放射性廢水處理中吸附鈾的優(yōu)勢藻種篩選

鈾是一種具有放射性和高毒性的重金屬元素，對生態(tài)環(huán)境和人體健康存在極大威脅. 在核工業(yè)生產(chǎn)(如核電站)的各個(gè)環(huán)節及核事故中，均會(huì )產(chǎn)生一定量的含鈾放射性廢水[1]. 因此，需要對含鈾放射性廢水進(jìn)行妥善處理與處置.

　　傳統的放射性廢水處理技術(shù)大多采用物理法或物理化學(xué)法. 用于處理低、 中放射性廢水的技術(shù)主要包括化學(xué)沉淀、 蒸發(fā)、 離子交換和膜分離(低放廢水)等[2]. 雖然傳統的放射性廢水處理技術(shù)在大部分情況下對放射性核素的去除效率較高，并且技術(shù)發(fā)展較為成熟，但仍存在處理低濃度廢水時(shí)效率較低[3]、 藥劑消耗大(化學(xué)沉淀)、 能耗高(蒸發(fā))、 易腐蝕與結垢(蒸發(fā))、 易產(chǎn)生二次污染[4]等局限性.

　　除上述傳統技術(shù)外，吸附技術(shù)因操作簡(jiǎn)單和處理效率高等優(yōu)點(diǎn)，在放射性廢水處理領(lǐng)域研究較多[5]，尤其生物吸附技術(shù)更是引起了廣泛關(guān)注[6, 7, 8]. 許多微生物如細菌、 放線(xiàn)菌、 真菌和微藻等，均可作為生物吸附劑[9, 10, 11, 12, 13, 14]. 其中，利用微藻作為吸附劑具有獨特的技術(shù)優(yōu)勢：易于培養，可利用太陽(yáng)光將CO2直接轉化為生物質(zhì)，甚至可以在經(jīng)過(guò)預處理的生活污水中生長(cháng)[15, 16]; 藻細胞易于分離收獲; 能耗低; 無(wú)二次污染，環(huán)境生態(tài)友好; 有可能對有價(jià)值的重金屬進(jìn)行回收[6, 17, 18, 19, 20]. 因此，利用微藻作為生物吸附劑處理含鈾放射性廢水，已成為近年來(lái)放射性廢水處理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn).

　　獲得吸附鈾的優(yōu)勢藻種是研究和應用微藻生物吸附技術(shù)的前提和基礎. 從實(shí)際工程應用的角度出發(fā)，優(yōu)勢藻種的篩選原則應綜合考慮多種因素.

　　(1)吸附容量大 單位藻細胞生物質(zhì)對鈾元素的吸附量盡可能大，從而減少微藻吸附劑的投加量，同時(shí)提高含鈾放射性廢水的處理效率.

　　(2)培養成本低 微藻培養的成本較高，限制了其在污水處理和生物能源生產(chǎn)等領(lǐng)域的工程化應用. 微藻生長(cháng)對水和氮磷無(wú)機鹽的大量消耗是造成其高培養成本的首要因素[21]. 若藻種能在生活污水一級、 二級處理出水中生長(cháng)，則可充分利用其中的水和氮磷資源，從而降低培養成本.

　　(3)生物質(zhì)產(chǎn)量高 藻種可在生活污水二級處理出水等低氮磷水體中生長(cháng)，且生物質(zhì)產(chǎn)量高.

　　(4)沉降性能好 藻種在培養進(jìn)入穩定期后，藻細胞沉降速率快，以利于分離收獲.

　　本研究以上述篩選原則為基礎，選擇了11株備選藻種進(jìn)行吸附鈾的優(yōu)勢藻種篩選工作，以期為后續研究提供材料基礎.

　　1 材料與方法

　　1.1 材料

　　1.1.1 藻種

　　備選藻種共計11株，包括8株實(shí)驗室分離藻種和3株購買(mǎi)藻種.

　　在8株實(shí)驗室分離藻種中，柵藻LX1(Scenedesmus sp. LX1)由長(cháng)期儲存的自來(lái)水中分離獲得; 小球藻ZTY1(Chlorella sp. ZTY1)、 小球藻ZTY2(Chlorella sp. ZTY2)、 斜生柵藻ZTY(Scenedesmus obliquus ZTY)和橢圓柵藻ZTY(Scenedesmus ovalternus ZTY)由城鎮生活污水一級出水中分離獲得; 柵藻ZSF1(Scenedesmus sp. ZSF1)、 柵藻ZSF2(Scenedesmus sp. ZSF2)和羊角月牙藻ZSF(Selenastrum sp. ZSF)由以再生水為補充水源的景觀(guān)水體(北京高碑店湖)中分離獲得. 由上述8株藻種的分離環(huán)境可以看出，本研究旨在獲得1株既對鈾有良好的吸附性能、 又可在低氮磷水體(以城鎮生活污水處理出水為代表)中生長(cháng)的優(yōu)勢藻種，以降低工程化應用時(shí)的藻細胞培養成本.

