综述：微生物修复铀污染的研究进展：机理探究、环境应用及影响分析

本综述系统探讨了微生物修复铀污染的核心机制（生物吸附、生物还原与生物矿化），重点分析了环境因子（pH、温度、电子供体）、生物因子（细胞代谢、多菌群协同）及共存离子对U(VI)还原为U(IV)效率的影响，并展望了生物膜反应器与生物电化学系统等前沿应用前景。

　　

引言

铀(U)作为天然放射性核素，具有生物毒性、化学毒性和放射性三重危害。其同位素²³⁸U、²³⁵U和²³⁴U均具放射性，其中²³⁸U半衰期达4.46×10⁹年。虽然铀的放射毒性相对较低，但长期内暴露和化学毒性会导致肾脏疾病与骨骼病变。环境铀污染主要源于矿产开采、核燃料生产、核能运作及铀矿风化，全球铀尾矿储量已超200亿吨。军事冲突中贫铀武器的使用进一步加剧了环境风险，燃烧产生的粉尘和气溶胶具有长期生态影响。铀污染易渗入地下水和土壤，使环境修复变得复杂耗时。

铀的地球化学特性

铀在地壳中平均浓度约2.4 mg/kg，海水中约3.3 μg/L。其化学行为对氧化还原条件高度敏感，溶解度主要取决于价态。铀存在III、IV、V、VI四种价态，其中U(VI)和U(IV)最为常见。U(VI)在氧化环境中形成可溶性铀酰离子(UO₂²⁺)，而U(IV)在还原条件下形成难溶性二氧化铀(UO₂)。这种价态依赖的溶解度差异是微生物修复的理论基础。

微生物修复机制

生物吸附

生物吸附是铀与微生物细胞表面或胞外聚合物结合的过程，可独立或协同氧化还原反应发生。该过程通常是被动、非酶促的化学吸附，由细胞表面配体介导。不同微生物吸附能力差异显著： Acidovorax facilis 吸附量达130 mg/g干重，而 Brachybacterium sp. G1可达769.2 mg/g。细胞壁成分（磷酸基、羧基、酰胺基等）通过络合、离子交换和微沉淀作用固定铀。

生物还原

微生物通过酶促和非酶促途径将U(VI)还原为U(IV)。酶促还原依赖细胞色素c、核黄素和氢化酶等生物分子，如 Geobacter sulfurreducens 通过c型细胞色素直接传递电子， Shewanella oneidensis 通过核黄介导电子传递。非酶促还原涉及微生物代谢产生的还原性物质（如Fe(II)、H₂S）。还原产物UO₂纳米颗粒可能被有机膜包裹，抑制其再氧化。

生物矿化

微生物通过代谢活动改变局部微环境，促使铀形成稳定矿物。磷酸酶水解有机磷释放磷酸根，与铀形成磷铀矿等沉淀物；碳酸盐体系中介质pH变化驱动铀石或板磷铀矿形成；硫酸盐还原菌产生的H₂S可与铀形成铀硫化物。

环境应用

水污染治理

原位生物刺激和生物强化是地下水修复的主要策略。通过投加电子供体（乙酸、乙醇、乳酸）激活本土微生物（变形菌门、厚壁菌门、放线菌门）的U(VI)还原能力。美国橡树岭野外实验证明，乙酸注入使U(VI)浓度降低96%。生物膜反应器利用固定化微生物增强生物量和抗逆性，而生物电化学系统通过电极驱动微生物还原，实现低浓度铀的持续去除。

土壤修复

微生物通过代谢活动降低土壤中铀的迁移性和生物有效性。有机质添加可促进微生物群落构建，增强铀固定化。挑战在于土壤异质性导致修复效率波动，需结合化学调控（磷酸盐添加）和物理措施（耕层混合）。

影响因素

铀与共存金属离子

铀浓度显著影响修复效率。放射耐受菌和铀还原菌适宜浓度为50-500 mg/L。过高浓度诱导活性氧(ROS)产生，破坏细胞膜并抑制能量代谢。共存离子如Ca²⁺、Mg²⁺与UO₂²⁺竞争结合位点，碳酸盐形成可溶性铀酰碳酸盐络合物，磷酸盐则促进沉淀生成。

环境与生物因子

温度通过影响酶活性和膜流动性调控还原速率；pH值改变铀物种形态和细胞表面电荷；电子供体类型和浓度直接决定还原效率。生物因素包括细胞浓度、代谢活性及菌群互作。多菌落体系通过功能互补增强系统稳定性，如铁还原菌与硫酸盐还原菌的协同作用。

结论

微生物修复技术通过生物吸附、还原和矿化机制有效固定铀污染物。环境因子与生物因子的协同调控是提升修复效率的关键。未来需加强多菌落功能调控、生物电化学系统优化及原位监测技术研发，以应对复杂环境中的铀污染挑战。