1 引言(Introduction)

　　隨著世界各國核電的快速發(fā)展，鈾礦的需求量越來越大，而鈾礦的開采和鈾水冶過程中會產(chǎn)生大量的含鈾廢水.含鈾廢水不僅會污染地表水，還會滲透進(jìn)入地下污染地下水，同時會進(jìn)入生物體內(nèi)，從而造成很大的危害，因此，鈾污染水體的修復(fù)問題亟待研究解決.目前，含鈾廢水的處理方法主要有化學(xué)沉淀法、離子交換法、吸附法等，但這些修復(fù)方法也存在各種問題，如吸附法成本高且不適合處理大量廢水，化學(xué)沉淀法操作強度較大且易造成二次污染.植物修復(fù)作為一種新興的修復(fù)技術(shù)，具有投資和維護(hù)成本低、環(huán)境友好、操作簡便等優(yōu)點.如Pratas等(2012)在葡萄牙中部的含鈾地區(qū)收集了28種水生植物，并測量了其對鈾的吸附量，最后基于鈾的濃度、富集量和生物生產(chǎn)量，發(fā)現(xiàn)水生植物馬水齒的生物富集量最高，達(dá)到1948.41 mg·kg-1.Srivastava等(2010)發(fā)現(xiàn)，沉水植物黑藻對鈾有良好的吸附能力，在100 mg·L-1鈾濃度下黑藻中鈾的生物富集量(干重)最高可達(dá)78 mg·kg-1.Silva等(2009)利用馬尾藻吸附廢水中的鈾，去除率最高可達(dá)到64%.Pratas等(2014)研究發(fā)現(xiàn)，在初始鈾濃度為500 μg·L-1的水培液中進(jìn)行實驗，2周后溶液中鈾濃度降到72.3 μg·L-1，其中，水生植物水馬齒和篦齒眼子菜對鈾的生物富集量分別可達(dá)到1567和1588 mg·kg-1.

　　鈾在水中的形態(tài)對植物富集水中的鈾具有很大的影響.低pH值條件下，水溶液中鈾的主要形態(tài)為鈾酰離子(UO22+)，這一形態(tài)穩(wěn)定且容易遷移.當(dāng)pH值升高，水溶液中的UO22+會趨向于水解成氫氧化復(fù)合物UO2(OH)x(Ebbs et al., 1998).Lee和Yang(2010)研究了向日葵和豌豆在不同pH值條件下對應(yīng)的不同形態(tài)鈾影響下對含鈾地下水的修復(fù)能力，發(fā)現(xiàn)這兩種植物的最大修復(fù)效率出現(xiàn)在pH為3~5的條件下，且修復(fù)效率超過了90%.如果溶液中存在無機陽離子，如碳酸鹽、磷酸鹽、天然有機酸等，鈾會與之形成配合物，進(jìn)而影響植物對鈾的吸收.Greene等(1986)和Nakajima等(1979)的研究表明，當(dāng)pH值和水的硬度保持不變時，隨著碳酸鹽濃度的增加，單細(xì)胞藻類(C. regularis和C.vulgaris)吸附鈾的量逐漸降低;當(dāng)溶液中存在磷酸鹽，其會與鈾形成沉淀并導(dǎo)致鈾的生物富集量降低.

　　滿江紅是一種蕨-藻共生的水生植物，由于其具有很強的固氮能力，長期以來作為稻田的綠肥使用.Arora等(2006)和Rai等(2008)研究發(fā)現(xiàn)，滿江紅對水體中的重金屬具有很強的富集能力.還有研究表明，滿江紅對鈾同樣具有很強的富集能力，例如，胡南等(2012)研究發(fā)現(xiàn)，滿江紅和魚腥藻的共生體系對水體中的鈾具有較好的去除作用.但目前尚未開展?jié)M江紅對不同形態(tài)的鈾的吸附行為研究.因此，本文采用Visual MINTEQ 3.1軟件模擬不同條件下溶液中鈾的形態(tài)變化，同時，根據(jù)模擬計算的結(jié)果，配制UO22+、(UO2)3(OH)5+、UO2(OH)3-、UO2(CO3)34-和UO2PO4- 5種不同形態(tài)的含鈾溶液，再通過水培實驗研究滿江紅對上述5種不同形態(tài)鈾的吸附行為，以期為進(jìn)一步提高滿江紅去除水中鈾的效率提供新的思路和理論依據(jù).

