一種鈽氣溶膠的微生物吸附取樣方法與流程
2023-05-27 21:39:16
本發明屬於鈽氣溶膠分析測量的
技術領域：
，具體涉及一種鈽氣溶膠的微生物吸附取樣方法。
背景技術：
：鈽氣溶膠是鈽放射性危害的重要表現形式之一，其來源主要有三個方面：核科學研究、核電站事故與核恐怖襲擊。具體來說，鈽氣溶膠的形成來源分為4種：一是鈽金屬的氧化或揮發；二是輻照後的U或UO2的氧化或揮發；三是鈽懸浮液或水溶液的飛沫分散；四是被鈽汙染後的土壤或粉塵的再懸浮。無論哪一種來源，鈽氣溶膠物質會迅速擴散，造成危害公眾和環境安全的後果，尤其是人體攝入毫克量級的鈽便會引起最終的死亡。人體吸入鈽氣溶膠導致的內照射損傷效應，不僅取決於放射性煙雲傳播時在周圍空氣中形成的氣溶膠濃度，也取決於汙染區域氣溶膠再懸浮的程度。此外，鈽氣溶膠吸入人體後在呼吸道中的沉積、吸收和轉移是一個相當複雜的過程，涉及到巨噬細胞的吞噬作用，氣管及支氣管的纖毛運動，鈽粒子的溶解和吸收以及通過淋巴系統的轉移等。整個過程中，在很大程度上取決於鈽顆粒的大小、溶解度、價態、核素組成等特徵參數。這些特徵參數是不斷變化的，依賴於鈽氣溶膠形成時按空氣動力學尺寸劃分的三種模態（Aitken核模態、積累模態和粗粒子模態）。因此，為了真實預測鈽氣溶膠輻射影響的後果，提高事故區域長期輻射影響的評估水平，必須得到鈽氣溶膠準確的測量結果，包括粒徑及分布、化學組分、同位素構成、表面形貌與晶體結構等測量。這些測量工作的重要前提是，採集獲得具有代表性的鈽氣溶膠樣品，並將其轉移至測量裝置才能進行測量。為了獲取原始環境中具有代表性且不被採樣過程影響的氣溶膠樣品，就需要保證被採集樣品從採集到測量儀器的過程中，氣溶膠粒子的某些性質保持不變，例如質量濃度、數量濃度及粒徑分布等。但是，在實際的樣品採集和輸送過程中避免這些性質的變化是十分困難的。由於粒子慣性、重力、擴散等各種機製作用，粒子並不能完全進入取樣裝置入口，通常會吸附在取樣系統壁上而造成樣品損失。這種抑制代表性取樣的機製取決於氣溶膠粒度，因此，任何取樣系統只能在一定粒徑範圍內進行代表性取樣，而大於或小於這個範圍，就不具有代表性。按照鈽氣溶膠空氣動力學尺寸的模態劃分，大於2μm的粗粒子更易受到重力和慣性作用而快速沉降；小於0.1μm的Aitken核模態粒子更容易受擴散作用而吸附在器壁上，或者是很長時間懸浮在空中，即使沉降也容易發生再懸浮，尤其是納米尺度的鈽氣溶膠微粒，更難被採集到代表性的樣品中。目前國內外研究機構對鈽氣溶膠的取樣有過濾收集和慣性分級兩種方式，集中於相對容易獲取的0.1-10μm的粒徑範圍，這是由於受到目前取樣方式的限制，加上鈽氣溶膠的放射性、源項獲取困難、毒性、形成機理未知等自身特點。為了實現特殊實驗場景下鈽氣溶膠的高回收率，就必須獲取納米尺度至微米尺度範圍的所有鈽氣溶膠微粒，當前，亟需發展針對納米尺度鈽氣溶膠的微生物吸附取樣方法。技術實現要素：本發明所要解決的技術問題是提供一種鈽氣溶膠的微生物吸附取樣方法。本發明的鈽氣溶膠的微生物吸附取樣方法，其特點是，該方法包括以下步驟：a.微生物菌種的培育通過實驗室誘變育種獲得鈽氣溶膠的微生物吸附劑菌種，在培養基中生長、收穫與保藏；b.鈽氣溶膠的吸附吸附過程伴隨被動吸附和主動吸附兩個過程：被動吸附利用物理化學作用將鈽氣溶膠富集在步驟a提供的菌種細胞表面；主動吸附通過菌種細胞的新陳代謝作用，使鈽氣溶膠在步驟a提供的菌種細胞內微沉積；c.鈽氣溶膠的脫附利用解吸劑將步驟b中菌種細胞表面富集的和細胞內微沉積的鈽氣溶膠進行脫附；d.