放射性废物储存区复杂污染下壤土含水层的微生物矿化屏障形成机制研究

针对放射性废物储存区硝酸盐-硫酸盐复合污染问题，俄罗斯研究人员通过原位注入乳清刺激微生物群落，证实其可驱动反硝化（denitrification）及硫酸盐还原（SRB），促进铁硫矿物（如pyrrhotite）与无定形硅形成，为构建含水层矿物屏障（mineral barrier）以固定铀（U）、锶（Sr）等污染物提供关键机制。

　　

放射性废物储存场地的地下水污染治理一直是环境科学领域的重大挑战。位于西伯利亚的塞韦尔斯克化工厂（Siberian Chemical Combine）B2场地曾长期储存含硝酸盐（NO₃^-）、硫酸盐（SO₄^2-）及铀（U）、锶（Sr）等放射性物质的废液，导致周边含水层形成复合污染。传统物理化学修复方法成本高昂，而微生物介导的原位生物修复（in situ bioremediation）因其经济高效备受关注。然而，微生物代谢如何改变含水层矿物组成并影响污染物归趋，仍是未解难题。

俄罗斯科学院的研究团队以乳清（milk whey）作为有机碳源，在10-14米深含水层开展原位实验，结合实验室模拟，系统揭示了微生物驱动的矿物相变机制。研究发现，乳清中的碳（C）、钙（Ca）、磷（P）可快速激活反硝化菌，45天内将硝酸盐转化为氮气（N₂），并使氧化还原电位（Eh）降至-180 mV。这一过程伴随铁（Fe）从硅酸盐矿物中溶解释放，形成无定形二氧化硅（amorphous silica），而硫酸盐还原菌（SRB）则促使铁与硫结合生成类磁黄铁矿（pyrrhotite）和陨硫铁（troilite）的结晶相。实验室对照实验进一步证明，硫酸盐的缺失会导致铁主要赋存于有机质结合的无定形相，而硫酸盐存在时则优先形成铁硫矿物。

关键实验技术
研究采用X射线衍射（XRD）分析矿物组成，结合地下水化学监测（Eh、NO₃^-、SO₄^2-浓度），通过对比原位实验（B2场地）与实验室模拟（控制SO₄^2-条件）阐明生物矿化路径。

Changes in groundwater chemistry
数据表明，乳清注入后硝酸盐浓度从初始5 g/L降至检测限以下，硫酸盐从1.2 g/L降至0.3 g/L，同时Fe²⁺浓度上升，证实微生物介导的还原溶解作用。

Conclusion
该研究首次阐明乳清作为廉价底物可同步驱动反硝化与硫酸盐还原，并通过生物矿化形成铁硫矿物屏障，对放射性核素（如UO₂²⁺）和重金属（如Sr²⁺）具有强固定能力。这一发现为复杂污染场地的修复策略设计提供了理论依据，同时为食品工业废物（乳清）的资源化利用开辟了新途径。论文发表于《Groundwater for Sustainable Development》，通讯作者Alexey Safonov强调，矿物相变过程的定量化将是下一步研究重点，以优化屏障长期稳定性。