利用土著微生物还原矿化处理中性地浸采铀地下水的方法

技术领域

本发明涉及地浸采铀地下水修复技术领域，具体地说是一种利用土著微生物还原矿化处理中性地浸采铀地下水的方法。

背景技术

中性地浸采铀通过注入CO

微生物修复技术近年来快速发展，使得经济高效的地下水原位治理工艺存在可行性。通过使用具备还原矿化功能的微生物来处理含铀地下水，是国内外的研究热点。丁德鑫等利用高还原性土著功能微生物群落修复高硫酸盐背景地酸性采铀地浸地下水时，能够实现地下水中地铀浓度达到国家排放标准0.05mg/L以下(CN 103093847 B)，郑春丽等在30℃条件下通过分离、筛选、驯化等方式得到了一株碳酸盐矿化菌，实现了含放射性元素锶的地下水修复(CN 110328224A)。但是，对中性地浸采铀地下水的微生物处理方法尚未见报道。

事实上，中性地浸采铀地下水的水质特征与酸性地浸采铀差异显著。中性地浸采铀地下水由于其pH值控制在7.5～9.0，重金属离子的释放较少，主要干扰因素是以CO

结合以上原因，亟待寻找能够适应高碳酸盐、强氧化性的含铀条件下耐受性强的微生物菌种(群)，进而能够实现中性地浸采铀地下水的高效微生物原位治理。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用土著微生物还原矿化处理中性地浸采铀地下水的方法，采用该方法可以低成本高效的去除中性地浸采铀地下水中的铀，去除率达到94％以上。

本发明是这样实现的：

本发明通过对中性地浸采铀采区开展钻孔施工，对采集到的砂岩样品和地下水样品进行土著功能微生物的特异性富集，并且开展对土著功能微生物的静态驯化，实现了功能菌种在含铀、高碳酸盐、强氧化、低温环境中的正常繁殖，驯化后的微生物菌群能够实现中性地浸采铀地下水中U的去除，去除率达到94％以上。

具体来说，本发明所提供的利用土著微生物还原矿化处理中性地浸采铀地下水的方法具体包括如下步骤：

步骤(1)，对中性地浸采铀采区砂岩-地下水中土著功能微生物进行特异性富集，得到土著功能微生物菌群。

步骤(2)，利用步骤(1)得到的土著功能微生物菌群开展中性低温菌种驯化。

步骤(3)，利用步骤(2)驯化后的土著功能微生物菌群处理中性地浸采铀地下水。

在步骤(1)中，土著功能微生物特异性富集可直接在溶解氧8～10mg/L中性地浸采铀地下水下进行，无需对地下水进行脱氧、加酸等前处理。

在步骤(1)中，富集土著功能微生物，是将砂岩颗粒、地下水与培养基在外界厌氧环境下混合培养得到。

其中，所述砂岩颗粒不限于任何中性地浸铀矿的砂岩颗粒，优选为现开采的中性地浸地下含矿含水层砂岩颗粒。地下水不限于任何中性地浸铀矿的地下水，优选为地浸采铀采区边界地下水。

步骤(1)中所述的培养基中包含土著功能微生物生长代谢所需的营养物质，优选为自制的还原功能微生物培养基。

所述自制的还原功能微生物培养基组成如下：ρ(KH

在本发明中，当砂岩颗粒、地下水、培养基的重量比为(0.05～0.5)：(0.1～0.5)：(1～10)时，即可满足土著功能微生物菌群的繁殖。

根据本发明，土著功能微生物菌群未驯化前的生长温度为20～37℃，优选为25～30℃。

根据本发明，土著功能微生物菌群需要经过适应性驯化后才能应用于治理复杂的中性地浸采铀地下水，可使用低微生物量即可满足后续驯化需求，故步骤(1)中富集时间为5～14天，优选为5～7天。

根据本发明，在富集培养结束后，得到的土著功能微生物菌群能够以1％～10％的比例接种至大容量厌氧罐中扩大培养，扩大培养时间为3～14天，优选为3～7天。

在步骤(2)中，土著功能微生物菌群的中性低温菌种驯化，通过梯度驯化的方式有利于实现分离筛选出的微生物菌群具有较高的环境适应能力，增强对高碳酸盐、强氧化和含铀环境的耐受性。中性低温菌种驯化是指依次经过铀浓度、温度、HCO

