土壤细菌胞外聚合产物对溶液中U(VI)的去除动力学研究

董雪洁,宋 平,吕俊文,3*,邓晨阳

(1.南华大学 资源环境与安全工程学院,湖南 衡阳 421001;2.湖南省核工业中心实验室,湖南 长沙 410100;3.衡阳市土壤污染控制与修复重点实验室,湖南 衡阳 421001)

0 引 言

铀是自然界中原子量最大的元素，随着核技术的快速发展，铀的应用越来越广泛。铀资源的采冶和利用过程中产生了大量的含铀工业废水，对生态环境造成的影响不容忽视[1]。如何解决土壤重金属污染一直是研究热点问题。微生物修复土壤重金属污染因其经济、高效和无二次污染等优势引发了关注[2]。

胞外聚合产物(extracellular polymeric substances，EPS)是微生物在新陈代谢过程中产生的成分复杂的生物聚合物质[3]。EPS的存在能保护微生物，降低重金属对胞体的毒害[4]。S.K.Kazy等人研究了铜绿假单胞菌胞外多糖结合铜，认为EPS在重金属污染修复中有较大的应用潜力[5]。C.Dang等人发现黑曲霉菌株PTN31在去除EPS后对Pb2+的吸附能力下降了40.9%～66.8%[6]。R.Chug等人从A.beijreinckii(MTCC-2641)和B.subtilis(MTCC-8363)两种细菌上提取EPS，发现在EPS结合Cr(VI)的过程中羟基和磷酸基团起了重要作用[7]。洪晨等人发现土壤芽孢杆菌产生的EPS吸附Pb2+在温度为35 ℃和pH为5时有最佳的吸附效果[8]。已有的研究表明了EPS在重金属污染修复方面具有的积极作用，然而对于土壤细菌产生的EPS与铀之间的相互作用机制仍不太清楚。探究土壤细菌胞外聚合物(soil bacterial extracellular polymeric substances，SB-EPS)去除溶液中U(VI)的动力学有助于揭示SB-EPS与U(VI)之间的结合机制和进一步开展土壤细菌修复铀污染的研究。

本研究中，SB-EPS提取自中国南方土壤培养的土壤细菌，开展了温度对土壤细菌和SB-EPS的产量的影响实验，和时间对不同温度下SB-EPS去除U(VI)的影响实验，并使用准一级动力学方程和准二级动力学方程进行动力学分析。旨在为微生物修复土壤铀污染的研究提供参考。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

高压灭菌锅(GI54T)；真空冷冻干燥机(FD5-series)；高速台式离心机(TGL-15B)；超低温冰箱(MDF-U32U)；空气恒温震荡箱(IS-RDD3)；鼓风干燥箱(101-3AB)；电子天平(BSA2245-CW)；超净台(SW-CJ-1FD)，U3O8，牛肉膏，蛋白胨，NaCl，HNO3，NaOH，HCl，三氯化钛，偏钒酸铵，硫酸亚铁铵和二苯磺氨酸钠等药品试剂均为分析纯。另有微孔滤膜(0.22 μm)，锥形瓶，20 mL注射器，酒精灯，量筒等。

土壤取自中国南方典型林间土壤，采集到的新鲜土样放入无菌样品袋(样品袋放置在无菌工作台内用紫外灯照射35 min以上)，于4 ℃保存备用。

1.2 实验方法

1.2.1 土壤细菌培养

培养基使用营养肉汤培养基：牛肉膏 3 g/L，NaCl 5 g/L，蛋白胨10 g/L；用1 mol/L的HCl调节pH至7.2±0.2[9-10]。培养基配置完成后装入锥形瓶内，装入量不宜超过二分之一。锥形瓶盖好封口膜并用橡皮筋绑紧，放入高温蒸汽灭菌锅内灭菌。

土壤细菌的培养和扩培在无菌工作台上操作：取适量土壤制备成土壤悬浊液，后用接种环取适量土壤悬浊液接种至灭菌后的培养基内，放入恒温震荡箱中培养48 h。

1.2.2 SB-EPS的提取和产量实验

SB-EPS的提取方法有离心法、NaOH法、热处理法、超声波法和萃取法等[11]。实验选择先使用超声波+高速离心法提取SB-EPS[12]。先使用超声波对菌液处理两分钟，然后在10 000 r/min下离心，使用20 mL注射器吸取上清液用微孔滤膜过滤并放入-50 ℃的环境中冷冻24 h。取出冷冻处理后的上清液放入真空冷冻干燥机内处理。

温度对土壤细菌产量和SB-EPS产量影响实验：

1)分别在若干个锥形瓶中加入等量的培养基，灭菌后在超净台中进行土壤细菌的接种；2)将接种后的培养基放入空气恒温震荡箱内，在293 K、298 K、303 K、308 K和313 K培养48 h；3)按照超声波+高速离心法提取SB-EPS，菌体用无菌水冲洗并过滤，通过冷冻干燥除去水分；4)称量提取得到的SB-EPS和菌体的质量，其中土壤细菌同样通过冷冻干燥除去水分。

1.2.3 吸附动力学分析实验

研究采用静态摇床实验的方式，测试在298 K、308 K和318 K的温度下，时间对SB-EPS去除U(VI)影响的实验。初始U(VI)浓度为50 mg/L，pH为5，SB-EPS加入量为3.33 g/L，去除量计算方程如下式所示：

