CN103755036B - 利用微生物吸附处理137Cs放射性废液的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用微生物吸附处理¹³⁷Cs放射性废液的方法，其技术方案主要包括，将¹³⁷Cs放射性废液的pH值调整为2.5～9，加入红冬孢酵母菌于5℃～40℃下对¹³⁷Cs进行吸附处理，红冬孢酵母菌充分吸附¹³⁷Cs后进行菌体分离，将分离得到的吸附了¹³⁷Cs的红冬孢酵母菌体进行防辐射储存，放射性达标的液体按非放射性废水直接排放。采用本发明的方法处理¹³⁷Cs放射性废液，¹³⁷Cs的吸附率最高可达95%，且适用条件宽。本发明的完成与公开，为¹³⁷Cs放射性废液处理找到了一个有效手段。

Description

利用微生物吸附处理137Cs放射性废液的方法

技术领域

本发明涉及微生物法处理放射性废水技术，特别涉及一种利用微生物吸附处理含¹³⁷C的放射性废液方法。

背景技术

放射性废液的处理是环境保护领域中必须严肃对待的一个非常重要的问题，对于我国核工业和核能利用的可持续发展具有非常重要的意义和影响。同时，随着人们生活水平的不断提高，环保意识的加强，对放射性废液的安全处理、处置也提出了更高的要求。

¹³⁷Cs作为反应堆裂变产物，是放射性沉降物的重要组成部分，也是β和γ射线的主要放射源之一，其半衰期较长（T_1/2＝28a），且因为Cs是IA族碱金属元素，其生物化学行为与生命活动必需元素K相似，具有累积效应，能通过食物链在生物体内富集，对处在食物链末端的高等生物和人类危害很大，所以人们对含¹³⁷Cs放射性废液的处理方法进行了大量的研究，其中，用微生物回收和处理¹³⁷Cs放射性核素的研究已引起了国内外学者的高度重视。

微生物(microorganism，简称microbe)是包括细菌、病毒、真菌以及一些小型的原生动物等在内的一大类生物群体，它个体微小，一般<0.1mm，却与人类生活密切相关。由于其具有不同于一切大生物的特点：（1）体积小，比面积大；（2）吸收多，转化快；（3）生长旺，繁殖快；（4）适应强，易变异；（5）分布广，种类多。所以广泛应用于健康、医药、工农业、环保等诸多领域。

早在50～60年代，就有关于用微生物回收和处理金属和天然放射性核素的研究报道。近年来，用微生物去除废水中的重金属离子和降解农药、合成洗涤剂、黄曲霉等有机毒物的研究引起了国内外学者的高度重视，并已在净化污水和处理工业废水等领域进入实际工业应用。大量研究结果表明，用生物法从废液中回收或处理贵重金属及放射性核素，有可能替代目前广泛应用的传统工艺，而且微生物吸附法以其原材料来源丰富、成本低廉、富集力强、吸附量大、选择性好、动力学平衡快、工艺过程不会造成二次环境污染，而且特别适用于中低浓度溶液等 特点越来越受到重视。但将微生物用于处理放射性废液的吸附研究尚不多见。

文献显示，对绝大多数放射性废液处理所用微生物一般是通过参考重金属污染所使用微生物进行筛选获得，如啤酒酵母、假单孢菌、少根根霉以及细菌等就是常被用作重金属或Cs吸附的微生物，当然也有从土壤中分离出红球菌作为Cs吸附剂的。但研究中并未涉及微生物的选择性和对放射性¹³⁷Cs溶液的耐受能力等。重金属多属于高价态阳离子，其吸附行为一般依赖于构成微生物生命物质的有机大分子基团与金属离子的配位作用。Cs是碱金属，化学价态为+1价，且¹³⁷Cs具有较强的放射性毒性，其除了发射β射线外，还伴随有较高能量的γ射线，对微生物有一定的辐射伤害。对于低价态的碱金属阳离子，由于其化学态较低，不能与大多数有机配体形成络合物，微生物对其吸附也不依赖配位作用完成，而是通过生物的新陈代谢作用进行吸附，所以必须考虑微生物对该种金属的耐受能力。因此，筛选获得的微生物除了具有高的选择性，该微生物必须对离子具有较强的亲和性以及耐辐射性。目前关于含¹³⁷Cs放射性废液的处理研究，基本上都是用稳定的Cs溶液代替放射性的¹³⁷Cs溶液，所使用的微生物多数源于对多数金属离子，特别是重金属离子和放射性元素均能吸附的广谱吸附微生物。据报道有些微生物对Cs具有较高的吸附效率，不过同时也吸附大多数碱金属和碱土金属离子，而且一般都停留在用于吸附稳定Cs同位素。据发明人所知，目前还没有找到可用于有效处理含¹³⁷Cs反射性废液的微生物。

