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《电子科技大学》 2011年
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微生物与锶铀相互作用及其机理研究

刘明学  
【摘要】:放射性废物处理是一个世界难题。生物吸附是近年来受到越来越多关注的一种高效低成本废物处理方法;但培养条件微生物与核素相互作用及其机理研究很少。本研究从微生物的筛选驯化着手,系统研究了培养条件下微生物对锶铀的吸附富集、相互作用机理和细胞耐受机制。具体研究结果如下: (1)通过脉冲X-射线辐照和胁迫诱导驯化了8株高耐锶酵母菌株,系统研究了在培养条件下微生物与锶铀的相互作用。研究结果表明酵母菌细胞能耐受高剂量脉冲X射线的辐照,驯化后对锶铀表现出很高的耐受能力,只有当锶铀离子浓度超过500 mg/L时才表现出明显的生长抑制。筛选微生物对锶铀的吸附率达90%。细胞对锶的主要吸附部位为细胞壁,占生物积累量的90%左右;胞内富集量约为10%。在培养条件下,高浓度锶铀离子部分与培养基成分形成沉淀,造成表观吸附量增大。湿法灰化获得的细胞壁吸附量可用于吸附平衡和吸附动力学拟合。在胞内富集分析基础上提出了一种新的细胞富集动力学模型。 (2)模拟中低放废液对筛选的四种微生物毒性较低,在短时间内对细胞的抑制作用较小。四种微生物对模拟中低放废液中锶离子具有较高的选择性吸附能力,最高吸附率可达90%以上。但四种微生物对模拟废液中吸附量最大的是离子浓度较高的铁、镍、铬等离子。利用湿法灰化分析表明模拟废液中锶离子在细胞壁上吸附量占生物积累量的90%,胞内富集占10%左右。吸附平衡满足等温方程,吸附动力学符合准二级动力学方程,胞内富集动力学在中高浓度时拟合较好。 (3)海藻酸钙固定化酵母菌对低浓度锶离子的吸附率可达80%。固定化酵母菌颗粒填充柱对锶离子的静态吸附研究表明,填充柱具有较高的吸附容量,吸附平衡时平均吸附率88%左右;动态吸附实验表明固定化酵母菌颗粒填充柱在不同锶离子起始离子浓度下都具有很高的吸附率、较高的稳定性与操作重现性。 (4)介观分析表明,锶铀与微生物细胞相互作用中首先吸附在细胞壁上,然后通过跨膜转运进入细胞质内,储存在细胞的液泡等处。原子力显微镜结果表明锶离子在与细胞表面相互作用中会形成纳米级的矿化颗粒,能谱分析表明其为SrCO_3等含锶矿物。而模拟废液在细胞表面会形成一层沉积物,覆盖整个细胞表面,并影响细胞的通透性。 (5)理化分析和红外分析表明酵母菌细胞表面活性基团在吸附锶铀离子中氨基、羧基贡献最大。在培养条件下,细胞表面的酰胺基团、羟基、氨基、磷酸基等是主要的活性基团。锶铀与细胞表面活性基团的O、N、P等形成配位络合物。XPS结果表明在吸附过程中存在离子交换。在高浓度下,一部分锶铀与溶液中的阴离子形成化合物沉淀下来,而另一部分通过与细胞表面活性基团通过配位、络合等吸附在细胞表面。 (6)培养基成分对锶的吸附富集有重要影响。当锶离子浓度过高时,培养基中的硫酸根、磷酸根、碳酸根等可与锶离子作用形成沉淀,降低溶液中锶的浓度,从而避免对微生物的离子浓度胁迫。同时,细胞也在此过程中起一定作用。因此提出生物沉淀或生物矿化是细胞在培养条件下的一种耐受机制。 (7)通过减容比、减重比分析表明,培养条件下微生物对核素的吸附富集与离心、灰化一起可获得巨大的减容比。基于这样的变化过程,本研究提出培养条件下微生物对核素的减容技术路线为:培养条件下微生物的吸附富集—离心—灰化。 本研究结果表明培养条件下微生物吸附富集是放射性废物处理的一种有效快速减容方法。但培养条件下微生物与核素相互作用是一个复杂体系,涉及离子交换、胞外配位络合吸附、胞内富集、生物矿化及与培养基成分作用等相互作用过程。
【学位授予单位】:电子科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:X703

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【引证文献】
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