第 34 卷第 3 期2020 年 6 月

南华大学学报(自然科学版)Journal of University of South China(Science and Technology)

Vol. 34 No. 3Jun. 2020

收稿日期:2020-01-06基金项目:国家自然科学基金资助项目(11275092);南华大学研究生培养基金项目(2018KYY151)作者简介:董雪洁(1996-),女,硕士研究生,主要从事土壤铀污染治理与铀矿冶环境修复等方面的研究。 E-mail:

dongxuejie@ 163. com。 ∗通信作者:吕俊文(1972-),男,教授,主要从事辐射防护与铀矿冶设施环境修复

技术方面的研究。 E-mail:jwlv9892@ aliyun. com

DOI:10. 19431 / j. cnki. 1673-0062. 2020. 03. 010

土壤细菌胞外聚合产物对溶液中 U(VI)的去除动力学研究

董雪洁1,宋　 平2,吕俊文1,3∗,邓晨阳1

(1. 南华大学 资源环境与安全工程学院,湖南 衡阳 421001;2. 湖南省核工业中心实验室,湖南 长沙 410100;3. 衡阳市土壤污染控制与修复重点实验室,湖南 衡阳 421001)

摘　 要:通过分离和扩培土壤细菌,提取其胞外聚合产物,进行在不同温度下对土壤

细菌胞外聚合产物和土壤细菌产量的影响研究,同时进行反应时间对土壤细菌胞外

聚合产物去除溶液中 U(VI)的影响研究。 采用准一级动力学方程和准二级动力学方

程对其进行动力学进行分析,研究结果显示在 303 K 下培养土壤细菌并进行土壤细

菌胞外聚合产物的提取较为合适。 298 K、308 K 和 318 K 的温度下,土壤细菌胞外聚

合产物去除 U(VI)在 120 min 左右达到反应平衡,平衡去除量分别为 4. 97 mg / g,8. 75 mg / g,6. 96 mg / g。 准二级动力学方程比准一级动力学方程能更好的描述反应

进程,说明了土壤细菌胞外聚合产物去除 U(VI)是一个以化学机制为主的反应。关键词:土壤细菌;胞外聚合物;铀;动力学分析

中图分类号:X172 文献标志码:A文章编号:1673-0062(2020)03-0068-05 开放科学(资源服务)标识码(OSID):

Removal Kinetics of U(VI) in Aqueous Solution by Soil BacterialExtracellular Polymeric Substances

DONG Xuejie1,SONG Ping2,LÜ Junwen1,3∗,DENG Chenyang1

(1. School of Resource Environment and Safety Engineering,University of South China,Hengyang,Hunan 421001,China;2. Hunan Nuclear Industry Center Laboratory,Changsha,Hunan 410100,

China;3. Hengyang Key Laboratory of Soil Contamination Control and Remediation,Hengyang,Hunan 421001,China)

Abstract:Through isolating and expanding soil microorganisms,then extracting their extra-cellular secretions,the effects of different temperature on soil bacterial extracellular poly-meric substances (SB-EPS) yield and soil bacterial yield were studied. Study on the effectof reaction time on U(VI) removal by SB-EPS in solution at different temperatures were

第 34 卷第 3 期 董雪洁等:土壤细菌胞外聚合产物对溶液中 U(VI)的去除动力学研究

performed. Dynamics are analyzed using pseudo first-order kinetic equations and pseudosecond-order kinetic equations. The results showed that it was better to culture soil microor-ganisms and extract SB-EPS at 303 K. At temperatures of 298 K,308 K,and 318 K,theSB-EPS removed U(VI) reached a reaction equilibrium in about 120 minutes,and the e-quilibrium removal amounts were 4. 97 mg / g,8. 75 mg / g,and 6. 96 mg / g. The pseudo-second-order kinetic equation can better describe the reaction process than the pseudo-first-order kinetic equation,which indicates that the removal of U(VI) by the extracellularpolymeric products of soil bacteria is a chemical mechanism-based reaction.key words:soil bacteria;extracellular polymeric substances;uranium;kinetic analysis