　　其余3株藻種均購自中國科學(xué)院水生生物研究所淡水藻種庫.

　　11株備選藻種的具體情況如表 1所示.

　　表 1 11株備選藻種 　　

　　1.1.2 藻細胞培養基

　　采用低氮磷水平的mBG11培養基，模擬城鎮污水處理廠(chǎng)污染物排放一級A標準的氮磷濃度限值(TN為15 mg ·L-1，TP為1.5 mg ·L-1). 成分組成為：NaNO3 91.1 mg ·L-1、 K2HPO4 ·3H2O 11 mg ·L-1，其余組分同稀釋50%的BG11培養基，包括MgSO4 ·7H2O 37.5 mg ·L-1、 CaCl2 ·2H2O 18 mg ·L-1、 檸檬酸3 mg ·L-1、 檸檬酸亞鐵銨3 mg ·L-1、 EDTA(乙二胺四乙酸)0.5 mg ·L-1、 Na2CO3 10 mg ·L-1、 A5+Co溶液1.0 mL ·L-1. A5+Co溶液的組成為：H3BO3 2.86 g ·L-1、 MnCl2 ·4H2O 1.81 g ·L-1、 ZnSO4 ·7H2O 222 mg ·L-1、 CuSO4 ·5H2O 79 mg ·L-1、 Na2MoO4 ·2H2O 390 mg ·L-1、 Co(NO3)2 ·6H2O 49 mg ·L-1.

　　1.1.3 主要儀器設備

　　人工光照培養箱(HPG-280H)、 高溫滅菌鍋(SANYO MLS-3750)、 離心機(HITACHI CF 16RXⅡ)、 超凈工作臺(AIRTECH VS-1300L-U)、 恒溫水浴鍋(ANPEL DC-12H)、 精密電子分析天平(島津AUY220)、 冷凍干燥機(FDU-1100)、 pH計(Sartorius PB-10)、 雙功能水浴恒溫振蕩器(SHA-B)、 紫外可見(jiàn)分光光度計(UV-2401PC).

　　1.2 方法

　　1.2.1 藻細胞培養

　　向500 mL錐形瓶中加入200 mL mBG11培養基，高溫高壓滅菌(121℃，30 min,除特別指出，所有水樣在微藻培養前均經(jīng)過(guò)高溫高壓滅菌處理)，取5 mL藻種液接種至上述培養基中，放入光照培養箱中培養.

　　培養條件：光照強度56 μmol ·(m2 ·s)-1，光暗比14 h ∶10 h，溫度25℃.

　　1.2.2 藻種分離

　　藻種分離的方法為平板劃線(xiàn)法.

　　向50 mL mBG11液體培養基中接種藻種，培養3-4 d后，將藻種液分別稀釋1、 2、 5、 10和20倍，然后劃線(xiàn)涂在mBG11固體培養基(瓊脂含量2.5%)平板上，再置于光照培養箱中培養，培養條件同1.2.1節.

　　待固體平板上長(cháng)出單個(gè)藻落后，挑取單個(gè)藻落再次進(jìn)行劃線(xiàn)分離和培養. 反復3次后得到純藻種.

　　1.2.3 藻細胞干重測定

　　將孔徑為0.45 μm的濾膜浸泡在高純水中并煮沸，重復3次以除去濾膜中的雜質(zhì). 將煮后的濾膜在105℃烘箱中烘干24 h，在干燥器中晾至室溫后用千分之一天平稱(chēng)取其重量. 取適量藻液用上述濾膜過(guò)濾，將截留藻細胞的濾膜在105℃烘箱中烘干24 h，在干燥器中晾至室溫后用千分之一天平稱(chēng)取其重量. 前后兩次測得的濾膜質(zhì)量差即為藻細胞干重.

　　1.2.4 藻細胞沉降性測定

　　待藻細胞生長(cháng)進(jìn)入穩定期后，測量藻細胞干重. 在室溫下取200 mL搖勻藻液，置于Imhoff沉降管中靜置沉降60 min，將上清液(180 mL)倒出，利用濾膜法測量底部20 mL濃藻液的藻細胞干重，再根據式(1)計算沉降率S.

　　式中，S：表征藻液中可沉降部分占總生物質(zhì)的比例，%; Xm：原藻液的藻干重，g ·L-1; m：Imhoff沉降管底部20 mL濃縮藻液的藻干重，g ·L-1.

　　沉降率S的值越大，表明藻細胞的沉降性越好.

　　1.2.5 溶液中 U(Ⅵ)含量的測定

　　溶液中 U(Ⅵ)含量的測定采用5-Br-PADAP分光光度法，具體測定步驟如下.