发明内容

针对微生物处理¹³⁷Cs放射性废液的技术现状，本发明的目的旨在提供利用一种新的微生物吸附处理¹³⁷Cs放射性废液的方法，该微生物对¹³⁷Cs不仅具有很好的吸附性能，还具有较高的选择性、耐碱金属毒性和耐辐照性能。

本发明提供的利用微生物吸附处理¹³⁷Cs放射性废液的方法，其技术方案主要包括：将¹³⁷Cs放射性废液的pH值调整为2.5～9，加入红冬孢酵母菌于5℃～40℃下对¹³⁷Cs进行吸附处理，红冬孢酵母菌充分吸附¹³⁷Cs后进行菌体分离，将分离得到的吸附了¹³⁷Cs的红冬孢酵母菌体进行防辐射储存，放射性达标的废液直接排放。

本发明用于吸附¹³⁷Cs的微生物，为从含Cs溶液中分离、培养、筛选出的微生物菌株红冬孢酵母（rhodosporidium fluviale），分类命名为红冬孢酵母 Rhodosporidium sp.，现已于2013年7月16日保存在中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，保藏编号：CGMCC No.7931。

为了取得更好的吸附处理效果，本发明可进一步采取以下技术措施。下述各项技术措施可单独采取，也可组合采取，甚至一并采取。

在本发明的上述技术方案中，所述¹³⁷Cs放射性废液的pH值优先考虑调整为3.0～8进行吸附处理；进一步地优先考虑调整为3.0～6。

在本发明的上述技术方案中，在红冬孢酵母菌吸附¹³⁷Cs的处理过程，最好在20℃～30℃下进行吸附处理。

在本发明的上述技术方案中，红冬孢酵母菌吸附处理¹³⁷Cs的时间，一般不应少于4个小时。

在本发明的上述技术方案中，¹³⁷Cs放射性废液中的钾离子质量浓度最好不要大于¹³⁷Cs质量浓度的50倍。

在本发明的上述技术方案中，为了使红冬孢酵母菌能够方便重复吸附使用，可将红冬孢酵母菌用海藻酸钙固定后再加入到¹³⁷Cs放射性废液中进行吸附处理。红冬孢酵母菌用海藻酸钙固定后吸附处理¹³⁷Cs放射性废液，最好将¹³⁷Cs放射性废液的pH值调整为4～9；吸附处理温度最好控制在15℃～40℃范围。

所述红冬孢酵母菌与海藻酸钙可采取下述方式进行固定：按红冬孢酵母菌质量浓度为2%～16%的比例，将红冬孢酵母菌加入到质量百分比为0.5%～2%的海藻酸钠溶液，充分混合后滴加入到质量浓度为2%-6%的氯化钙溶液中，充分钙化后得到红冬孢酵母菌被海藻酸钙固定形成球形水凝胶。

发明人采取了以下措施对红冬孢酵母菌对Cs的选择性、吸附性能、耐碱金属的能力以及对¹³⁷Cs放射性耐受力进行了考察：

1、首先考察游离红冬孢酵母菌对¹³⁷Cs的吸附性能。¹³⁷Cs的放射性溶液浓度为10μg/L，调整pH为5，将100mg红冬孢酵母菌体与20mL放射性¹³⁷Cs溶液混合后，置于振荡器于30℃恒温振荡，待吸附率不再变化，测定其吸附率，测得吸附率为95%以上。

2、在1所描述的条件下，混合体系放置4小时，其吸附达到一动态平衡。一般24小时后，吸附率无明显变化。

3、在1所描述的条件下，混合体系在0～40℃范围内进行吸附，验证菌体 的适宜存活温度，即为最宜吸附温度。

4、与游离红冬孢酵母菌吸附¹³⁷Cs的条件相同，在体系中加入与Cs化学性质接近的不同浓度的同族元素Na、K离子，待吸附平衡后取2mL上清液，在井型探测器测量¹³⁷Cs的γ放射性计数，计算其吸附率，Na离子几乎不影响菌体对Cs的吸附，而K离子浓度50倍于¹³⁷Cs时，其吸附率才出现明显下降。

