人工菌群和土著菌群修复模拟铀污染地下水的试验研究

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地浸采铀结束后,采铀区铀污染地下水对居民的健康和生态环境构成威胁。向铀污染地下水中添加电子供体刺激土著菌群通过生物还原的机制可将溶解度较高的U(VI)还原为难溶的U(IV),从而实现修复铀污染地下水的目的。已有研究表明:在土著菌群还原固铀过程中硝酸盐还原菌(NRB)、硫酸盐还原菌(SRB)、铁还原菌(Fe RB)的丰度较高,并在该过程中发挥重要作用。虽然土著菌群经环境的长期驯化能很好地适应环境,并且功能菌群间存在协同作用,可有效提高其还原固铀效果,但土著菌中由于缺失部分关键功能菌群可能会妨碍微生物的固铀过程,使其固铀机制的研究更为复杂。因此,如何利用功能菌群的协同作用将它们有效地结合,构建高效固铀菌群是生物修复铀污染地下水的关键。模拟试验结果表明:将NRB、SRB、Fe RB按照等比例混合构建的人工菌群,土著菌群投入于pH 7.2、25℃、U(VI)初始浓度为20.00 mg/L的模拟铀污染地下水中,微生物的初始浓度均为1.0×10~7个/mL,电子供体为无水乙醇(0.46 g/L)。人工菌群组和土著菌群组分别在与模拟铀污染地下水反应的前4天对溶液中NO3-的去除率分别在90.00%以上,在第4~19天两组对溶液中U(VI)和SO42-的去除率分别为93.00%、98.60%,对溶液中SO42-的去除率分别为32.18%、38.93%。之后溶液中NO3-浓度、U(VI)浓度、SO42-浓度无明显变化。在试验过程中两组溶液的pH值从7.2上升到7.60~7.83。人工菌群和土著菌群分别在与模拟铀污染地下水反应34天之后,通过对其反应产物进行扫描电镜-X射线能谱(SEM-EDS)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、X射线光电子能谱(XPS)、X-射线衍射仪(XRD)分析结果表明:人工菌群和土著菌群的固铀过程分为三阶段:(第一阶段)人工菌群和土著菌群将溶液中的U(VI)吸附固定于菌体表面,同时将NO3-还原,为U(VI)的还原创造有利条件,在生物吸附过程中与铀相互作用的官能团包括羟基、羧基、酰胺基等含氧官能团;(第二阶段)人工菌群和土著菌群的菌体表面出现层状沉淀,微生物同步还原U(VI)、SO42-,在人工菌群组产物中U(VI)和U(IV)的相对比例分别为50.44%、49.56%,在土著菌群组产物中U(VI)和U(IV)的相对比例分别为74.41%、25.59%,其中U(IV)主要为UO2;(第三阶段)人工菌群和土著菌群菌体表面的层状沉淀更加致密,在人工菌群组产物中U(VI)和U(IV)的相对比例分别为52.69%、47.31%,在土著菌群组产物中U(VI)和U(IV)的相对比例分别为64.35%、36.65%,该阶段中微生物也促进非结晶态U(IV)和U(VI)转化为UO2,提高了还原产物的稳定性。以上分析表明在本试验中人工菌群对U(VI)的还原效果优于土著菌群。人工菌群组和土著菌群组的微生物群落分析表明:高效固铀菌群应该包括Fe RB、NRB、SRB。向实际铀污染地下水中添加高效菌株如Clostridium_sensu_stricto_13或其他关键微生物是进一步提高微生物原位修复铀污染地下水效果的一种可行方法。该研究结果为微生物修复铀污染地下水过程中高效菌群的构建提供理论指导,对原位修复铀污染地下水具有重要意义。
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