奥奈达希瓦氏菌MR-1还原U(VI)的特性及影响因素

王永华,谢水波,2*,刘金香,马华龙,凌 辉,吴宇琦(.南华大学,污染控制与资源化技术湖南省高校重点实验室,湖南 衡阳 4200：2.南华大学,铀矿冶生物技术国防重点学科实验室,湖南 衡阳 4200)

奥奈达希瓦氏菌MR-1还原U(VI)的特性及影响因素

王永华1,谢水波1,2*,刘金香1,马华龙1,凌 辉1,吴宇琦1(1.南华大学,污染控制与资源化技术湖南省高校重点实验室,湖南 衡阳 421001：2.南华大学,铀矿冶生物技术国防重点学科实验室,湖南 衡阳 421001)

探讨了在腐殖质模式物蒽醌−2−磺酸钠(AQS)存在条件下,奥奈达希瓦氏菌MR-1的还原U(VI)特性.结果表明,在厌氧环境下奥奈达希瓦氏菌以AQS为电子穿梭载体,利用电子供体高效还原U(VI).当菌体投加量为1.2×109个时,其还原铀的效率达95.09%; AQS的浓度低于0.5mmol/L时有利于MR-1菌厌氧还原U(VI),AQS浓度的升高U(VI)的还原明显受到抑制.当U(VI)初始浓度为30.0mg/L时,分别以甲酸盐、乙酸盐和乳酸盐为电子供体,经过7d后其还原率分别达到95.37%、92.41%和95.65%.金属离子(Cu2+、Mn2+、Ca2+)、有毒有机物等对U(VI)还原产生影响.当Ca2+的浓度为2.0mmol/L时,对U(VI)的还原有微弱的促进作用,而当Cu2+和Mn2+浓度为2.0mmol/L时,则存在较强的抑制作用.奥奈达希瓦氏菌也能利用环境中甲苯、三氯乙酸、顺丁烯二酸等有毒物质高效还原U(VI),同时使有毒物质得到降解.扫描电子显微镜(SEM)和电子能谱(EDS)分析结果表明,奥奈达希瓦氏菌菌体中沉积了铀元素.

U(VI)还原；奥奈达希瓦氏菌；蒽醌−2−磺酸钠(AQS)；重金属

铀矿冶中常产生大量的尾矿、废石和低浓度含铀废液,含有大量铀、镭等放射性核素和残留污染物,它们随水体渗透迁移对水体和土壤构成极大生态风险[1-3].铀矿坑道废水中铀浓度一般在0.5～40mg/L,美国田纳西橡树岭Y-12设施区中心第三区污染区域铀浓度达40～60mg/L.放射性废液对人类存在潜在的致癌致畸和致突变作用[4-5],因此,需要对污染物废液进行资源回收利用或稳定安全处理.

相对于物理化学处理方法,微生物法处理含铀废液具有高效、成本低、耗能少和无二次污染物等优点,受到广泛关注.据报道希瓦氏菌属(Shewanella)能利用多种高价态金属及其氧化物、有机污染物作为电子受体进行厌氧呼吸,在重金属污染治理领域具有很大潜力[6].近期实验研究已经证实[7],金属还原菌(Shewanella oneidensis, Geobacter metallireducens)可将地下水和废液中溶解态的U(VI)还原成难溶态的U(IV),以晶质铀矿的形式沉淀.奥奈达希瓦氏菌(Shewanella oneidensis)属于革兰氏阴性细菌, 兼性厌氧,产能代谢和电子传递途径多样化,能以氧气为最终电子受体进行有氧呼吸,也能利用铁、锰、铀、硝酸盐、氧化三甲胺等作为最终电子受体进行无氧呼吸,已经证明其可通过Fe(Ⅲ)还原获得能量[8].研究还表明[9-12],在无氧环境下,奥奈达希瓦氏菌能够还原Cr、Co、Pd、Tc、U、Pu等有毒或者放射性金属.目前已有关于奥奈达希瓦氏菌对偶氮染料[13-14]和有毒有机物[15]的降解研究,而对U(VI)等放射性金属的还原沉降研究尚不够深入.本研究采用AQS协同作用下奥奈达希瓦氏菌处理U(VI),探讨铀污染处理和铀资源回收利用的新的思路和方法.

