一種功能化磁性載體固定耐輻射奇球菌的方法及其應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于鈾礦冶含鈾廢水的生物吸附處理領(lǐng)域，具體涉及一種新型功能化磁性載體固定耐輻射奇球菌的方法，及其在含鈾廢水處理中的應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]根據(jù)核軍工的戰(zhàn)略需求和核電發(fā)展規(guī)劃，為了滿足核軍工和核電對天然鈾日益增長的需求，我國仍將加大鈾礦開采和選冶的力度，與此同時，在鈾礦開采和選冶過程中產(chǎn)生的含鈾廢水也會日益增多。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國南方某鈾礦山每年產(chǎn)生的礦坑水達300000t之多，再加上鈾尾礦庫浸漬水和鈾礦堆浸工藝廢水，每年產(chǎn)生的含鈾廢水量將更大。然而，以目前的工藝條件、技術(shù)和方法，在鈾礦冶過程中最終的排出廢水中仍然含鈾0.1-0.2 mg/L，是我國國家規(guī)定的允許排放濃度的50~125倍，更是天然水體中鈾的濃度的4000~10000倍。這些排放的含鈾廢水如果沒得到妥善處理，進入生態(tài)環(huán)境后將改變其環(huán)境本底輻射而致使物種基因畸變，對人類生態(tài)環(huán)境造成一定的威脅。因此，鈾礦冶含鈾廢水修復(fù)是一個亟待研究解決的重大而緊迫的科技問題。
[0003]與傳統(tǒng)的物理-化學(xué)修復(fù)法相比，生物修復(fù)法具有效率高、成本低、耗能少、無二次污染物等優(yōu)點，吸引了眾多學(xué)者進行了大量研究，并取得了很多可喜的研究成果，它利用生物體的生命代謝活動降低鈾礦冶含鈾廢水中鈾的濃度或使其完全無害化，使其部分或完全恢復(fù)到原始狀態(tài)。但是，很多生物在修復(fù)鈾礦冶含鈾廢水時，由于其對輻射比較敏感，因此它們修復(fù)含鈾廢水的能力受到較大限制。
[0004]耐福射奇球菌{Deinococcus Rad1durans,簡稱/?菌)是迄今為止地球上發(fā)現(xiàn)的福射抗性最強的生物之一，能夠在60 Gy/h的環(huán)境中正常生長，而且能在超過15 kGy的急性γ輻照環(huán)境下不出現(xiàn)致死或發(fā)生誘變，一直倍受核環(huán)境工程界的廣泛關(guān)注和重視。然而，目前國內(nèi)外開展伽菌修復(fù)低濃度鈾污染水體的研究鮮有報道。另外，/?菌在含鈾廢水溶液中容易以懸浮態(tài)生長，菌體與水的密度差較小，難于與水分離，導(dǎo)致其影響修復(fù)鈾礦冶含鈾廢水的實際效果。迄今為止，雖然偶有報道耐輻射奇球菌的固定化研究，但所采用的固定化材料主要是海藻酸鈣、海藻酸鈉等天然高分子凝膠載體，以及聚丙烯酰胺(PAM)、聚乙烯醇(PVA)等有機合成高分子凝膠載體，這些載體水溶性大、化學(xué)穩(wěn)定性差、機械強度不佳，同時，所固定的/?菌易于脫落，耐沖擊性不佳，從而使得其實際應(yīng)用受到限制，與實際工程應(yīng)用的要求差距較大。
[0005]磁性納米Fe3O4粒子具有比表面積大、表面自由能高和較強的超順磁性，而且納米Fe3O4粒子含有交替排列著的Fe 2+和Fe 3+，電子很容易在電場下從Fe2+躍迀到Fe 3+，具有很好的生物相容性，表面功能化后的磁性納米Fe3O4粒子能在不破壞生物活性的前提下，與生物表面的活性基團相互作用(如-NH2, -C00H、-OH等活性基團)，因此功能化磁性納米Fe3O4粒子將成為/?菌固定化載體的最佳選擇。
[0006]采用功能化磁性載體對ZW菌進行磁性固定化，不僅能夠明顯提高/?菌的化學(xué)穩(wěn)定性和機械強度，從而大大提高Λ?菌修復(fù)鈾礦冶含鈾廢水的效能，而且可以解決傳統(tǒng)生物吸附劑修復(fù)含鈾廢水后的回收再生問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是嘗試將功能化固定方法與磁性技術(shù)相結(jié)合，提供一種新型功能化磁性載體固定耐輻射奇球菌的方法，并將其應(yīng)用于含鈾廢水處理中。
