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1、处理放射性元素和重金属水污染通过实验室的被动式系统摘要：含有有毒重金属、放射性元素、有毒砷和硫酸盐的污染性水域可以通过由厌氧细胞和人工湿地构成的实验室被动系统得到有效治理。这些水域污染来自操作铜矿坝运行的垃圾渗滤液和其他来自保加利亚Vromos湾的流出物。 厌氧细胞中混有马、牛、羊的粪便，蘑菇渣肥堆，麦秸和锯屑，这些都是碳和能量的来源，用于与寄生在细胞里的微生物进行不同的新陈代谢。微生物异化硫酸盐的减少和有机物的吸收作用是减少污染的主要过程。厌氧细胞的流出液同被含有丰富微生物和植物群落的人工湿地分解的可溶性有机混合物在一起，人工湿地的流出物又恰好能为农业和工业生产所应用。关键词：环境 污染 细
2、菌 生物技术引言治理含有有毒重金属、放射性元素、砷和硫酸盐的水污染的几个方法主要取决于流出物的量，当前污染物的类型和浓度。大部分情况下，那些污染水域的PH值都是酸性的，因此所采用的方法往往要是污染物产生沉淀物来达到化学平衡。这种主动的治理方法需要一些装置有反应物、沉淀剂、澄清剂、曾稠剂，这些必将会带来大量的在试剂、操作、维护和清理等方面的费用，而且反应后的污染物里面也会混合有沉淀物。唯一可以替代这种高花费的方法就是被动的治理系统。这些系统是在为了提高被污染水的质量的生物的和地球化学的自然反应的过程的基础上发展起来的。这些系统也奖进行最小限度的操作和维护费用。实际上，这种与人工湿地联系起来的被动
3、系统与自然界的沼泽和湿地极为相似。然而，这种方法只能适用于相对低污染的水域，对那些强酸性和高金属含量的污染水域没有效果。最近，一种新的被动治理系统方法也得到了运用。这种方法主要在于设计针对不同组合使用的维护生物系统。这种方法也使目前大量的被动治理系统有了可行性。这些系统在化学中和方面的最主要的优点在于只会有少量的沉淀物形成，并且金属元素也将会已氧化物或者硫酸盐的形式沉淀。这篇论文主要写关于实验室被动治理系统的实验过程。该系统包含有目前用于治理放射自能够元素和重金属的水污染的厌氧甲烷细胞、生成碱性物质的细胞和人工湿地。这些水域污染来自操作铜矿坝运行的垃圾渗滤液和其他来自Vromos湾（位于保加利
4、亚布尔加斯的南部）的流出物。实验步骤：批量试验批量试验是在装有不同有机无基质和培养液的1500ml的保持瓶里进行的。有机物基质是马牛羊的粪便，蘑菇渣肥堆，麦秸和锯屑，同等分的这些有机物基质混合物还需用到。不同实验中的有机无机质分别从200g干重到600g干重。用于实验中的营养液的主要成分是（in g/l）：Na2SO4:5.92, NH4Cl:0.30, K2HPO4:0.15, MgSO4.7H2O:0.50, CaCl2.2H2O:0.10. 这些培养瓶主要接种于含有甲烷菌和相互依存微生物新陈代谢进行增殖。由于加入的稀释后的H2SO4和NaOH，接种液的初始PH值在2.5到7.0间。不同的
5、离子（如重金属元素、氯化物、硝酸盐和铵盐基）和小分子有机混合物（如葡萄糖、醋酸盐和乳酸盐等）也被加入到保持瓶中来检测其对纤维素衰解和硫酸还原的影响。保持瓶在不同的温度下接种，在10到35度之间，保持120天。将双数的产生大量蒸馏水的样瓶取出进行抽样调查。被动式系统摘要实验室装置模拟的被动系统已经建成并且开始进行操作。每个装置包含有厌氧细胞和人工湿地（图1）。装置的合成包含一个系列的，每个装置都可以在不同流速的营养液流动下进行操作。厌氧细胞装在一个高60cm，内部直径30cm的玻璃容器内。容器装满了蘑菇渣肥堆，牛粪和干草这些有机物。铁皮也混在其中来和过多的硫酸盐反应。为了避免甲烷菌产生抑制反应，
