CN106644614A - 一种钚气溶胶的微生物吸附取样方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种钚气溶胶的微生物吸附取样方法。所述的方法通过选育特殊微生物菌种，利用物理化学作用将钚气溶胶吸附在菌种细胞表面，然后通过新陈代谢作用使钚气溶胶在菌种细胞内微沉积，饱和后利用解吸剂使钚气溶胶脱附。所述的方法针对纳米尺度钚气溶胶的取样，具有成本低、采样入口效率高、样品输送效率高、无二次污染的优点。所述的方法采用的微生物吸附‑脱附钚气溶胶微粒，完全回避了与人的接触，避免了钚气溶胶的放射性与毒性对人造成的危害，有效克服了传统钚气溶胶取样方法的局限性和不足，尤其是粒子反弹问题、过滤器和撞击器孔道的饱和问题，不用考虑影响气溶胶样品代表性的探头方位、取样口大小与形状、采样气流速度与方向等因素。
Description
技术领域
本发明属于钚气溶胶分析测量的技术领域，具体涉及一种钚气溶胶的微生物吸附取样方法。
背景技术
钚气溶胶是钚放射性危害的重要表现形式之一，其来源主要有三个方面：核科学研究、核电站事故与核恐怖袭击。具体来说，钚气溶胶的形成来源分为4种：一是钚金属的氧化或挥发；二是辐照后的U或UO2的氧化或挥发；三是钚悬浮液或水溶液的飞沫分散；四是被钚污染后的土壤或粉尘的再悬浮。无论哪一种来源，钚气溶胶物质会迅速扩散，造成危害公众和环境安全的后果，尤其是人体摄入毫克量级的钚便会引起最终的死亡。人体吸入钚气溶胶导致的内照射损伤效应，不仅取决于放射性烟云传播时在周围空气中形成的气溶胶浓度，也取决于污染区域气溶胶再悬浮的程度。此外，钚气溶胶吸入人体后在呼吸道中的沉积、吸收和转移是一个相当复杂的过程，涉及到巨噬细胞的吞噬作用，气管及支气管的纤毛运动，钚粒子的溶解和吸收以及通过淋巴系统的转移等。整个过程中，在很大程度上取决于钚颗粒的大小、溶解度、价态、核素组成等特征参数。这些特征参数是不断变化的，依赖于钚气溶胶形成时按空气动力学尺寸划分的三种模态（Aitken核模态、积累模态和粗粒子模态）。因此，为了真实预测钚气溶胶辐射影响的后果，提高事故区域长期辐射影响的评估水平，必须得到钚气溶胶准确的测量结果，包括粒径及分布、化学组分、同位素构成、表面形貌与晶体结构等测量。这些测量工作的重要前提是，采集获得具有代表性的钚气溶胶样品，并将其转移至测量装置才能进行测量。
为了获取原始环境中具有代表性且不被采样过程影响的气溶胶样品，就需要保证被采集样品从采集到测量仪器的过程中，气溶胶粒子的某些性质保持不变，例如质量浓度、数量浓度及粒径分布等。但是，在实际的样品采集和输送过程中避免这些性质的变化是十分困难的。由于粒子惯性、重力、扩散等各种机制作用，粒子并不能完全进入取样装置入口，通常会吸附在取样系统壁上而造成样品损失。这种抑制代表性取样的机制取决于气溶胶粒度，因此，任何取样系统只能在一定粒径范围内进行代表性取样，而大于或小于这个范围，就不具有代表性。按照钚气溶胶空气动力学尺寸的模态划分，大于2μm的粗粒子更易受到重力和惯性作用而快速沉降；小于0.1μm的Aitken核模态粒子更容易受扩散作用而吸附在器壁上，或者是很长时间悬浮在空中，即使沉降也容易发生再悬浮，尤其是纳米尺度的钚气溶胶微粒，更难被采集到代表性的样品中。
