微生物对～（241）Am的吸附行为及机理研究

论文摘要

微生物对金属元素或放射性核素的吸附行为及应用的研究是目前国内外十分活跃的研究领域。但到目前为止，绝大多数研究还处于实验室阶段。此外，由于微生物种类的广泛性、多样性以及金属水溶液化学的复杂性，对于其吸附机理，迄今还没有形成一个完整、详细的理论体系。而有关微生物对钢系和裂变元素等的吸附行为及机理，以及在此基础上进行的这些元素或核素在微生物存在下、特别是在处置环境中的化学及迁移行为的研究才刚刚开始。而目前国内还没有这方面的正式报道。显然，开展这方面的研究不仅具有重要的科学意义，也具有诱人的应用前景。镅（Americium，Am）为超铀元素，有近二十种同位素或同质异能素(232-247Am)，均为放射性核素。其中241Am(T1／2=433年，Eα=5.486MeV，86.6％；5.443MeV，12.3％；Er=0.0596 MeV，35％)为核技术中常用的靶材料，同时在工业、科研上也具有广泛用途。如宾馆、医院、会务中心等使用的火灾报警器目前绝大部分都使用241Am源。但因其半衰期较长，且放出α射线，因此对人体的危害较大，在放射性同位素毒性分组中241Am属于极毒组核素。Am进入人体后，主要滞留在骨骼和肝脏，其放射性废液的排放标准仅为1.0Bq／L。为此世界各国对含241Am放射性废液的去污和处理都极为重视，并进行了大量的研究。但迄今仍未找到公认的可行办法。本论文在大量文献调研的基础上，在国内外首次系统地开展了微生物对241Am的吸附行为及机理研究，取得了一系列研究进展。针对241Am中低放废液、特别是241Am火灾报警源的生产与回收过程中产生的废液，系统地考察了啤酒酵母、假丝酵母、少根根霉和黑曲霉等四种微生物对241Am的吸附行为、特别是各种反应条件对吸附的影响。结果表明：1)自由啤酒酵母、假丝酵母、少根根霉和黑曲霉对241Am均具有显著的吸附能力。在起始浓度Co为5.6MBq-111MBq／L的241Am溶液中，除假丝酵母外，其它微生物的平均吸附率达97％。少根根霉、黑曲霉、假丝酵母对241Am吸附量w分别为w（少根根霉）=4.2MBq-79.4MBq／g干重，w（黑曲霉）=6.22MBq-124.40MBq／g干重和w（假丝酵母）=6.62MBq-63.45MBq／g干重；而啤酒酵母在起始浓度Co为2.22MBq／L-555 MBq／L的241Am溶液，吸附量w可达0.94 MBq／g-237.9 MBq／g干重。2)上述四种微生物对241Am的吸附是一个与酸度或pH密切相关，且比较快速的生物吸附过程。但不同微生物对241Am吸附的最适宜酸度范围有所不同。3)上述微生物吸附241Am的行为可用Freundlich公式或langmuir公式进行描述。其中，黑曲霉、啤酒酵母、少根根霉对241Am的吸附既符合Freundlieh经验公式，也可用langmuir公式进行描述。而假丝酵母对241Am的吸附则更符合langmuir经验公式。利用海藻酸钙等为载体包埋固定啤酒酵母和少根根霉，进一步考察了固定化微生物对241Am的吸附行为及其影响因素，并用固定化的啤酒酵母和少根根霉对来自于中国工程物理研究院核物理与化学研究所506工号废水池的241Am废液进行了初步的实际处理研究，发现：1)用海藻酸钙固定化的啤酒酵母和少根根霉不仅仍然保持了自由微生物对241Am良好的吸附效果，且具有pH适宜范围增大、可进行多次重复吸附、有利于批槽式或上柱连续操作等特点。与自由微生物相比，更适合于实际废液的处理应用。2)用固定化的少根根霉处理241Am实际工艺废液，通过四次吸附可使241Am废液的剩余放射性活度由原始的860.5Bq／L降至0.957Bq／L（总α放射性），低于《污水综合排放标准》（GB8978-1996）中规定的∑α放射性1Bq／L的排放标准。而固定化啤酒酵母也可使这一数据降至1.235Bq／L，接近排放标准。通过对啤酒酵母和少根根霉的化学或生物预处理，并以Eu3+和Nd3+替代241Am进行有关红外光谱吸收、电镜观察及背散射（RBS）等分析，对微生物吸附241Am的机理进行了初步探讨，结果显示：1)啤酒酵母或少根根霉对241Am的吸附不仅发生在细胞壁，细胞内部的基团也有作用。