　　2 材料與方法(Materials and methods)2.1 滿江紅的獲取

　　從湖南省衡陽市郊外采集回野生滿江紅(Azolla anabaena)，先用自來水沖洗干凈，再用去離子水沖洗3遍，然后放入改良的Hoagland培養(yǎng)液(胡南等, 2012)中進(jìn)行預(yù)培養(yǎng)，2周后取出預(yù)培養(yǎng)的滿江紅進(jìn)行實驗.

　　2.2 水培實驗方法

　　水培實驗在2 L的燒杯中進(jìn)行，分為A、B、C、D、E、F共6組，其中，F(xiàn)組為對照組，其他組為實驗組.實驗組中加的鈾是硝酸雙氧鈾(UO2(NO3)2·6H2O)，初始鈾濃度為2 mg·L-1，對照組不加鈾.實驗組和對照組都加入3 g滿江紅，同時每個組均設(shè)定3個平行組，加入溶液體積共1 L.實驗使用鹽酸和氫氧化鈉調(diào)節(jié)pH，A、B、C 3組的pH分別調(diào)整為4.0、6.5和10.5，D、E組中分別加入10 mmol·L-1碳酸鈉(Na2CO3)和1 mmol·L-1磷酸氫二鉀(K2HPO4).整個培養(yǎng)過程全部在溫室中進(jìn)行，白天溫度設(shè)定為25 ℃，夜晚設(shè)定為22 ℃，光暗周期為12 h:12 h，空氣濕度保持在80%左右.實驗過程中每隔3 d取一次水樣測量水中鈾的濃度并計算水中鈾的去除率，15 d后取出所有萍體，使用濾紙吸干植物表面水分稱其鮮重，計算植株的平均生長抑制率及對鈾的生物富集量.

　　2.3 樣品處理方法

　　取得的水樣用離心機以3000 r·min-1的轉(zhuǎn)速沉淀水中的懸浮物5 min，取其上清液直接進(jìn)行鈾濃度的測定.

　　植物樣品中鈾的檢測步驟參照文獻(xiàn)(Pan et al., 2016)：① 先用自來水沖洗植株體上的水培液，再浸泡在10 mmol·L-1的Na2CO3溶液中12 h，之后用去離子水沖洗5遍，放在室溫下風(fēng)干;② 風(fēng)干后的樣品放入80 ℃的烘烤箱中烘烤72 h后，用研缽磨碎;③ 準(zhǔn)確稱取0.05 g干重植物樣，放入聚四氟乙烯管中進(jìn)行消解，最后將消解溶液定容至100 mL，待測.植物體內(nèi)的鈾含量以干重(mg·kg-1)計算.

　　2.4 樣品測量方法及試劑

　　水中和植物樣品中鈾含量的檢測按照標(biāo)準(zhǔn)方法(EJ 267. 4-1984) 進(jìn)行，采用三正辛基氧膦萃取分離、2-(5-溴-2-吡啶偶氮)-5-乙氨基苯酚分光光度法測定樣品的鈾含量.低濃度含鈾樣品使用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)測量.實驗所用試劑均為優(yōu)級純.

　　2.5 不同形態(tài)鈾溶液的配置

　　為了找到不同形態(tài)鈾所需要的實驗條件，采用Visual MINTEQ 3.1軟件模擬計算溶液中不同鈾形態(tài)所占的比例.首先使用軟件模擬計算了初始鈾濃度為2 mg·L-1，不同pH條件下溶液中鈾的不同形態(tài)所占的比例，其變化如圖 1所示：在pH<5.0時，溶液中鈾的主要形態(tài)為UO22+;在pH=5.0~8.5時，溶液中鈾的主要形態(tài)為(UO2)3(OH)5+;在pH=8.5~12.0時，溶液中鈾的主要形態(tài)為UO2(OH)3-.由圖 1可知，在pH為1.0、6.5、10.5條件下對應(yīng)的鈾形態(tài)在溶液中所占比例達(dá)到最大，分別為占99.99%(UO22+)、74.73%((UO2)3(OH)5+)和97.2%(UO2(OH)3-).但從pH=2.5、鈾濃度為2 mg·L-1條件下進(jìn)行的水培預(yù)實驗可知，滿江紅不能在這一條件下存活超過10 d，而在pH=4.0時，滿江紅的存活時間大大延長，同時這一條件下溶液中的主要鈾形態(tài)仍為UO22+，其所占比例也達(dá)到94%，與pH=1.0條件下相差不大.因此，選擇了3種不同的鈾形態(tài)作為實驗條件，即UO22+、(UO2)3(OH)5+和UO2(OH)3-，其對應(yīng)的實驗條件為pH=4.0、pH=6.5和pH=10.5.

