核武器的发展以及核电站的泄漏导致大量放射性核素进入环境。由于放射性核素对环境和人体会产生的巨大危害性,放射性核素在地下水体中迁移的这一话题一直以来都受到人们的极大关注。放射性核素在地下水体中的迁移特性,主要与自身的氧化态、矿物以及一些有机配体,如微生物及其胞外聚合物(Extracellular polymeric substances,EPS),之间的相互作用有关系。因此,研究放射性核素在地下水中的氧化态及其与环境介质(矿物、微生物等)之间的相互作用日益成为环境放射化学的热点。本文重点研究了“核素-微生物”体系和“核素-微生物及其EPS-矿物”体系中核素的氧化态变化及其相互作用机制。体系中以铀(Uranium,U(Ⅵ))、钚(Plutonium,Pu(Ⅳ))为目标核素,微生物为Shewanella putrefaciens(S.putrefaciens),矿物为高岭石和赤铁矿(α-Fe₂O₃)。采用批式实验,结合红外、三维荧光光谱等现代技术分析手段分析U、Pu的氧化态及U、Pu在微生物及胞外EPS和矿物上的分布;探讨U(Ⅵ)和Pu(Ⅳ)与微生物、EPS和矿物之间的相互作用机制。研究结果可进一步理解U(Ⅵ)、Pu(Ⅳ)在地下水体中的迁移特性。获得的主要成果和结论包括以下几个方面:(1)在“S.putrefaciens-U(Ⅵ)”体系中,非还原性生物矿化是S.putrefaciens固定U的主要机制,其对去除U(Ⅵ)的最大贡献率为57.4±8.4%。同时,EPS固定U、生物还原和胞内累积的贡献也不容忽视。EPS在固定U的过程中发生了生物吸附和生物矿化。“S.putrefaciens-Pu(Ⅳ)”体系中,EPS的存在与否显著影响S.putrefaciens对Pu(Ⅳ)的固定,在实验条件下,发现S.putrefaciens的EPS占固定总Pu(Ⅳ)的24.7%。EPS存在与否对微生物吸附和还原Pu(Ⅳ)的影响很大。(2)在“S.putrefaciens-矿物-U(Ⅵ)”体系中,S.putrefaciens细菌对U(Ⅵ)的固定量很高,矿物体系对U(Ⅵ)的固定量很小,赤铁矿和高岭石中的官能团没有明显的化学吸附或与U(Ⅵ)络合。S.putrefaciens体系对U(Ⅵ)有很强的吸附和还原能力,而加入高岭石和赤铁矿之后,细胞代谢能力降低,对U(Ⅵ)的吸附和还原能力大大降低。细菌与矿物的吸附导致细菌的位点被矿物掩蔽效应是U(Ⅵ)吸附量和还原下降的主要原因。微生物及其EPS对载U(Ⅵ)矿物中的解吸行为也进一步证明了这个结论,EPS通过与U(Ⅵ)在矿物表面的竞争吸附和形成稳定的可溶性U(Ⅵ)-EPS络合物,可解吸高岭石上高达64%的U(Ⅵ)和α-Fe₂O₃上的90%的U(Ⅵ)。因此,微生物及EPS和矿物的相互作用会显著影响U(Ⅵ)在环境中的迁移行为。(3)在“S.putrefaciens-赤铁矿-Pu(Ⅳ)”体系中,S.putrefaciens细菌和矿物的复合体系对Pu(Ⅳ)的吸附和还原效果都高于S.putrefaciens体系。实验结果表明,S.putrefaciens和赤铁矿对Pu(Ⅳ)具有强的吸附和还原的能力,进而可强烈影响Pu(Ⅳ)的迁移行为。与“S.putrefaciens-矿物-U(Ⅵ)”体系研究对比分析发现,发现不同种类的核素离子在微生物-矿物上的反应行为完全不同。菌体-矿物体系对Pu(Ⅳ)的吸附大于菌体的吸附;而菌体-矿物体系对U(Ⅵ)元素的吸附小于菌体的吸附。(4)EPS与U(Ⅵ)、Pu(Ⅳ)反应后,三维荧光光谱结果表明,U(Ⅵ)主要与腐殖酸结合,而Pu(Ⅳ)主要与蛋白结合,所有荧光强度的淬灭均归属于静态淬灭。紫外可见吸收光谱结果显示EPS与U(Ⅵ)、Pu(Ⅳ)结合时存在差别,说明存在络合作用,且EPS与Pu(Ⅳ)结合时,在300 nm处均出现了新的峰,说明形成了新的络合物。傅里叶变换红外光谱分析表明,U(Ⅵ)可能与EPS中的羧基官能团结合,Pu(Ⅳ)与EPS中的-CONH-和羧基官能团结合。此外,“EPS-U(Ⅵ)”体系中,单粒子电感耦合等离子体质谱法分析了EPS中的可溶性和颗粒态U,表明EPS在固定U的过程中发生了生物吸附和生物矿化。EPS可通过不同机制和组分与U(Ⅵ)、Pu(Ⅳ)进行反应,而EPS是地下水中溶解性有机质的关键成分(高达50%),因此,地下环境中EPS预计将是影响U(Ⅵ)、Pu(Ⅳ)迁移的重要因素。