模拟采矿环境中金属奇异球菌（Sphingomonas metalli）-硅酸盐混合物对铀的滞留及其潜在氧化还原转化作用

《Journal of Environmental Management》：Uranium retention and possible redox transformation by Sphingomonas metalli-silicate mixtures in simulated mining environments

　　

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  S. metalli显著抑制了铀在绿泥石、钠长石和云母上的吸附。
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  S. metalli通过改变矿物吸附和络合行为，改变了铀的固定化过程。
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  S. metalli在有氧条件下将U(VI)部分还原为U(IV)。
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  修复策略应考虑微生物对矿物铀吸附的影响。

引言

铀（U）是核能生产所必需的裂变材料，但铀的开采、加工和放射性废物处置会向土壤、沉积物和地下水中释放铀，造成长期的生态和人体健康风险（Chen等，2021；Tang等，2024；Wei等，2025；Yu等，2021）。在受采矿影响的环境中，铀的迁移与固定化很少由单一过程控制，而是受耦合的矿物表面反应、微生物定殖、胞外代谢产物和氧化还原活性界面过程的共同调控（Borch等，2010；Boyanov等，2011；Liu等，2025b）。因此，理解铀在矿物-微生物-水界面处的行为对于更可靠地预测铀的迁移和制定有效的原位修复策略至关重要。

铀在矿物-溶液或微生物-溶液二元模型体系中的保留已得到广泛研究，揭示了静电吸引、离子交换、表面络合、共沉淀和氧化还原反应等多种机制（Chardi等，2022；Kolhe等，2018；Loreggian等，2020）。然而，二元体系虽然在机理上具有研究价值，但在环境上并不完整，因为在真实的铀矿开采环境中，矿物表面在接触含铀流体之前或期间通常已被土著微生物定殖（Philippot等，2023）。在这种三元体系中，微生物可能通过改变表面化学和微环境、胞外代谢产物和有机配体以及生物介导的氧化还原作用，从而改变矿物的表面性质和水相中的铀分配，影响U(VI)的吸附、微尺度富集、配位结构，并可能促使其转化（Hu等，2018；Pidchenko等，2023；Sun和Li，2021；Yang，2023）。例如，研究表明黑曲霉通过在矿物-微生物界面引入磷酸基、酰胺基和羧基来增强U(VI)的吸附（Geng等，2022）。在pH?表皮葡萄球菌可以通过在铝水合针铁矿表面产生额外的吸附位点来增加U(VI)的吸附（Zhang等，2019b）。这些研究表明微生物可以改变特定矿物界面处的铀保留。然而，先前的微生物定殖如何改变矿物表面化学和局部界面条件，以及这些变化如何进一步控制微尺度铀的积累和氧化还原形态，目前仍未得到充分阐明。

在受铀污染的地表土壤中已鉴定出多种土著微生物，包括鞘氨体单胞菌、假单胞菌、芽孢杆菌、不动杆菌和不动杆菌属等，它们被认为是有效的铀生物吸附剂（López-Fernández等，2014；Merroun等，2011；Xiao等，2019；Zeng等，2020）。其中，鞘氨体单胞菌属尤为相关，因为它在铀污染环境中经常被检测到，并表现出对铀胁迫的强耐受性（Chen等，2025）。与许多革兰氏阴性菌不同，鞘氨体单胞菌属菌株的外膜中含有糖鞘脂而非典型的脂多糖，这可能影响细胞表面的静电相互作用和对矿物表面的粘附（Gutman等，2014；Kawahara等，1999）。此外，鞘氨体单胞菌菌株可以表达胞外碱性磷酸酶，这为磷酸酶相关的磷循环提供了间接证据，并支持了磷酸基团可能参与铀结合的观点（Nilgiriwala等，2009）。与此一致，我们最近的研究表明，从花岗岩型铀矿废水中分离出的与鞘氨体单胞菌属同纲（α-变形菌纲）的窄小弯杆菌即使在有氧条件下也能同时促进铀的生物吸附、磷酸盐矿物化和U(VI)的部分还原（Liang等，2025）。这些观察结果表明，这些微生物可能通过多条相互关联的生物化学途径影响铀的行为，而不仅仅是通过被动的表面吸附。特别是，胞外磷代谢和生物来源的有机物可能同时改变反应性界面和水相中的铀形态。这些发现突显了鞘氨体单胞菌属相关过程在调控花岗岩采矿环境中铀的形态和固定化方面的重要作用。

