微生物与锶铀相互作用及其机理研究

发布时间：2020-11-12 21:16

　　 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。
【学位单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2011
【中图分类】：X703
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
    1.1 研究背景
    1.2 国内外研究现状及分析
        1.2.1 放射环境下的微生物
        1.2.2 微生物吸附富集核素的研究
        1.2.3 固定化微生物对核素的吸附
        1.2.4 微生物对核素的氧化还原及原位固定
        1.2.5 微生物与放射性核素相互作用机理研究
        1.2.6 减量化
        1.2.7 “死/活”之争
    1.3 本论文的主要内容与创新点
    1.4 学位论文的组织
第二章 微生物筛选驯化与对锶的吸附富集研究
    2.1 实验菌株和培养基
        2.1.1 实验菌株
        2.1.2 培养基配方
        2.1.3 电子束（脉冲X 射线）辐射选育耐辐射酵母菌
        2.1.4 梯度胁迫诱导驯化
        2.1.5 锶对酵母菌毒性实验
        2.1.6 酵母菌对锶的吸附实验方法
        2.1.7 数据处理
        2.1.8 扫描电镜样品制备
        2.1.9 红外光谱样品制备
        2.1.10 测定锶在菌体不同部位含量分布方法
        2.1.11 正交设计测定影响锶吸附的因素
        2.1.12 复合菌群实验菌株与对锶吸附实验方法
    2.2 实验结果与分析
        2.2.1 不同剂量电子束（脉冲X 射线）辐射酵母菌后的电镜照片及分析
        2.2.2 酵母菌的驯化及分析
        2.2.3 脉冲X 射线辐照、梯度胁迫诱导驯化后酵母菌的红外特征分析
        2.2.4 脉冲X 射线辐照、梯度胁迫诱导驯化后酵母菌的生长特性分析
        2.2.5 筛选酵母菌对不同浓度锶离子的吸附率与吸附量研究
        2.2.6 酵母细胞对锶离子吸附富集研究
        2.2.7 酵母细胞对锶离子吸附平衡模型研究
        2.2.8 酵母细胞对锶离子吸附动力学研究
        2.2.9 酵母细胞对锶离子积累动力学研究
        2.2.10 筛选酵母菌对极低浓度锶离子的吸附率研究
        2.2.11 正交设计实验结果
        2.2.12 单一和复合菌群对锶的吸附研究
    2.3 讨论
    2.4 本章小结
第三章 培养条件下微生物对铀的吸附研究
    3.1 实验材料和方法
        3.1.1 实验菌株与试剂
        3.1.2 生长曲线的测定和毒性实验
        3.1.3 微生物对铀的吸附实验
        3.1.4 偶氮胂Ⅲ分光光度法测定铀的含量
        3.1.5 数据处理
    3.2 结果与分析
        3.2.1 酵母菌吸附铀的结果与分析
        3.2.2 耐辐射奇球菌对铀的吸附研究
        3.2.3 蜡状芽孢杆菌吸附铀结果与分析
        3.2.4 耐辐射奇球菌和蜡状芽孢杆菌吸附铀的等温平衡曲线与吸附动力学
    3.3 讨论
    3.4 本章小结
第四章 微生物对模拟中低放废液中锶的吸附与富集研究
    4.1 材料与方法
        4.1.1 实验菌种
        4.1.2 栅藻培养方法
        4.1.3 模拟中低放废液配制
        4.1.4 培养条件下微生物对模拟中低放废中锶离子的吸附实验和数据处理方法
    4.2 实验结果与分析
        4.2.1 酵母菌对模拟废液中锶的吸附与富集研究
        4.2.2 耐辐射奇球菌对模拟废液中锶的吸附率
        4.2.3 蜡状芽孢杆菌对模拟废液中锶的吸附率
        4.2.4 栅藻对模拟废液中锶的吸附与富集研究
    4.3 讨论
    4.4 本章小结
第五章 固定化微生物对核素的吸附研究
    5.1 材料与方法
        5.1.1 实验菌种与试剂
        5.1.2 活菌体的制备
        5.1.3 酵母菌固定化方法
        5.1.4 酵母菌固定化颗粒表征
        5.1.5 酵母菌固定化对简单溶液中锶的吸附实验方法
