6.3.10　铀（Ⅵ）微生物还原

6.3.10　铀（Ⅵ）微生物还原

铀（Ⅵ）溶解度大，在自然环境中相对稳定，被微生物还原为固态铀（Ⅳ）后污染风险降低，并可固化、富集、回收。谢金川等从水溶性铀（Ⅵ）aq的生物吸附、生物还原和还原产物表征三个角度分析了地下水中的无机碳（碳酸盐，0～50 mmol/L）和钙（0～6 mmol/L CaCl2）对希瓦氏菌还原铀（Ⅵ）aq的影响，目的是探索高和高钙体系中U（Ⅵ）aq在特定p H 条件下是否能发生生物还原，并取得对生物还原p H 边界值新的认识。表6-9是碳酸盐体系中厌氧生物还原实验的溶液组成，生物吸附实验的溶液组成与表6-9近似，不同之处在于吸附实验使用了热杀死细胞。没有碳酸盐的系列实验的溶液与表6-9不同之处主要在于未加入碳酸盐，p H 有较小差别，实验细节和过程可参见有关报道[13，14]。钙盐体系中厌氧生物还原实验的溶液组成见有关报道[15]。

表6-9　铀（Ⅵ）aq生物还原实验的溶液组成[14]

1.铀（Ⅵ）的生物吸附

溶液中没有碳酸盐时，铀（Ⅵ）aq在热杀死希瓦氏菌细胞表面的吸附随p H 增大，吸附百分数从约30%（p H 4.38）增大到约80%（p H 8.38），表明碱性条件有利于铀（Ⅵ）aq的吸附去除（图6-47）[13]。溶液中存在碳酸盐时，铀（Ⅵ）aq在热杀死细胞表面的吸附表现得较为复杂，除受p H 影响外，还受碳酸盐浓度的影响。低碳酸盐浓度时≤2 mmol/L）铀（Ⅵ）aq的吸附百分数与p H 仍保持单调关系，p H ≈8.7时吸附百分数增大到约80%（图6-48）。有趣的是，当体系的碳酸盐浓度较高时＞2 mmol/L），铀（Ⅵ）aq的生物吸附p H 边界（p H biosorption edges）出现，吸附百分数与p H 间表现为非单调关系。相应地，铀（Ⅵ）aq的最大生物吸附所对应的p H（p Hmbs）从约7.0（15 mmol/L ）移动到p H ≈6.0（30～50 mmol/L ）。无论有无碳酸盐，酸性体系（p H≈4.5）皆不利于铀（Ⅵ）aq的吸附去除，吸附百分数大致保持在30%左右。

图6-47　溶液中没有碳酸盐时，铀（Ⅵ）aq在热杀死希瓦氏菌细胞表面的吸附动力学（a）和吸附百分数（b）[13]

图6-48　溶液中有碳酸盐时，铀（Ⅵ）aq在热杀死希瓦氏菌细胞表面的吸附动力学（a）和吸附百分数（b）[14]

铀（Ⅵ）aq在细胞和矿物质表面吸附的p Hmbs一般为5～7[77，78]。根据当前的研究结果，谢金川等进一步指出p Hmbs（或生物吸附p H 边界）还依赖于溶液的碳酸盐浓度。能与Lac-、OH-、配位生成不同种态的铀（Ⅵ）aq，且受碳酸盐和p H 影响。不同种态的铀（Ⅵ）aq再与细胞表面的官能团，如膦酸根、羧基、羟基等，通过离子交换方式发生表面配位。Gorman-Lewis和Sheng指出，铀（Ⅵ）aq与四种细胞表面位点的吸附配位能力有差异，因而形成依赖于p H 和碳酸盐的表面种态，如1 ≡、2 ≡。碳酸盐的出现不利于碱性溶液中铀（Ⅵ）aq的生物吸附。体系中铀的种态，包括未被吸附的水溶性铀（Ⅵ）aq和吸附在细胞表面的≡U（Ⅵ），最终关系到铀的生物还原速率和程度。

