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满江红—鱼腥藻对华南某铀厂尾矿库出水的生物修复
收到日期：2018年2月11日 网上发布日期：2018年6月5日
copy;匈牙利布达佩斯Akadeacute;Miai Kiadoacute;，2018年
摘要
利用Azolla-Anabaena对华南某铀厂尾矿库出水中的铀、重金属和营养物质进行了水培去除实验。实验时植物和微生物的共生体在废水中共保存30天，其中铀、铁、锰、铜、锌、铅、镉、总磷（TP）、总氮（TN）和SO42-分别降低了87.6%、99.1%、98.8%、88.2%、91%、78.3%、77.5%、93.4%、98.7%和76.7%。具体而言，铀浓度降至0.039，低于中国环境保护局规定的污染物限值。出水中的铁、铜、锌、铅、总磷、总氮浓度均达到饮用水水质标准。结果表明，绿萍鱼腥藻可用于铀厂尾矿库出水的生物治理。
关键词
满江红—鱼腥藻 污水 铀厂尾矿库 铀 生物修复
介绍
随着核电的发展，对铀的需求正在迅速增长。然而，铀矿开采和加工已经产生了大量的铀矿尾矿[1, 2]。根据统计文献，仅中国存放在铀矿尾矿库中的铀矿尾矿总量就达5800万吨。由于风化和侵蚀的环境过程，包括铀在内的污染物已被释放到水中。然后它们通过地表径流和地下水运输到周围环境，造成严重的环境污染[3, 4]。此外，他们可能通过食物链进入人体，引起各种疾病，如癌症，对人类健康构成巨大威胁[5, 6]。因此，铀矿尾矿库出水的生物修复已成为一项重要任务。
有许多物理和化学方法处理废水，包括化学沉淀，离子交换，蒸发浓缩，吸附，膜处理，离子浮选等[7–10]。由于它们价格昂贵并且容易产生二次污染，因此它们不适用于处理来自铀厂尾矿库的具有非常大的体积并且具有低浓度的污染物。
其生物修复是一种利用生物去除环境中污染物的修复技术，主要包括植物修复和微生物修复。与传统的物理和化学处理方法相比，生物修复技术具有许多优点，比如环保，操作简单，低廉的投资及维护成本。同时，它具有回收废物资源的巨大潜力[11, 12]。然而，当单独使用植物修复时，植物的生长很容易受到PH和SO42-的影响，并且修复期很长，当单独使用微生物修复时，生物量很小，微生物代谢速度很慢，一旦微生物死亡，微生物中累积的污染物会再次释放到环境中，造成二次污染。
因此，研究人员一直试图找到一种植物和微生物共生体用于放射性废水的修复，其中植物可以为微生物的生长提供空间和营养，微生物可以产生ACC脱氨酶，铁载体，氨和其他化合物，促进植物的生长和繁殖[13, 14]。
满江红—鱼腥藻就是这样的共生体。满江红是一种生长在稻田或池塘中的小型浮生植物，可以在世界各地的淡水中找到;鱼腥藻是一种典型的固氮微生物，它由两种形状不同的细胞组成，较小的是营养细胞，较大的是异形细胞。满江红通常与鱼腥藻有关，它们共同构成满江红—鱼腥藻，是一种具有良好增殖能力的快速生长的水蕨。在合适的生长条件下，满江红—鱼腥藻可在3-9天内将其生物量加倍[15]。一般来说，在相同的盐浓度下，满江红—鱼腥藻比其他常见的浮游水生植物如浮萍（Lemna minor），水浮萍（Pistia stratiotes）和旋毛（Eichornia crassipes）的成活率更高[16]。现已经发现满江红—鱼腥藻具有很好的从废水中收集铀和重金属的能力[17–19]。据报道，满江红—鱼腥藻已用于人工铀废水的修复。胡等人，据报道，满江红—鱼腥藻可以从人工铀废水中收集铀，铀的去除率高达97％[20]。潘等人，[19]发现满江红—鱼腥藻的铀去除率高于Azolla。谭等人，使用Visual MINTED 3.1模拟Azolla-Anabaena对不同种类铀的吸附行为，发现满江红—鱼腥藻对 和的积累比其他形式的铀较高[21].
