微生物吸附放射性核素的研究进展

曹栩菡,黄小军,杨方文,蒋开勇,杨　迅,张华芳

(1 四川化工职业技术学院，四川　泸州　646000；2 国家酒类及加工食品质量监督检验中心，四川　泸州　646000)



微生物吸附放射性核素的研究进展

曹栩菡1,黄小军2,杨方文1,蒋开勇1,杨迅1,张华芳1

(1 四川化工职业技术学院，四川泸州646000；2 国家酒类及加工食品质量监督检验中心，四川泸州646000)

全球核能应用产生的大量废弃放射性核素的累积急待解决，生物吸附法以其原料来源丰富，成本低，无二次污染成为处理该类污染的优选方法。本文综述了生物吸附应用于放射性核素污染处理的研究进展，从微生物的吸附能力，吸附机理，影响因素，吸附剂的再生和吸附模型进行探讨，并对其未来的研究方向进行展望。

微生物；生物吸附；放射性核素；吸附机理

核能作为新能源得到了广泛的开发和使用，伴随着大量的放射性废弃物的产生，其中放射性核素不可避免的进入环境水体，这些核素进入环境后，对人类健康构成了极大威胁。如何有效地处理放射性核素造成的污染备受关注。用于处理放射性核素污染的传统方法有物理方法和化学方法如沸石吸附、离子交换、溶剂萃、反渗透等。由于这些方法存在成本高、易造成二次污染，学者们一直致力于寻找更高效、经济的解决核素污染的处理方法。

微生物富集金属早被广泛应用于湿法冶金工业，利用微生物的生物吸附作用来处理低放废物中放射性核素则是新兴的绿色环保的治理放射性废弃物污染的方法。生物吸附是指经过生物化学作用使重金属离子被生物细胞吸附的现象。生物吸附具有处理效率高、运行费用低、能有效回收金属、吸附剂易再生等优点，对处理低浓度铀废水特别有效[1]，因此它在去除低放废物中的放射性核素具有广阔的发展前景。本文从微生物对核素的吸附能力，吸附机理，影响因素，吸附剂的再生和吸附模型方面对生物吸附这种方法进行了概述。

1　微生物对核素的吸附能力

1991年Nature杂志公布了美国学者Lovely等[2]关于微生物还原U(VI)的研究结果，首次揭示了某些细菌能将U(VI)还原为U(IV)，由此开创了研究微生物与放射性核素作用的时代。目前，发现与核素富集作用有密切关系的微生物已有数十种，包括细菌、放线菌、真菌和藻类等。从表1可以看出微生物对核素的吸附能力为细菌>放线菌>真菌>藻类。

表1　微生物对放射性核素的吸附能力

2　生物吸附的影响因素

生物吸附核素是一个复杂的过程，受多种因素的影响，以下就pH、吸附温度和共存离子对吸附的影响介绍。

2.1溶液的pH值

pH是影响吸附的一个十分重要的因素，适当的pH范围内，吸附能取得较好的效果。pH过低，溶液中水合氢离子会与金属离子竞争吸附活性位点，pH过高，会形成氧化物沉淀[16]。一般来说微生物对核素的吸附量随pH升高而增大，但两者之间并不呈简单的线性关系，存在最佳pH范围。

2.2吸附温度

吸附温度主要通过影响生物吸附剂的生理代谢活动、基团吸附热动力等困素，进而影响吸附效果。孟令芝等[17]在不同温度下进行Hg2+的吸附实验，结果表明吸附去除率随温度的升高而增加，25℃与45℃的去除率分别为35%、80%，这与吸附热动力有关；杨智宽等[18]对Cd2+的吸附研究显示，温度在20℃ 左右时去除率最高，随着温度的升高镉的去除率有所降低，主要是在高温环境下，吸附沉淀物会部分溶解。