根据本发明，微生物菌群未经驯化前仅能够在铀浓度低于1mg/L、HCO

为提高土著功能微生物菌群在中性地浸采铀地下水中的适应能力，本发明中静态驯化优选为梯度静态驯化，包括铀浓度、HCO

根据本发明，铀浓度梯度静态驯化的初始浓度为0.5～1.0mg/L，驯化浓度逐次升高0.5～2.0mg/L，优选的，驯化铀浓度逐次升高1mg/L。

其中，由于铀的理化特征对微生物细胞的毒性作用，在设置驯化梯度时，需要结合微生物菌体的拮抗能力，既不会由于驯化梯度过大导致功能菌生长停滞，又不会因驯化梯度过小而大幅度增加传代次数，延长驯化周期。驯化后的土著功能微生物菌群能够适应0.5～5.0mg/L的铀浓度范围。

在本发明中，土著功能微生物菌群梯度静态驯化过程中，以溶液中出现黑色沉淀作为一个驯化周期，此时按照1％～20％，优选按10％的接种量继续驯化，进行下一静态驯化过程。

根据本发明，温度梯度静态驯化的初始温度为25～37℃，优选为25～30℃；驯化温度逐次降低1～5℃，优选为2～3℃。

发明人发现，在中性地浸地下水中土著功能微生物受到温度的影响主要分为两个方面，一是影响微生物菌种的繁殖能力，在低温条件下微生物数量上明显受胁迫；二是低温条件会抑制微生物的呼吸代谢作用，使微生物向繁殖方向供给能量，而功能性代谢产物减少。

根据本发明，温度对微生物菌群的生长速度和代谢活性有较大的影响，但通过温度梯度静态驯化可使微生物菌群适应12～25℃，优选为15～20℃的温度范围。

根据本发明，HCO

在本发明中，初始HCO

根据本发明，经过多重梯度驯化的微生物菌群同时受pH值变化影响，当初始pH超过8时，其生长繁殖能力显著被抑制，通过优选其他条件也无法重新恢复生长活性。因此，pH值梯度静态驯化的初始pH值为6.5～7.5，优选为7.0～7.5。

进一步地，pH值逐次提升0.2～1，优选为0.2～0.5。其中，pH值梯度静态驯化中单次驯化pH值阈值过大，微生物菌群的生长会不活跃，有明显的向下沉积现象，而单次pH值变化太慢，则驯化周期延长。

根据本发明，通过pH值梯度静态驯化，微生物菌群可适应pH值为7.0～9.5，优选为7.5～9.0的培养范围。

在本发明中，微生物菌群的驯化周期受生长温度与pH值的双重影响。随温度降低，其耐受初始pH的能力逐渐减小，驯化周期延长；随温度升高，其耐受初始pH的能力逐渐扩大，驯化周期缩短。

根据本发明，通过梯度静态驯化，土著功能微生物菌群对中性地浸采铀地下水的耐受能力显著增强，能够在铀浓度0.5～5mg/L、HCO

根据本发明，采用驯化后的微生物菌群已经基本满足处理中性地浸采铀地下水的使用需求。

步骤(2)中梯度静态驯化时，优选采用地下水来配制培养基，培养基组成如下：ρ(KH

在步骤(3)中，土著功能微生物菌群处理中性地浸采铀地下水是以微生物菌群、碳源试剂和地下水混合后静置培养，待微生物菌群正常生长代谢后，即可达到处理目标。

步骤(3)中所述碳源试剂是指乙醇、葡萄糖和乳酸钠等微生物碳源营养物质，不同碳源试剂对微生物的生长代谢时间不同，为了加速微生物还原矿化效果，优选乙醇。

根据本发明，所述微生物菌群、碳源试剂与中性地浸采铀地下水的体积比为(0.05～0.5)：(0.02～0.05)：(1～10)，优选为(0.1～0.2)：(0.02～0.03)：(5～8)。

发明人发现，在以上述体积比开展中性地浸铀矿山地下水处理过程中，由于微生物菌群的生长代谢作用，在相对厌氧环境中，水中HCO

根据本发明，中性地浸采铀地下水的pH值为弱碱性，大部分情况下pH值为7.5～9.0；中性地浸采铀地下水的温度为12～25℃，普遍为15～20℃；中性地浸采铀地下水中含有的铀浓度低于5mg/L。

本发明所具有的有益效果如下：

(1)根据本发明提供的利用土著微生物还原矿化处理中性地浸采铀地下水的方法，能够低成本高效的去除中性地浸采铀地下水中的U，去除率达到94％以上，并且能够长期保持稳定化的修复效果，有效降低地下水中污染物的扩散风险。

(2)根据本发明提供的微生物菌群宏基因组信息，识别对同样高碳酸盐、强氧化性背景下耐铀微生物菌种，有助于构建适用于不同含铀环境微生物种质资源库。

(3)根据本发明提供的利用土著微生物还原矿化处理中性地浸采铀地下水的方法，在不改变中性地浸采铀地下水pH值的条件下，实现对铀污染的生物修复，能够有效减少工程应用中的前处理工序和节约工艺成本。