[0008]本發(fā)明提供的新型功能化磁性載體固定耐輻射奇球菌的方法，是采用有機試劑對磁性納米Fe3O4粒子進行表面酰氯功能化，以此作為伽菌固定化載體，與二乙稀三胺化學(xué)修飾的/?菌進行磁性固定化，得到一種耐輻射性能好、成本低廉、化學(xué)穩(wěn)定性強、機械強度高并且對鈾吸附效果好的新型功能化磁性耐輻射奇球菌吸附劑。并將獲得的新型功能化磁性耐輻射奇球菌吸附劑應(yīng)用于含鈾廢水的吸附試驗中，通過調(diào)節(jié)吸附劑的投入量、鈾標準溶液的濃度、溶液的PH值和吸附時間等因素，考察新型功能化磁性耐輻射奇球菌吸附劑吸附含鈾廢水中鈾(VI)的效果。
[0009]具體步驟如下:
(I) Λ?菌的擴培與Λ?菌體的制備
首先將真空冷凍保存在實驗室的固定耐輻射奇球菌(簡稱Λ?菌)進行活化培養(yǎng)，使用接種環(huán)挑取伽菌，并在預(yù)先配制好的固體TGY培養(yǎng)基上進行劃平板(每100 mL TGY培養(yǎng)基含胰蛋白胨0.5 g，酵母提取物0.3 g，葡萄糖0.1 g，瓊脂1.5 g，pH= 7.0)，將劃好的平板整體移入30 °C的恒溫振蕩培養(yǎng)箱(220 r/min)中培養(yǎng)48 h。隨后使用接種環(huán)挑取活化培養(yǎng)的ZW菌體至裝有液體TGY培養(yǎng)基(即固體TGY培養(yǎng)基中不加瓊脂)的EP管中，并將接種好的EP管移至30 °C的恒溫振蕩培養(yǎng)箱(220 r/min)中擴大培養(yǎng)72 h。待TGY培養(yǎng)基長滿菌絲后，將EP管取出，離心收集Λ?菌體(8000 r/min, 10 min)，用去離子水洗凈(3次)，將DR菌體于55 °C的烘箱中烘干(24 h)，冷卻后使用粉碎機研磨并過150目的標準篩，收集150目以下的/?菌體，并將干/?菌體保存于干燥器中備用。
[0010](2)化學(xué)修飾ZW菌的制備
稱取一定質(zhì)量的干燥的/?菌體于250 mL的錐形瓶中，加入50 mL去離子水，再加10mL 50%戊二醛溶液，使ZW菌體充分溶解，繼續(xù)加入一定體積的二乙烯三胺，于30 °C恒溫水浴搖床內(nèi)振蕩反應(yīng)48 ho收集產(chǎn)物后，依次使用去離子水和無水乙醇洗滌2次，離心收集(8000 r/min, 15 min)，在45 °C下真空干燥(12 h)，制備得到二乙烯三胺修飾Λ?菌(簡稱化學(xué)修飾Λ?菌)。
[0011](3)酰氯功能化磁性納米Fe3O4粒子
稱取50 g磁性納米Fe3O4粒子加入500 mL三口燒瓶中，分別加入100 mL去離子水和50 mL 0.001 mol/L稀HCl溶液，超聲分散0.5 h后，將三口燒瓶放在60 °C恒溫水浴箱中磁力攪拌2.0 h (N2保護)，并使用0.001 mo I/L稀HCl溶液調(diào)節(jié)體系pH值為4.0，從而使磁性納米Fe3O4粒子充分活化。再將其裝入燒杯置于120 °(:烘箱中烘8.0 h，除去其表面的水分，并取出置于干燥器中備用。
[0012]稱取一定質(zhì)量的活化后的磁性納米Fe3O4粒子，裝入500 mL三口燒瓶中，加入150mL N, N- 二甲基甲酰胺溶液進行超聲分散1.0 h，并使用濃度為25%的氨水調(diào)節(jié)溶液的pH值為6.0。然后向三口燒瓶中逐滴加入4.5 g油酸，將三口燒瓶放在70 °(:油浴中加熱回流5.0 h，從而使納米Fe3O4粒子羧基化，再加入一定體積的氯化亞砜，隨后在85 °(:油浴中繼續(xù)加熱回流2.0 h，得到酰氯功能化的磁性納米Fe3O4粒子。
[0013](4)功能化磁性載體固定/?菌
將一定質(zhì)量的酰氯功能化磁性納米Fe3O4粒子裝入500 mL的燒杯中，加入100 mL去離子水，室溫下超聲分散1.5 h后，使用0.lmol/L的HCl溶液和NaOH溶液調(diào)節(jié)體系pH值為6.00再向燒杯中加入一定質(zhì)量的二乙烯三胺修飾Λ?菌，隨后加入50 mL無水乙醇和質(zhì)量濃度為35%濃鹽酸進行超聲分散，使其均勻分散在酰氯功能化磁性納米Fe3O4粒子的懸浮液中。然后將燒杯置于70 °C的恒溫水浴箱中磁力攪拌3.0 h，隨后使之靜止沉降，取上清液，經(jīng)離心(8000 r/min)15 min后，再分別用無水乙醇和去離子水洗滌3次，75 °C真空干燥2.5 h，即得到一種新型功能化磁性耐輻射奇球菌吸附劑。
