生物技術(shù)處理含鈾廢水的研究進(jìn)展

譚文發(fā)呂俊文唐東山

（1.南華大學(xué)環(huán)境工程系，衡陽(yáng) 421001；2 .南華大學(xué)放射性三廢處理與處置重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，衡陽(yáng) 421001）

生物技術(shù)處理含鈾廢水的研究進(jìn)展

譚文發(fā)1，2呂俊文1，2唐東山1，2

（1.南華大學(xué)環(huán)境工程系，衡陽(yáng) 421001；2 .南華大學(xué)放射性三廢處理與處置重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，衡陽(yáng) 421001）

隨著核能的大力推廣與應(yīng)用，放射性含鈾廢水的種類(lèi)和數(shù)量越來(lái)越多，為防止水體中放射性核素遷移擴(kuò)散，含鈾放射性廢水的有效處理成為一項(xiàng)亟待解決的問(wèn)題。目前研究前沿的生物處理方法具有高效、價(jià)廉的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于含鈾廢水的治理前景樂(lè)觀。綜述了近幾年生物法處理含鈾廢水的進(jìn)展，評(píng)述了生物法處理含鈾廢水的主要原理及其優(yōu)缺點(diǎn)，并提出生物技術(shù)處理含鈾廢水的進(jìn)一步研究方向。

含鈾廢水；微生物；轉(zhuǎn)化；機(jī)理

隨著我國(guó)鈾礦冶的發(fā)展，鈾資源被加速開(kāi)發(fā)和利用，核燃料循環(huán)過(guò)程中所產(chǎn)生的放射性含鈾廢水種類(lèi)及數(shù)量越來(lái)越多［1，2］。由于鈾具有重金屬化學(xué)毒性和放射性輻射雙重危害，不僅可以通過(guò)自身衰變而放射出的粒子直接對(duì)人體造成外輻照，而且可沿食物鏈被生物吸收、蓄積，最終造成人體積累和慢性中毒，危害生態(tài)環(huán)境和人類(lèi)健康，造成嚴(yán)重的環(huán)境安全隱患［3-5］。實(shí)際上，鈾礦冶廢水周邊農(nóng)業(yè)土壤、地下水和地表水中已經(jīng)檢測(cè)出鈾的污染物［6-8］。鈾礦冶、鈾加工過(guò)程中排放的廢水鈾質(zhì)量濃度一般在5 mg/L左右或以下，目前的技術(shù)對(duì)該類(lèi)低濃度含鈾廢水處理效果不佳，難以達(dá)到國(guó)家規(guī)定允許排放的濃度（0.05 mg/L）。因此，為防止含鈾廢水對(duì)人類(lèi)健康和生態(tài)環(huán)境的危害，高效、廉價(jià)的治理技術(shù)方法的研究是一項(xiàng)非常迫切而又艱巨的任務(wù)。

1 含鈾廢水的處理

放射性廢水有別于普通工業(yè)廢水，不能通過(guò)物理、化學(xué)或生物等方法將其分解破壞，只能靠其自然衰變降低以致消失其放射性。因此，在放射性廢水的處理方面，只能使用貯存與擴(kuò)散兩種方式，即使用適當(dāng)?shù)姆椒ㄌ幚碇?，將大部分的放射性元素轉(zhuǎn)移到小體積的濃縮廢物中并加以貯藏，而使大體積廢水中剩余的放射性元素含量小于最大允許濃度排放于環(huán)境中進(jìn)行稀釋和擴(kuò)散。對(duì)放射性含鈾廢水的處理，人們幾乎嘗試了各種先進(jìn)的水處理工藝，包括有化學(xué)沉淀、離子交換、蒸發(fā)濃縮及吸附等傳統(tǒng)處理方法，以及膜處理法、植物修復(fù)法、可滲透反應(yīng)墻治理技術(shù)及微生物處理等新技術(shù)［9-13］。

