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摘要：本研究以希瓦氏菌为研究对象，采用批次吸附实验提取的方法，研究了不同胁迫条件下铀对微生物吸附的影响，实验结果表明：铀被细菌吸附后主要分布在细胞壁和胞内的可溶性组分中，分别为45.4%-63.5%和25.4%-36.2%。细胞器和其他组分中分别为0.1%-1.2%。随着pH的增加，铀在细菌体的细胞壁组分和可溶性组分中分布增多，随着初始铀浓度的增加，铀在细菌体内的细胞壁组分和可溶性组分中分布逐渐增多。
关键词：铀；希瓦氏菌；吸附
近年来，由于铀矿的大量开采和生产以及工业废水的不合理排放，导致很多的含铀低放废液进入到环境中。其中有很多都是带有放射性的核素废液，虽然国家对于放射性的废水有严格的控制和管理，但是由于大多数含铀低浓度的放射性废水中的放射性核素半衰期较长且不容易治理，毒性较高，很容易受到人们的忽略。铀是生物毒性最强的放射性核素之一，它在土壤中的迁移能力较强，微生物可利用性较高，其对作物的毒害不仅使农产品产量下降，还容易累积在可食部分，从而进入食物链，对人类的健康构成潜在威胁。废水中的含铀放射性核素主要通过地表径流和地下迁移、渗透而进入土壤和水体的铀污染问题对人类健康、自然环境和农作物造成潜在的威胁。如果不及时对渗流的放射性废液进行处理或处理不当，放射性渗出液将会污染地下水资源及破坏土中原有生物环境，并且含铀废水会沿食物链或食物网被生物吸收、蓄积，最终造成人体积累和慢性中毒，对人体造成损伤甚至死亡.微生物体内的放射性核素以多重结合形态存在，不同微生物在不同的pH和不同浓度的含铀溶液胁迫下，其形态分布特征不同，且微生物体对放射性核素的吸附与其毒性程度有密切联系。因而，研究微生物对放射性核素的吸附影响对揭示放射性物质对微生物毒性程度有本质的重要意义。
一、初始浓度对希瓦氏菌吸附铀的影响
在初始铀浓度为10mgU/L时，希瓦氏菌对铀有较好地吸附效果，吸附率在80%-90%之间.与高浓度铀溶液相比，相同接菌量的微生物在低浓度的铀溶液中，吸附位点相对充足，UO22+能与微生物细胞表面充分接触，吸附率较高，当C0=10mgU/L 时，希瓦氏菌表现最佳吸附能力，吸附率达94.0%，随着溶液初始铀浓度的增加，微生物对铀的吸附率整体下降，吸附量逐渐增高，当C0≥200mgU/L后，希瓦氏菌的吸附量趋于平衡，这可能是由于细胞壁上的吸附位点是有限的，当吸附达到平衡时，吸附位点达到饱和，此时铀的初始浓度再提高，吸附量基本接近稳定；希瓦氏菌在本实验中设置的最高铀浓度时获得最大吸附量，最高达325.5mgU/g，260.3mgU/g.从对铀的吸附率和吸附量来看，总体表现为希瓦氏菌对铀的吸附效果好。
二、初始pH对希瓦氏菌吸附铀的影响
溶液pH值通过改变微生物表面电位电荷分布、结合位点以及溶液中铀酰离子的络合形态，从而影响微生物对溶液中铀的吸附行为[1]马佳林等认为在强酸性溶液中，铀主要以UO22+形式存在，当pH>4时，UO22+逐渐水解，溶液中出现一定量的（UO2）2（OH）22+、UO2OH+络合阳离子.当pH值接近6时，溶液中UO22+则主要以（UO2）2CO3（OH）3-等络阴离子形式存在，本实验中当pH值在3.0-8.0时，随着溶液pH值不断升高，希瓦氏菌对铀的吸附量逐渐增加，在pH=6.0时吸附量为240.7mgU/g，希瓦氏菌在pH=5.0时吸附量为43.6mgU/g.结合扫描电镜结果可以推断，在初始浓度为100mgU/L的条件下，希瓦氏菌细胞受到严重损伤，在作用24h时细胞处于死亡状态，因此希瓦氏菌与铀的作用过程可以看作是生物吸附剂对铀的吸附.生物吸附剂对溶液中离子吸附的最佳pH值通常是由吸附剂表面的等电点（pK=3-5）决定[3]，当溶液pH值超过等电点的pH值时，铀酰络阴离子与吸附剂表面的负电荷产生静电斥力，在本研究中表现为希瓦氏菌在pH=6时吸附能力下降，有研究表明，希瓦氏菌细胞在大于100mgU/L的条件下仍能很好地存活.推断该类吸附行为是以依賴代谢的生物吸附为主的过程，在越适宜生存的pH值条件下，对溶液中的铀酰离子吸附作用越有利。
三、等温吸附的相关参数