目前国内外研究机构对钚气溶胶的取样有过滤收集和惯性分级两种方式，集中于相对容易获取的0.1-10μm的粒径范围，这是由于受到目前取样方式的限制，加上钚气溶胶的放射性、源项获取困难、毒性、形成机理未知等自身特点。为了实现特殊实验场景下钚气溶胶的高回收率，就必须获取纳米尺度至微米尺度范围的所有钚气溶胶微粒，当前，亟需发展针对纳米尺度钚气溶胶的微生物吸附取样方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种钚气溶胶的微生物吸附取样方法。
本发明的钚气溶胶的微生物吸附取样方法，其特点是，该方法包括以下步骤：
a.微生物菌种的培育
通过实验室诱变育种获得钚气溶胶的微生物吸附剂菌种，在培养基中生长、收获与保藏；
b.钚气溶胶的吸附
吸附过程伴随被动吸附和主动吸附两个过程：被动吸附利用物理化学作用将钚气溶胶富集在步骤a提供的菌种细胞表面；主动吸附通过菌种细胞的新陈代谢作用，使钚气溶胶在步骤a提供的菌种细胞内微沉积；
c.钚气溶胶的脱附
利用解吸剂将步骤b中菌种细胞表面富集的和细胞内微沉积的钚气溶胶进行脱附；
d.钚气溶胶的收集
将步骤c脱附的钚气溶胶收集于测量装置的暂时存储区，同时回收失去吸附功能的菌种细胞。
步骤a所述的微生物菌种包括酵母菌、曲霉菌和青霉菌。
步骤a所述的培养基为双层平板的避光自干燥式培养基，培养环境为恒温300K、相对湿度75%、pH值7.0。
步骤b所述的物理化学作用是一个物理吸附过程，不需要消耗能量，通过细胞壁官能团与钚气溶胶之间的静电力进行生物吸附，改变细胞表面网状多孔结构而引起空间捕获；步骤b所述的新陈代谢作用是一个生物代谢过程，需要消耗能量，钚气溶胶与菌种分子发生络合反应吸附在细胞壁上形成微沉积。
步骤c中所述的解吸剂为HCl+硫脲、HNO3+EDTA或HNO3+硫脲中的一种，为酸碱复合解吸剂。
微生物菌种作为钚气溶胶吸附取样的主体，其筛选培育对钚气溶胶的有效吸附至关重要。实验室诱变育种是利用物理化学方法，人为处理已经存在的微生物群体，使其一些个体细胞遗传物质的分子结构发生改变，使基因内部的碱基配对发生差错，引起微生物的某些遗传性状发生突变，进一步提高其某些功能（例如吸附纳米尺度的氧化钚粒子、吞噬更小的钚原子），使其符合特殊需要。微生物菌种培育的流程是：首先，根据现有菌种的遗传、生理生化特点和潜力，选择和纯化出发菌株，在特种培养基中进行斜面培养；其次，根据诱变剂作用机理，考虑到菌种特性和遗传稳定性，为了使得到的突变菌株在存活群体中占有最大比例，开展多次预备试验来正确选择诱变因素，例如诱变剂的种类与剂量、处理时间与条件、光照距离与强度等；再次，进行诱变处理与平板分离，并返回培养基中；最后是多次的筛选与分析，保藏好获得的微生物菌种。本发明的钚气溶胶的微生物吸附取样方法需要获得的微生物菌种为菌种细胞，微生物菌种包括酵母菌、曲霉菌和青霉菌，菌种细胞的培养基为双层平板的避光自干燥式培养基，培养环境为恒温300K、相对湿度75%、pH值7.0。