目前對(duì)含鈾廢水的處理一般仍采用方法成熟的傳統(tǒng)凈化處理工藝，但是其存在很多問(wèn)題，如化學(xué)沉淀法沉渣量大、處置困難；蒸發(fā)濃縮法能耗高，尤其是對(duì)低濃度含鈾廢水應(yīng)用受限；離子交換法交換選擇性不理想，交換容量有限，對(duì)高鹽分的含鈾廢水的處理效果不佳［1］。近些年來(lái)新處理方法的研究雖然取得突破性進(jìn)展，但是這些方法要么處理效率不高，要么成本太高，難以滿足實(shí)際需要。如人工濕地法是最近在國(guó)外普遍流行的方法，但易受氣候條件和溫度的影響，基質(zhì)易飽和易堵塞，占地面積較大，且易引起鈾擴(kuò)散而造成二次污染［14］；膜分離法易生成污垢、使用壽命短，還不能成熟應(yīng)用于含鈾廢水處理，膜材料的制備和膜污染與控制還有待研究；而被認(rèn)為頗具潛力的零價(jià)鐵可滲透反應(yīng)墻處理法存在吸附、還原后的鈾易被解吸或被氧化再釋放，造成二次污染的缺點(diǎn)［15］。

隨著生物技術(shù)的發(fā)展，對(duì)微生物與重金屬及放射性核素之間相互作用機(jī)制的研究不斷深入，人們逐漸認(rèn)識(shí)到利用微生物治理放射性鈾廢水污染是一種極有應(yīng)用前景的方法。用微生物菌體作為生物處理劑，吸附存在于水溶液中的鈾等放射性核素，具有效率高、成本低廉、耗能少等諸多優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)放射性廢物的減量化目標(biāo)，為核素的回收利用或地質(zhì)處置創(chuàng)造有利條件。因而在含鈾廢水處理領(lǐng)域受到了人們的日益重視和青睞［16-19］。

2 鈾廢水轉(zhuǎn)化菌種類(lèi)及轉(zhuǎn)化機(jī)理

早在20世紀(jì)80年代，就有人發(fā)現(xiàn)一些微生物的吸附容量比一些吸附劑還高，如當(dāng)溶液中的鈾、釷質(zhì)量濃度均為5 mg/L時(shí)，少根根霉菌對(duì)鈾、釷的吸收容量分別為80、140 mg/g，而離子交換樹(shù)脂（IRA-400）分別為31、3 mg/g，活性炭（F-400）分別為15、20 mg/g［20］。目前隨著對(duì)鈾廢水研究的深入，國(guó)內(nèi)外學(xué)者發(fā)現(xiàn)，與鈾的富集作用有密切關(guān)系的微生物已達(dá)數(shù)十種，包括細(xì)菌、放線菌和真菌等。微生物結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性意味著生物除鈾可能有多種方式，目前研究發(fā)現(xiàn)的機(jī)理主要包括生物表面吸附、體內(nèi)富集、氧化還原及生成無(wú)機(jī)微沉淀等方式。這些機(jī)理可以單獨(dú)起作用，也可以與其他機(jī)理結(jié)合在一起發(fā)揮作用，這取決于全過(guò)程的反應(yīng)條件。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)生物處理含鈾廢水進(jìn)行了大量研究，并取得了很多可喜的研究成果［21-23］。

2.1 表面吸附

生物表面吸附是一個(gè)物理化學(xué)過(guò)程，廢水中的鈾與生物表面發(fā)生靜電吸附或與生物細(xì)胞壁上的-COOH、-NH、-OH、PO43-和-SH等官能團(tuán)的化學(xué)絡(luò)合，達(dá)到降低其遷移性的目的。這種方法適宜處理廢水量大、濃度低的放射性廢水，具有快速、廉價(jià)的特點(diǎn)［24］。

陽(yáng)海斌等［25］研究了紅樹(shù)林內(nèi)源真菌對(duì)鈾的富集特性，結(jié)果表明受試菌吸附鈾的吸附平衡時(shí)間為60 min，常溫常壓下吸附最佳條件為pH4.0，鈾的初始質(zhì)量濃度為50 mg/L，鈾的吸附容量為15.46 mg/g。劉明學(xué)等［26］應(yīng)用掃描電子顯微鏡、傅立葉紅外光譜、和電子能譜等方法研究了釀酒酵母菌與鈾酰離子的相互作用，結(jié)果表明，酵母菌細(xì)胞表面有大量鈾結(jié)晶，離子與細(xì)胞表面發(fā)生了顯著的吸附作用，并且吸附量隨鈾濃度增加和作用時(shí)間延長(zhǎng)而加大。另外，王寶娥等［27］研究表明，死體微生物富集金屬的能力并不比活體微生物差，其利用滅活啤酒酵母菌研究吸附鈾的能力，試驗(yàn)結(jié)果證明在pH值為6.0時(shí)，滅活啤酒酵母菌吸附速率較快，吸附量大，由吸附模型可以得出理論最大吸附量可達(dá)196.1 mg/g。