采用奥奈达希瓦氏菌MR-1为模式菌株,试验探讨了影响U(VI)还原效果的主要因素,以及AQS存在条件下菌株的厌氧还原U(VI)特性,以期为核环境保护和放射性污染生物修复技术开发与资源回收利用提供参考.

1 材料与方法

1.1 实验材料

奥奈达希瓦氏菌MR-1,中国海洋微生物菌种保藏管理中心提供(MCCC,编号1A01706).

培养基:NaHCO32.5g/L, NH4Cl 0.25g/L, KCl 0.1g/L, NaCl 0.1g/L, MgSO4·7H2O 0.05g/L, MgCl2·6H2O 0.2g/L, KH2PO40.04g/L, Yeast Extract 1g/L.还原实验中添加一定量的乳酸钠作为电子供体支持U(VI)还原.

主要试剂:基准U3O8(分析纯),标准铀溶液采用GBW04201方法配制;蒽醌-2-磺酸钠(AQS),分析纯,购自Sigma公司;其他试剂均为分析纯,实验用水为超纯水.

1.2 菌株的厌氧培养

试验装置如图1所示.丁基橡胶塞密封瓶口,将高纯氮气和二氧化碳的混合气经过细菌过滤器(0.2µm)充入到装有培养液的实验瓶中,充气时间≥15min.充气完毕,密封所有橡胶管,使瓶口剩余的空间充满混合气体.置于生化培养箱中恒温培养(30℃).每次取样后重新通入气体,以保持瓶内厌氧环境.

图1 厌氧培养装置Fig.1 Anaerobic culture device

1.3 奥奈达希瓦氏菌还原U(VI)实验

在灭菌的培养基中加入经过滤灭菌器灭菌的10mmol/L乳酸钠和1mmol/L AQS制成培养液.在150mL锥形瓶中加入培养液,用NaOH和HCl调节pH值至7.0,定容至100mL.收集对数期菌种,控制菌悬液OD600≈0.76,接种定量菌液于还原培养基中,按1.2节操作静置培养,定时取样分析.重复上述步骤,分别考察奥奈达希瓦氏菌与AQS体系中铀初始浓度、菌体投加量、AQS浓度和电子供体等对奥奈达希瓦氏菌还原U(VI)的影响.

实验条件设为U(VI)初始浓度20mg/L,乳酸钠10mmol/L,AQS 1mmol/L,菌体投加量2mL,控制恒定变量,变换单一因素.将溶液中U(VI)的初始浓度设为10,20,30,50mg/L;菌体投加量设置为0.5,1.0,2.0,5.0mL(以菌悬液体积计数);AQS用量为0,0.5,1.0,2.0,5.0mmol/L;电子供体影响,分别采用10mmol/L甲酸钠、乙酸钠、乳酸钠,无外加电子供体为空白.每组实验不同条件值均使用同一批微生物同时进行实验,确保比较的可靠性.

近期研究表明, Shewanella decolorationis S12, Shewanella strain J18和Shewanella sp. NTOU-1对人工合成染料的最适降解脱色pH均在6.0～8.0[16-17].研究发现pH值在7.0,奥奈达希瓦氏菌对U(VI)还原效率较高.因此本实验初始pH值控制在7.0.

1.4 有毒物质对U(VI)还原影响试验

菌种培养过程如1.3,然后在培养液中分别加入Cu2+、Mn2+和Ca2+,并添加一定量的AQS和乳酸钠进行还原实验,以不添加金属离子作对照进行还原U(VI)试验.

分别以10mmol/L的甲苯、三氯乙酸、顺丁烯二酸作为电子供体,无外加电子供体作为对照,进行还原U(VI)试验.

1.5 菌体还原U(VI)前后形态分析

SEM-EDS表征:真空冷冻干燥机充分干燥还原 U(VI)前后菌体,喷金制备成电镜样品,置于FEI Quanta-200型环境扫描电子显微镜(美国)下室温扫描,观察样品形貌,并用Genesis型能谱仪(美国)分析样品表面元素.

1.6 分析方法

样液预处理:在厌氧条件下采用注射器连接无菌皮头针从取样管抽取适量菌体样液,经过8000g/min离心10min,取其上清液用细菌过滤器过滤.