2.3共存离子的影响

溶液中存在的某些共存金属会与主要金属离子竞争吸附位点，从而抑制金属离子的吸收，且共存金属离子与微生物的结合力越强，其阻止吸附剂吸附核素主要金属离子的能力就越大。其中铁、铜离子和碳酸根等对微生物吸附核素的影响较大[8,19]。

3　生物吸附机理

微生物对金属离子的吸附过程一般包括胞外结合与运输到胞内两个阶段。前者是一个快速过程，不需要消耗能量，称为被动吸附；后者进行得较为缓慢，依赖于能量及代谢系统的调控，称为主动吸收[20-21]。

3.1细胞外富集及沉淀

某些微生物在代谢过程中可以分泌一些具有络合或沉淀金属离子的胞外多糖，如一些白腐真菌可以分泌柠檬酸(金属螯合剂)或草酸(与金属形成草酸盐沉淀)[21]。Lester[22]综述了活性污泥和细菌产生的胞外多糖在金属分离中的作用。不同微生物产生的胞外多糖组成不一样，从而不同微生物类型结合金属的性质也不一样。通过细胞外吸附富集金属离子只适用于溶液中金属浓度很低时才是可行的。

3.2细胞表面的吸附及沉淀

微生物的细胞壁组分(蛋白质、多糖、脂类等)中含有很多的羧基、酰胺基、硫酸酯基、氨基、巯基等基团，当金属离子通过细胞表面时与上述基团发生相互作用，吸附到细胞表面，根据现有的研究研究成果该过程的吸附机理可归纳为表面络合、静电吸附、无机微沉淀、离子交换和氧化还原等。对于不同的吸附体系，其吸附机理各有特点，且在一个吸附体系中，可能几种机理同时存在，如：表面络合机理[23]，氧化还原机理[24-25]，无机微沉淀机理[19]，离子交换机理[26]。

3.3细胞内富集及沉淀

活性微生物细胞对核素及重金属离子的吸附与细胞中存在的某些酶的活性有关。Volesky等[27]用活性啤酒酵母菌(Saccharomyccs ccrevisiae)吸附Cd2+，通过能谱仪分析得知，Cd2+是以磷酸盐的形式沉淀，且酵母细胞的细胞壁上没有镉的磷酸盐沉淀物，而细胞内的液泡中有大量的镉沉淀物。他认为细胞中磷酸酶将Cd2+运输进入了细胞。Blackwell等[28]也报道了啤酒酵母内积累的Sr2+、Mn2+、Zn2+分别有70%、90%、60%在液泡内，其余的存在于细胞质或细胞膜上，液泡是胞内金属离子积累的主要场所。

4　生物吸附剂的再生

生物吸附剂能否再生利用，对于其应用非常重要。解吸剂的选取非常重要，一般要求解吸剂解吸速度快、效率高，解析后不影响吸附剂的质量和吸附能力，便宜。常用的解吸剂主要有金属盐、强酸和络合剂三类。由于表面吸附是可逆的，从理论上讲，通过降低溶液的pH便可解吸细胞上吸附的金属离子。金属盐则是利用解吸液中大量的重金属离子竞争吸附位点，从而把被吸附的重金属离子从吸附剂上洗脱下来。Sar等[5]用0.01 mol/L的碳酸钠溶液对铜绿假单胞菌吸附铀、钍实验进行解析，吸附周期4次，解析率达92%、对菌体无损伤。络合剂如EDTA等则是通过对重金属离子的络合作用进行解析。徐容等[29]利用EDTA洗脱吸附饱和后的产黄青霉，解吸率达94%，解吸后吸附剂可重复投入使用。