盡管生物吸附能快速的降低廢水中的鈾含量，但目前鮮見(jiàn)其應(yīng)用于實(shí)際廢水的處理，主要原因在于生物吸附后產(chǎn)物非常不穩(wěn)定，有研究表明［28］處理后期其解吸速度幾乎與吸附速度一樣快。

2.2 生物體內(nèi)富集

鈾在生物體內(nèi)富集往往發(fā)生在生物表面吸附后期，即首先是通過(guò)物理化學(xué)作用使金屬被動(dòng)地附著在細(xì)胞表面；然后通過(guò)能量流動(dòng)和信息傳遞等功能使金屬在細(xì)胞內(nèi)部富集［22］。生物體內(nèi)積累僅發(fā)生在活細(xì)胞內(nèi)，鈾不是生物功能性元素，不參與細(xì)胞新陳代謝，細(xì)胞體內(nèi)的鈾含量可能是由于鈾的毒性改變細(xì)胞膜的滲透性后進(jìn)入生物體內(nèi)［29］。Kazy等［30］研究了假單胞菌對(duì)鈾的沉淀機(jī)制及化學(xué)特性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)與鈾作用的基團(tuán)有磷酸基、羧基和酰胺基團(tuán)，微沉淀是主要機(jī)制，鈾在細(xì)胞內(nèi)形成稠密的胞內(nèi)沉積物，隨著鈾的富集，細(xì)胞長(zhǎng)度和寬度都有所增加，但細(xì)胞表面沒(méi)有被破壞。另外，其他學(xué)者［31，32］從鈾污染場(chǎng)地篩選出假單胞菌對(duì)鈾廢液進(jìn)行修復(fù)試驗(yàn)，結(jié)果表明其對(duì)鈾毒性有很好的耐受能力。

鈾在生物體內(nèi)積累是一個(gè)伴隨著能量消耗的主動(dòng)過(guò)程，由于其主要原理是通過(guò)與生物體內(nèi)的磷酸鹽結(jié)合生成穩(wěn)定的磷酸鈾酰沉淀，因此目前僅發(fā)現(xiàn)假單胞菌等聚磷菌具有這一功能。該技術(shù)有待于對(duì)生物體內(nèi)富集效能、磷酸鹽來(lái)源及生物活性等因素進(jìn)一步研究。

2.3 生物還原

自Lovely等［33］在20世紀(jì)90年代初期提出利用微生物地桿菌以氫為電子供體將地下水環(huán)境中可溶性的U（VI）還原轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的、溶解度較低的四價(jià)鈾，進(jìn)而防止其遷移擴(kuò)散的設(shè)想，生物還原除鈾技術(shù)開(kāi)始引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。通過(guò)近10余年的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)證實(shí)，某些微生物具有除鈾能力，可以通過(guò)其還原作用將溶解性的U（VI）還原成不溶性的U（IV）。微生物學(xué)家們?cè)囼?yàn)了用純培養(yǎng)物或混合菌群來(lái)還原U（VI）發(fā)現(xiàn)，多種微生物具有還原鈾的功能，如硫酸鹽還原菌、地桿菌、厭氧黏細(xì)菌、希瓦氏菌及梭菌等［34-36］。