鈽氣溶膠的收集將步驟c脫附的鈽氣溶膠收集於測量裝置的暫時存儲區，同時回收失去吸附功能的菌種細胞。步驟a所述的微生物菌種包括酵母菌、麴黴菌和青黴菌。步驟a所述的培養基為雙層平板的避光自乾燥式培養基，培養環境為恆溫300K、相對溼度75%、pH值7.0。步驟b所述的物理化學作用是一個物理吸附過程，不需要消耗能量，通過細胞壁官能團與鈽氣溶膠之間的靜電力進行生物吸附，改變細胞表面網狀多孔結構而引起空間捕獲；步驟b所述的新陳代謝作用是一個生物代謝過程，需要消耗能量，鈽氣溶膠與菌種分子發生絡合反應吸附在細胞壁上形成微沉積。步驟c中所述的解吸劑為HCl+硫脲、HNO3+EDTA或HNO3+硫脲中的一種，為酸鹼複合解吸劑。微生物菌種作為鈽氣溶膠吸附取樣的主體，其篩選培育對鈽氣溶膠的有效吸附至關重要。實驗室誘變育種是利用物理化學方法，人為處理已經存在的微生物群體，使其一些個體細胞遺傳物質的分子結構發生改變，使基因內部的鹼基配對發生差錯，引起微生物的某些遺傳性狀發生突變，進一步提高其某些功能（例如吸附納米尺度的氧化鈽粒子、吞噬更小的鈽原子），使其符合特殊需要。微生物菌種培育的流程是：首先，根據現有菌種的遺傳、生理生化特點和潛力，選擇和純化出發菌株，在特種培養基中進行斜面培養；其次，根據誘變劑作用機理，考慮到菌種特性和遺傳穩定性，為了使得到的突變菌株在存活群體中佔有最大比例，開展多次預備試驗來正確選擇誘變因素，例如誘變劑的種類與劑量、處理時間與條件、光照距離與強度等；再次，進行誘變處理與平板分離，並返回培養基中；最後是多次的篩選與分析，保藏好獲得的微生物菌種。本發明的鈽氣溶膠的微生物吸附取樣方法需要獲得的微生物菌種為菌種細胞，微生物菌種包括酵母菌、麴黴菌和青黴菌，菌種細胞的培養基為雙層平板的避光自乾燥式培養基，培養環境為恆溫300K、相對溼度75%、pH值7.0。鈽氣溶膠的吸附過程伴隨被動吸附和主動吸附兩個過程：被動吸附是利用物理化學作用將鈽氣溶膠吸附在菌種細胞表面；主動吸附是通過新陳代謝作用使鈽氣溶膠在細胞內微沉積，直至細胞表面完全被鈽氣溶膠微粒所包裹。可以利用原子力顯微鏡來觀察鈽氣溶膠微粒與細胞結合前後細胞表面的微觀形貌變化。掃描成像採用輕敲模式，掃描過程中微懸臂進行高頻振蕩，針尖在振蕩期間間歇地與樣品表面接觸。由於針尖與樣品接觸時間非常短暫，由剪切力引起的對樣品的破壞幾乎完全消失。吸附氧化鈽微粒後細胞的長、寬、高尺寸都有所增大，算術平均粗糙度和均方根粗糙度揭示了細胞表面粗糙度的增加，可能的原因是細胞表面的蛋白和脂多糖等決定細胞結構的大分子物質與氣溶膠微粒結合導致了細胞微觀構型的變化，同時微粒在細胞表面富集。鈽氣溶膠的組分主要為PuO2，使用X-射線吸收光譜和透射電鏡可以分析與證實吸附後的PuO2結構，晶體直徑小於3nm，以離散的、團聚的粒子形式出現，粒子包裹在細菌細胞表面。許多結晶粒子的直徑小於1.5nm，甚至有更小的粒子出現。延展X-射線吸收精細結構分析結果可以顯示平均配位數，從而證實大部分納米尺寸的PuO2微粒被吸附在細胞表面。細菌吸附的PuO2微粒尺寸向下可能延伸至分子尺度團簇。鈽氣溶膠的脫附過程主要是根據微生物吸附劑特性和吸附機理，選擇合適的複合解吸劑具備兩種功能：一是對於細胞表面聚集的PuO2粒子，解吸劑中的官能團可以與吸附的PuO2競爭吸附位點，把已經吸附的PuO2粒子從吸附劑上洗脫下來；二是對於細胞內積累的PuO2粒子，營造不利於菌體生長的環境而導致菌種細胞對PuO2進行外流運輸而脫附。