Q=v(C0-Ct)/m

式中：Q为反应后U(VI)的去除量，mg/g；v为测试溶液体积(L)；C0为U(VI)初始质量浓度，mg/g；Ct为反应后溶液中U(VI)浓度，mg/g；m为SB-EPS加入质量，g。

吸附动力学能反映SB-EPS与U(VI)之间存在的反应机制。为了能更全面的描述该吸附过程，对不同温度下SB-EPS去除铀的实验进行动力学分析采用了准一级动力学方程和准二级动力学方程。两种动力学方程的公式[13]和所描述的反应过程见表1。

表1 动力学方程公式及意义

注：Qb为当反应达到平衡时U(VI)的去除量，mg/g；t为SB-EPS和U(VI)的反应接触时间，min；Qt为反应进行到t时U(VI)的去除量，mg/g；K1和K2均为方程常数。

1.3 分析方法

溶液中U(VI)含量的测定方法采用钒酸铵滴定法[14]。

2 分析与讨论

2.1 SB-EPS与土壤细菌的产量实验

温度对土壤细菌和SB-EPS的产量的影响结果如图1所示当温度逐渐升高，SB-EPS的产量也在增加。当温度为313 K时，SB-EPS产量达到了12.75 g/L。从SB-EPS产量对温度的柱状图来看，温度越高SB-EPS的量也越高。然而通过土壤细菌菌体对温度的柱状图中发现，土壤细菌的的产量在温度范围为293 K ～303 K时逐渐增加，在303 K～313 K时表现出了产量降低的现象。当温度为303 K时，土壤细菌菌体产量最高为1.58 g/L。

产生这种现象的原因可能是当温度高于303 K时，环境温度变得不适宜土壤细菌生长，导致出现较多的细菌死亡裂解，造成SB-EPS的产生量增加。同时，当环境变恶劣时，细菌也会加速分泌EPS来抵御环境变化对胞体造成的侵害[15]。综合考虑后，实验在303 K下进行土壤细菌的培养。

2.2 不同温度与反应时间对SB-EPS去除U(VI)的影响

在298 K、308 K、318 K三个温度下，进行在不同反应接触时间(20 min、40 min、60 min、80 min、100 min、120 min、140 min、160 min)下SB-EPS去除 U(VI)的实验。去除 U(VI)的时间曲线如图2所示。当反应时间进行到20 min，三个温度下的U(VI)去除量差距并不大。反应时间在20～110 min之间时，三个温度下的U(VI)去除量差距变大但是曲线的走势仍较为相似，这时可以明显看出308 K温度下的U(VI)去除量最高。反应进行了110 min后，三个温度下的U(VI)去除量曲线逐渐变得平缓，反应在120 min左右曲线趋于平衡，反应平衡浓度分别为4.97 mg/L，8.75 mg/L和6.96 mg/L。一般来说，温度的升高能增加SB-EPS与溶液中铀酰粒子的单位时间内的碰撞次数，从而使SB-EPS对U(VI)的去除量增加。而当温度为318 K时U(VI)的去除量相比于温度为308 K时有所减少，这和SB-EPS本身的性质有关。SB-EPS是生物聚合物质，组分复杂，可能含有酶等对温度变化敏感的生物大分子。有研究表明土壤酶随温度从低变高，其活性会先增强后减弱[16-17]。SB-EPS中可能含有土壤细菌胞外酶，并在308 K时的酶活性比在318 K时高。

2.3 吸附动力学研究

准一级动力学方程和准二级动力学方程是吸附动力学分析中较为常见的两种方程。准一级动力学方程建立在一种理想的反应环境下，而准二级动力学方程描述的反应进程则更为复杂。SB-EPS去除U(VI)的准一级动力学方程和准二级动力学方程的分析处理结果如图3所示，两种动力学方程的拟合参数如表2所示。

不同的三个温度下，准一级动力学方程的R2值在0.8～0.9之间，准二级动力学方程的R2值均在0.95以上。这说明准二级动力学方程与时间因素实验数据有更好的线性关系。因而相对于准一级动力学方程，使用准二级动力学方程来描述SB-EPS和U(VI)之间的相互作用比较合适。这表明SB-EPS去除铀是一个由化学反应控制的过程，反应中可能发生电子传递等机制。

表2 不同温度下准一级动力学方程和准二级动力学方程的拟合参数

3 结 论

通过一系列静态摇床实验，本研究进行了在不同温度下SB-EPS和土壤细菌的产量实验和SB-EPS去除U(VI)的实验，并对实验结果进行了动力学分析，得到如下结论：

1)本研究中的土壤细菌较为适合在303 K下培养。

2)不同温度下，时间对SB-EPS去除U(VI)的影响实验在120 min左右达到反应平衡，298 K、308 K、318 K时的反应平衡浓度分别为4.97 mg/g，8.75 mg/g和6.96 mg/g。

3)准一级动力学方程对实验拟合结果较差，准二级动力学方程对不同温度下SB-EPS去除U(VI)的反应都有较高的拟合度，动力学方程拟合结果表明SB-EPS去除铀是一个由化学机制所控制的反应。