功能菌群设计与天然菌群在铀(VI)微生物还原中的效能比较及动态机制解析

针对铀污染地下水修复中天然菌群(IC)效率不足的问题，研究人员构建了含Fe(III)还原菌(FeRB)、硫酸盐还原菌(SRB)和硝酸盐还原菌(NRB)的人工菌群(DC)，发现DC铀还原率(52.69%)显著高于IC(35.65%)，揭示了铀先吸附后还原为UO2的三阶段机制，为铀污染原位修复提供了高效菌群构建策略。

　　

铀污染地下水治理一直是环境领域的重大挑战。在铀矿开采和核燃料生产过程中，可溶性六价铀(U(VI))通过地下水迁移扩散，其毒性远高于难溶性四价铀(U(IV))。虽然利用天然微生物群落(IC)进行生物还原已被证明可行，但复杂菌群中非功能微生物的电子竞争往往降低修复效率。如何构建高效人工菌群并解析其作用机制，成为突破原位修复技术瓶颈的关键。

针对这一难题，来自中南大学（根据基金项目"湖南省自然科学基金"推断）的研究团队创新性地采用"自下而上"策略，精选FeRB、SRB和NRB三类功能菌构建人工菌群(DC)，并与天然菌群(IC)进行系统性对比。研究发现，虽然IC对铀的总去除率(98.75%)略高于DC(95.75%)，但DC的铀还原转化率(52.69%)显著优于IC(35.65%)，且产物更稳定。这项发表于《Environmental Research》的研究，为铀污染治理提供了菌群设计新思路。

研究采用多组学联用技术：通过高通量测序监测菌群动态，SEM-EDX和XPS分析铀形态转化，XRD鉴定最终产物晶体结构。实验样本取自华南某退役铀尾矿库的沉积物和地下水，通过连续培养获得适应铀胁迫的IC，DC则由实验室保存的典型功能菌株按代谢特征组合而成。

微生物铀还原过程中的地球化学参数变化

监测显示DC菌群浓度虽低于IC，但铀还原效率更高，说明IC中存在大量非功能菌消耗电子供体。硝酸盐在7天内被优先还原，随后硫酸盐与U(VI)同步减少，证实NRB消除了电子竞争障碍。

铀固定化机制解析

三阶段机制被明确：初期铀吸附于细胞表面（1-7天），中期SRB主导硫酸盐与U(VI)共还原（7-21天），后期非晶态铀逐渐转化为稳定UO₂晶体（21-34天）。XPS证实DC组U(IV)占比更高，XRD检测到典型UO₂衍射峰。

群落结构动态

DC中Geobacter（FeRB）和Desulfovibrio（SRB）始终占优势，而IC群落波动剧烈，且包含大量非还原功能菌。这解释了DC代谢路径更高效的原因。

该研究证实精简功能菌群的设计策略可突破天然菌群的效率限制。特别值得注意的是，DC在消除电子竞争（通过NRB优先还原硝酸盐）和促进产物稳定性（形成结晶UO₂）方面展现出独特优势。研究成果不仅为铀污染修复提供了"菌群工具箱"构建范式，其揭示的代谢协同机制更对重金属污染微生物修复具有普适性指导价值。国家自然科学基金和湖南省科技计划等项目的支持，体现了该研究在环境治理领域的重要战略意义。