0　 引　 言

铀是自然界中原子量最大的元素,随着核技

术的快速发展,铀的应用越来越广泛。 铀资源的

采冶和利用过程中产生了大量的含铀工业废水,对生态环境造成的影响不容忽视[1]。 如何解决

土壤重金属污染一直是研究热点问题。 微生物修

复土壤重金属污染因其经济、高效和无二次污染

等优势引发了关注[2]。胞外聚合产物 ( extracellular polymeric sub-

stances,EPS)是微生物在新陈代谢过程中产生的

成分复杂的生物聚合物质[3]。 EPS 的存在能保护

微生物,降低重金属对胞体的毒害[4]。 S. K. Kazy等人研究了铜绿假单胞菌胞外多糖结合铜,认为

EPS 在重金属污染修复中有较大的应用潜力[5]。C. Dang 等人发现黑曲霉菌株 PTN31 在去除 EPS后对 Pb2+的吸附能力下降了 40. 9% ~ 66. 8% [6]。R. Chug 等 人 从 A. beijreinckii ( MTCC-2641 ) 和

B. subtilis(MTCC-8363)两种细菌上提取 EPS,发现在 EPS 结合 Cr(VI)的过程中羟基和磷酸基团

起了重要作用[7]。 洪晨等人发现土壤芽孢杆菌

产生的 EPS 吸附 Pb2+ 在温度为 35 ℃和 pH 为 5时有最佳的吸附效果[8]。 已有的研究表明了 EPS在重金属污染修复方面具有的积极作用,然而对

于土壤细菌产生的 EPS 与铀之间的相互作用机

制仍不太清楚。 探究土壤细菌胞外聚合物( soilbacterial extracellular polymeric substances, SB-EPS)去除溶液中 U(VI)的动力学有助于揭示 SB-EPS 与 U(VI)之间的结合机制和进一步开展土壤

细菌修复铀污染的研究。本研究中,SB-EPS 提取自中国南方土壤培养

的土壤细菌,开展了温度对土壤细菌和 SB-EPS的产量的影响实验,和时间对不同温度下 SB-EPS去除 U(VI)的影响实验,并使用准一级动力学方

程和准二级动力学方程进行动力学分析。 旨在为

微生物修复土壤铀污染的研究提供参考。

1　 实验部分

1. 1　 材料与仪器

高压灭菌锅(GI54T);真空冷冻干燥机(FD5-series);高速台式离心机(TGL-15B);超低温冰箱

(MDF-U32U);空气恒温震荡箱(IS-RDD3);鼓风

干燥箱(101-3AB);电子天平(BSA2245-CW);超净台(SW-CJ-1FD),U3O8,牛肉膏,蛋白胨,NaCl,HNO3,NaOH,HCl,三氯化钛,偏钒酸铵,硫酸亚铁

铵和二苯磺氨酸钠等药品试剂均为分析纯。 另有

微孔滤膜(0. 22 μm),锥形瓶,20 mL 注射器,酒精灯,量筒等。

土壤取自中国南方典型林间土壤,采集到的新

鲜土样放入无菌样品袋(样品袋放置在无菌工作台

内用紫外灯照射 35 min 以上),于 4 ℃保存备用。1. 2　 实验方法

1. 2. 1　 土壤细菌培养

培养基使用营养肉汤培养基:牛肉膏 3 g / L,NaCl 5 g / L,蛋白胨 10 g / L;用 1 mol / L 的 HCl 调节

pH 至 7. 2±0. 2[9-10]。 培养基配置完成后装入锥形

瓶内,装入量不宜超过二分之一。 锥形瓶盖好封口

膜并用橡皮筋绑紧,放入高温蒸汽灭菌锅内灭菌。土壤细菌的培养和扩培在无菌工作台上操

作:取适量土壤制备成土壤悬浊液,后用接种环取

适量土壤悬浊液接种至灭菌后的培养基内,放入

恒温震荡箱中培养 48 h。1. 2. 2　 SB-EPS 的提取和产量实验

SB-EPS 的提取方法有离心法、NaOH 法、热处理法、超声波法和萃取法等[11]。 实验选择先使

用超声波+高速离心法提取 SB-EPS[12]。 先使用

超声波对菌液处理两分钟,然后在 10 000 r / min下离心,使用 20 mL 注射器吸取上清液用微孔滤

膜过滤并放入-50 ℃的环境中冷冻 24 h。 取出冷

冻处理后的上清液放入真空冷冻干燥机内处理。

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　 　 　 南华大学学报(自然科学版) 2020 年 6 月