        5.1.6 固定化酵母菌对模拟废液中锶的吸附研究
        5.1.7 锶含量测定和数据处理
        5.1.8 电镜样品制备
        5.1.9 酵母菌固定化颗粒填充柱的制备
        5.1.10 对锶离子的吸附、洗脱与柱复性
        5.1.11 锶离子浓度测量与数据处理
    5.2 实验结果与分析
        5.2.1 海藻酸钙固定化酵母菌颗粒特征
        5.2.2 海藻酸钙固定化酵母菌颗粒对简单溶液中锶离子的吸附
        5.2.3 固定化酵母菌颗粒对模拟废液中锶离子的吸附分析
        5.2.4 吸附平衡等温模型和吸附动力学
        5.2.5 海藻酸钙固定化酵母菌颗粒填充柱对锶的吸附特性
        5.2.6 海藻酸钙固定化酵母菌颗粒填充柱对锶的吸附、解吸与柱再生
        5.2.7 解吸液HCL 溶液的浓度对解吸率的影响
        5.2.8 解吸复性剂的选择
        5.2.9 固定化酵母菌颗粒填充柱对模拟废液中锶离子的吸附
    5.3 讨论
    5.4 本章小结
第六章 锶铀与微生物相互作用的介观研究
    6.1 材料与方法
        6.1.1 菌株与试剂
        6.1.2 实验设置
        6.1.3 电镜样品制样与观察
        6.1.4 AFM 样品制片
        6.1.5 铀与酵母菌表面相互作用实验设置
    6.2 结果与分析
        6.2.1 锶离子与酵母菌细胞表面相互作用扫描电镜结果与分析
        6.2.2 锶离子与酵母菌细胞表面相互作用AFM 结果与分析
        6.2.3 锶离子与酵母菌细胞相互作用的TEM 结果与分析
        6.2.4 模拟废液与酵母菌细胞相互作用的SEM 结果与分析
        6.2.5 模拟废液与酵母菌细胞相互作用后元素含量的ICP-AES 结果与分析
        6.2.6 模拟废液与酵母菌细胞相互作用后的TEM 结果与分析
        6.2.7 酵母菌对模拟废液锶吸附后的AFM 结果与分析
        6.2.8 栅藻对锶吸附后的AFM 结果与分析
        6.2.9 铀与酵母菌作用的SEM 结果与分析
        6.2.10 能谱分析结果
    6.3 本章小结
第七章 锶铀与微生物相互作用的波谱学研究
    7.1 材料与方法
        7.1.1 菌株与试剂
        7.1.2 屏蔽基团处理
        7.1.3 屏蔽有效基团后的酵母菌对锶的吸附
        7.1.4 波普学测定
        7.1.5 铀与蛋白质相互作用正交实验设计
    7.2 结果与分析
        7.2.1 基团屏蔽情况分析
        7.2.2 酵母菌表面基团屏蔽后对吸附的影响
        7.2.3 酵母菌表面基团屏蔽后与锶相互作用的红外光谱分析
        7.2.4 酵母菌表面基团屏蔽后与锶相互作用前后的SEM 结果
        7.2.5 培养条件下酵母菌与锶相互作用前后的FTIR 结果分析
        7.2.6 酵母菌与锶相互作用前后的XPS 结果
        7.2.7 酵母菌与锶相互作用前后的TG-DTA 结果
        7.2.8 铀与酵母菌细胞相互作用的FTIR 结果分析
        7.2.9 铀与蛋白质相互作用中的实验现象
        7.2.10 正交实验的结果分析
        7.2.11 正交实验结果的方差分析
        7.2.12 铀与BSA 相互作用FTIR 结果分析
    7.3 本章小结
第八章 培养条件下锶的赋存状态研究
    8.1 材料与方法
        8.1.1 菌株与试剂
        8.1.2 实验设置
        8.1.3 灰化方法
        8.1.4 SEM、EDS、XRD 分析
        8.1.5 灰分中锶含量的测定
        8.1.6 减容比与减重比计算
    8.2 结果与分析
        8.2.1 酵母菌吸附锶后灰分的SEM 及能谱分析
        8.2.2 灰分中锶含量的分析
        8.2.3 灰分XRD 分析
        8.2.4 减容与减重比分析
    8.3 本章小结
第九章 微生物与锶铀相互作用机理与耐受机制讨论
第十章 研究总结与展望
    10.1 研究总结
    10.2 展望
致谢
参考文献
作者攻读博士期间的研究论文成果

【参考文献】

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本文编号：2881252