与这些微生物共存的矿物相在铀的保留和迁移方面也起着重要作用。硅酸盐和黏土矿物是花岗岩型铀矿床近地表土壤、沉积物和结晶岩的主要组成部分，提供了丰富的反应性表面，调控着U(VI)的保留和迁移（Alam和Cheng，2014；Brookshaw等，2015；Moyes等，2000）。近期基于现场研究的证据进一步表明，源自铀矿开采的富黏土沉积物可以强烈调控U(VI)的迁移，这不仅通过物理保留作用，还通过矿物结合态铀的动态反应性和活性（Montavon等，2025）。在常见硅酸盐矿物中，绿泥石、钠长石和云母是常见的硅酸盐矿物，已被鉴定为控制自然系统中铀迁移的关键载体。Yin等报道，这三种矿物在中国最大的花岗岩型铀矿床中对U(VI)的迁移起着关键控制作用（Yin等，2021）。近期研究表明，绿泥石对U(VI)的保留不仅涉及活性位点上的表面络合，还包括层间固定化，其中UO₂²⁺进入绿泥石层间并逐渐通过限域效应得到稳定（Jin等，2024；Li等，2025）。在钠长石上，酸性条件下U(VI)的吸附总体较弱，但接近中性pH时通过表面络合作用而增强（Wang等，2022）。云母表现出有限的基面反应性，吸附主要发生在边缘位点，并受碳酸盐络合和表面沉淀的影响（Ames等，1983；Loganathan和Kalinichev，2025）。然而，大多数以往关于绿泥石、钠长石和云母的研究集中在二元铀-矿物体系上，而微生物效应通常是在单独的矿物-微生物组合中进行考察的（Li等，2025；Yu等，2024）。因此，尚不清楚微生物定殖是否在不同硅酸盐矿物上产生一致的效果，还是以矿物特异性的方式改变U(VI)的保留。特别是，微生物对矿物界面的改造、pH依赖性的U(VI)吸附以及微尺度铀再分配之间的耦合作用尚未在统一的实验框架内得到系统比较。

基于上述考虑，我们假设微生物的预先定殖通过耦合的表面和溶液过程调控U(VI)向矿物表面的分配。为验证这一假设，本研究系统考察了从采矿环境中分离出的一种代表性细菌鞘氨体单胞菌金属种（Sphingomonas metalli）在调控涉及三种典型硅酸盐矿物（绿泥石、钠长石和云母）的微生物-矿物界面处U(VI)行为中的作用。通过结合宽pH范围的批式吸附实验和多尺度光谱分析，本研究旨在实现以下目标：(i)表征微生物定殖引起的矿物表面性质变化；(ii)评估这些变化对U(VI)吸附行为、形态和空间分布的影响；以及(iii)为微生物-矿物界面处U(VI)吸附和转化的耦联机制提供洞见。本研究揭示了微生物活性如何调控矿物-水界面处U(VI)分配的机制性洞见，并为理解更复杂的自然或人工系统中的铀行为奠定了基础。

章节摘要

材料制备

实验材料的来源见补充材料（Text S1）。在使用前，矿物样品经烘箱干燥，在玛瑙研钵中轻轻研磨，并通过200目尼龙筛，得到所有实验所用的<74 μm粒级。U(VI)储备液通过将UO₂(NO₃)₂·6H₂O溶解于超纯水中配制。

S. metalli在无菌R2A肉汤培养基中于30 °C、180 rpm条件下培养12小时，直至达到对数生长期中期。

S. metalli、矿物及其混合物对铀的pH依赖性吸附

研究了在[U]_T = 0.42 mmol L^?1、30 °C、反应时间为3天的条件下，S. metalli、单独矿物及其对应的矿物-细菌混合物对铀的pH依赖性去除情况（图1）。不同组分和pH条件下观察到不同的吸附行为，反映了表面性质和反应机制的差异。由于孵育期间发生了不同程度的pH漂移，以下对pH依赖性吸附行为的描述

讨论

由于自然系统中U(VI)的行为受微生物、矿物和水化学之间耦联交互作用的控制，我们首先通过分别讨论铀-细菌作用（4.1节）和铀-矿物作用（4.2节）来解耦这些效应。这种逐步方法提供了一个机制性基准，使三元体系（4.3节）中对微生物定殖对矿物结合态U(VI)保留效应的评价成为可能。

结论

本研究揭示了在花岗岩铀矿环境相关的代表性硅酸盐矿物（即绿泥石、云母和钠长石）存在下，优势土著细菌S. metalli控制U(VI)保留和部分还原的界面过程。结果表明，S. metalli以强烈pH依赖的方式显著改变了矿物-水界面处U(VI)的分配。S. metalli主要通过胞外聚合物（EPS）和表面官能团结合U(VI)，包括

CRediT作者贡献声明

Pei Ziru：撰写——原稿、可视化、方法学、调查研究、形式化分析、数据管理、概念构思。Guo Shangyao：撰写——审阅与编辑、验证、监督、数据管理。Wang Linlin：撰写——审阅与编辑、验证、方法学。Liang Yanru：撰写——审阅与编辑、验证、调查研究。Liu Xiaoquan：撰写——审阅与编辑、验证。Liu Haoran：撰写——审阅与编辑、验证。Zhang Yuhan：调查研究。Li Jimin：

利益冲突声明

作者声明，不存在已知的竞争经济利益或个人关系可能影响本文所报告工作的情况。

致谢

本研究由国家自然科学基金（编号：22676187）、西安高校与研究院所科技人员服务企业计划（编号：2025JH-GXKJRC-0031）、中央高校基本科研业务费专项资金（编号：G2026KY06065）以及西北工业大学博士论文创新基金（CX2024030）资助。我们感谢西北工业大学的

Pei Ziru|Guo Shangyao|Wang Linlin|Liang Yanru|Liu Xiaoquan|Liu Haoran|Zhang Yuhan|Li Jimin|Ding Senxu|Liu Juan|Wang Yuheng