低表观气速下沉积物生物炭与山茶壳生物炭载体促进好氧颗粒化的关键机制研究

为解决铀污染地下水修复中功能微生物群落构建难题，研究人员通过"自下而上"策略构建了含FeRB(铁还原菌)、SRB(硫酸盐还原菌)和NRB(硝酸盐还原菌)的人工菌群(DC)，发现其铀还原率(52.69%)显著高于土著菌群(IC)的35.65%，揭示了多菌种协同还原U(VI)的三阶段机制，为原位修复提供了高效菌群构建新思路。

　　

铀矿开采造成的放射性污染已成为全球性环境难题。在自然水体中，铀主要以高溶解性的六价铀(U(VI))形式存在，其迁移性强且具有生物毒性，而四价铀(U(IV))则因溶解度低更易被固定。传统修复方法成本高昂，而利用微生物将U(VI)还原为U(IV)的生物修复技术因其环境友好性备受关注。然而，自然界中土著微生物群落(IC)组成复杂，部分关键功能菌可能缺失，且存在菌种间电子竞争等问题，导致修复效率不稳定。

针对这一难题，中南大学的研究团队在《Environmental Research》发表创新性研究。他们突破传统依赖土著菌群的思路，首次系统构建了仅含铁还原菌(FeRB)、硫酸盐还原菌(SRB)和硝酸盐还原菌(NRB)三种核心功能菌的人工菌群(DC)，并与从铀尾矿库获取的土著菌群(IC)进行对比研究。通过34天的实验发现，虽然IC的总铀去除率(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。研究揭示了铀固定化的三阶段规律：初期铀吸附于细胞表面，中期硫酸盐与铀同步还原，后期转化为稳定UO₂。

研究采用多组学联用技术：通过16S rRNA测序解析菌群结构动态，运用SEM-EDX观察微生物-铀相互作用界面，结合XPS和XRD分析铀价态及晶体结构。实验设置严格对照组，所有样品均来自中国南方退役铀尾矿库的沉积物和地下水。

微生物共培养体系的建立

从铀尾矿库获取含IC的自然样品后，研究人员分离培养出FeRB、SRB和NRB标准菌株构建DC。通过连续传代培养使菌群适应含铀人工地下水环境，确保实验可比性。

微生物铀还原过程中地球化学参数变化

监测显示DC组微生物浓度虽低于IC组，但铀还原效率更高。硝酸盐在7天内被完全消耗，随后硫酸盐浓度开始下降，证实NRB优先利用硝酸盐的电子竞争理论。DC组在14天后出现明显的U(VI)还原峰，与硫酸盐还原过程同步。

铀形态转化特征

SEM-EDX显示铀主要富集在菌体表面和胞外聚合物上。XPS证实DC组U(IV)特征峰强度是IC组的1.5倍。XRD检测到DC组存在典型UO₂衍射峰，而IC组产物含更多非晶态铀。

结论与意义

该研究首次证实精简化的功能菌群(DC)在铀还原效率上优于复杂土著菌群(IC)，打破了"菌群多样性越高修复效果越好"的传统认知。发现FeRB-SRB-NRB三菌协同可突破电子竞争限制，提出"硝酸盐优先消耗-硫酸盐同步还原-铀稳定转化"的三阶段模型。研究成果为铀污染修复提供了可标准化应用的菌群构建方案，特别适用于缺乏关键功能菌的地下水环境。国家自然科学基金等资助的后续研究将重点优化菌群配比并开展现场试验。