半导体矿物辐照电子协同考克氏菌还原高价铀的转化机制研究

Microbial-driven reduction of variable valence metal elements is an important factor affecting the occurrence, transformation and migration of metals. The mechanisms of reduction of metals by microbial mediated semiconducting mineral photoelectrons are not clear. This project is aimed at the phenomenon that irradiation, microbial and minerals are coexist in uranium mining, then study on the valence state of uranium in the coordination of semiconductor minerals with microorganisms under irradiation. The effect of irradiation energy on semiconductor minerals band gap and the relationship between irradiation and semiconductor minerals photoelectric property will be studied under gamma ray irradiation. The effect of irradiated electrons from semiconductor minerals on microbial growth and metabolism will be discussed. Effect factors and mechanisms of uranium adsorption, transformation and immobilization on microbial mediated irradiation electron will be studied by biochemical analysis, mineral phase characterization and environmental factors changed. The coupling effect of regulation of uranium valence state will also be discussed by irradiated electrons cooperating with microorganisms. The results will lay foundation for reveal the electron transfer mechanism and energy conversion which occurred in nature radiation environment multiple interface, supply references for applying microorganism using mineral photoelectron to in situ restoration of radioactive waste at open pit uranium mine area.

利用微生物驱动的变价金属元素还原过程是影响金属赋存形态及其转化、迁移等环境行为的重要因素。目前关于半导体矿物光生电子介导微生物还原变价金属的研究机制尚不清楚。本项目针对实际铀矿区生态圈中辐照场、微生物、矿物等因素客观并存这一特点，拟开展辐照场下半导体矿物光电子协同微生物调控铀的价态研究。利用Gamma射线辐照致半导体矿物产生电子，考察辐照能对半导体矿物能带结构的影响及与其光电性能的关系；研究半导体矿物辐照电子对微生物生长代谢的影响，探讨半导体矿物辐照电子介导微生物调控价电子传递在铀的氧化与还原过程中的效率和动力学特征，揭示辐照电子协同微生物吸附、转化和固定铀的主要途径和微观机制，阐明光电子在介导微生物调控U(Ⅵ)价态中的重要作用。本研究将为揭示自然辐照环境下多种界面耦合作用发生的电子传递与能量转化机制提供实验数据和理论支撑，为微生物在露天矿区下利用矿物光电子原位生态修复放射性污染提供参考依据。

以半导体矿物光生电子为基础，以铀为研究对象，开展了γ射线致半导体矿物产生辐照电子协同考克氏菌还原高价铀的转化机制研究。结果表明：γ射线辐照可致P25和闪锌矿产生辐照电子，电子电流在纳安量级。寡营养体系中，辐照电子可被考克氏菌自身代谢吸收利用。光电子和辐照电子是一种特殊的中间态电子，在传递给光电能微生物作能量利用时无差异。辐照后，P25产生的氧缺陷可在其导带下方杂化形成杂质能级，致使其禁带宽度窄化；半导体矿物光电活性变化程度是混合晶相样品>单一晶相样品，光电活性提升程度是P25组>闪锌矿组。半导体矿物—铀体系中：光电子和辐照电子都可将U(Ⅵ)还原，且最终转化为元素价电子。pH=5时，三组半导体矿物光催化还原U(Ⅵ)的效果最佳，动力学过程符合一级反应动力学模型；反应速率是P25>锐钛矿>闪锌矿。γ射线辐照组半导体矿物催化还原U(Ⅵ)的效率低于日光组。微生物—铀体系中：自然光照下粪产碱杆菌和考克氏菌对铀的最大吸附量分别为642.7mg/g、367.0mg/g。γ射线辐照下两种微生物对U(Ⅵ)的吸附量均高于自然光照组。微生物与铀的作用机理包含了生物吸附、生物矿化、生物还原和生物胞内累积四部分。半导体矿物—微生物—铀共存体系中：t≤2h，半导体矿物辐照电子与考克氏菌共存对U(Ⅵ)的去除效果表现为协同作用；t>2h后，二者联合对U(Ⅵ)的去除则表现为抑制作用。半导体矿物光电子/辐照电子介导考克氏菌对铀的价态调控机理包括能量调控、介质调控和价态调控三方面。微生物、半导体矿物和二者的联合介质均可作为调控U(Ⅵ)价态的介质主体。能量来源不同，调控介质主体不同。U(Ⅵ)可分别从三种介质主体获得生物电子、光电子或辐照电子完成还原反应。溶液中被辐解产生的羟基自由基和半导体矿物产生的空穴又可将U(Ⅳ)氧化成U(Ⅵ)。已发表SCI论文8篇。研究成果将为促进我国铀污染环境的原位修复提供理论指导。