　　圖 1去離子水中不同形態(tài)鈾所占比例隨pH值變化的模擬結(jié)果(鈾濃度2 mg·L-1)

　　然后，使用軟件模擬計算了初始鈾濃度2 mg·L-1、pH=7，不同濃度碳酸鹽或磷酸鹽條件下溶液中鈾的不同形態(tài)所占的比例.由圖 2可知，溶液中各形態(tài)鈾所占比例隨碳酸鹽濃度的逐漸升高而不斷變化，在10 mmol·L-1碳酸鈉條件下，主要鈾形態(tài)為UO2(CO3)34-，其所占比例達(dá)到最高(70.33%);磷酸酸鹽濃度在大于0.2 mmol·L-1后，溶液中鈾的主要形態(tài)為UO2PO4-，其所占比例基本保持不變，最高可達(dá)80%以上.因此，選擇了2種不同的鈾形態(tài)作為實驗條件，即UO2(CO3)34-和UO2PO4-，其對應(yīng)的實驗條件為pH=7，分別加入10 mmol·L-1的碳酸鈉和1 mmol·L-1的磷酸氫二鉀.

　　圖 2模擬加入不同濃度磷酸鹽或碳酸鹽條件下不同鈾形態(tài)所占比例的變化(pH=7，鈾濃度2 mg·L-1)

　　2.6 生物富集量與富集系數(shù)

　　生物富集量(BW)是單位質(zhì)量的植物組織(干重)在一定的鈾濃度溶液中所富集的鈾的質(zhì)量，它反映的是單位質(zhì)量的植物所能富集的最大鈾的質(zhì)量.

　　生物富集系數(shù)(BCF)是組織植物(干重)中鈾的含量和溶解在水中的軸濃度之比，用來表示植物對一定鈾濃度的溶液中鈾的富集能力，其計算公式為：

　　式中，BW為生物富集量(mg·kg-1)，C為水中鈾的濃度(mg·L-1).

　　2.7 生長抑制率

　　生長抑制率(G)是指與對照組相比，鈾脅迫組中植株生長所受到的抑制程度，其計算公式如下：

　　式中，m0為對照組植株的質(zhì)量(g)，m1為鈾脅迫組植株的質(zhì)量(g).

　　2.8 統(tǒng)計學(xué)分析

　　采用SPSS 18.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，p<0.05表示差異顯著，試驗結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差表示.

　　3 結(jié)果與討論(Results and discussion)3.1 不同形態(tài)鈾條件下滿江紅的生長抑制率

　　實驗設(shè)置初始鈾濃度為2 mg·L-1，在5種不同形態(tài)鈾的脅迫下，滿江紅的生長抑制率如圖 3所示.從圖 3可以看出，在水培條件為pH=4.0、6.5、10.5和碳酸鹽時，即在主要鈾形態(tài)分別為UO22+、(UO2)3(OH)5+、UO2(OH)3-和UO2(CO3)34-時，滿江紅在鈾脅迫下的生長均受到不同程度的抑制.在主要鈾形態(tài)為UO22+時，滿江紅生長受到的抑制最大，達(dá)到56.87%;其次是主要鈾形態(tài)為UO2(OH)3-時，達(dá)到40.54%;在主要鈾形態(tài)為(UO2)3(OH)5+時，滿江紅生長受到的抑制最小，只有11.96%;而主要鈾形態(tài)為UO2PO4-時，滿江紅的生長反而受到了促進(jìn)，達(dá)到了28.71%.這是由于溶液中加入磷元素能顯著促進(jìn)滿江紅的生長(陳堅, 2003).由此可知，滿江紅在5種不同形態(tài)鈾條件下的生長抑制率差異顯著，UO22+、(UO2)3(OH)5+、UO2(OH)3-、UO2(CO3)34- 4種形態(tài)均能抑制滿江紅的生長，其中，UO22+對滿江紅的生長抑制率最高，而UO2PO4-可以促進(jìn)滿江紅的生長.