6、硫酸氢盐的浓度的降低是必须的。细胞完全处于含有上述提到的混合物、混合增菌培养甲烷细胞、还有相互依赖新陈代谢的微生物的溶液中。批量条件下，18到20下在营养液中培养一个月，细胞中生成相对稳定的微生物群落。内径为1的塑料管插入不同深度的有机物中。用来抽取不同深度的细胞液。在有些实验中，为了使厌氧细胞的原料液的离子转换周期更长，一般会将2-4个60高的穿孔塑料薄片平行地插入有机物中。相邻薄片的穿孔都处于不同高度的溶液中：上部（离上表面70mm）的细胞和底部（离下表面50mm）的细胞。不同穿孔去的水样由相应深度的插口塑料管导出。人工湿地是一个容量为180l（长120cm，宽60cm, 高25cm）的矩
7、形塑料容器。容器底部有20cm深的混合溶液，包括肥堆、含高有机物的土壤、和泥沙。这层溶液主要用于支持容器高层的培养，即作为系统中非自养的微生物生长的有机物来源。均匀置于容器的水草与其他浮游植物一起（主要是水草，例如宽叶香蒲、荸荠和苔属类）在该溶液中。容器中来自水龙头的自来水中含有不同的藻类，主要是双星藻属和苹属类。适量的含有磷、钾、氮的化肥也被加入容器中，人造光也被用来加强植物的生长。容器在18到20的温度下进行一个月的培养，在这些条件下，稳定的生物种群也逐渐生长起来。除了以上提到的培养，生物群落也包括各种微生物、原生动物、昆虫和其他无脊椎动物。不同组成的污染水域在保持流动的条件下由以上提到的
8、被动系统来进行治理。在达到一个新的治理阶段之前，厌氧细胞和人工湿地中的水将会换成新的污染水，根据新的污染水的成分不同，相应的生物群落也会在一个月的基础上继续培养3-4天以适应新的环境。当最初的流苏逐渐达到最大可能值时，治理也将会对污染水样品产生有效清理。该分析见表格1。分析步骤分解金属的浓度主要由ICP分光光度法确定，铀的浓度主要由偶氮胂（）来进行光度测量。镭主要通过放射性来衡量。硫酸盐，硝酸盐和氨盐基的浓度用光度测量。氯化物用硝酸银滴定来确定。用于溶在有机物里的甲烷细菌的基质可以有氧化物（如高锰酸钾）来测定，纤维素经硫酸溶解后被上述所提到的方法分解。瓶中和被动系统中的微生物生存的分离、定义和
9、列举在之前的方法中有所描述。结果和讨论在批量试验中，我们发现不同的有机物基质会在支持甲烷细菌的生长和活动上有很大区别。有机物基质的混合物和牛羊的分粪便最能够使硫酸的产量达到最大值，产率最低的则适合底部那些混有干草、麦秸和蘑菇肥堆的有机物基质。最重要的是有机无机质样本，主要是肥料样本，含有包括甲烷细菌在内的那些固有微生物。开始时，在PH值接近中性和温度超过20的条件下，厌氧微生物的生长速度非常快，随后2-10天内由于甲烷细菌的活动，使水溶液中的氧化还原反应降低到水平以下（低于500mV）。在含有有机混合物和肥堆的培养瓶中，经过5天的潜伏期后将会继续降低到300mV。氧化值的降低主要在于有机无基质
10、中生物降解时的大量的氧气消耗和包括硫酸的降低化合物的形成。不同的纤维素降解和有机微生物的发酵反应也会维持小分子有机化合物的浓度，使之达到利于甲烷细菌生长和活动的水平。值得一提的是，还原剂（有机碳）和氧化剂（硫酸铁）的不当比率确实抑制由细菌导致的硫酸盐减少的最关键的因素。图中曲线表明了厌氧细菌的整体生长，甲烷细菌的生长也表明了呈上升趋势的生长。最重要的微生物存在于试瓶中的泥土中。该实验中的有机物基质都是可以被降解或者用于长期的微生物生长的，甚至当他们处于最低浓度时，依然可以利用。潜伏期的基质用量主要由基质的类型来决定由于微生物反应中会产生相应的木质素化合物，那么基质的用量就与纤维素的利用联系起来