硫酸鹽還原菌是一種典型的金屬還原菌，在H2或乳酸鹽等電子供體存在的條件下，硫酸鹽還原菌可通過(guò)酶促作用直接將鈾U（VI）還原，并且其對(duì)鈾具有良好的耐受能力和去除效果。易正戟等［37］采用硫酸鹽還原菌處理地浸含鈾廢水中的鈾，結(jié)果表明pH值對(duì)鈾生物沉淀存在顯著影響，在pH為6.0時(shí)鈾去除率高達(dá)99.4%。謝水波等［38］研究了共存離子Mo（VI）及Ca2+對(duì)鈾的去除效果影響，結(jié)果表明Mo（VI）或Ca2+初始濃度≤5 mg/L時(shí)，對(duì)硫酸鹽還原菌去除U（VI）影響不大；但當(dāng)其濃度達(dá)到20 mg/L時(shí)，U（VI）還原受到強(qiáng)抑制作用。周泉宇等［39］通過(guò)柱實(shí)驗(yàn)研究了硫酸鹽還原菌和零價(jià)鐵協(xié)同去除鈾廢水的潛力，結(jié)果表明U（VI）的去除率可達(dá)99.4%。Barlett等［40］系統(tǒng)研究了鈾污染生物修復(fù)中硫酸鹽還原菌和地桿菌的相互關(guān)系，結(jié)果發(fā)現(xiàn)Fe（III）濃度是影響地桿菌數(shù)量及活性的關(guān)鍵因素，并與鈾的原位生物修復(fù)效果密切相關(guān)。謝水波等［41］研究發(fā)現(xiàn)腐敗希瓦氏菌可以利用一些有機(jī)酸鹽作為電子供體，以蒽醌-2-磺酸鈉作為電子穿梭載體，高效還原U（Ⅵ）。而Shi等［42］對(duì)希瓦氏菌的研究發(fā)現(xiàn)，外膜細(xì)胞色素及結(jié)構(gòu)蛋白在鈾的還原中發(fā)揮重要作用。另外，美國(guó)一些研究者們［43，44］也進(jìn)行了微生物還原U（?）的土柱試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)原位固定試驗(yàn)。吳唯民等［45］總結(jié)了美國(guó)斯坦福大學(xué)和橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室等在美國(guó)能源部田納西州橡樹(shù)嶺綜合試驗(yàn)基地進(jìn)行的鈾污染原位微生物修復(fù)階段性試驗(yàn)結(jié)果，并通過(guò)加入溶解氧和硝酸鹽來(lái)試驗(yàn)微生物原位修復(fù)后的地下水層中還原固定態(tài)鈾的穩(wěn)定性，結(jié)果表明，固定化后的四價(jià)鈾只有在厭氧條件下才是穩(wěn)定的，溶解氧和硝酸鹽侵入地下水層后會(huì)使固定化的四價(jià)鈾重新氧化為溶解態(tài)的六價(jià)鈾。

這些研究表明，生物還原技術(shù)應(yīng)用于修復(fù)鈾廢水，需要保持厭氧條件，才能長(zhǎng)期保持還原態(tài)鈾的穩(wěn)定性及保證生物修復(fù)效果。因而，它不適用于含NO3-、Fe3+及Mn6+等氧化態(tài)離子及水質(zhì)參數(shù)多變的廢水修復(fù)。

2.4 生物礦化

生物礦化是指生物將大分子有機(jī)物分解轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)物的過(guò)程，再利用生成的無(wú)機(jī)物如磷酸鹽、碳酸鹽及氫氧化物等，以及廢水中的鈾發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成不溶的無(wú)機(jī)微沉淀。研究發(fā)現(xiàn)大腸桿菌、沙雷氏菌屬及假單胞菌屬等可以通過(guò)酶促反應(yīng)礦化分解磷酸鹽類(lèi)有機(jī)物產(chǎn)生正磷酸鹽，能與鈾結(jié)合生成穩(wěn)定的磷酸鈾沉淀，如HUO2PO4、Ca（UO2）2（PO4）2和H2（UO2）2（PO4）2等。

英國(guó)科學(xué)家Paterson-Beedle等［46］發(fā)現(xiàn)大腸桿菌配合肌醇磷酸，可以用來(lái)回收鈾礦污染水中的鈾，試驗(yàn)中將大腸桿菌與肌醇磷酸配合使用，大腸桿菌能分解肌醇磷酸，讓磷酸鹽分子處于自由狀態(tài)。之后，磷酸鹽分子與鈾結(jié)合稱(chēng)為鈾磷酸鹽，并凝結(jié)沉積在大腸桿菌細(xì)胞表面。美國(guó)學(xué)者Ray等［47］從被鈾污染的沉積物中篩選出的微生物菌株，在pH為7.0厭氧環(huán)境對(duì)鈾進(jìn)行固化試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，固化體中除了四價(jià)鈾晶相結(jié)構(gòu)外，還出現(xiàn)部分磷酸鈾酰固相結(jié)晶，表明該菌株可以通過(guò)還原六價(jià)鈾和釋放磷酸鹽生成磷酸鈾酰等方式共同發(fā)揮除鈾的作用。Handley-Sidhu等［48］利用沙雷氏菌礦化甘油磷酸生成磷酸鈣鹽納米顆粒對(duì)鈾等放射性核素進(jìn)行修復(fù)試驗(yàn)，考察鈾在固化體的吸附點(diǎn)位及穩(wěn)定性，結(jié)果表明，磷酸鈣鹽納米固化基材對(duì)鈾等放射性污染地下水具有良好的修復(fù)能力。Salome等［49］通過(guò)外加電子供體與磷酸礦物，對(duì)厭氧環(huán)境下微生物的固鈾方式進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在pH為5.5弱酸及pH為7.0中性環(huán)境下，鈾酰離子大部分均與磷酸鹽1∶1結(jié)合生成磷酸鈾酰類(lèi)物質(zhì)［HUO2PO4、Ca（UO2）2（PO4）2和H2（UO2）2（PO4）2］，表明在該體系中微生物礦化生成穩(wěn)定的磷酸鈾酰沉淀較生物還原對(duì)鈾的去除效果更明顯，為其主要的固鈾方式。