U(VI)的测定:采用国家标准(GB6768−86)分光光度法测定铀.按公式(1)计算U(VI)的还原率:

式中: A0、A1分别为作用前和作用后溶液中U(VI)的浓度.

所有实验组均设置3个平行实验,取其数据的平均值作为实验结果.

2 结果与分析

2.1 U(VI)初始浓度对MR-1还原U(VI)的影响

试验考察不同U(VI)初始浓度对奥奈达希瓦氏菌还原U(VI)的影响.在乳酸钠浓度10mmol/L,AQS浓度为1mmol/L,温度为30℃, U(VI)初始浓度分别为10,20,30,50mg/L条件下,考察了U(VI)初始浓度对奥奈达希瓦氏菌还原U(VI)的影响.

图2 U(VI)初始浓度对U(VI)还原的影响Fig.2 Effect of initial U(VI) concentration on U(VI) reduction by MR-1

由图2可见,在初始厌氧条件时,菌体OD600< 0.05无明显生长,这可能是AQS参与反应及菌体对缺氧体系的适应.前48h内细菌处于调整期,还原率较低,随时间延长菌体量增多,表现出较好还原效果.当U(VI)浓度为20mg/L时,菌株有较高还原率;当U(VI)浓度为30mg/L时,第4d U(VI)还原率已接近95%.当U(VI)初始浓度为50mg/L时,菌体仍有较好的还原效果,可见菌体对高浓度U(VI)有较强的适应能力.而U(VI)初始浓度为10mg/L时,48h内菌体的还原率变化不明显,之后还原率逐渐升高,推测是培养基中微量的HPO-24与U(VI)结合形成的磷酸铀酰分子被醌类物质还原.

可见,当U(VI)的初始浓度为30mg/L时,有利于奥奈达希瓦氏菌菌株生长和U(VI)还原的进行,以下实验均在此初始浓度条件下进行.

2.2 菌体MR-1投加量对其还原U(VI)的影响

其他试验条件不变,U(VI)浓度为30mg/L,控制菌悬液浓度约6×108个/mL,菌体投加量分别为0.5,1,2,5mL,考察菌体投加量对其U(VI)还原的影响,试验结果如图3所示.

由图3可知,U(VI)还原率前5d内逐渐增大,随后达到稳定状态.在投加量小于2mL前,菌体对厌氧环境逐步适应,其对U(VI)还原率持续升高;当投加量为2mL时,U(VI)还原率达到最高并趋于稳定;当菌体投加量达到5mL时,由于菌体量较多,最初的3d还原效果较好,但随后U(VI)还原率无显著变化.分析认为是投加量增加,初始菌体还原率较高,但适应环境后菌体总量的增多,使得其对营养物质的竞争作用加剧,甚至出现部分菌体的衰亡,以致U(VI)还原率在后期较早趋于稳定.

图3 菌体投加量对U(VI)还原的影响Fig.3 Effect of bacteria volume on U(VI) reduction by MR-1

2.3 AQS浓度对MR-1还原U(VI)的影响

以腐殖质模式物AQS进行研究,其作用机制是通过氧化态的羰基结构与还原态的羟醌形式循环转化参与电子传递.在电子供体为乳酸钠,U(VI)浓度为30mg/L条件下,将奥奈达菌按2%接种量分别接种于AQS起始浓度分别为0.5,1,2,5mmol/L的培养基中,考察AQS用量对菌体还原U(VI)的影响.结果如图4所示.

图4 AQS浓度对U(VI)还原的影响Fig.4 Effect of AQS concentration on U(VI) reduction by MR-1

从图4可知,在菌体还原U(VI)的过程中,与空白(不添加AQS)试验对比,在第6d,投加0.5mmol/L的实验组其U(VI)还原率提高了5.3倍,表明AQS明显促进了U(VI)的还原.不加AQS的培养体系中,菌体表现出一定的还原作用,可能是培养基中含有乳酸钠和微量的酵母抽取物,为菌体生长和厌氧还原提供了部分还原能力.AQS在浓度低于2mmol/L时有明显促进作用, 但当AQS浓度大于2mmol/L时,对细菌还原U(VI)的促进作用减小.这与许志诚等[18]对希瓦氏菌还原偶氮染料的研究结果基本一致.当AQS浓度为0.5mmol/L,U(VI)浓度从30mg/L降到0.41mg/L, U(VI)还原率达到98%以上,溶液中产生了还原态的AH2QS.当AQS浓度为5mmol/L时,溶液颜色明显加深,而还原率降至59.9%.表明随AQS浓度的增加促进效果逐渐减弱.