2.铀（Ⅵ）的生物还原

溶液中铀（Ⅵ）aq的去除来自一个或两个方面的贡献，一是铀（Ⅵ）aq的生物吸附，二是铀（Ⅵ）aq生物还原到不溶性的铀（Ⅳ）。图6-49指出，溶液中没有碳酸盐时，希瓦氏菌活细胞去除铀（Ⅵ）aq的速率从约20%（p H 4.52）增大到约100%（p H 8.30）。铀（Ⅵ）aq的去除速率随p H 增大，与图6-50中铀（Ⅵ）aq的吸附速率的变化趋势一致。当碳酸盐存在时，希瓦氏菌活细胞去除铀（Ⅵ）aq的速率不再与p H 保持单调关系，最大铀（Ⅵ）aq去除速率的实验条件为p H 6.08（30 mmol/L），去除百分数约为100%（图6-50）。图6-51是铀（Ⅵ）aq与希瓦氏菌活细胞接触6 h 后溶液颜色的直观结果。铀（Ⅵ）aq的438 nm波长的UV-vis特征吸收峰的消失揭示出[14]，p H 6.08时铀（Ⅵ）aq的高效去除是因为铀（Ⅵ）aq的生物还原而不是生物吸附，仅约30%的生物吸附（图6-50数据）不可能使其特征峰消失。比较而言，图6-50中p H=4.65时约30%的去除百分数则归因为铀（Ⅵ）aq的生物吸附，因为铀（Ⅵ）aq的特征峰依然存在[14]。p H=7.07、7.83、8.68体系中相对小的去除百分数表明铀（Ⅵ）aq的碳酸盐配合物不容易被还原。

图6-49　溶液中没有碳酸盐时，希瓦氏菌活细胞去除铀（Ⅵ）aq的动力学（a）、去除百分数（b）。去除机制包括起始铀（Ⅵ）aq在细胞表面的吸附和随后的生物还原[13]

图6-50　溶液中有碳酸盐时，希瓦氏菌活细胞去除铀（Ⅵ）aq的动力学（a）、去除百分数（b）。去除机制包括起始铀（Ⅵ）aq在细胞表面的吸附和随后的生物还原[14]

图6-51　不同pH 和NaHCO3浓度的厌氧溶液中希瓦氏菌活细胞与铀（Ⅵ）aq接触6 h 后，铀（Ⅵ）aq的吸附、还原结果。1# ～5# 体系用于研究铀（Ⅵ）aq的动力学还原（或吸附）过程[14]

碳酸盐浓度范围扩大时，观察到铀（Ⅵ）aq的生物还原p H 边界，且依赖于p H 和碳酸盐浓度，如图6-52所示。低碳酸盐浓度（ =2 mmol/L）时，铀（Ⅵ）aq的去除百分数从约21.1%（p H 4.18）增长到约100%（p H=6.95～7.98），再降低到69.8%（p H 8.46）。最大的铀（Ⅵ）aq生物还原百分数所对应的p H（p Hmbr）发生在p H=6.95～7.98（约为7.5）。当 达到50 mmol/L 时，p Hmbr移动到p H ≈6.0。值得注意的是，铀（Ⅵ）aq的生物还原p H 边界与生物吸附p H 边界基本一致，表明铀（Ⅵ）aq在细胞表面的吸附有利于其还原。

图6-52　pH和碳酸盐浓度对希瓦氏菌活细胞去除铀（Ⅵ）aq的影响（a）、去除百分数（b）[14]

目前的基本共识是，碳酸盐可以降低甚至完全抑制铀（Ⅵ）aq的生物还原[75，76]。例如，Hua指出在p H 6.89和≥15 mmol/L 的溶液中，铀（Ⅵ）aq不能发生还原反应[130]。但如果扩大碳酸盐浓度和p H 的范围，可以惊讶地发现铀（Ⅵ）aq仍可被还原，即使体系出现高浓度的碳酸盐：p H=6.14、50.0 mmol/L 体系和p H=6.08、30.0 mmol/L 体系的去除百分数分别高达约93.7%和约100%。基于这些实验结果，可以总结出铀（Ⅵ）aq生物还原的最佳条件为：p H=7～9、0 mmol/L ；p H=7～8、2 mmol/L ；p H=6～7、15 mmol/L ；p H ≈6.0、30～50 mmol/L 。显然，随 增大，p Hmbr从碱性移动到弱酸性。

碳酸盐溶液中有钙时，人们进一步给出了钙能抑制铀（Ⅵ）aq生物还原的实验结果[79，80]。如图6-53所示，在钙+碳酸盐体系中，铀（Ⅵ）aq的生物还原现象更为复杂，铀（Ⅵ）aq的浓度变化和去除百分数曲线分别呈现W 和M 形状[15]。近中性p H～6.9溶液中，铀（Ⅵ）aq的去除百分数随CaCl2浓度的增大（0～6.0 mmol/L）而减小（97.0%～24.4%），即中性高浓度钙的溶液中铀（Ⅵ）aq难以被微生物还原，这与目前的报道结果一致[79，80]。铀-钙-碳酸盐三配位化合物的标准电位值的明显降低可解释这一现象：UO2（am，hyd）]=-0.679 7 V。然而，弱酸性（p H≈6.0）和弱碱性（p H ≈7.9）溶液中铀（Ⅵ）aq的还原去除仍是可能的：p H≈6.0的溶液中，0～2.5 mmol/L CaCl2时去除百分数约为100%，6.0 mmol/L CaCl2时去除百分数约为82.6%；p H≈7.9的溶液中，去除百分数反而随着CaCl2浓度的增大（0～6.0 mmol/L）而增大（50.9%～89.7%）。因此，在弱酸性和弱碱性溶液中，即使有较高浓度的碳酸盐，铀（Ⅵ）aq也能被希瓦氏菌大量还原。