温度对土壤细菌产量和 SB-EPS 产量影响

实验:1)分别在若干个锥形瓶中加入等量的培养

基,灭菌后在超净台中进行土壤细菌的接种;2)将接种后的培养基放入空气恒温震荡箱内,在293 K、298 K、303 K、308 K 和 313 K 培养 48 h;3)按照超声波+高速离心法提取 SB-EPS,菌体用无

菌水冲洗并过滤,通过冷冻干燥除去水分;4)称

量提取得到的 SB-EPS 和菌体的质量,其中土壤

细菌同样通过冷冻干燥除去水分。1. 2. 3　 吸附动力学分析实验

研究采用静态摇床实验的方式,测试在298 K、308 K 和 318 K 的温度下,时间对 SB-EPS 去除

U(VI)影响的实验。 初始 U(VI)浓度为 50 mg / L,

pH 为 5,SB-EPS 加入量为 3. 33 g / L,去除量计算

方程如下式所示:Q = v(C0 - C t) / m

　 　 式中:Q 为反应后 U(VI)的去除量,mg / g;v 为测试溶液体积(L);C0 为 U(VI)初始质量浓

度,mg / g;C t 为反应后溶液中 U(VI)浓度,mg / g;m 为 SB-EPS 加入质量,g。

吸附动力学能反映 SB-EPS 与 U(VI)之间存

在的反应机制。 为了能更全面的描述该吸附过

程,对不同温度下 SB-EPS 去除铀的实验进行动

力学分析采用了准一级动力学方程和准二级动力

学方程。 两种动力学方程的公式[13] 和所描述的

反应过程见表 1。

表 1　 动力学方程公式及意义

Table 1　 Formulas and meanings of five kinds of dynamic equations

方程 公式 意义

准一级动力学方程 ln(Qb-Qt)= ln Qb-K1 t 反应进程由单一因素控制,或者反应步骤较为简单

准二级动力学方程tQb

=(K2·Q2b)

-1+ tQb

反应进程复杂多步,反应由化学反应机制控制

　 　 注:Qb 为当反应达到平衡时 U(VI)的去除量,mg / g;t 为 SB-EPS 和 U(VI)的反应接触时间,min;Qt 为反应进行到 t 时 U(VI)的去除

量,mg / g;K1 和 K2 均为方程常数。

1. 3　 分析方法

溶液中 U(VI)含量的测定方法采用钒酸铵

滴定法[14]。

2　 分析与讨论

2. 1　 SB-EPS 与土壤细菌的产量实验

温度对土壤细菌和 SB-EPS 的产量的影响结

果如图 1 所示当温度逐渐升高,SB-EPS 的产量也

在增加。 当温度为 313 K 时,SB-EPS 产量达到了

12. 75 g / L。 从 SB-EPS 产量对温度的柱状图来

看,温度越高 SB-EPS 的量也越高。 然而通过土

壤细菌菌体对温度的柱状图中发现,土壤细菌的

的产量在温度范围为 293 K ~ 303 K 时逐渐增

加,在 303 K ~ 313 K 时表现出了产量降低的现

象。 当温度为 303 K 时,土壤细菌菌体产量最高

为 1. 58 g / L。

图 1　 温度对土壤细菌菌体和 SB-EPS 的产量的影响

Fig. 1　 Effect of temperature on the yield of soil bacterial cells and SB-EPS

07

第 34 卷第 3 期 董雪洁等:土壤细菌胞外聚合产物对溶液中 U(VI)的去除动力学研究

　 　 产生这种现象的原因可能是当温度高于 303 K时,环境温度变得不适宜土壤细菌生长,导致出现

较多的细菌死亡裂解,造成 SB-EPS 的产生量增

加。 同时,当环境变恶劣时,细菌也会加速分泌

EPS 来抵御环境变化对胞体造成的侵害[15]。 综

合考虑后,实验在 303 K 下进行土壤细菌的培养。2. 2 　 不同温度与反应时间对 SB-EPS 去除

U(VI)的影响

在 298 K、308 K、318 K 三个温度下,进行在

不同反应接触时间 ( 20 min、 40 min、 60 min、80 min、100 min、120 min、140 min、160 min) 下

SB-EPS 去除 U(VI)的实验。 去除 U(VI)的时间

曲线如图 2 所示。 当反应时间进行到 20 min,三个温度下的 U(VI)去除量差距并不大。 反应时

间在 20 ~ 110 min 之间时,三个温度下的 U(VI)去除量差距变大但是曲线的走势仍较为相似,这时可以明显看出 308 K 温度下的 U(VI)去除量最