解吸劑採用酸鹼複合解吸劑，例如HCl+硫脲、HNO3+EDTA、HNO3+硫脲等酸鹼複合解吸劑。鈽氣溶膠收集是將脫附的鈽氣溶膠進行採集，並輸送到測量裝置的暫時存儲區，同時回收失去吸附功能的菌種細胞。損失和沉積機制將影響鈽氣溶膠採集和輸送的樣品代表性。採用這種微生物的吸附-脫附-收集方式進行鈽氣溶膠的取樣，通過及時在線與測量裝置聯用，能夠迴避抑制代表性取樣的多種因素，從而得到準確的測量結果。但是，納米尺度的生物PuO2粒子很可能受到其自身反應活性和輸運的影響，PuO2晶體在細胞沉澱物中是移動的，可能會發生氧化-還原反應，另一方面，絮凝將降低微生物菌種輸運的可能性。本發明的鈽氣溶膠的微生物吸附取樣方法通過選育特殊微生物菌種，利用物理化學作用將鈽氣溶膠吸附在菌種細胞表面，然後通過新陳代謝作用使鈽氣溶膠在菌種細胞內微沉積，飽和後利用合適的解吸劑使鈽氣溶膠脫附，從而達到取樣轉移目的，取樣效果可以從原子力顯微鏡、透射電鏡、X射線吸收能譜和延展X-射線吸收精細結構的監測分析數據進行判斷。本發明的鈽氣溶膠的微生物吸附取樣方法是針對納米尺度鈽氣溶膠的取樣方法，該方法取樣成本低，採樣入口效率高，樣品輸送效率高，沒有二次汙染；該方法採用微生物吸附-脫附鈽氣溶膠微粒，完全迴避了與人的接觸，避免了鈽氣溶膠的放射性與毒性對人造成的危害；該方法有效克服了傳統鈽氣溶膠取樣方法的局限性和不足，尤其是粒子反彈問題、過濾器和撞擊器孔道的飽和問題等，不用考慮影響氣溶膠樣品代表性的探頭方位、取樣口大小與形狀、採樣氣流速度與方向等影響因素。具體實施方式下面結合實施例對本發明的內容作進一步詳細的說明。本發明的鈽氣溶膠的微生物吸附取樣方法包括以下步驟：a.微生物菌種的培育通過實驗室誘變育種獲得鈽氣溶膠的微生物吸附劑菌種，在培養基中生長、收穫與保藏；b.鈽氣溶膠的吸附吸附過程伴隨被動吸附和主動吸附兩個過程：被動吸附利用物理化學作用將鈽氣溶膠富集在步驟a提供的菌種細胞表面；主動吸附通過菌種細胞的新陳代謝作用，使鈽氣溶膠在步驟a提供的菌種細胞內微沉積；c.鈽氣溶膠的脫附利用解吸劑將步驟b中菌種細胞表面富集的和細胞內微沉積的鈽氣溶膠進行脫附；d.鈽氣溶膠的收集將步驟c脫附的鈽氣溶膠收集於測量裝置的暫時存儲區，同時回收失去吸附功能的菌種細胞。步驟a所述的微生物菌種包括酵母菌、麴黴菌和青黴菌。步驟a所述的培養基為雙層平板的避光自乾燥式培養基，培養環境為恆溫300K、相對溼度75%、pH值7.0。步驟b所述的物理化學作用是一個物理吸附過程，不需要消耗能量，通過細胞壁官能團與鈽氣溶膠之間的靜電力進行生物吸附，改變細胞表面網狀多孔結構而引起空間捕獲；步驟b所述的新陳代謝作用是一個生物代謝過程，需要消耗能量，鈽氣溶膠與菌種分子發生絡合反應吸附在細胞壁上形成微沉積。步驟c中所述的解吸劑為HCl+硫脲、HNO3+EDTA或HNO3+硫脲中的一種，為酸鹼複合解吸劑。按照本發明的鈽氣溶膠的微生物吸附取樣方法進行實驗，各實施例獲得的具體實驗結果見表1，表1為微生物菌種對鈽氣溶膠的吸附-解吸結果。表1實施例菌種類別酸鹼複合解吸劑吸附容量脫附效率菌種預期壽命實施例1酵母菌HCl+硫脲2.39mg/g82%6h實施例2酵母菌HNO3+EDTA2.50mg/g62%6h實施例3酵母菌HNO3+硫脲2.44mg/g92%6h實施例4麴黴菌HNO3+硫脲1.84mg/g95%9h實施例5青黴菌HNO3+硫脲1.06mg/g97%10h實施例6青黴菌HCl+硫脲1.05mg/g85%10h當前第1頁1 2 3