附图说明

图1是本发明实施例1中驯化前后的微生物群落结构差异对比图。

图2是本发明实施例1中利用土著微生物还原矿化处理中性地浸采铀地下水的长期修复效果图。

具体实施方式

微生物在自然界中是维持生态平衡的重要组成部分之一，在土壤、地下水等环境中储量丰富。在传统意义上的冰川冻土、盐碱地、火山湖等极端环境中，也有在长期环境适应后的微生物的生长。

在微生物学的多年研究后发现，单一菌种的纯培养技术仅在实验室中能够得到预期结果，而在自然环境的扩增过程中，很容易被属地优势菌群挤占生态位，进而失去持续增殖能力。事实上，外源菌在自然环境中的耐受性受到多方质疑，因此，本发明通过富集土著微生物菌群，通过构建更接近微生物原始生存环境的体系，更能够激发功能微生物的持续性代谢能力，实现对污染物的长期治理，由于地下水环境与地上环境的显著差异性，使这种生物作用在地下环境中体现的更为明显。

以下通过具体实例进一步描述本发明，不过这些实例仅仅是范例性的，并不对本发明的保护范围构成任何限制。

实施例1

(1)土著功能微生物菌群的富集。

从通辽铀矿现场采集砂岩样品、地下水样品，将砂岩样品、地下水样品和培养基按重量比为0.5：0.5：10混合，置于250mL蓝盖厌氧瓶中进行培养，培养温度为25℃，7天后，取有明显悬浮微生物的蓝盖厌氧瓶菌液按10％接种量继续培养于新的250mL蓝盖厌氧瓶中，以上步骤重复三次后，得到功能较强的土著功能微生物菌群。

上述培养基为自制的还原功能微生物培养基，组成如下：ρ(KH

(2)土著功能微生物菌群的驯化。

将上述土著功能微生物菌群置于铀浓度为1mg/L、HCO

接着，将完成最后一次铀浓度静态驯化的土著功能微生物菌群按10％接种量转接至铀浓度为5mg/L、HCO

进一步将上述完成最后一次温度静态驯化的微生物菌群按10％接种量转移至铀浓度为5mg/L、HCO

进一步将上述完成最后一次HCO

其中，梯度静态驯化过程中使用的培养基为自制的还原功能微生物培养基，具体是：采用U标准溶液、NaHCO

根据本发明，经过静态驯化后微生物群落结构具有显著改良，如图1所示，经过16srRNA测序获得的宏基因组信息显示，中性地浸采铀地下水优势菌群中耐受性强的微生物Bacteroides、Firmicutes相对丰度分别增加了28.18％和8.62％，而耐受性较弱的微生物Proteobacteria、Candidatus_Saccharibacteria、Actinobacteria、Verrucomic、Parcubacteria相对丰度分别降低了19.66％、5.75％、3.79％、4.16％和3.69％，微生物群落结构发生显著变化。

(3)采用驯化后的土著功能微生物菌群处理中性地浸采铀地下水。

采集U浓度为4.1mg/L，pH值为8.2，HCO

先将无水乙醇溶液20mL溶于1000mL采集的中性地浸采铀地下水中，然后加入100mL驯化后的土著功能微生物菌群，放于低温恒温培养箱中，以15℃低温静置运行180天，其中，在溶液开始变黑的第21天和溶液完全变黑的第42天，以及反应180天后的溶液，利用ICP-MS对溶液中的铀浓度进行测试，第21天时溶液中铀浓度由最初的4.1mg/L下降至3.2mg/L，第42天时铀浓度降低至0.3mg/L，并且在180天时，仍能够保持0.2mg/L，如图2所示，去除率达到94％以上。

实施例2

以与实施例1完全相同的方式富集和驯化土著功能微生物菌群，并以与实施例1相似的方式处理中性地浸采铀地下水，区别在于：

选择污染较轻的中性地浸采铀地下水，U浓度为1.2mg/L，pH值为7.8，HCO

接种土著功能微生物菌群后，在反应第14天溶液中已有明显的悬浮态黑色颗粒，经测定，第14天时地下水中铀浓度为0.1mg/L，最终铀浓度控制在0.05±0.01mg/L，U去除率为99％以上。

以上结合优选实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明。不过需要声明的是，这些具体实施方式仅是对本发明的阐述性解释，并不对本发明的保护范围构成任何限制。在不超出本发明精神和保护范围的情况下，可以对本发明技术内容及其实施方式进行各种改进、等价替换或修饰，这些均落入本发明的保护范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。