"钚-微生物及其胞外聚合物-矿物"体系中钚的种态及相互作用机制研究

Increasing concerns of plutonium (Pu) migration in groundwater have been raised, due to its high radiotoxicity and long half-life. Besides the minerals, some anaerobic microbies also are present in groundwater. It has been found that some microbies and their extracellular polymeric substances (EPS) contribute to Pu migration behavior in groundwater, through both sorption and reduction of Pu oxidation state. Then, the present work focuses on the species (chemical forms and oxidation state) of Pu in the ternary system Pu-microorganisms-mineral, and their interaction mechanisms. Based on the both batch and column studies, the goal of this study is to analyze the oxidation state of Pu, the distribution of Pu in microorganisms, EPS and minerals by advanced instruments, simulation of the chemical forms of Pu, and to explore the interation mechanisms among Pu, microorganism, EPS and minerals. The effects of electron suppliers, electron shuttles and complexing ligands on the Pu mobility in the ternary system are also investigated, in order to illustrate the interaction between the sorption and reduction by microorganism, EPS and minerals, and Pu migration behavior in groundwater. The present work will be beneficial to better evaluate the Pu migration in groundwater and guide the remediation of Pu contaminated groundwater.

由于Pu的极毒放射性危害，Pu在地下水中的迁移一直受到人们的关注。除了矿物，地下水中还存在一定数量的厌氧微生物。研究发现一些微生物及其分泌的胞外聚合物（EPS）除了可吸附Pu，还具有还原Pu的能力。通过吸附络合和改变Pu的氧化价态，微生物及其EPS可影响Pu在矿物表面的吸附，进而影响地下水中Pu的迁移。因此，本课题的重点即是研究“Pu-微生物及其EPS-矿物”三元体系中Pu的种态（化学形态和氧化态）及其相互作用机制。本项目拟采用批式和柱式实验相结合的方式，利用先进的分析手段分析Pu的氧化态、Pu在微生物及EPS和矿物上的分布；模拟体系中Pu的化学形态；探讨Pu、微生物、EPS和矿物之间的相互作用；考察电子供体、电子穿梭体、络合配体对体系中Pu迁移性的影响，阐明微生物、EPS、矿物对Pu的作用与Pu在地下水体中迁移性的内在联系，为评估Pu在地下水中的迁移和Pu污染地下水的修复提供理论基础。

核试验、核事故等核活动以及核废物的长期贮存可能向环境中释放钚（Pu），并进入地下水体。由于Pu的极毒放射性危害和长半衰期，Pu在地下水体中迁移的话题一直都受到人们的极大关注。Pu的迁移特性主要与Pu的种态、Pu与矿物以及有机配体之间的相互作用有关系。研究发现一些厌氧微生物及其分泌的胞外聚合物（EPS）通过吸附络合和改变Pu的氧化价态可影响Pu在地下水中的迁移。为此，本课题重点开展了“Pu-微生物及其EPS”二元体系和“Pu-微生物及其EPS-矿物”三元体系中Pu的氧化态及相互作用机制研究。主要研究内容包括水中不同氧化态Pu的联合表征；分析EPS在微生物吸附和氧化还原Pu(IV)过程中的作用；探讨“Pu-微生物-矿物”体系中Pu的氧化态变化及微生物和矿物的作用；利用先进分析手段探讨微生物、EPS与Pu之间的相互作用机制；以铀（U）为替代元素，分析微生物固定U(VI)过程中U的种态和分布；环境因素对微生物固定U(VI)的影响；微生物及EPS对矿物上附着的U的脱附行为；阐明微生物、EPS、矿物对Pu的作用与Pu在地下水体中迁移行为的内在联系。.研究结果显示，TTA萃取、HDEHP萃取和液闪测量相结合，可以联合表征水中Pu(III)、Pu(IV)、Pu(V)和Pu(VI)。EPS对Pu(IV)发挥了重要的吸附和还原作用。微生物和矿物均对Pu(IV)具有强的吸附和还原能力。三维荧光和紫外-可见光谱显示EPS与Pu(IV)发生了络合反应，并计算了二者之间的结合常数；红外光谱分析表明Pu(IV)可能与微生物和EPS中的-CONH-和羧基官能团结合。单粒子-电感耦合等离子体质谱显示EPS中U以离子态和颗粒态形式存在，SEM-EDX显示U在微生物表面沉积。环境因素可影响微生物（厌氧颗粒污泥）对U(VI)的固定，并采用方差分析和灰度关联分析对实验结果进行了评估。微生物细胞与EPS会对矿物上吸附的U进行解吸。综上所述，微生物、EPS、矿物会强烈影响地下水中Pu的迁移行为，值得引起重视。本课题研究结果可以为评估Pu在地下水中的迁移和Pu污染地下水的修复提供理论基础。