　　圖 3滿江紅在濃度為2 mg·L-1的鈾溶液脅迫下的生長抑制率(*p<0.05)

　　3.2 不同形態(tài)鈾條件下水中鈾濃度的變化

　　在實驗初始鈾濃度為2 mg·L-1時，投加滿江紅后，水培條件下5種不同形態(tài)鈾的濃度變化如圖 4所示.由圖 4可知，在水培條件為pH=4.0和pH=7.0條件下，即主要鈾形態(tài)為UO22+和(UO2)3(OH)5+條件下，水培液中鈾的濃度在前3 d就降低了大約75%，之后鈾濃度的下降趨于平緩.經(jīng)過15 d的水培實驗，水培液中鈾濃度降得最低的是在主要鈾形態(tài)為UO22+條件下，只有143 μg·L-1，滿江紅對水中鈾的去除率達(dá)到92.9%.主要鈾形態(tài)為(UO2)3(OH)5+條件下，水培液中鈾的濃度同樣降得很低，達(dá)到了220 μg·L-1，滿江紅對水中鈾的去除率達(dá)到89%.說明主要鈾形態(tài)為UO22+和(UO2)3(OH)5+條件下，滿江紅去除水中鈾的效果非常好.這可能是由于UO22+和(UO2)3(OH)5+形態(tài)均為金屬陽離子，容易被植物細(xì)胞吸收，而滿江紅吸附鈾的量越大，水中剩余鈾的量就越少.

　　圖 4投放滿江紅后不同水培液中鈾濃度的變化

　　從圖 4可以看出，水培液中pH=10.5和碳酸鹽條件下，即主要鈾形態(tài)為UO2(OH)3-和UO2(CO3)34-條件下鈾濃度的下降趨勢平緩且最終溶液中的鈾濃度都非常高，分別為1892 μg·L-1和1631 μg·L-1，而滿江紅對水中鈾的去除率分別只有5.4%和18.5%.說明主要鈾形態(tài)為UO2(OH)3-和UO2(CO3)34-條件下，滿江紅去除水中鈾的效率非常低.這是可能是由于UO2(OH)3-和UO2(CO3)34-形態(tài)均為含鈾金屬陰離子，植物細(xì)胞不容易吸收，而滿江紅吸附鈾的量越少，水中剩余鈾的量就越多.從圖 4還可以看出，水培液中加入磷酸鹽條件下，即主要鈾形態(tài)為UO2PO4-時，鈾濃度在第3 d就下降到了最低(156 μg·L-1)，之后水培液中的鈾濃度逐漸增加，15 d后達(dá)到1194 μg·L-1.鈾濃度之所以在第3 d降到最低是由于磷酸鹽與鈾形成了沉淀，而在之后鈾濃度升高可能是因為滿江紅在生長過程中根部分泌了有機酸(Huang et al., 2016;Bertin et al., 2003)，磷酸鹽和鈾形成的配合物又重新溶解在溶液中.因此，要提高滿江紅對水中鈾的去除率，應(yīng)該調(diào)控溶液中鈾的主要形態(tài)為UO22+或(UO2)3(OH)5+，同時降低溶液中碳酸鹽和磷酸鹽的含量.