其中，与完整细胞相比，啤酒酵母的细胞壁、原生质和细胞膜对241Am仍然具有显著的吸附能力。而对于少根根霉，虽然没有合适的消化酶得到其原生质和细胞膜，但其细胞壁对241Am的吸附率甚至比完整细胞还要高。2)啤酒酵母或少根根霉吸附241Am的行为是一个比较复杂的生物吸附过程，主要涉及241Am与H+、Ca2+等的离子交换、与几丁质基团、蛋白质基团或羧基的络合作用以及在细胞壁的静电吸附，并且可能存在其它的机理。论文的主要创新点体现在以下几方面：1)在国内外首次系统地开展了微生物对241Am的吸附行为及机理研究，其中将假丝酵母和黑曲霉用于241Am的吸附研究为国内外首次报道。2)首次用Freundlich公式或Langmuir公式对啤酒酵母、假丝酵母、少根根霉和黑曲霉四种游离微生物吸附241Am的行为进行了描述。3)首次用固定化的啤酒酵母和少根根霉对火灾报警源的生产与回收过程中产生的241Am废液进行了实际处理研究。4)首次开展了啤酒酵母或少根根霉吸附241Am的机理研究。其中，首次考察了吸附过程中溶液pH的变化、微生物培养时间对吸附241Am的影响、微生物不同部位对241Am的吸附性能、化学预处理等对微生物吸附241Am的影响，并首次用背散射分析（RBS）等对吸附前后的微生物进行了分析测量。5)首次提出了微生物吸附241Am的机理。认为：微生物吸附241Am的行为是一个比较复杂的生物吸附过程，主要涉及241Am与H+、Ca2+等的离子交换、与几丁质基团、蛋白质基团或羧基的络合作用以及在细胞壁的静电吸附，并且存在其它机理的可能。通过本论文的研究，不仅为241Am中低放废液的处理、特别是241Am火灾报警源的生产与回收过程中产生的废液的处理提供新了一条新的思路与途径，也对微生物吸附241Am的行为和机理有了比较全面、深入的了解，同时为进一步开展241Am在微生物存在下、特别是在处置环境中的化学及迁移行为研究奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 微生物及其特性
• 1.2 微生物对金属的吸附行为及机理
• 1.2.1 概况
• 1.2.2 吸附机理
• 1.2.3 影响吸附的主要因素
• 1.2.4 金属离子的吸附平衡模式
• 1.3 放射性核素的生物吸附研究
• 1.3.1 天然放射性核素的生物吸附
• 1.3.2 人工放射性核素的微生物吸附与相互作用
• 1.4 本文研究设想
• 241Am的吸附行为'>2 游离微生物对²⁴¹Am的吸附行为
• 2.1 试剂与仪器
• 2.2 实验方法
• 2.2.1 微生物种类及培养
• 2.2.2 吸附试验
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 微生物的选择
• 241Am的吸附行为'>2.3.2 几种微生物对²⁴¹Am的吸附行为
• 2.4 小结
• 241Am的研究'>3 固定化微生物吸附²⁴¹Am的研究
• 3.1 试剂与仪器
• 3.2 实验方法
• 3.2.1 微生物的培养
• 3.2.2 微生物的固定化
• 3.2.3 吸附试验
• 3.2.4 吸附率（R）和吸附量（W）的计算
• 3.2.5 对实际废液的处理
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 固定化载体的选择
• 241Am的吸附'>3.3.2 固定化啤酒酵母对²⁴¹Am的吸附
• 241Am的吸附'>3.3.3 固定化少根根霉对²⁴¹Am的吸附
• 3.4 小结
• 241Am机理的初步研究'>4 微生物吸附²⁴¹Am机理的初步研究
• 4.1 试剂与仪器
• 4.2 实验方法
• 4.2.1 微生物培养
• 4.2.2 微生物的预处理
• 4.2.3 吸附试验
• 241Am的模拟研究'>4.2.4 用Eu、Nd替代²⁴¹Am的模拟研究
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 啤酒酵母
• 4.3.2 少根根霉
• 4.4 小结
• 5 主要结论、创新点及后续工作
• 5.1 主要结论
• 5.2 论文的主要创新点
• 5.3 后续研究工作
• 参考文献
• 作者在读期间科研成果简介
• 致谢