) ) <<<- 王 建 龙 陈 灿 生 物 吸 附 法 去 除 重 金 属 离 子 的 研 究 进 展 环 境 科 学 学 报,11 )< ) / # %##", #9#, # 7'#"'#878",#,#",!' ##,11)< ) 王 水 云 谢 水 波 李 仕 友 等 啤 酒 酵 母 菌 吸 附 废 水 中 铀 的 研 究 进 展 铀 矿 冶,11 /!7! %!8 27! ##", #9#, 8"" $!"#!' 5#5#",#!"#!' 87#,,#"'7,,"#"#!' #9 #!"7,11 侯 伟 峰 谢 晶 蓝 蔚 青 等 植 酸 对 大 肠 杆 菌 抑 菌 机 理 的 研 究 江 苏 农 业 学 报,1, <<)<< $ % 2 #',"8#',#'$7,#,9 ##$!!! #!!"#$",!!"#,,,1, <<)<< ) 杜 丽 敏 段 相 林 植 酸 酶 的 来 源 与 应 用 安 徽 农 业 科 学,11 )- << 2' #!",#9 #,#$ 7#!"#$!",!!"#,,,11 )- << < 杨 敏 磷 酸 盐 络 合 絮 凝 法 处 理 放 射 性 稀 土 废 水 的 研 究 南 昌 南 昌 大 学 硕 士 学 位 论 文,1, 1/!97 "#'$"#9#,"#"#" 5#5#"5 "#,'# #9 $,,!# ",#,# #""# $#,# "7,1, - 钱 丽 娟 铀 钍 和 铕 在 磷 酸 盐 上 的 吸 附 研 究 兰 州 兰 州 大 学 博 士 学 位 论 文,11 E2+!#!97 " $ #9 %! #2#3!,""# $2#3! "7,11 魏 广 芝 徐 乐 昌 低 浓 度 含 铀 废 水 的 处 理 技 术 及 其 研 究 进 展 铀 矿 冶,11 - %/!#3 2,#"#',7$5,,"#!"#!'8#"5#5#"#9 "#", """#!'#9 #!"7,11 - 李 华 昌 常 见 矿 石 分 析 手 册 北 京 化 学 工 业 出 版 社,1 郑 伟 娜 夏 良 树 王 晓 等 谷 壳 对 铀 的 吸 附 性 能 及 机 理 研 究 原 子 能 科 学 技 术,1 <- - -)<-<?%/# 2#! /# #9 " 8#"#9 ',#' $!"#!' 87,#$ ',%"7,,#9,7,1 <- - -)<-< / +# 21!! # " $!"#!' 87''839 1 8#9!"#$%"'##9#,7,11 -<- %!8?/!?! # '#$!"#!' $"' #!!! 87#9" $'#!"#$%"'##9#,7,11