　　(1)配制試劑

　　① 混合掩蔽劑溶液：稱(chēng)取12 g環(huán)己二胺四乙酸(CyDTA)，溶于150 g ·L-1的氫氧化鈉溶液，加入3 g氟化鈉、 32 g磺基水楊酸和400 mL水. 待全部溶解后，調節溶液 pH 至8，然后加水稀釋至500 mL. ② 酚酞指示劑：0.1 g ·L-1乙醇溶液. ③ 三乙醇胺緩沖溶液：取100 mL三乙醇胺溶于300 mL水中，調節溶液pH至8，再加水稀釋至500 mL，混勻. ④ 丙酮：純丙酮試劑. ⑤ 顯色劑Br-PADAP乙醇溶液：稱(chēng)取0.25 g Br-PADAP溶于500 mL無(wú)水乙醇溶液.

　　(2)繪制標準曲線(xiàn)

　　取6個(gè)50 mL容量瓶，分別加入含有0、 10、 20、 30、 40、 50 μg鈾的標準溶液[硝酸雙氧鈾，UO2(NO3)2 ·6H2O]; 加入5 mL混合掩蔽劑溶液和1滴酚酞指示劑; 先用400 g ·L-1的氫氧化鈉溶液調至粉紅色，再用1 mol ·L-1的鹽酸調至無(wú)色; 加入3 mL三乙醇胺緩沖溶液、 10 mL丙酮和3 mL顯色劑Br-PADAP乙醇溶液; 用水稀釋至刻度，搖勻. 放置30-60 min后，以空白溶液為參比，測定鈾標準溶液在580 nm下的吸光度值D580，并建立D580與鈾質(zhì)量(μg)關(guān)系的標準曲線(xiàn)，如圖 1所示.

　　圖 1 鈾標準溶液在580 nm下的吸光度D580和U(Ⅵ)質(zhì)量的關(guān)系曲線(xiàn)

　　1.2.6 藻細胞對鈾的吸附容量測定[22]

　　待藻細胞在mBG11培養基中生長(cháng)進(jìn)入穩定期后，對藻細胞進(jìn)行離心收獲、 冷凍干燥、 研磨，制成藻干粉.

　　用移液管量取50 mL已知質(zhì)量濃度的鈾溶液至100 mL帶塞錐形瓶中，用 0.1 mol ·L-1的鹽酸和NaOH溶液調節pH值至4，加入一定量的藻粉，置于30℃水浴恒溫振蕩器中振蕩60 min. 吸附過(guò)程結束后，取一定量混合液離心(10 000 r ·min-1，10 min，4℃)，取上清液用5-Br-PADAP分光光度法測定其吸光度D580，并根據吸光度D580和U(Ⅵ)質(zhì)量的關(guān)系曲線(xiàn)計算上清液中的鈾離子含量. 藻細胞對鈾離子的吸附容量qt (mg ·g-1)可通過(guò)式(2)計算：

　　式中，qt：藻細胞對鈾離子的吸附容量，mg ·g-1; c0：鈾溶液的初始濃度，mg ·L-1; ct：上清液中的鈾濃度，mg ·L-1; V：鈾溶液的體積，L; m：加入藻粉的質(zhì)量，g.

　　1.2.7 試驗數據處理

　　每組試驗均做3個(gè)平行樣，并對試驗數據進(jìn)行誤差分析.

　　2 結果與分析

　　2.1 不同藻種對鈾的吸附容量比較

　　藻細胞對鈾的吸附容量是篩選優(yōu)勢藻種需要考慮的首要因素. 分別取11株備選藻種的25 mg藻干粉加入50 mL初始鈾濃度為50 mg ·L-1的鈾溶液中，在30℃水浴恒溫下振蕩60 min后，不同藻種對鈾的吸附容量對比如圖 2所示. 從中可見(jiàn)，在11株備選藻種中，柵藻LX1對鈾的吸附容量最大，為40.7 mg ·g-1，其次是普通小球藻.

　　圖 2 不同藻種對鈾的吸附容量對比

　　2.2 不同藻種在mBG11培養基中的最大生物量比較

　　11株備選藻種在mBG11培養基中生長(cháng)16 d、 進(jìn)入穩定期后的最大生物量對比如圖 3所示，可代表藻種在城鎮生活污水二級處理出水中的最大生長(cháng)潛力. 除月牙藻ZSF的最大生物量較低(僅0.16 g ·L-1)外，其余所有藻種的最大生物量均在0.27 g ·L-1以上，尤其是柵藻ZSF1、 小球藻ZTY2、 柵藻LX1等8株藻種的最大生物量達到了0.30-0.40 g ·L-1之間.