高。 反应进行了 110 min 后, 三个温度下的

U(VI)去除量曲线逐渐变得平缓,反应在 120 min左右 曲 线 趋 于 平 衡, 反 应 平 衡 浓 度 分 别 为

4. 97 mg / L,8. 75 mg / L 和 6. 96 mg / L。 一般来说,温度的升高能增加 SB-EPS 与溶液中铀酰粒子的

单位时间内的碰撞次数, 从而使 SB-EPS 对

U(VI)的去除量增加。 而当温度为 318 K 时

U(VI)的去除量相比于温度为 308 K 时有所减

少,这和 SB-EPS 本身的性质有关。 SB-EPS 是生

物聚合物质,组分复杂,可能含有酶等对温度变化

敏感的生物大分子。 有研究表明土壤酶随温度从

低变高,其活性会先增强后减弱[16-17]。 SB-EPS 中

可能含有土壤细菌胞外酶,并在 308 K 时的酶活

性比在 318 K 时高。

图 2　 不同温度下时间对 SB-EPS 去除铀的影响

Fig. 2　 Effect of time on uranium removal by SB-EPSat different temperatures

2. 3　 吸附动力学研究

准一级动力学方程和准二级动力学方程是吸

附动力学分析中较为常见的两种方程。 准一级动

力学方程建立在一种理想的反应环境下,而准二

级动力学方程描述的反应进程则更为复杂。 SB-EPS 去除 U(VI)的准一级动力学方程和准二级动

力学方程的分析处理结果如图 3 所示,两种动力

学方程的拟合参数如表 2 所示。不同的三个温度下,准一级动力学方程的 R2

值在 0. 8 ~ 0. 9 之间,准二级动力学方程的 R2 值

均在 0. 95 以上。 这说明准二级动力学方程与时

间因素实验数据有更好的线性关系。 因而相对于

准一级动力学方程,使用准二级动力学方程来描

述 SB-EPS 和 U(VI)之间的相互作用比较合适。这表明 SB-EPS 去除铀是一个由化学反应控制的

过程,反应中可能发生电子传递等机制。

1—298 K 下的动力学方程拟合直线;2—318 K 下的动力学方程的拟合直线;3—308 K 下的动力学方程拟合直线。

图 3　 不同温度下的动力学方程拟合曲线图

Fig. 3　 Fitting curves of kinetic equation at different temperatures

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　 　 　 南华大学学报(自然科学版) 2020 年 6 月

表 2　 不同温度下准一级动力学方程和准二级动力学方程的拟合参数

Table 2　 Fitting parameters of pseudo-first-order kinetic equation and pseudo-second-order kinetic equation

温度 / K准一级动力学方程

Qb / (mg·g-1) K1 / min-1 R2

准二级动力学方程

Qb / (mg·g-1) K2 / min-1 R2

298 9. 050 0. 032 5 0. 818 7. 090 0. 002 18 0. 985308 23. 415 0. 038 1 0. 898 15. 681 0. 000 57 0. 954318 14. 107 0. 035 0 0. 918 11. 031 0. 001 10 0. 973

3　 结　 论

通过一系列静态摇床实验,本研究进行了在

不同温度下 SB-EPS 和土壤细菌的产量实验和

SB-EPS 去除 U(VI)的实验,并对实验结果进行了

动力学分析,得到如下结论:1)本研究中的土壤细菌较为适合在 303 K 下

培养。2)不同温度下,时间对 SB-EPS 去除 U(VI)

的影响实验在 120 min 左右达到反应平衡,298 K、308 K、318 K 时的反应平衡浓度分别为

4. 97 mg / g,8. 75 mg / g 和 6. 96 mg / g。3)准一级动力学方程对实验拟合结果较差,

准二级动力学方程对不同温度下 SB-EPS 去除

U(VI)的反应都有较高的拟合度,动力学方程拟

合结果表明 SB-EPS 去除铀是一个由化学机制所

控制的反应。

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