　　3.3 不同形態(tài)鈾條件下的生物富集量和生物富集系數(shù)

　　表 1為滿江紅對5種不同形態(tài)鈾(初始鈾濃度2 mg·L-1)的生物富集量和生物富集系數(shù).在水培條件為pH=4.0，即鈾的主要形態(tài)為UO22+的條件下，滿江紅的生物富集量和生物富集系數(shù)最大，分別為3831 mg·kg-1和1916，說明當(dāng)鈾的主要形態(tài)為UO22+時滿江紅富集鈾的能力最強.其次是在水培條件為pH=6.5，即鈾的主要形態(tài)為(UO2)3(OH)5+的條件下，滿江紅的生物富集量和生物富集系數(shù)分別達(dá)到了3057 mg·kg-1和1529，這與鈾的主要形態(tài)為UO22+時的生物富集量和生物富集系數(shù)相差不大，說明滿江紅對這一形態(tài)的鈾同樣具有很強的富集能力.這可能是由于UO22+和(UO2)3(OH)5+均為含鈾金屬陽離子，易于被植物細(xì)胞吸收，從而增加了滿江紅吸附鈾的量.Laurette等(2012)研究了不同形態(tài)鈾對油菜、向日葵、小麥的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)鈾的主要形態(tài)為UO22+時，油菜、向日葵、小麥根部的生物富集量都很大.Du等(2016)研究了當(dāng)鈾的主要形態(tài)分別為UO22+、(UO2)3(OH)5+和UO2(OH)3-時兩種東南景天植物富集鈾的行為，發(fā)現(xiàn)植物對這3種不同形態(tài)鈾的富集有顯著差異.其中，變種東南景天在pH=6.5的水培條件下，即鈾的主要形態(tài)為(UO2)3(OH)5+的條件下，根部生物富集量最高，達(dá)到3.7×104 mg·kg-1;而在pH=10.5的水培條件下，即鈾的主要形態(tài)為UO2(OH)3-的條件下富集鈾的能力最差，其生物富集量和生物富集系數(shù)最低分別只有122 mg·kg-1和61.在加入10 mmol·L-1碳酸鈉，調(diào)節(jié)pH=7.0的條件下，即鈾的主要形態(tài)為UO2(CO3)34-條件下，滿江紅的生物富集量和生物富集系數(shù)很低，分別為622 mg·kg-1和311，說明滿江紅富集鈾的能力受到了很大抑制.這可能是由于UO2(OH)3-和UO2(CO3)34-均為含鈾金屬陰離子，植物細(xì)胞不容易吸收，從而減少了滿江紅吸附鈾的量.Du等(2016)的研究表明，UO2(OH)3-和UO2(CO3)34-會抑制兩種東南景天富集鈾的能力.在加入1 mmol·L-1磷酸氫二鉀，調(diào)節(jié)pH=7.0的條件下，即鈾的主要形態(tài)為UO2PO4-的條件下，滿江紅的生物富集量和生物富集系數(shù)極低，分別只有132 mg·kg-1和66，說明滿江紅富集鈾的能力受到了極大的抑制.這應(yīng)該是由于磷酸鹽與鈾形成了難溶的配合物且UO2PO4-為含鈾金屬陰離子.Misson等(2009)和Mkandawire等(2007)的研究也表明，磷酸鹽會抑制植物富集鈾的能力.因此，如果要提高滿江紅富集鈾的量，應(yīng)該將溶液中鈾的主要形態(tài)調(diào)控為UO22+或(UO2)3(OH)5+，同時要降低溶液中碳酸鹽和磷酸鹽的含量.

　　表 1 滿江紅對不同水培液中鈾的生物富集量及生物富集系數(shù)

　　4 結(jié)論(Conclusions)

　　1) 5種不同形態(tài)鈾對滿江紅的生長抑制率有顯著差異，UO22+、(UO2)3(OH)5+、UO2(OH)3-及UO2(CO3)34-均能抑制滿江紅的生長，其中，UO22+對滿江紅的生長抑制率最高，而UO2PO4-則可以促進(jìn)滿江紅的生長.具體參見污水寶商城資料或http://www.northcarolinalenders.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　2) 滿江紅對UO22+和(UO2)3(OH)5+的吸附效率相對較高，對UO22+的富集量和富集系數(shù)分別達(dá)到了3831 mg·kg-1和1916，對(UO2)3(OH)5+的富集量和富集系數(shù)分別達(dá)到了3057 mg·kg-1和1529.

　　3) 要提高滿江紅對水中鈾的去除率和滿江紅富集鈾的量，應(yīng)將溶液中鈾的形態(tài)調(diào)控為以UO22+或(UO2)3(OH)5+為主，同時要降低溶液中碳酸鹽和磷酸鹽的濃度.