钚气溶胶的吸附过程伴随被动吸附和主动吸附两个过程：被动吸附是利用物理化学作用将钚气溶胶吸附在菌种细胞表面；主动吸附是通过新陈代谢作用使钚气溶胶在细胞内微沉积，直至细胞表面完全被钚气溶胶微粒所包裹。可以利用原子力显微镜来观察钚气溶胶微粒与细胞结合前后细胞表面的微观形貌变化。扫描成像采用轻敲模式，扫描过程中微悬臂进行高频振荡，针尖在振荡期间间歇地与样品表面接触。由于针尖与样品接触时间非常短暂，由剪切力引起的对样品的破坏几乎完全消失。吸附氧化钚微粒后细胞的长、宽、高尺寸都有所增大，算术平均粗糙度和均方根粗糙度揭示了细胞表面粗糙度的增加，可能的原因是细胞表面的蛋白和脂多糖等决定细胞结构的大分子物质与气溶胶微粒结合导致了细胞微观构型的变化，同时微粒在细胞表面富集。钚气溶胶的组分主要为PuO2，使用X-射线吸收光谱和透射电镜可以分析与证实吸附后的PuO2结构，晶体直径小于3nm，以离散的、团聚的粒子形式出现，粒子包裹在细菌细胞表面。许多结晶粒子的直径小于1.5nm，甚至有更小的粒子出现。延展X-射线吸收精细结构分析结果可以显示平均配位数，从而证实大部分纳米尺寸的PuO2微粒被吸附在细胞表面。细菌吸附的PuO2微粒尺寸向下可能延伸至分子尺度团簇。
钚气溶胶的脱附过程主要是根据微生物吸附剂特性和吸附机理，选择合适的复合解吸剂具备两种功能：一是对于细胞表面聚集的PuO2粒子，解吸剂中的官能团可以与吸附的PuO2竞争吸附位点，把已经吸附的PuO2粒子从吸附剂上洗脱下来；二是对于细胞内积累的PuO2粒子，营造不利于菌体生长的环境而导致菌种细胞对PuO2进行外流运输而脱附。解吸剂采用酸碱复合解吸剂，例如HCl+硫脲、HNO3+EDTA、HNO3+硫脲等酸碱复合解吸剂。
钚气溶胶收集是将脱附的钚气溶胶进行采集，并输送到测量装置的暂时存储区，同时回收失去吸附功能的菌种细胞。损失和沉积机制将影响钚气溶胶采集和输送的样品代表性。采用这种微生物的吸附-脱附-收集方式进行钚气溶胶的取样，通过及时在线与测量装置联用，能够回避抑制代表性取样的多种因素，从而得到准确的测量结果。但是，纳米尺度的生物PuO2粒子很可能受到其自身反应活性和输运的影响，PuO2晶体在细胞沉淀物中是移动的，可能会发生氧化-还原反应，另一方面，絮凝将降低微生物菌种输运的可能性。
本发明的钚气溶胶的微生物吸附取样方法通过选育特殊微生物菌种，利用物理化学作用将钚气溶胶吸附在菌种细胞表面，然后通过新陈代谢作用使钚气溶胶在菌种细胞内微沉积，饱和后利用合适的解吸剂使钚气溶胶脱附，从而达到取样转移目的，取样效果可以从原子力显微镜、透射电镜、X射线吸收能谱和延展X-射线吸收精细结构的监测分析数据进行判断。
本发明的钚气溶胶的微生物吸附取样方法是针对纳米尺度钚气溶胶的取样方法，该方法取样成本低，采样入口效率高，样品输送效率高，没有二次污染；该方法采用微生物吸附-脱附钚气溶胶微粒，完全回避了与人的接触，避免了钚气溶胶的放射性与毒性对人造成的危害；该方法有效克服了传统钚气溶胶取样方法的局限性和不足，尤其是粒子反弹问题、过滤器和撞击器孔道的饱和问题等，不用考虑影响气溶胶样品代表性的探头方位、取样口大小与形状、采样气流速度与方向等影响因素。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的内容作进一步详细的说明。
本发明的钚气溶胶的微生物吸附取样方法包括以下步骤：
a.微生物菌种的培育
通过实验室诱变育种获得钚气溶胶的微生物吸附剂菌种，在培养基中生长、收获与保藏；
b.钚气溶胶的吸附
吸附过程伴随被动吸附和主动吸附两个过程：被动吸附利用物理化学作用将钚气溶胶富集在步骤a提供的菌种细胞表面；主动吸附通过菌种细胞的新陈代谢作用，使钚气溶胶在步骤a提供的菌种细胞内微沉积；