然而，上述研究是使用人造铀废水而不是实际的铀废水进行的。通常情况下，实际的铀废水含有铀以及重金属和营养物质。这些污染物会相互干扰，使它们的去除更加困难。因此，本研究的目的是研究满江红—鱼腥藻在华南铀矿尾矿库中的污水的修复效果。
材料和方法
满江红—鱼腥藻满江红—鱼腥藻是从中国南方衡阳市郊的一块田地中采集的。用清水冲洗数次后，再用去离子水冲洗满江红—鱼腥藻 10小时，然后将健康的满江红—鱼腥藻放入Hoaglang的营养液中并培养2周。
Hoaglang的营养液由主要元素溶液，亚铁盐溶液和微量元素组成。主要元素溶液：945，506，80 ，136，493。亚铁盐溶液：2.5（2.78g ，3.73g ，500 ，）。微量元素溶液：5 （0.83 ，6.2 ，22.3 , 8.6 , 0.25，0.025，0.025，）。
来自华南铀矿尾矿库的废水
从华南的铀矿尾矿库收集的出水，其PH值为5.7。通过ICP-MS测定流出物中铀的浓度，并通过火焰原子吸收光谱法测量流出物中其他重金属的浓度。流出物中的浓度通过水质监测中的铬酸钡分光光度法（，中国标准）来确定。通过碱性过硫酸钾消化紫外分光光度法（，中国标准）测定总氮（TN）。采用钼酸铵分光光度法（，中国标准）分析总磷（TP）的含量。流出物的物理化学性质示于表1中。
使用水培法修复污水
将鲜重为的预培养满江红—鱼腥藻放入含有200L铀厂尾矿库废水的修复池中（实验组）。对于对照，将相同体积的废水保存在没有满江红—鱼腥藻的修复池中。修复实验在温室中进行。明暗循环的亮/暗比为14/10小时，白天的温度设定为25℃，夜间的温度设定为20℃，湿度设定为70％。在采样前一天，蒸发造成的水损失补充了去离子水。每6天测量一次废水中的铀，重金属及营养液浓度。暴露30天后，将满江红—鱼腥藻捞出，并且仅在样品中保留存在的水后称重。比较满江红—鱼腥藻的生物量变化。使用以下公式计算污染物的去除率（）。
C0是污水中污染物的初始浓度;C1是修复后污染物的浓度。
生物累积量和生物累积系数
在暴露后，用蒸馏水冲洗满江红—鱼腥藻并浸泡在10mM 中以除去吸附在满江红—鱼腥藻表面上的U [22]。然后将其放在消毒过的滤纸上以除去水，并在120℃的干燥箱中干燥72小时。将干燥后的满江红—鱼腥藻研磨，并通过2mm标准筛筛分。然后将其在微波消化器中消化。取样后立即过滤水样。所有样品用3％溶液稀释至所需浓度，以通过ICP-MS测定其中的铀。使用以下公式计算生物累积量和生物累积系数：
其中BW是生物累积量;BCF是生物累积系数;m1是铀的重量;m2是满江红—鱼腥藻的重量;和C是水中铀的浓度。
光合色素分析
每6天从废水中收集满江红—鱼腥藻叶，洗涤并浸泡。之后，称量0.5g叶子并切成片。然后，将它们放入黑暗中并浸泡在50mL 80％丙酮溶液中36小时。后将上清液转移到石英池中，并使用分光光度计在646和663nm波长下测量其吸光度值。使用Lichtenthaler等人的公式估算叶绿素a和b的含量。[23].
结果和讨论
Azolla-Anabaena对铀和其他重金属的去除率
在整个30天的实验中，废水中铀和其他重金属浓度的变化如图2所示。铀和重金属的浓度在前12天迅速下降，之后缓慢下降，其原因可能是满江红—鱼腥藻的结合位点被占据，其积累铀和其他重金属的能力下降。没有满江红—鱼腥藻的废水中的污染物浓度在整个实验中保持稳定，这表明铀和重金属可以长时间存在于废水中。并且实验组中重金属浓度的降低是由满江红—鱼腥藻引起的。
从图中。我们知道污水中的铀浓度从0.317降至0.039 ，低于中国环境保护部规定的污染物限值（0.05 ），铀的去除率为87.6％。胡等人。检测了满江红—鱼腥藻表面铀的分布，扫描电子显微镜（SEM）和能量色散谱仪（EDS）的结果表明满江红和鱼腥藻均为A型，它们参与了铀的去除过程[24]。傅立叶变换红外光谱（FTIR）的结果表明，满江红—鱼腥藻a产生了新的物质，如芳环化合物和醇或糖苷[25]。这些物质可能促进满江红—鱼腥藻积累铀。