5　吸附平衡模型

在生物吸附过程中，细胞上被吸附的核素与溶液中的核素离子快速形成平衡，这种平衡可以用吸附等温线来描述。表2列出了应用最为广泛的四种等温吸附模型。

表2　常用的单组分等温吸附模型

注：qm为最大吸附量(mg/g)；q为吸附量(mg/g)；Ce为吸附平衡时溶液中的金属离子浓度(mg/L)；a，b，A，B，K为相关的常数。

Langmuir模型和Freundlich模型是描述单组分生物吸附平衡的经典模型，大量文献[8-9,30-34]用以描述生物吸附金属离子行为都取得了较好的效果。

Temkin方程是在化学吸附的基础上推导出来的一个理论公式，其表达式简单，适用于短时间可达吸附平衡的单组分物质的吸附。Redlich-Peterson方程是结合了Langmuir模型和Freundlich模型而提出的较为合理的经验方程，克服了Langmuir模型受高浓度限制和Freundlich模型受低浓度限制的缺点。

除上述四种吸附模型，用于描述吸附行为的吸附模型还有许多，但这些模型在解释吸附机理方面吸附参数需要通过实验得到。因此，非常有必要建立一个有实际物理意义的吸附模型，其中研究较多的有表面络合模型和离子交换模型。关于生物吸附的动力学模型也有过不少报道[35-37]，其中，最常用的动力学模型有准一级反应动力学模型和准二级反应动力学模型。总之，关于吸附模型的研究还还不够成熟，还需要进一步深入研究。

6　结　语

生物吸附法由于其独特的优点，近年来在矿物资源回收利用、处理低放废物中放射性核素等领域得到了国内外学者的广泛关注。但我国还仅停留在对吸附基本规律的研究上[38]。可以从以下几个方面开展研究：

(1)寻找和筛选对放射性核素具有抗辐射高富集的菌类，利用基因工程的定向技术改变优势菌类基因结构，提高其对放射性核素的选择性、亲和力和吸收能力，将耐辐射的外源基因导入能富集铀的受体细胞中，培养并构建抗辐射超富集的工程菌。

(2)深入研究放射性核素-微生物的作用机理，热力学、动力学的进一步探讨和基因工程技术的应用[39]。

(3)进而利用培养出的抗辐射超富集的工程菌对低放废物中的放射性核素进行实际处理研究，以达到对低放废物的处理要求。

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Review on Biosorption of Radionuclide by Microorganism

CAO Xu-han1,HUANG Xiao-jun2,YANG Fang-wen1,JIANG Kai-yong1,YANG Xun1,ZHANG Hua-fang1

(1 Sichuan Vocational College of Chemical Technology,Sichuan Luzhou 646000; 2 China National Quality Supervision and Inspection Centre for Alcoholic Beverage Products and Processed Food,Sichuan Luzhou 646000,China)

Radionuclides pollution has become more and more serious environmental problems today,it needs to be resolved immediately.The recent progress in the field of radioactive waste treatment by means of microorganism was reviewed,which was considered to be an efficient method with low cost and no second pollution.The biosorption capacity of radionuclide by different kids of microbe,mechanisms of biosorption,the influential factors,the regeneration of adsorbent and the biosorption equilibrium isotherm models was analyzed.The biosorption largely depended on parameters such as pH,culture conditions,competitive metal ions in solution and temperature.In addition,the structure of cells,such as active groups on the cell wall and intracellular groups,can also play an important role in the biosorption process.The biosorption capacities of radionuclide by bacteria,actinomycete,fungi and algae were decreased progressively in turn.The biosorption mechanism can separate into two parts.One was extracellular accumulation with high speed,the other was cell surface sorption and intracellular accumulation with low speed.It was considered that the main mechanisms of the biosorption were attributed to the electrostatic sorption,surface complexation,redox,abio-micro-precipitation and enzymatic catalysis,etc.The equilibrium and kinetic models of biosorption systems were also introduced.The commonly used single-component adsorption models have been limited in this paper.In most cases,classic Langmiur model and Freundlich model were widely used to describe single metal biosorption system of equilibrium.And the forecast of the future research direction of biosorption of radionuclides was carried on.

microorganism; biosorption; radionuclides; absorption mechanism

曹栩菡(1987-)，女，硕士，助教。

X591

A

1001-9677(2016)011-0044-04