11、了。没有那个实验在潜伏期的基质用量就会超过20%。所有的实验都会使硫酸盐的浓度降低到400g/ml以下，这时的水才能够用于工农业生产。温度是一个重要因素，它不仅影响着基质的生物降解，也影响着有细菌引起的硫酸盐的减少。10-35的温度系数是1.7-2.3。在35时，瓶中硫酸盐的浓度将会在14天内由6.2g/l降低到0.23g/l，降低率达到了400mg/l/d。最适宜的PH值是7，但是实验最初PH值往往很低（PH值为2.5），这时微生物依然能够生长并且产生硫酸盐。有细菌引起的硫酸盐减少的过程中，由于有碳酸氢根的生成，PH值也不断地升高。实验结束达到7.5-8.2.10-15g/l的氯化物的浓度会
12、相应降低硫酸盐的减少速率。我们发现在氯化物浓度高达30g/l的情况下，微生物群落依然能用于硫酸盐的减少。然而，高浓度的氯化物会明显地降低微生物基质的生物降解，从而抑制了真个系统的进行。硝酸盐的加入对硫酸盐的减少起到明显的作用。当硝酸盐用尽使，瓶中只有很少，甚至没有硫酸盐的减少。浓度高达1g/l的铵离子将会抑制有机物基质的生物降解。在该系统中，由于有机化合物的氨化反应而生成了氨。乳酸盐和醋酸盐是最好的氧化剂。这些化合物一旦加入培养瓶据快速的被吸收。然而，他们也抑制了有机物基质的生物降解，葡萄糖也是如此。高浓度的重金属（铜、锌、钴、镍等）也会抑制有机物基质的生物降解和硫酸盐的减少。然而，经过一段时
13、间的适应期之后，微生物种群也能够在铜或锌为1g/l的浓度下进行实验。在该系统中，重金属离子的沉淀主要是与不可溶的硫酸盐反应，又有部分与氢氧化物或碳酸盐反应。铀的沉淀主要是由不可溶的沥青油矿减少引起的。我们发现，除了由微生物引起的硫酸盐的减少，不同的吸附作用也会使水中的有毒重金属和放射性元素的转移。就算仅仅30-60分钟与土壤有机基质的接触，也会使重金属和放射性元素发生转移。经放射和化学分析可以知道污染物确是由瓶中的有机物保持住了。这是很显然的，然而，长时间过后，这种吸收将会达到饱和。同时，不论是现存的或者已死亡的为生物质对于积聚重金属和放射性元素的能力都是不可预估的。在该被动系统中，我们也发现
14、在持续流的条件下，从污染物中转移重金属元素，砷，放射性元素和硫酸盐的操作能够更有效地进行。重金属元素和砷主要和硫酸盐反应生成沉淀，因此在试验结束的时候会生成大量的硫酸。在最适宜的条件下，当溶液的稀释率达到0.01h时，由微生物引起的硫酸盐的减少将会超过每天每升800ml。大部分铀的沉淀是由于六价的铀反应成为了四价的铀，剩余的铀和放射性元素依然残留在水中，如镭和钍。部分重金属元素会因为细胞中有机物的吸收而被转移。不同深度的样品可以表现出厌氧细菌在距离表面5至10的深度的有氧和微氧环境下的状况。这时，由于微生物减少的硫酸盐所形成的固体硫酸盐成分又会由于不同的好氧微生物而氧化。我们可以通过改变距水面
15、15cm处的流速来避免这一影响。其实厌氧细菌也会产生这一影响。他们被人工湿地中的好氧细胞氧化成硫酸盐。然而，到达底部之后又会因为微生物的作用而减少。当然，阻止固体硫酸盐进入到因忽略最初的PH值，微生物是使PH值稳定地在厌氧细胞的环境下保持中性的主要原因。由于微生物产生的硫化氢和氢氧化物也是吸收厌氧细胞中有机物的主要物质。溢出物中铵盐基的浓度会由于有机物的氨化而大量增加。磷酸根离子的浓度也会由于蘑菇渣肥堆中的某些磷酸盐的溶解而增大。不计厌氧细胞中已含的离子，溢出物任然有高浓度的硫化氢。然而，在人工湿地中，异养微生物的生长和活动会减小水中可溶有机化合物的浓度。硫化氢因为化能无机营养菌和异养菌的作用而被彻底转移。按根离子也由于人工湿地中植物和微生物的吸收而被转移。厌氧细胞中微生物群落的作用是提供甲烷细菌，并且含有稳定可溶的有机物作为碳和能量的来源。忽略细胞中那些化合物的浓度随着时间减少，5个月在持续流的条件下治理不同成分的污染水的方法还是可行的。含有放射性元素，重金属元素和硫酸盐的污染水经过治理后可以正常用于工农业生产。需要注意的是，当人工湿地单独使用时，例如没有厌氧细胞，只能在PH值高于4.5的条件下转移上述的污染物。当然，比较含有厌氧细胞是人工湿地，速率会相对较低，用时也会相对较长。