Langmuir吸附等温线假设吸附剂对金属离子的吸附为均一的单分子层吸附，且被吸附的离子间无相互作用.Freundlich吸附等温线假设吸附剂对金属离子的吸附为非均一的多分子层吸附，被吸附的离子的量随着溶液浓度的增加而增大.本实验采用Langmuir和Freundlich两种吸附等温模型来对希瓦氏菌在不同U（Ⅵ）浓度下的希瓦氏菌对铀的吸附行为研究。等温吸附过程进行拟合的相关参数见表3-1.由拟合结果可知Langmuir模型能较好地描述希瓦氏菌对铀的吸附过程，R2为0.989，拟合所得的希瓦氏菌的最大吸附量分别为334.7mgU/g与实验所得的最大吸附量325.5mgU/g，吻合较好，表明希瓦氏菌吸附过程表现为单层吸附，1/n=0.287小于0.5，表明吸附容易自发进行。
四、结论
本研究通过静态吸附实验，研究不同铀浓度和pH条件下铀在希瓦氏菌中对放射性核素铀的的富集特征，并通过对各实验数据和相关表征方法，探索微生物对铀的吸附机理和赋存状态，实验主要结论如下：微生物在吸附铀过后，主要存在于细胞壁中，约占45.6%-63.5%其次存在于可溶性组分中约占26.3%-35.6%，其他细胞器组分中铀浓度很小，说明细胞壁固定和液泡隔离是微生物耐受高浓度胁迫的主要解毒机制，细胞壁是主要结合位点，具有隔离作用，保护了微生物其他重要细胞器。少部分铀融入到可溶性组分中，其他细胞器组分中铀的含量相对较少，且随着浓度的增加希瓦氏菌在浓度为10mg/L-100mg/L时，细胞壁组分和可溶性组分中随着浓度的增加铀的含量逐渐增加，而后趋于平稳，在pH为3-5时菌体中细胞壁组分和可溶性组分中铀的含量随着pH的升高而增加，pH为5-8时各组分中铀的含量下降。
参考文献：
[1]马佳林，聂小琴，董发勤，代群威，张东，杨杰，周娴，黄荣，龚俊源，龚运军.三种微生物对铀的吸附行为研究[J].中国环境科学，2015，（03）：825-832
[2]胡新将.生物吸附剂和改性壳聚糖磁性微球对金属离子的吸附性能研究[D].湖南大学，2011.
[3]刘芸.土壤微生物的筛分及对铀的吸附行为研究[A].中国核学会核化学与放射化学分会、中国化学会核化学与放射化学分会.第九届全国核化学与放射化学学术研讨会论文摘要集[C].中国核学会核化学与放射化学分会、中国化学会核化学与放射化学分会：，2010：1.
[4]胡恋.枯草芽孢杆菌对低浓度含铀废水中铀的吸附试验研究[D].南华大学，2008.
[5]胡恋，谢水波，张晓健，李仕友.微生物吸附处理低浓度含铀废水的效能[J].安全与环境学报，2007，（02）：57-60.
关键词：铀；希瓦氏菌；吸附
近年来，由于铀矿的大量开采和生产以及工业废水的不合理排放，导致很多的含铀低放废液进入到环境中。其中有很多都是带有放射性的核素废液，虽然国家对于放射性的废水有严格的控制和管理，但是由于大多数含铀低浓度的放射性废水中的放射性核素半衰期较长且不容易治理，毒性较高，很容易受到人们的忽略。铀是生物毒性最强的放射性核素之一，它在土壤中的迁移能力较强，微生物可利用性较高，其对作物的毒害不仅使农产品产量下降，还容易累积在可食部分，从而进入食物链，对人类的健康构成潜在威胁。废水中的含铀放射性核素主要通过地表径流和地下迁移、渗透而进入土壤和水体的铀污染问题对人类健康、自然环境和农作物造成潜在的威胁。如果不及时对渗流的放射性废液进行处理或处理不当，放射性渗出液将会污染地下水资源及破坏土中原有生物环境，并且含铀废水会沿食物链或食物网被生物吸收、蓄积，最终造成人体积累和慢性中毒，对人体造成损伤甚至死亡.微生物体内的放射性核素以多重结合形态存在，不同微生物在不同的pH和不同浓度的含铀溶液胁迫下，其形态分布特征不同，且微生物体对放射性核素的吸附与其毒性程度有密切联系。因而，研究微生物对放射性核素的吸附影响对揭示放射性物质对微生物毒性程度有本质的重要意义。
一、初始浓度对希瓦氏菌吸附铀的影响
在初始铀浓度为10mgU/L时，希瓦氏菌对铀有较好地吸附效果，吸附率在80%-90%之间.与高浓度铀溶液相比，相同接菌量的微生物在低浓度的铀溶液中，吸附位点相对充足，UO22+能与微生物细胞表面充分接触，吸附率较高，当C0=10mgU/L 时，希瓦氏菌表现最佳吸附能力，吸附率达94.0%，随着溶液初始铀浓度的增加，微生物对铀的吸附率整体下降，吸附量逐渐增高，当C0≥200mgU/L后，希瓦氏菌的吸附量趋于平衡，这可能是由于细胞壁上的吸附位点是有限的，当吸附达到平衡时，吸附位点达到饱和，此时铀的初始浓度再提高，吸附量基本接近稳定；希瓦氏菌在本实验中设置的最高铀浓度时获得最大吸附量，最高达325.5mgU/g，260.3mgU/g.从对铀的吸附率和吸附量来看，总体表现为希瓦氏菌对铀的吸附效果好。