[0014](5)新型功能化磁性耐輻射奇球菌吸附劑對鈾(VI)的吸附
將一定質(zhì)量的新型功能化磁性耐輻射奇球菌吸附劑裝入250 mL圓底燒瓶中，隨后加入100 mL不同濃度的含鈾(VI)標準溶液，使用0.lmol/L的HCl溶液和NaOH溶液調(diào)節(jié)體系PH值，將其置于50 °C的恒溫水浴箱中進行恒溫振蕩吸附，吸附反應(yīng)一段時間后，8 000 r/min離心分離30 min,取上清液，測定上清液中的鈾(VI)的剩余濃度，并根據(jù)吸附前后溶液中鈾(VI)的濃度計算新型功能化磁性耐輻射奇球菌吸附劑對鈾(VI)的吸附率P。
[0015]所述步驟(2)中干燥的ZW菌體的質(zhì)量為5.0 ~ 10 mg ;二乙烯三胺的體積為35 ~45 mLo
[0016]所述步驟(3)中活化后的磁性納米Fe3O4粒子的質(zhì)量為10 -20 g ;氯化亞砜的體積為 45 ~ 55 mL。
[0017]所述步驟(4)中酰氯功能化磁性納米Fe3O4粒子的質(zhì)量為1.0 ~ 2.0 g ;二乙稀三胺修飾ZW菌的質(zhì)量為1.0 ~ 3.0 mg。
[0018]所述步驟(5)中，采用新型功能化磁性耐輻射奇球菌吸附劑對含鈾廢水中鈾的吸附試驗，新型功能化磁性耐輻射奇球菌吸附劑的質(zhì)量為5.0 ~ 15 mg;鈾標準溶液的濃度為0.45 ~ 0.55 mg/L ;溶液的 pH 值為 2.0 -10 ;吸附時間是 20 ~ 180 min。
[0019]所述的新型功能化磁性耐輻射奇球菌吸附劑對含鈾廢水中鈾的吸附率均在95%左右，能使含鈾廢水中鈾得到較好的處理。
[0020]本發(fā)明的新型功能化磁性載體固定耐輻射奇球菌的方法及其在含鈾廢水處理中的應(yīng)用，相比現(xiàn)有的技術(shù)，本方法具有以下顯著優(yōu)點:
(I)本發(fā)明所采用的功能化磁性載體固定耐輻射奇球菌的方法，能夠顯著提高耐輻射奇球菌的化學(xué)穩(wěn)定性和機械強度，從技術(shù)上解決了 Λ?菌容易在含鈾廢水溶液中以懸浮態(tài)生長，菌體與水的密度差較小，難于與水分離，易于脫落，耐沖擊性不佳等瓶頸問題，有望在含鈾廢水處理中得到廣泛的應(yīng)用。
[0021](2)本發(fā)明所制備的新型功能化磁性耐輻射奇球菌吸附劑，具有較強的耐輻射性能、良好的順磁性，并且對鈾(VI)的吸附效果好。
[0022](3)本發(fā)明的方法操作簡便、成本低、處理工藝簡單、在新型功能化磁性耐輻射奇球菌吸附劑的制備過程中，制備工藝簡單，反應(yīng)條件溫和，不需要任何加壓等化工設(shè)備，加熱條件也容易實現(xiàn)，產(chǎn)品的收率高。
[0023](4)本發(fā)明所制備的新型功能化磁性耐輻射奇球菌吸附劑，對低濃度含鈾廢水中鈾的吸附量更大，特別在低濃度含鈾廢水中對鈾的吸附率P均保持在95%以上。
【附圖說明】
[0024]圖1為實施例1制備的新型功能化磁性耐輻射奇球菌吸附劑的掃描電鏡圖，
圖2為新型功能化磁性耐輻射奇球菌吸附劑在不同投加量吸附鈾(VI)的效果圖，圖3為新型功能化磁性耐輻射奇球菌吸附劑在不同溶液pH條件下吸附鈾(VI)的效果圖，
圖4為新型功能化磁性耐輻射奇球菌吸附劑在不同吸附時間?內(nèi)吸附鈾(VI)的效果圖。
【具體實施方式】
[0025]I 材料
耐輻射奇球菌、胰蛋白胨、酵母提取物、葡萄糖、瓊脂、二乙烯三胺溶液、戊二醛溶液、無水乙醇、納米Fe3O4粒子、N，N- 二甲基甲酰胺溶液、油酸、氯化亞砜、HCl溶液、NaOH溶液、鈾(VI)標準溶液。
[0026]II 原理
通過對活化后的磁性納米Fe3O4粒子加入N，N- 二甲基甲酰胺溶液進行超聲分散后，與加入的油酸發(fā)生表面羧基化，隨后磁性納米Fe3O4粒子表面上的羧基與氯化亞砜溶液發(fā)生反應(yīng)形成酰氯。然后，酰氯功能化磁性納米Fe3O4粒子與二乙烯三胺修飾ZW菌進行N-?；磻?yīng)，從而實現(xiàn)了納米Fe3O4