5、在游离红冬孢酵母菌吸附¹³⁷Cs的基础上，为达到多次利用菌体的目的，发明人采取用海藻酸钙对红冬孢酵母进行固定，将固定化红冬孢酵母菌体放置于pH值为5的¹³⁷Cs溶液中反复吸附6次，每批次¹³⁷Cs的放射性浓度均为10μg/L，每次用时24h，其累积吸附量达0.32μg/g球（折合为4μg/g菌），而吸附率无明显变化。

本发明利用从含Cs溶液中提取的，并经过分离、鉴定的微生物—红冬孢酵母菌，将其用于对含¹³⁷Cs中低放射性废液进行处理，实验结果表明，对¹³⁷Cs具有明显吸附能力。在室温下和弱酸性（pH3-6）条件下，恒温振摇4小时，150mg微生物能从20mL浓度为100μg/L的¹³⁷Cs放射性溶液中吸附95%的¹³⁷Cs；红冬孢酵母菌的最大吸附容量为2.0μg/g；红冬孢酵母菌对Cs的最佳吸附温度为20-30℃；当红冬孢酵母菌中累积吸附¹³⁷Cs达4.0μg/g后，红冬孢酵母菌吸附率仍无明显变化，说明红冬孢酵母菌不仅具有对Cs金属毒性的耐受性而且具有耐辐照性；而中低放废液中存在的Na离子对Cs的吸附几乎无影响，K离子低于50倍Cs浓度时，其吸附率均无明显变化。

本发明使用的红冬孢酵母菌，经分类鉴定为放线菌新种，拉丁文的名称为：rhodosporidium fluviale，该菌种的菌株现保存在中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，地址：北京市朝阳区北辰西路1号院3号，中国科学院微生物研究所；保存编号为7931。

附图说明：

图1为从Cs溶液中分离出的红冬孢酵母菌落照片；

图2为显微镜下的红冬孢酵母菌细胞形态；

图3为pH对红冬孢酵母菌吸附¹³⁷Cs的影响曲线；

图4为时间对红冬孢酵母菌吸附¹³⁷Cs的影响曲线；

图5为温度对红冬孢酵母菌吸附¹³⁷Cs的影响曲线；

图6为K⁺对红冬孢酵母菌吸附¹³⁷Cs的影响曲线；

图7为Na⁺对红冬孢酵母菌吸附¹³⁷Cs的影响曲线；

图8为红冬孢酵母菌用量对吸附¹³⁷Cs的影响曲线；

图9为¹³⁷Cs浓度影响红冬孢酵母菌吸附¹³⁷Cs的曲线；

图10为pH对固定化红冬孢酵母菌吸附¹³⁷Cs的影响曲线；

图11为时间对固定化红冬孢酵母菌吸附¹³⁷Cs的影响曲线；

图12为温度对固定化红冬孢酵母菌吸附¹³⁷Cs的影响曲线；

图13为固定红冬孢酵母菌小球对¹³⁷Cs的累积吸附影响曲线。

表1共存离子对菌体吸附Cs的影响

图中所使用标志符号：—■—代表吸附率，用%表示，以左纵坐标为标准；—▲—代表吸附容量，单位为μg/g，以右纵坐标为标准。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明作进一步的说明，以便于人们对本发明的理解。本发明的内容不限于实施例。

红冬孢酵母菌获取实施例

1、用HCl将分析纯的CsCl溶解后，用蒸馏水稀释成浓度为1g/L的溶液，装入磨口试剂瓶中，于15-30℃密封保存2个月。

2、取CsCl溶液用稀释涂布平板法涂布至PDA平板上，于30℃温箱中培养3～5d。然后挑选单个菌落用同样的方法划线分离，经多次纯化，获得不同的单菌株。

3、单菌株经斜面培养后，接种到培养液中，于30℃摇床中振荡培养6d后，收集菌体洗涤三次，4000rpm离心10min，用于从放射性废液中吸附去除¹³⁷Cs离子的实验。

4、将吸附效果良好的菌株接种于平板培养基上，30℃培养72h，观察培养基上的菌落形状，颜色，大小，表面光滑程度，菌落边缘等特征。

5、在载玻片中央加一滴无菌水，然后按无菌操作，用接种环挑取少量菌苔放在无菌水中，混合均匀，用镊子取一块盖玻片，先将一边与菌液接触，然后慢 慢将盖玻片放下使其盖在菌液上。将制片先置于低倍镜下，找准细胞位置，然后再用高倍镜观察细胞形态。

6、将此菌株通过CTAB提取DNA，并选用引物进行扩增，扩增后DNA样品送基因测序公司测序，测得序列与NCBI数据库中进行同源性比对，获得所需菌种，经鉴定为红冬孢酵母菌，拉丁文的名称为：rhodosporidium fluviale。

