辐射抗性酵母菌去除放射性核素锶的性能及机制研究

With the development of nuclear power, “safe and efficient development of nuclear power” has been included in the 13th Five-Year Plan. The disposal of radioactive waste is related to the sustainable development of nuclear power industry and environmental protection in China. Strontium is an important radionuclide of radioactive waste water, which has long half-life and health hazard. In our previous studies, we had found the living irradiated S. cerevisiae had high efficiency to removal of strontium ions under culture conditions and it’s expected to form a stable and high effective removal system by coupling surface biosorption, intracellular bioaccumulation and cell growth. So in this research, we will study the bioaccumulation capability to strontium ions by living irradiated S .cerevisiae; establish a new mathematical model for describing the bioaccumulation by living S.cerevisiae; explore the protein which can regulate the bioaccumulation by living S.cerevisiae and study the interaction protein to explain the mechanism of bioaccumulation; explore the effect of coexisting ions on the removal of strontium ions. This study can provide theoretical direction to the removal of strontium ions by living S.cerevisiae, such as: improving the selectivity of strontium and the ability of removal; optimizing the technological parameters for industry applications, etc. We believe it may be a new idea for the removal of strontium ions from nuclear radioactive waste water.

随着核电事业的快速发展，“安全高效发展核电”已被列入国家十三五发展规划，放射性废物的处理是关系到我国核能工业可持续发展和环境保护的重大课题。锶离子是放射性废液的重要组分，其半衰期长，污染更具隐蔽性和滞后性。活体辐射抗性酵母菌对锶离子去除率高且有望将菌体表面吸附、胞内富集和菌体繁殖耦联在一起，形成高效稳定的去除系统。本项目选用活体辐射抗性酵母菌作为生物去除材料，采用先进可靠的技术手段，深入研究菌体胞内富集锶离子的性能；构建描述活体辐射抗性酵母菌富集锶行为的适配数理模型；重点研究调控活体辐射抗性酵母菌富集锶行为的调控蛋白及其相互作用蛋白，深入系统阐释活体酵母菌富集锶的机制；探索共存离子对活体辐射抗性酵母菌去除锶离子的影响规律。为提高辐射抗性酵母菌去除锶离子的选择性、去除性能及操作参数优化等提供理论指导，为去除放射性废液中的锶离子提供新的思路。

活体辐射抗性酵母菌（Y-7）具有良好的辐射抗性和耐高锶能力。本研究通过菌体表面吸附和胞内富集吸附两个层面阐述活体Y-7对锶离子的吸附机制。结果显示表面吸附以离子交换和络合为主要机理，物理吸附部分参与。通过两种蛋白组学方法和生物信息学方法分析菌体胞内富集锶离子机制，筛选出与锶离子胞内富集高度相关的3个蛋白: Kar2p，Rsn1p和Act1p及其相互作用蛋白。采用CRISPR/Cas9基因编辑技术构建RSN1基因敲除酿酒酵母菌株（Y-7-rsn1△），结果显示RSN1参与了Sr2+的转运，Y-7-rsn1△对锶的抗性增强。RSN1基因敲除导致细胞表面羧基，氨基，酰胺基，羟基，磷酸基团等峰位偏移，Y-7和Y-7-rsn1△细胞表面参与锶结合的基团为C=O、N-H、C-OH和P-O-C。吸附锶后，Y-7-rsn1△胞内的Ca2+显著降低，K+和Na+显著增加，提示Sr2+胞内富集和Ca2+高度相关。. 模拟高放废液和模拟高放废液复合辐射条件下，Y-7的吸附能力高于原始模式菌株和死亡菌株且存活情况良好。最佳等温吸附模型为Langmuir模型。热力学参数、透射电镜以及能谱分析显示活体Y-7在模拟高放废液中吸附锶的过程为放热反应，分为主动和被动吸附。模拟中低放废液的研究结果显示共存离子对锶吸附的抑制作用大小顺序为 Ni>Cr>Cs>Na>K。三种体系对Y-7吸附锶离子的抑制程度为(Cs，Cr，Sr)>（Cr，Sr）>（Cs，Sr），共存离子对Sr2+吸附的抑制作用与离子浓度比值（共存离子浓度/锶离子初始浓度）有关。共存离子在不同的酸碱条件下对Sr2+的吸附影响不同。并采用数理模型对其吸附规律进行了描述。Cs+，Cr3+导致Y-7细胞表面-OH、N-H、C=O、C-N、C-OH和P-O-C的峰位偏移。通过一步法，以Y-7为载体构建了磁性酵母菌吸附材料，与Y-7相比，磁性酵母菌循环利用能力强、容易回收、减容比好、物理强度高。本研究为后续辐射抗性酵母菌去除锶离子的选择性提高、去除性能及操作参数优化等奠定了理论基础，为去除放射性废液中的锶离子提供了新的思路。