试验发现,腐殖质类物质AQS在一定浓度范围内有促进作用,在此范围以外其促进作用减弱.王秀娟[19]在对腐殖质类物质2-羟基-1,4-萘醌(LQ)对Se、Te的介导还原研究中,将LQ初始浓度从0.1,0.2,0.4提高到0.6mmol/L时,其对Se (IV)和Te(IV)的还原促进效果并没有进一步提高.随着AQS浓度的提高而其加速效果弱化可能是由于电子供体的限制.另外,多数醌类物质为人工合成的且对生物细胞有一定的毒性[20-21],奥奈达希瓦氏菌对醌类物质耐受力有限,当超过一定浓度阈值时(2mmol/L),醌类物质与U(VI)存在电子竞争,影响电子传递从而导致还原率降低.

2.4 电子供体对MR-1还原U(VI)的影响

试验分别以10mmol/L的甲酸钠、乙酸钠和乳酸钠作为奥奈达希瓦氏菌厌氧还原的电子供体,分别考察了外加电子供体和不加的条件下,电子供体对奥奈达希瓦氏菌还原U(VI)的影响.试验结果如图5所示.

在不外加电子供体即反应体系中电子供体不足的情况下,细菌对U(VI)仍有一定的还原作用,在稳定之后能达到72%.投加电子供体后,奥奈达希瓦氏菌对U(VI)的还原率提高了20%,相比之下,添加甲酸钠和乳酸钠的体系在第4d达到93.25%和94.38%,这说明体系中电子供体的存在可促进奥奈达希瓦氏菌对U(VI)的还原.

图5 电子供体对U(VI)还原的影响Fig.5 Effect of electron donors on U(VI) reduction by MR-1

另一方面,外加不同的电子供体菌体对U(VI)的还原效果存在差异.其原因可能是因为甲酸钠、乙酸钠、乳酸钠3种电子供体的氧化还原电势不同,乳酸钠、甲酸钠的失电子能力相对较强,使得细菌利用效率更高.培养至第7d时,U(VI)的还原率为:乳酸钠(95.65%)>甲酸钠(95.37%)>乙酸钠(92.41%).这与陈洁等[22]研究奥奈达希瓦氏菌还原Fe(III)还原特性得到的结果一致.

本实验不外加电子供体时仍存在还原作用,可能是酵母提取物中含有部分有机酸,可以充当电子供体.但反应体系中酵母抽提物添加量仅为1g/L,因此不能满足细菌完全还原的需求.

2.5 金属离子对MR-1还原U(VI)的影响

水体中其他共存离子的存在往往会对U(VI)的还原产生影响,试验通过在还原体系中添加金属离子考察其对菌体还原U(VI)的影响.保持其他条件不变,在微生物培养液中分别加入2mmol/L的Cu2+、Mn2+、Ca2+,各实验组U(VI)还原率如图6所示.

结果显示,添加了Cu2+、Mn2+、Ca2+的实验组,48h后U(VI)还原率分别为3.72%、31.78%、88.88%;而未添加金属离子的对照组达到了82.40%.也就是说,添加的金属离子有部分对U(VI)的去除有一定的抑制作用,且Cu2+的影响大于Mn2+;某些离子也有微弱的促进作用.汤洁等[23]研究了肠埃希氏菌-铁屑协同还原去除水体中Cr(VI)的影响,发现在Cu2+、Mn2+存在条件下Cr(VI)还原率也受到一定程度的抑制.在奥奈达希瓦氏菌中,具有还原酶活性的蛋白质主要位于细胞膜上[24],Cu2+的抑制作用则是与呼吸链始端脱氢酶的蛋白活性中心相结合,破坏了活性中心,从而使该蛋白失去氧化电子供体的能力[25].添加的重金属离子对U(VI)的间接还原过程产生了不利影响.