红冬孢酵母菌吸附¹³⁷Cs能力考察实施例

利用从Cs溶液中分离出来的红冬孢酵母菌对放射性溶液中的¹³⁷Cs进行吸附研究，考察各因素对其影响，具体操作如下：

1、pH对红冬孢酵母菌吸附¹³⁷Cs的影响如图3所示。取若干份浓度为10μg/L，体积为20ml的¹³⁷Cs溶液，以4mol/L和0.2mol/L的HNO₃和0.2mol/L的NaOH调节pH为一定值，再分别加入100mg菌体，然后放置在30℃恒温振荡器，以频率为120rpm振荡4小时以上的时间后，取混合溶液约5mL，在离心机上以4000rpm离心15min，取2mL上清液，在井型探测器测量¹³⁷Cs的γ放射性计数。计数结果显示：pH3-6范围内，红冬孢酵母菌均可对Cs进行有效吸附，吸附率在80%以上，且在pH5时，吸附率可达95%。

2、时间对红冬孢酵母菌吸附¹³⁷Cs的影响如图4所示。取若干份浓度为10μg/L，体积为20ml的¹³⁷Cs溶液，调节pH为5，再加入100mg菌体，放置在30℃恒温振荡器下振荡至吸附率无明显的变化为止。实验结果显示：红冬孢酵母菌吸附Cs在4h后即达一动态平衡，此时其吸附效率已达95%以上。

3、温度对红冬孢酵母菌吸附¹³⁷Cs的影响如图5所示。取若干份浓度为10μg/L，体积为20ml的¹³⁷Cs溶液，调节pH为5，再加入100mg菌体，放置在恒温振荡器上，考察在0～40℃范围内，温度对吸附的影响。吸附后，取混合溶液约5mL，在离心机上以4000rpm离心15min，取2mL上清液，在井型探测器测量¹³⁷Cs的γ放射性计数。结果显示：红冬孢酵母菌的最佳吸附温度处于20-30℃之间。

4、红冬孢酵母菌吸附¹³⁷Cs的选择性如图6-7所示。在30℃，pH为5，¹³⁷Cs浓度为10μg/L条件下，并保持液固比不变的前提下，分别加入共存离子，考察其对吸附¹³⁷Cs的影响。吸附后，取混合溶液约5mL，在离心机上以4000rpm离心 15min，取2mL上清液，在井型探测器测量¹³⁷Cs的γ放射性计数。Na⁺的加入对红冬孢酵母菌吸附Cs几乎没有影响，而当K⁺浓度50倍于Cs⁺浓度时，可见红冬孢酵母菌对Cs的吸附率下降至50%左右。

5、红冬孢酵母菌吸附¹³⁷Cs的能力如图8所示。在30℃，pH为5条件下，向¹³⁷Cs浓度为10μg/L的20mL放射性溶液中加入150mg此微生物，振摇4小时后，即可吸附95%的¹³⁷Cs，此时红冬孢酵母菌对¹³⁷Cs的吸附容量为1.3μg/g；但当红冬孢酵母菌的投入量为10mg时，其吸附容量为2.0μg/g。

6、红冬孢酵母菌处理吸附¹³⁷Cs离子的浓度范围如图9所示：在30℃，pH为5，向20mL放射性¹³⁷Cs溶液中加入100mg红冬孢酵母菌体，当¹³⁷Cs浓度从10μg/L上升到2000μg/L时，红冬孢酵母菌对¹³⁷Cs的有效吸附率从96%下降到21%。但¹³⁷Cs浓度为1000μg/L时，吸附容量可达75μg/g，其对应的吸附率约为40%。

7、对于Cs溶液中存在的一些金属离子对红冬孢酵母菌吸附Cs的能力的影响如表1所示，当溶液中有Fe³⁺、Al³⁺浓度为Cs⁺浓度的15倍时，在30℃时，100mg红冬孢酵母菌对pH为5，¹³⁷Cs浓度为10μg/L中Cs的吸附率分别降为69%和90%，而当Sr⁺浓度为Cs浓度的2倍时，红冬孢酵母菌对Cs的吸附率即降为81%。

表1共存离子对菌体吸附Cs的影响

红冬孢酵母菌采用海藻酸钙固定后能力验证实施例

采用海藻酸钙对红冬孢酵母菌体进行固定处理，以防止在吸附过程中红冬孢酵母菌体的损失（由于固定化后红冬孢酵母菌体有可能出现与游离红冬孢酵母菌不一致的行为，所以同时对其吸附过程中的影响因素进行考察），考察其菌体存活时间及耐碱金属和放射性的能力。具体实施过程如下：