图6-53　pH 和CaC l2浓度对希瓦氏菌活细胞去除铀（Ⅵ）aq的影响（a）、去除百分数（b）[15]

主要实验条件：约0.90 mmol/L铀（Ⅵ）aq，0～6.0 mmol/L CaCl2，15 mmol/L Na HCO3，p H 为4～9

3.铀（Ⅵ）还原产物

铀的U4f光电子峰位发生化学位移，则指示铀价态的变化。图6-54 给出UⅥO2（NO3）2的 光 电 子 主 峰（U4f5/2、U4f7/2）与其终端产物的光电子主峰的间距为1.40 e V，且终端产物的峰位向低电子结合能方向偏移。因此，铀（Ⅵ）aq接受了希瓦氏菌释放的电子，发生了还原反应。通过拟合U4f峰，得到铀（Ⅳ）的表面浓度达到98%左右。

图6-54　铀（Ⅵ）［UⅥO2（NO3）2·6H2O 固体粉末］和其还原产物（UO2晶体）的XPS 能谱[13]

图6-55　U（Ⅵ）aq还原产物的HRTEM 图像。希瓦氏菌表面的UO2颗粒（a），UO2颗粒局部HRTEM 图像和指定区域的FFT 谱（b），由FFT（c）和IFFT（d）测量的晶面夹角和间距的结果[13]

图6-55 是终端产物的HRTEM 图像，用于分析产物的晶体结构。由FFT谱，谢金川等测量得到产物的晶面夹角（φ）和晶面间距（d）数据。例如，（111）和（1-11）晶面夹角为70.68°，（2-00）和（1-11）晶面夹角为54.69°；晶面间距d（111）=0.319 5 nm，=0.272 5 nm。由FFT谱和IFFT（晶格条纹）两种测量手段得到的φ 和d 的详细结果如表6-10和表6-11所示，测量结果与UO2晶体（面心立方结构，Fm 3-m 空间群，PDF#41-1422）的理论计算参数吻合良好，如表6-10和表6-11所示。

表6-10　产物UO2的晶面夹角φ[13]

表6-11　产物UO2的晶面间距d[13]

图6-56给出终端产物的粒度统计结果约为2.7 nm。UO2晶体结构参数的理论计算方法见有关报道的附件部分[13]。，因此铀（Ⅵ）aq的还原可降低铀的环境移动性，降低了健康风险。

固相UO2的溶解度很低，

4.热力学还原机制

图6-56　HRTEM 图像上产物UO2的粒度（a），粒度统计分布图（b）[13]

本节探讨了热力学机制，解释了在可变碳酸盐浓度的溶液中p H 对铀（Ⅵ）aq的生物还原过程的影响。表6-12为主要的配位反应和生成常数，表6-13为部分离子的，详细的计算过程可参考有关报道的附件部分[13，14]。首先计算与Lac-、OH-配位后的种态分布，再计算主要种态的氧化还原电位值。氧化还原电位可作为铀（Ⅵ）aq种态接受胞外电子能力的指示，胞外电子由希瓦氏菌厌氧氧化乳酸盐时产生。

表6-12　主要的铀（Ⅵ）配位反应及铀（Ⅵ）种态的标准摩尔吉布斯自由生成能

注：由配位反应的标准生成常数（lgKo）计算得到的标准摩尔吉布斯自由反应能），再结合表6-13的得到铀（Ⅵ）种态的

a Guillaumontetal.,2003[60]

b 近期研究[13，14]未给出不确定度

表6-13　标准摩尔吉布斯自由生成能[14]

a[127]LundbladandMacdonald，2010.b[60]Guillaumontetal.，2003.