图6 金属离子对U(VI)还原的影响Fig.6 Effect of metal ions on U(VI) reduction by MR-1

分析认为,Ca2+离子的促进作用可能是由于菌体对Ca2+有较好的耐受性,Ca2+的存在增强了与U(VI)还原相关的蛋白质的活性,或者参与了反应中还原酶或电子传递物质的合成,从而促进了奥奈达希瓦氏菌直接还原U(VI)的酶促反应过程.

2.6 环境有毒有机物质对MR-1还原U(VI)的影响

以10mmol/L的甲苯、三氯乙酸、顺丁烯二酸为电子供体,不添加有毒物质的培养液作为对照,考察环境中有毒有机物质对奥奈达希瓦氏菌还原U(VI)的影响.结果如图7所示.

结果表明,3种有毒物质作为电子供体时都能够促进奥奈达希瓦氏菌对U(VI)的还原.与对照组相比,奥奈达希瓦氏菌可利用甲苯、三氯乙酸、顺丁烯二酸进行厌氧腐殖质呼吸,达到稳定后还原率分别为97.20%、96.92%、97.91%,一定程度上促进了U(VI)的还原.AQS在厌氧还原中作为电子中间体,通过氧化、还原两种形态的转换,使得U(VI)还原率得到明显的提升,而甲苯在此时由于失去电子被氧化成CO2[26],其他物质也得到相应的氧化态.本课题组通过腐败希瓦氏菌还原U(VI)的特性研究[27],发现有毒物质的存在能够显著促进U(VI)的还原.这说明奥奈达希瓦氏菌能够较好的利用环境有毒有机物,推测以后会有更多的有毒物质被发现可作为电子供体支持奥奈达希瓦氏菌还原U(VI).

图7 有毒有机物对U(VI)还原的影响Fig.7 Effect of toxic organic compounds on U(VI) reduction by MR-1

3 奥奈达希瓦氏菌形态特征分析

3.1 MR-1还原U(VI)的扫描电镜分析

图8为奥奈达希瓦氏菌还原U(VI)前后扫描电镜结果.

图8 奥奈达希瓦氏菌还原U(VI) 前a后b扫描电子显微镜图(×50000)Fig.8 SEM images of S. oneidensis before and after reduction (×50000)

由图8a可见,奥奈达希瓦氏菌菌体表面纹路较清晰,相对比较光滑,可看出表面的褶皱和凸起;菌体呈椭圆状或者长杆状,有的细胞膜之间出现凹陷形成空洞,菌体相互粘连较少.图8b可见,奥奈达希瓦氏菌还原U(VI)后表面形态发生了改变,菌体呈扁平状、梭状,表面出现棱角或者内陷,无明显空隙和空洞,呈现出较多的微小颗粒;细胞之间相互粘连甚至叠合,有部分可能死亡,表面沉积有很多铀晶体,这表明菌体与U(VI)发生了作用.菌体细胞表面和周围有很多晶质晶体,这有可能是细胞产生某种物质与U(VI)作用产生晶体结晶[28].奥奈达希瓦氏菌的细胞壁由碳水化合物、周质蛋白等组成,这些生物物质可提供大量的有机基团,作为配体和有空轨道的U(VI)相互键合,通过复杂生化反应改变了菌体表面形态.

3.2 MR-1还原U(VI)的电子能谱分析

图9 菌体与铀酰离子作用前后能谱分析Fig.9 EDS results of S. oneidensis cells before and after interaction with uranyl ion

能谱分析结果(图9b)表明,还原后奥奈达希瓦氏菌菌体出现铀的吸收峰,结合能为3～3.5keV,其含量占细胞质量分数的59.11%,原子分数的17.72%.C、O含量高,这与样液和菌体本身含有大量C、O相符;P、K元素的含量有所降低,这说明奥奈达希瓦氏菌细胞在还原的过程中,K+、PO43+有所参与.还原后含有很强的铀峰,表明菌体对铀具有很强的还原能力;细胞还原前后Au元素的出现,是能谱分析的过程中,样品经过喷金处理所致.