c.钚气溶胶的脱附
利用解吸剂将步骤b中菌种细胞表面富集的和细胞内微沉积的钚气溶胶进行脱附；
d.钚气溶胶的收集
将步骤c脱附的钚气溶胶收集于测量装置的暂时存储区，同时回收失去吸附功能的菌种细胞。
步骤a所述的微生物菌种包括酵母菌、曲霉菌和青霉菌。
步骤a所述的培养基为双层平板的避光自干燥式培养基，培养环境为恒温300K、相对湿度75%、pH值7.0。
步骤b所述的物理化学作用是一个物理吸附过程，不需要消耗能量，通过细胞壁官能团与钚气溶胶之间的静电力进行生物吸附，改变细胞表面网状多孔结构而引起空间捕获；步骤b所述的新陈代谢作用是一个生物代谢过程，需要消耗能量，钚气溶胶与菌种分子发生络合反应吸附在细胞壁上形成微沉积。
步骤c中所述的解吸剂为HCl+硫脲、HNO3+EDTA或HNO3+硫脲中的一种，为酸碱复合解吸剂。
按照本发明的钚气溶胶的微生物吸附取样方法进行实验，各实施例获得的具体实验结果见表1，表1为微生物菌种对钚气溶胶的吸附-解吸结果。
表1
| 实施例 | 菌种类别 | 酸碱复合解吸剂 | 吸附容量 | 脱附效率 | 菌种预期寿命 |
| 实施例1 | 酵母菌 | HCl+硫脲 | 2.39mg/g | 82% | 6h |
| 实施例2 | 酵母菌 | HNO3+EDTA | 2.50mg/g | 62% | 6h |
| 实施例3 | 酵母菌 | HNO3+硫脲 | 2.44mg/g | 92% | 6h |
| 实施例4 | 曲霉菌 | HNO3+硫脲 | 1.84mg/g | 95% | 9h |
| 实施例5 | 青霉菌 | HNO3+硫脲 | 1.06mg/g | 97% | 10h |
| 实施例6 | 青霉菌 | HCl+硫脲 | 1.05mg/g | 85% | 10h |
Claims (4)
1.一种钚气溶胶的微生物吸附取样方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：
a.微生物菌种的培育
通过实验室诱变育种获得钚气溶胶的微生物吸附剂菌种，在培养基中生长、收获与保藏；
b.钚气溶胶的吸附
吸附过程伴随被动吸附和主动吸附两个过程：被动吸附利用物理化学作用将钚气溶胶富集在步骤a提供的菌种细胞表面；主动吸附通过菌种细胞的新陈代谢作用，使钚气溶胶在步骤a提供的菌种细胞内微沉积；
c.钚气溶胶的脱附
利用解吸剂将步骤b中菌种细胞表面富集的和细胞内微沉积的钚气溶胶进行脱附；
d.钚气溶胶的收集
将步骤c脱附的钚气溶胶收集于测量装置的暂时存储区，同时回收失去吸附功能的菌种细胞。
2.根据权利要求1所述的钚气溶胶的微生物吸附取样方法，其特征在于：步骤a所述的微生物菌种包括酵母菌、曲霉菌和青霉菌。
3.根据权利要求1所述的钚气溶胶的微生物吸附取样方法，其特征在于：步骤a所述的培养基为双层平板的避光自干燥式培养基，培养环境为恒温300K、相对湿度75%、pH值7.0。
4.根据权利要求1所述的钚气溶胶的微生物吸附取样方法，其特征在于：步骤c中所述的解吸剂为HCl+硫脲、HNO3+EDTA或HNO3+硫脲中的一种。
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