磷酸酶分泌型短波单胞菌LWG1通过生物矿化-生物吸附-生物还原协同作用高效固定铀的机制研究

为解决铀矿废水污染问题，研究人员从秦岭山脉铀矿废水中分离出耐铀且分泌磷酸酶的短波单胞菌LWG1，通过多技术联用揭示其通过生物矿化（形成metanatroautunite矿物）、生物吸附（羧基/羟基/磷酸基作用）和生物还原（U(VI)→U(IV)）三重机制实现>90%铀去除，为复杂环境铀污染治理提供绿色解决方案。

　　

随着核工业发展，铀矿开采产生的含铀废水对生态环境构成严峻挑战。铀(U)作为放射性重金属，不仅能在环境中长期迁移，还可通过食物链富集威胁人类健康。传统化学处理方法存在成本高、易产生二次污染等缺陷，而微生物修复技术因其环境友好特性备受关注。然而，现有微生物修复面临两大瓶颈：一是依赖单一还原途径形成的非晶态U(IV)稳定性差，易重新氧化迁移；二是复杂废水环境中铀的化学形态多变（如碳酸铀酰络合物UO₂(CO₃)₃^4-），导致修复效率波动。针对这些难题，西北工业大学的研究团队从秦岭铀矿废水这一特殊生态敏感区分离获得一株具有多重修复机制的菌株，相关成果发表在环境领域顶级期刊《Journal of Hazardous Materials》。

研究团队采用多组学联用技术：通过高通量筛选从实际铀矿废水获得10株耐铀菌；结合磷酸酶活性检测（pNPP法）和系统发育分析（16S rRNA）锁定关键菌株LWG1；利用X射线衍射(XRD)鉴定生物矿化产物；采用高角环形暗场扫描透射电镜(HAADF-STEM)观察铀的纳米级分布；结合傅里叶变换红外光谱(FTIR)和X射线光电子能谱(XPS)解析表面官能团作用和价态变化；并通过非靶向代谢组学揭示代谢通路重编程。

【采样和细菌分离】从秦岭花岗岩型铀矿废水分离的LWG1菌株在500μM铀浓度下仍保持生长，且呈现独特橙色菌落特征。16S rRNA鉴定为Brevundimonas vesicularis，其磷酸酶活性达4.8 U/mg，显著高于其他分离株。

【铀去除性能】在100μM铀浓度下，LWG1的去除率超过90%，且在pH 3-9、HCO₃^- 0-10 mM范围内保持稳定。真实废水实验证实其处理能力不受复杂基质影响。

【机制解析】XRD检测到metanatroautunite（Na(UO₂)(PO₄)·3H₂O）晶体形成，HAADF-STEM显示铀主要沉积在细胞外围。FTIR证实羧基(-COOH)、羟基/氨基(-OH/-NH₂)和磷酸基(-PO₄)参与吸附，XPS检测到20.3%的U(IV)特征峰，表明存在生物还原过程。

【代谢调控】代谢组学发现磷酸戊糖途径代谢物显著上调（如6-磷酸葡萄糖酸增加3.2倍），膜脂重构相关分子（如磷脂酸）含量变化，以及谷胱甘肽等抗氧化物质积累，从分子层面佐证了三重修复机制的协同作用。

该研究首次系统阐明了一株环境菌株通过"生物矿化-吸附-还原"三位一体机制高效固定铀的完整路径。相较于单一修复途径，LWG1形成的铀磷酸盐矿物具有更高化学稳定性，其代谢适应性使其在复杂废水环境中保持优异性能。特别值得注意的是，该菌株源自我国重要生态屏障秦岭山脉，其应用既能解决铀污染问题，又可保护"中央水塔"生态功能。研究不仅为铀污染治理提供了新型生物材料，其多技术联用的研究范式也为其他重金属污染修复研究提供了方法学参考。未来通过菌剂制备工艺优化和现场中试，有望推动该技术在实际工程中的应用。