1、海藻酸钙固定红冬孢酵母菌的制备：配制1%的海藻酸钠（ALG）溶液，然后加入红冬孢酵母菌均匀混合，红冬孢酵母菌的质量加入量占混合溶液总量的8%，接着将其用滴管滴入4%的CaCl₂水溶液中，钙化24小时后，即形成直径为2～3mmALG固定化有红冬孢酵母菌的球形水凝胶，经洗涤备用。

2、pH对固定化红冬孢酵母菌吸附¹³⁷Cs的影响如图10所示。取若干份浓度为10μg/L，体积为20mlL¹³⁷Cs溶液，以4mol/L和0.2mol/L的HNO₃、0.2mol/L的NaOH调节pH分别为为1，2，3，4，5，6，7，8，9，再分别加入1g固定化红冬孢酵母菌，然后放置在30℃恒温振荡器，以120rpm的频率振荡6小时后，取混合溶液约5mL，在离心机上以4000rpm离心15min，取2mL上清液，在井型探测器测量¹³⁷Cs的γ放射性计数。

3、时间对固定化红冬孢酵母菌吸附¹³⁷Cs的影响如图11所示：取若干份浓度为10μg/L，体积为20mL的¹³⁷Cs溶液，调节pH为5，再加入1g固定化红冬孢酵母菌，放置在30℃恒温振荡器下振荡至吸附率无明显的变化为止。

4、温度对固定化红冬孢酵母菌吸附¹³⁷Cs的影响如图12所示：取若干份浓度为10μg/L，体积为20ml的¹³⁷Cs溶液，调节pH为5，再加入1g菌体，放置在恒温振荡器上，考察在0～40℃范围内，温度对吸附的影响。吸附后，取混合溶液约5mL，在离心机上以4000rpm离心15min，取2mL上清液，在井型探测器测量¹³⁷Cs的γ放射性计数。

5、红冬孢酵母菌吸附Cs耐碱金属和放射性能力的验证如图13所示。在30℃，pH5，¹³⁷Cs浓度10μg/L的条件下，以0.02L/g液固比加入固定后菌体，在恒温振荡器以120rpm频率振荡6小时以上，吸附后，取混合溶液约5mL，在离心机上以4000rpm离心15min，然后倾出溶液，在不对固定化红冬孢酵母菌进行任何处理的情况下，再加入20ml初始浓度的¹³⁷Cs溶液，重复上述实验。

Claims (6)

1.一种利用微生物吸附处理¹³⁷Cs放射性废液的方法，其特征在于，将¹³⁷Cs放射性废液的pH值调整为2.5～9，加入用海藻酸钙固定后的红冬孢酵母菌于5℃～40℃下对¹³⁷Cs进行吸附处理，红冬孢酵母菌充分吸附¹³⁷Cs后进行菌体分离，将分离得到的吸附了¹³⁷Cs的红冬孢酵母菌体进行防辐射储存，放射性达标的液体按非放射性废水直接排放；用海藻酸钙固定红冬孢酵母菌的方式为：按红冬孢酵母菌质量浓度2％～16％的比例将红冬孢酵母菌加入到质量百分比为0.5％～2％的海藻酸钠溶液，充分混合后滴加入到质量浓度为2％-6％的氯化钙溶液中，充分钙化后得到红冬孢酵母菌被海藻酸钙固定形成球形水凝胶；¹³⁷Cs放射性废液中钾离子质量浓度不大于¹³⁷Cs质量浓度的50倍。

2.根据权利要求1所述的利用微生物吸附处理¹³⁷Cs放射性废液的方法，其特征在于，将¹³⁷Cs放射性废液的pH值调整为3.0～8。

3.根据权利要求2所述的利用微生物吸附处理¹³⁷Cs放射性废液的方法，其特征在于，将¹³⁷Cs放射性废液的pH值调整为3.0～6。

4.根据权利要求1或2或3所述的利用微生物吸附处理¹³⁷Cs放射性废液的方法，其特征在于，用红冬孢酵母菌吸附¹³⁷Cs的处理温度为22℃～30℃。

5.根据权利要求1或2或3所述的利用微生物吸附处理¹³⁷Cs放射性废液的方法，其特征在于，用红冬孢酵母菌吸附处理¹³⁷Cs的时间不少于4个小时。

6.根据权利要求4所述的利用微生物吸附处理¹³⁷Cs放射性废液的方法，其特征在于，用红冬孢酵母菌吸附处理¹³⁷Cs的时间不少于4个小时。