　　圖 3 不同藻種在mBG11培養基中生長(cháng)16 d后的最大生物量對比

　　在一般的微藻培養體系中，典型的藻細胞生物量水平[23]為0.30-0.40 g ·L-1. 可見(jiàn)，除月牙藻ZSF外，絕大部分藻種均在城鎮生活污水二級處理出水中有較大的生長(cháng)潛力. 其原因為，從污水處理廠(chǎng)或實(shí)際水體中分離得到的藻種，往往能夠更好地適應實(shí)際水體環(huán)境，生長(cháng)狀況更好[24].

　　2.3 不同藻種的沉降性能比較

　　沉降率S表征了藻液靜置60 min后，易于自然沉降的藻細胞生物質(zhì)占總生物質(zhì)的比例. 重力沉降是最簡(jiǎn)單、 最常用的藻細胞收獲方式之一，沉降率S越高，表明藻細胞越易于通過(guò)重力沉降收獲. 11株備選藻種生長(cháng)進(jìn)入穩定期后的沉降率對比如圖 4所示.

　　圖 4 不同藻種生長(cháng)進(jìn)入穩定期后的沉降率對比

　　可見(jiàn)，雨生紅球藻和所有柵藻的沉降率普遍較高，均在40.0%以上; 其中，柵藻ZSF1、 雨生紅球藻和柵藻LX1的沉降率較高，分別為48.7%、 47.9%和45.3%. 小球藻的沉降率相對較低，均在30.0%左右. 羊角月牙藻的沉降率最低，僅為24.6%.

　　3 討論

　　3.1 藻細胞對鈾的吸附容量

　　Kalin等[25]總結了不同藻種對U(Ⅵ)的吸附能力，如表 2所示. 其中，Pseudomonas對鈾的吸附容量最大，為96 000 mg ·g-1; 吸附容量在100-600 mg ·g-1之間的藻種有13株，占總數的56.5%; 吸附容量在100 mg ·g-1以下的藻種有9株，占總數的39.1%. 柵藻LX1對鈾的吸附容量在表 2中屬于后40%，與表中柵藻的吸附容量(75 mg ·g-1)同屬一個(gè)數量級.

 

 

　　表 2 藻種對U(Ⅵ)的吸附容量對比 [25]

　　雖然柵藻LX1對鈾的吸附容量與已有報道的藻種相比并不具有優(yōu)勢，但如前文的篩選原則所述，面向實(shí)際應用，不能僅關(guān)注吸附容量，還應綜合考慮藻細胞培養成本、 藻細胞易培養性、 藻細胞沉降性能等多種因素.

　　3.2 吸附鈾的優(yōu)勢藻種確定

　　藻種對鈾的吸附容量及其在低氮磷水體(城鎮生活污水處理廠(chǎng)二級處理出水)中的生長(cháng)潛力，是藻種篩選的兩項主要指標. 以不同藻種在mBG11培養基中的最大生物量為橫坐標、 對鈾的吸附容量為縱坐標，繪制優(yōu)勢藻種篩選圖，如圖 5所示.

　　圖 5 吸附鈾的優(yōu)勢藻種篩選對比

　　越靠近上方的點(diǎn)，表明藻種對鈾的吸附容量越高; 越靠近右方的點(diǎn)，表明藻種在低氮磷水體中的生長(cháng)潛力越大. 根據篩選原則，應選擇右上方的點(diǎn)作為優(yōu)勢藻種.

　　通過(guò)圖 5可以看出，柵藻LX1處于圖中的右上方位置：其對鈾的吸附容量最高，并且在低氮磷水體中的生長(cháng)潛力也較大. 同時(shí)，柵藻LX1在生長(cháng)進(jìn)入穩定期后的沉降性能也較好. 因此，在本研究范圍內，可確定柵藻LX1為放射性廢水處理中吸附鈾的優(yōu)勢藻種.

　　4 結論

　　(1)優(yōu)勢藻種應具備對鈾的吸附容量大、 培養成本低(可在生活污水二級處理出水中生長(cháng))、 在低氮磷水體中的生物質(zhì)產(chǎn)量高、 沉降性能好等特點(diǎn).

　　(2)柵藻LX1對鈾的吸附容量最大，為40.7 mg ·g-1.

　　(3)柵藻LX1在mBG11培養基(模擬城鎮污水處理廠(chǎng)污染物排放一級A標準的氮磷濃度限值：TN 15 mg ·L-1，TP 1.5 mg ·L-1)中的生物質(zhì)產(chǎn)量較高，為0.32 g ·L-1.

　　(4)柵藻LX1在生長(cháng)進(jìn)入穩定期后的沉降性能較好，沉降率為45.3%.

　　(5)綜合考慮各項篩選原則，在本研究范圍內，柵藻LX1為放射性廢水處理中吸附鈾的優(yōu)勢藻種.