（1）与Lac-、OH-配位

参考表6-9所示实验条件，谢金川等用VisualMINTEQ3.1程序计算铀（Ⅵ）aq的种态，计算结果如图6-57所示。没有碳酸盐时，弱酸性条件下（pH=4～6）与乳酸根Lac-配位，配位种态有UO2Lac+、UO2Lac2，中碱性条件下（pH=6～9）与OH-配位。当有碳酸盐且浓度逐渐增大时（pH=6～9），铀（Ⅵ）aq的主要种态则从（UO2）2CO3和UO2（2 mmol/L ）转变为（15～50 mmol/L）。不同种态的铀（Ⅵ）aq有不同的氧化还原电位，表现出不同的电子接受能力，最终影响到铀（Ⅵ）aq的还原速率。

图6-57　由Visual MINTEQ 3.1 程序计算的主要的铀（Ⅵ）aq种态分布，参考实验条件见表6-9[14]

（2）铀种态的氧化还原电位

铀（Ⅵ）aq的主要种态的标准氧化还原电位由表6-12和表6-13的标准摩尔吉布斯自由生成自由能计算而来，结果如表6-14所示。实验条件下的电位值Eh由各种态的活度值计算，典型计算结果如图6-58所示。

表6-14　由计算得到的铀（Ⅵ）主要种态的标准氧化还原电位[13-15]

图6-58　溶液中没有碳酸盐时（a）和有碳酸盐时（b）铀（Ⅵ）aq主要种态的氧化还原电位[14]

铀酰离子的标准电位值为，与OH-配位后标准电位值增大，被还原趋势增强，但与Lac-配位后，标准电位值明显减小，被还原趋势减弱，甚至不能被还原。没有碳酸盐时实验条件下的电位值Eh有随p H 下降的趋势，不能合理解释图6-58中（黑线）铀（Ⅵ）aq还原速率随p H 增大而变快的现象。结合该体系中碱性p H 时铀（Ⅵ）aq生物吸附率高，谢金川等推断铀（Ⅵ）aq与细胞表面的官能团配位后才发生还原，而不是以水溶态的碳酸铀酰形式被还原。

铀酰离子与配位后的标准电位值比与OH-和Lac-配位后的值低很多，这表明碳酸铀酰的电子接受能力将受到一定程度限制。碳酸铀酰的电位值Eh随p H 的增大降低表明碳酸盐的确对铀（Ⅵ）aq的生物还原不利。例如作为主要种态时，其电位值降低到，。由于缺乏将胞外电子传递到种态的热力学驱动力难以被还原。

碱性p H 时高浓度碳酸根的配位反应产生了不利于铀（Ⅵ）aq还原的条件，然而弱酸性p H 时铀（Ⅵ）aq仍能被大量还原。例如，铀（Ⅵ）aq的还原百分数分别达到100%左右（p H 6.08，30.0 mmol/L ）和93.7%（p H 6.14，50.0 mmol/L）。可能的还原机制是，这两个体系溶液中铀（Ⅵ）aq电位值分别为（am，hyd）]=-0.017 86 V 和-0.04331V，而胞外黄素有更低的电位值-0.22 V，因此合理的电位差能够使胞外电子传递到种态中。图6-59示意了高浓度碳酸盐体系中铀（Ⅵ）aq的生物还原过程。

图6-59　高浓度碳酸盐体系中弱酸性pH 时铀（Ⅵ）aq的生物还原过程[14]

总之，在没有碳酸盐的溶液体系中，希瓦氏菌还原铀（Ⅵ）aq的速率随p H 的增大而增大，p H 7.0～8.5时铀（Ⅵ）aq的还原率约为100%，还原机制可能为与OH-配位后有更高的氧化还原电位。当有碳酸盐时，特定p H 体系中即使含高浓度的碳酸盐，铀（Ⅵ）aq仍能被快速还原，还原百分数达到或接近100%：p H=7～8，2 mmol/L ；p H=6～7，15 mmol/L ；p H≈6.0，30～50 mmol/。因此，谢金川等的实验结果与广泛报道的“碳酸盐降低甚至完全抑制U（Ⅵ）aq的微生物还原”现象不完全一致（其一般只在中性溶液中完成实验）[75，76]。铀（Ⅵ）aq还原产物为约2.7 nm 的UO2晶体，铀（Ⅵ）aq的生物去除机制包含细胞吸附和随后的还原过程，铀（Ⅵ）aq与细胞的表面配位有利于铀（Ⅵ）aq的还原。

由铀-钙-碳酸盐三元配位化合物[Ca2UO2（CO3）3（aq），]的氧化还原电位值随p H 和CaCl2浓度变化的计算结果难以合理解释为什么希瓦氏菌在弱酸性和弱碱性溶液中仍可以还原铀-钙-碳酸盐化合物（用热力学解释此现象是困难的），虽然能解释近中性溶液限制了该化合物的还原。谢金川等推测：铀-钙-碳酸盐化合物可能与细胞表面的基团通过离子交换等方式生成了表面配位种态有关，如CellSur 。铀的表面配位种态接受电子的能力及与水溶液性质的关系是一个尚待研究的方向，也是今后的重要研究内容。