二、初始pH对希瓦氏菌吸附铀的影响
溶液pH值通过改变微生物表面电位电荷分布、结合位点以及溶液中铀酰离子的络合形态，从而影响微生物对溶液中铀的吸附行为[1]马佳林等认为在强酸性溶液中，铀主要以UO22+形式存在，当pH>4时，UO22+逐渐水解，溶液中出现一定量的（UO2）2（OH）22+、UO2OH+络合阳离子.当pH值接近6时，溶液中UO22+则主要以（UO2）2CO3（OH）3-等络阴离子形式存在，本实验中当pH值在3.0-8.0时，随着溶液pH值不断升高，希瓦氏菌对铀的吸附量逐渐增加，在pH=6.0时吸附量为240.7mgU/g，希瓦氏菌在pH=5.0时吸附量为43.6mgU/g.结合扫描电镜结果可以推断，在初始浓度为100mgU/L的条件下，希瓦氏菌细胞受到严重损伤，在作用24h时细胞处于死亡状态，因此希瓦氏菌与铀的作用过程可以看作是生物吸附剂对铀的吸附.生物吸附剂对溶液中离子吸附的最佳pH值通常是由吸附剂表面的等电点（pK=3-5）决定[3]，当溶液pH值超过等电点的pH值时，铀酰络阴离子与吸附剂表面的负电荷产生静电斥力，在本研究中表现为希瓦氏菌在pH=6时吸附能力下降，有研究表明，希瓦氏菌细胞在大于100mgU/L的条件下仍能很好地存活.推断该类吸附行为是以依賴代谢的生物吸附为主的过程，在越适宜生存的pH值条件下，对溶液中的铀酰离子吸附作用越有利。
三、等温吸附的相关参数
Langmuir吸附等温线假设吸附剂对金属离子的吸附为均一的单分子层吸附，且被吸附的离子间无相互作用.Freundlich吸附等温线假设吸附剂对金属离子的吸附为非均一的多分子层吸附，被吸附的离子的量随着溶液浓度的增加而增大.本实验采用Langmuir和Freundlich两种吸附等温模型来对希瓦氏菌在不同U（Ⅵ）浓度下的希瓦氏菌对铀的吸附行为研究。等温吸附过程进行拟合的相关参数见表3-1.由拟合结果可知Langmuir模型能较好地描述希瓦氏菌对铀的吸附过程，R2为0.989，拟合所得的希瓦氏菌的最大吸附量分别为334.7mgU/g与实验所得的最大吸附量325.5mgU/g，吻合较好，表明希瓦氏菌吸附过程表现为单层吸附，1/n=0.287小于0.5，表明吸附容易自发进行。
四、结论
本研究通过静态吸附实验，研究不同铀浓度和pH条件下铀在希瓦氏菌中对放射性核素铀的的富集特征，并通过对各实验数据和相关表征方法，探索微生物对铀的吸附机理和赋存状态，实验主要结论如下：微生物在吸附铀过后，主要存在于细胞壁中，约占45.6%-63.5%其次存在于可溶性组分中约占26.3%-35.6%，其他细胞器组分中铀浓度很小，说明细胞壁固定和液泡隔离是微生物耐受高浓度胁迫的主要解毒机制，细胞壁是主要结合位点，具有隔离作用，保护了微生物其他重要细胞器。少部分铀融入到可溶性组分中，其他细胞器组分中铀的含量相对较少，且随着浓度的增加希瓦氏菌在浓度为10mg/L-100mg/L时，细胞壁组分和可溶性组分中随着浓度的增加铀的含量逐渐增加，而后趋于平稳，在pH为3-5时菌体中细胞壁组分和可溶性组分中铀的含量随着pH的升高而增加，pH为5-8时各组分中铀的含量下降。
参考文献：
[1]马佳林，聂小琴，董发勤，代群威，张东，杨杰，周娴，黄荣，龚俊源，龚运军.三种微生物对铀的吸附行为研究[J].中国环境科学，2015，（03）：825-832
[2]胡新将.生物吸附剂和改性壳聚糖磁性微球对金属离子的吸附性能研究[D].湖南大学，2011.
[3]刘芸.土壤微生物的筛分及对铀的吸附行为研究[A].中国核学会核化学与放射化学分会、中国化学会核化学与放射化学分会.第九届全国核化学与放射化学学术研讨会论文摘要集[C].中国核学会核化学与放射化学分会、中国化学会核化学与放射化学分会：，2010：1.
[4]胡恋.枯草芽孢杆菌对低浓度含铀废水中铀的吸附试验研究[D].南华大学，2008.
[5]胡恋，谢水波，张晓健，李仕友.微生物吸附处理低浓度含铀废水的效能[J].安全与环境学报，2007，（02）：57-60.