4 结论

4.1 厌氧条件下,奥奈达希瓦氏菌能够利用AQS进行腐殖质呼吸高效还原U(VI).当AQS浓度低于0.5mmol/L,能显著促进菌体对U(VI)的还原.AQS浓度为0.5mmol/L, U(VI)还原率达到98.61%.

4.2 奥奈达希瓦氏菌能够利用甲酸钠、乙酸钠、乳酸钠等作为电子供体,以AQS作为电子穿梭载体,高效还原U(VI).没有加电子供体时,奥奈达希瓦氏菌能部分还原U(VI).分别以10mmol/L的3种物质作为电子供体时,U(VI)的还原效率为:乳酸钠>甲酸钠>乙酸钠.

4.3 Cu2+、Mn2+等重金属以及甲苯、三氯乙酸等有毒有机物质对奥奈达希瓦氏菌还原U(VI)的影响不同.2mmol/L的Cu2+和Mn2+对U(VI)的还原有较强抑制作用,甲苯、三氯乙酸和顺丁烯二酸等能够作为电子供体支持U(VI)还原.菌体在高效还原U(VI)的同时,能够降解有毒物质,减少并消除其对环境的危害.

4.4 能谱分析表明,奥奈达希瓦氏菌本身能够和U(VI)发生作用,对U(VI)具有较强的还原能力.

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Characteristics of reducing U(VI) by Shewanella oneidensis MR-1and its impact factors.

WANG Yong-hua1, XIE Shui-bo1,2*, LIU Jin-xiang1, MA Hua-long1, LING Hui1, WU Yu-qi1(1.Hunan Province Key Laboratory of Pollution Control and Resources Reuse Technology, University of South China, Hengyang 421001, China；2.Key Discipline Laboratory for National Defence for Biotechnology in Uranium Mining and Hydrometallurgy, University of South China, Hengyang 421001, China). China Environmental Science, 2014,34(11)：2942～2949

Characteristics and reaction conditions of anaerobic reduction by the Shewanella oneidensis MR-1in the presence of anthraquinone-2-sulfonate (AQS) were evaluated. The results showed that U(VI) could be efficiently reduced by S. oneidensis MR-1utilizing AQS and electron donors under the anaerobic conditions. Its reduction efficiency reached 95.09% when the dosage of MR-1was 1.2×109. The efficiency of U(VI) bioreduction increased when the concentration of AQS was below 0.5mmol/L, and inhibited when it exceeded 0.5mmol/L. When the initial concentration of U (VI) was 30mg/L, uranium reduction rates were 95.37%, 92.41% and 95.65% while using formate, acetate and lactate respectively. Metal ions (Cu2+, Mn2+, Ca2+) and toxic organics had impacts on the reduction of U (VI). Ca2+acted as a weak role in promoting the reduction, however, equal concentrations of Cu2+and Mn2+played a strong inhibitory effect. Toxic organic compounds were available to reduce U (VI) efficiently by S. oneidensis MR-1and get degraded at the same time. Characterizations with Scanning Electron Microscope (SEM) and Energy dispersive spectroscopy (EDS) indicated the deposition of U element on the cell of S. oneidensis.

U(VI) reduction；Shewanella oneidensis；anthraquinone-2-sulfonate (AQS)；heavy metal

X172

A

1000-6923(2014)11-2942-08

王永华(1987-),男,河南濮阳人,南华大学硕士研究生,主要从事水处理理论与技术研究.

《中国环境科学》2011年度引证指标

《中国环境科学》编辑部

2014-02-06

国家自然科学基金项目(11175081,11475080);湖南省自然科学基金项目(13JJ3078);湖南省高校创新平台开放基金项目(13K085,13K086);湖南省教育厅基金项目(11C1087)

* 责任作者, 教授, xiesbmr@263.net

根据《2012年版中国科技期刊引证报告(核心版)》,《中国环境科学》2011年度引证指标继续位居环境科学技术、安全科学技术类科技期刊前列,核心影响因子1.523,学科排名第1,综合评价总分79.2,学科排名第2;在被统计的1998种核心期刊中影响因子列第18位,综合评价总分列第52位.《中国科技期刊引证报告》每年由中国科学技术信息研究所编制,统计结果被科技管理部门和学术界广泛采用.