微生物诱导锶生物矿化界面调控机制及方法研究

Radioactive strontium is a high yield, long half-decay period, strong hazardous desintegration production. The traditional solidification method is a high cost and complicated process. Some microorganism and algae showed selective strontium biosorption and biomineralization capacities, which provides a potential new method for treatment of waste containing strontium. Meanwhile, strontium (Sr)/calcium (Ca) ratio has been widely used as paleoenvironmental geological indicaror for the past environmental history and mineral genesis indicaror. But,factors affecting the Sr/Ca ratios by microorganisms are not concerned. This research will carry out the microorganisms inducing strontium biomineralization, the interfacial regulation mechanism for microorganisms inducing strontium biomineralization, the influential factors and artificial modulation methods for strontium biomineralization as well as strontium biomineralization behavior and environmental, biogeological significance under coupled environmental factors conditions etc. four studies in strontium solution and simulated radioactive wastewater. The results will provide economical and high-performance alternative treatment methods for waste containing strontium, lay foundation for further research of biomineralization cell interfacial action mechanism, supply references for mircroorganism-mineral interaction during geological evolution and Sr/Ca ratios paleoenvironmental geological indicators.

放射性锶是产额高、半衰期长、毒性强的裂变产物。常规固化方法成本高、工艺复杂。一些微生物和藻对锶具有选择性吸附并进行生物矿化的能力为含锶废物的处理提供了新的思路。同时含锶矿物中锶钙比可作为矿物成因、多种古地质环境的标志，但锶钙类质同象替代生物因素研究不多。本项目以锶和含锶模拟放射性废液为研究对象，通过不同微生物对锶的生物矿化诱导、微生物诱导锶生物矿化的界面调控机制、锶生物矿化的影响因素和人工调节方法与途径、多场耦合条件下锶的矿化行为和环境地质学意义四个方面的研究，探索微生物诱导锶形成稳定矿化体的条件和方法，阐明微生物诱导锶生物矿化中细胞水平的界面调控机制，揭示复杂体系中多场耦合条件下锶的生物矿化行为及其地质学意义。本研究成果可为含锶废物的处理提供经济高效的备选处理方法，为进一步研究生物矿化细胞界面作用机理奠定基础，为地质演化中微生物与矿物的相互作用研究及锶钙地质古环境标志提供一定的参考依据。

本项目以锶和含锶模拟放射性废液为研究对象，通过不同微生物对锶的生物矿化诱导及界面调控机制、生命效应与多场耦合条件下锶的矿化行为和环境地质学意义四个方面的研究，探索微生物诱导锶形成稳定矿化体的条件和方法，阐明微生物诱导锶生物矿化界面调控机制，揭示生命效应的地质、环境意义。通过不同微生物在培养与非培养条件下的矿化诱导研究表明钙锶比对晶体物相有重要影响，而微生物代谢活动具有很强的调控作用；培养条件下会在溶液-空气界面形成矿化薄膜，其中锶离子优先成核并在薄膜中富集。通过对不同微生物表面基团屏蔽来分析界面活性基团的作用，结果表明微生物表面基团屏蔽后会改变物相类型，EDS表明屏蔽基团后方解石、文石中的Ca/Sr比升高，即屏蔽基团后锶离子类质替换减弱。表面基团屏蔽后，对晶体的定向约束减少，晶体分形维数增加。采用去除细胞壁、可溶性聚合物介质、固体聚合物基底等方法分析了细胞表面在钙锶生物矿化中的界面作用机理，结果表明细胞壁对晶体的分形生长具有重要作用，PEG不能介导晶体的分形生长，而琼脂表面会使文石物相晶体高度分形生长。因此，微生物可通过细胞代谢活动改变离子相对浓度而影响或控制矿化，而细胞壁膜功能基团及其三维空间为钙锶生物矿化成核位点并提供模板。通过淡水藻和海洋藻在光照、黑暗条件下分析生命效应对钙锶生物矿化的影响，结果表明小球藻主要影响晶体的形貌，而颗石藻会吸收钙离子形成其颗石球。因此在钙锶体系中，颗石藻会造成锶离子的相对富集并改变其他离子的浓度，影响其晶体的形成。多场耦合条件结果表明pH、共存离子与微生物代谢活动会影响甚至改变晶体的基本组成。DSC-TGA结果表明生物诱导形成的钙锶晶体热稳定性与一般碳酸盐类似，而钙锶矿化体对酸不稳定，锶离子会优先溶出。提出了调节钙锶形成稳定矿化体的人工调节方法。本研究结果可为钙锶矿物形成机理、古气候重构提供参考，同时也可为锶的生物固化、碳酸盐矿物重金属迁移、转化及环境修复提供依据。