微生物的無(wú)機(jī)微沉淀其優(yōu)勢(shì)在于沉淀產(chǎn)物的穩(wěn)定性強(qiáng)，操作條件溫和、適用于好氧、厭氧等各種復(fù)雜環(huán)境，但現(xiàn)有研究主要以“甘油磷酸”作為碳源及磷酸鹽供體，存在獲取困難、高成本等問(wèn)題。如果能找到一種來(lái)源廣泛、價(jià)格低廉的磷酸鹽基材，它很可能成為一種有效、應(yīng)用前景良好的鈾廢水處理方法。

3 展望

隨著生物技術(shù)、現(xiàn)代分子檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)微生物與鈾相互作用機(jī)制的研究不斷深入，取得了可喜的成績(jī)。但生物法作為有效的處理含鈾廢水的技術(shù)，還需對(duì)微生物除鈾全過(guò)程，微生物的適應(yīng)性、產(chǎn)物穩(wěn)定性及鈾的去除效率等問(wèn)題作進(jìn)一步研究，有以下幾點(diǎn)值得借鑒和探索：（1）微生物與鈾的相互作用非常復(fù)雜，不同微生物或同種微生物在不同環(huán)境下除鈾方式不盡相同，生成產(chǎn)物的穩(wěn)定性也不同，如P-U胞內(nèi)/外微沉淀較表面吸附、瀝青鈾礦穩(wěn)定。因此有待于對(duì)微生物除鈾方式的競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制、調(diào)控機(jī)制做進(jìn)一步研究，尋找和篩選更高效、生成產(chǎn)物更穩(wěn)定的鈾轉(zhuǎn)化菌；（2）由于單一菌株適應(yīng)性比較差，因此可以將幾種高效鈾轉(zhuǎn)化菌進(jìn)行混合培養(yǎng)，使其在轉(zhuǎn)化鈾過(guò)程中能夠產(chǎn)生互生和共生作用，這將會(huì)大大增強(qiáng)其適應(yīng)性，以達(dá)到更高的去除率；（3）隨著現(xiàn)代基因工程技術(shù)的發(fā)展，還可以采用基因技術(shù)將多種有益的特征基因重組成具有多功能、高轉(zhuǎn)化能力的“超級(jí)菌株”，使該菌株能夠同時(shí)長(zhǎng)期穩(wěn)定的發(fā)揮去除鈾的功能；（4）微生物處理實(shí)驗(yàn)室模擬含鈾廢液取得了較好的效果，而對(duì)實(shí)際廢水處理的工程化實(shí)踐研究較少，為確保我國(guó)核工業(yè)可持續(xù)發(fā)展，提高鈾礦資源的利用率，有必要對(duì)處理后的鈾沉淀產(chǎn)物進(jìn)行資源回收利用研究，如微生物-鈾絮凝體的灰化-浸提等有待進(jìn)一步探討。

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（責(zé)任編輯 狄艷紅）

Research Advances of Biological Treatment of Uranium-containing Wastewater

Tan Wenfa1，2Lü Junwen1，2Tang Dongshan1，2
（1. Department of Environmental Engineering，University of South China，Hengyang 421001；2. Key Laboratory of Radioactive waste Treatment and Disposal，University of South China，Hengyang 421001）

With the rapid development and application of nuclear energy， more and more uranium-containing wastewater is generated，urgently needing to be solved. Biotechnological method has good prospect because of its low cost and high efficiency. The status and progress of biological treatment of uranium-containing wastewater are briefly reviewed in this paper. Different types of degradation manner of uranium are introduced in the article together with their degradation mechanism， working principles and an analysis to their merits and demerits. Last but not least， this dissertation points out the further research area of biological treatment of uranium-containing wastewater and its developing trendency.

uranium-containing；microorganism；transformation；mechanism

10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2015.04.011

2014-09-30

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（11275092），湖南省教育廳優(yōu)秀青年科研項(xiàng)目（14B159），南華大學(xué)科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目（2013XQD11）

譚文發(fā)，男，博士，研究方向：水處理技術(shù)；E-mail：nhwftan@163.com