图表1b-g表明，满江红—鱼腥藻不仅具有从废水中去除铀的良好潜力，而且还能有效去除Fe、Mn、Cu、Zn、Pb、Cd。处理30天后，Fe、Mn、Cu、Zn、Pb和Cd的浓度从3.646、12.220、0.05、1.157、0.230和0.071 降低至0.034、0.146、0.006、0.104、0.050和0.016，它们的去除率分别达到99.1％，98.8％，88.2％，91％，78.3％和77.5％。出水中的Zn、Cu和Pb浓度符合中国的II类，I类和III类水质标准，Fe浓度低于水质标准的限值。
本文发现了满江红—鱼腥藻对废水中Fe，Mn，Cu，Zn的去除率高于Pb和Cd。Bharti等人，发现满江红—鱼腥藻对煤矿出水中重金属的去除率为Mngt;Fegt;Zngt;Cugt;Pbgt;Cdgt;Crgt;Ni[17]。Sha等人,发现Azolla-Anabaena对重金属的生物累积量为Zngt;Cugt;Pbgt;Crgt;Cd，当它们的初始浓度处于同一水平时]18]。Pniewska等人。发现满江红—鱼腥藻可以吸收更多的Pb而不是Cd [26]。上述研究表明，满江红—鱼腥藻对污染水中共存重金属的去除率受多种因素的影响，如重金属浓度，相互作用以及植物对重金属的选择性吸收。因此满江红—鱼腥藻对废水中重金属有着不同的去除率。
图1污水中U（a），Fe（b），Mn（c），Cu（d），Zn（e），Pb（f），Cd（g)浓度的变化
pH，TP，TN和SO422 浓度的变化
pH，TP，TN和SO42- 是水生植物生长的重要因子。为了研究整个实验过程中pH，TP，TN和SO42- 浓度的动态变化，每6天进行一次分析，结果如图2所示。
数字2a表明在整个实验过程中废水的pH在5.69和6.17之间变化。满江红—鱼腥藻在水中生长的pH范围为3.5到10.然而，最适合其生长的pH值为6.5-7.5，并且废水的pH值接近它。这可能是满江红—鱼腥藻从废水中获得高效修复效率的原因。在整个实验过程中控制波动的pH值，这进一步表明废水的性质非常稳定。
数字2b-d表明，实验过程中出水中TP，TN和SO42-的浓度不断下降。处理12天后，出水的TP浓度从0.82迅速下降到，0.14。经过18天的处理后，出水的TP浓度降至0.05，符合中国二级水质标准，去除率达到93.4％。处理6天后TN水平从1.11迅速下降至0.34 ，然后在接下来的24天中缓慢下降至0.01 ，满足中国一级水质标准，去除率达到98.7％。处理12天后SO42- 水平从2846迅速下降至855 ，随后18天中逐渐下降至663 ，去除率为76.7％。对照组中的TN浓度从1.22变化到0.72，TP和SO42-浓度在初始浓度附近波动。
N和P是生物生长的必需元素。N是植物中蛋白质，核酸和叶绿素的重要组分，P不仅参与三羧酸循环，为生物提供能量，还参与蛋白质磷酸化，其在生理调节中起重要作用。适量的N和P对生物体至关重要。因此，实验组中TN和TP降低的主要原因是满江红—鱼腥藻的消耗。
水中高浓度的SO42-对环境有不利影响。金属与SO42-结合形成金属硫化物沉淀物，可破坏水体的生态平衡。植物的生长会受到抑制[27]如果灌溉水含有过量的SO42-，土壤肥力会降低。如果没有去除高浓度的SO42-，它可能会威胁到人类的健康[28]。目前的观点是植物可以通过硫酸盐转运蛋白吸收SO42-。植物中的硫酸盐转运蛋白可从环境中吸收SO42- ，然后通过硫酸化酶将其还原为腺苷5#39;-磷酸硫酸盐（APS）。APS可通过APS还原酶转化为SO32- 。之后，SO32- 被亚硫酸还原酶还原为S2- 。最后，植物的必需半胱氨酸由S2- 和O-乙酰丝氨酸合成[29]。在半胱氨酸合成酶的帮助下。这可能是满江红—鱼腥藻降低SO42 的主要原因。
图2 pH（a）和TP（b），TN（c）和SO 2-（d）污水中的浓度的变化
Azolla-Anabaena生物量的变化
暴露30d后，实验组的满江红—鱼腥藻鲜重从0.40kg增加到1.93kg，生物量增加4.8倍以上。结果表明，满江红—鱼腥藻对出水具有良好的耐受能力。其原因可能是鱼腥藻可以产生一些特殊的酶，或是Azolla在铀胁迫下产生一些特殊的酶，如超氧化物歧化酶（SOD），过氧化氢酶（CAT）和过氧化物酶体（POD），SOD首先将O2- 转化为H2O
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