[好氧条件下嗜热硫氧化硫化芽孢杆菌对铀酰 (UO22+) 的固定与还原]

《Ecotoxicology and Environmental Safety》：The immobilization and reduction of uranyl (UO2+2) by Sulfobacillus thermosulfidooxidans under aerobic conditions

　　

采矿活动释放的铀对人类与环境健康构成威胁。生物浸矿细菌在采矿环境中十分常见，并在铀的迁移中发挥着重要作用。然而，关于铁/硫氧化细菌 *Sulfobacillus thermosulfidooxidans* 与铀之间的关系仍知之甚少。在本研究中，研究人员探讨了在富硫酸盐及好氧条件下 U(VI) 与 *S. thermosulfidooxidans* 之间的相互作用。结果表明，该菌株具备在酸性条件下固定铀的能力。以 S⁰ 为能源生长的 *S. thermosulfidooxidans* 较以 FeS₂ 为能源时展现出更高的铀固定能力（在 pH 4.2 时为 34.8 mg g^-1），在 pH 3.9 及初始铀浓度为 20 ppm 时，其铀负载量达 70.1 mg g^-1。光谱分析证实，在好氧固定过程中，U(VI) 被还原为 U(IV)，且细胞内铀的积累与磷相关。当体系中存在铀时，还原态硫物种的减少表明铀还原过程与硫氧化过程同时发生。铀还原的动态分析揭示了生物吸附与 U(VI) 还原过程之间存在竞争关系。这些发现为 *S. thermosulfidooxidans* 在酸性与好氧条件下通过生物吸附、生物积累及部分 U(VI) 还原来固定铀提供了证据。研究结果为采矿环境中的铀生物转化提供了新见解，并对土地管理与环境修复具有重要意义。

铀是重要的能源资源，但由于其放射性和化学毒性，对生态系统和人类健康构成严重威胁，长期暴露会导致癌症和肾脏损伤等疾病。铀矿开采活动是环境污染的主要来源，在矿区环境中，铀浓度往往远超世界卫生组织（WHO）限值。因此，理解铀在环境中的行为并开发有效的方法进行修复，特别是在受采矿活动影响的地区至关重要。微生物深刻影响采矿环境中铀的迁移。微生物与铀的相互作用复杂，包括表面生物吸附、生物矿化和生物还原。其中，将高溶解性的 U(VI) 还原为难溶的 U(IV) 被认为是最有效的铀固定途径之一。然而，目前关于生物还原的报道多集中在厌氧和近中性条件下。在铀矿开采地，环境往往呈现好氧和酸性特征，且铀矿物常与硫化物矿物共存。在这种条件下，化能自养型嗜酸菌如 *Acidithiobacillus* spp. 和 *Sulfobacillus* spp. 占主导地位。目前对嗜酸菌在酸性矿山排水（AMD，Acid Mine Drainage）环境中与铀相互作用的研究有限，且几乎全部集中在 *A. ferrooxidans*。此外，胞外聚合物（EPS，Extracellular polymeric substances）在铀固定中的作用也值得探究，其既可能参与吸附，也可能作为扩散屏障限制胞内积累。基于此，研究人员开展了一项关于好氧条件下 *Sulfobacillus thermosulfidooxidans* 对铀酰 (UO₂²⁺) 固定与还原的研究，论文发表在《Ecotoxicology and Environmental Safety》期刊上。该研究为模拟AMD环境中的铀转化机制提供了直接的光谱学证据，对土地管理和环境修复具有重要意义。

研究人员利用多种关键技术开展了此项研究。实验所用菌株 *S. thermosulfidooxidans* YN22 由澳大利亚联邦科学与工业研究组织（CSIRO）提供。研究人员采用紫外-可见分光光度法（UV-Vis）进行细菌浓度定量；通过加热联合超声法提取EPS并分析其多糖和蛋白质成分；运用扫描透射电子显微镜-能谱仪（STEM-EDS，用于形态和元素定位）、扫描电子显微镜（SEM，用于表面形态观察）、傅里叶变换红外光谱（FTIR，用于官能团分析）、X射线衍射（XRD，用于物相分析）、X射线光电子能谱（XPS，用于表面化学状态分析）以及磷K边X射线吸收近边结构光谱（P K-edge XANES，用于探究细胞内铀结合机制）等关键技术对生物固定机制进行了深入表征。

3.1. Uranium fate during bacterial growth（细菌生长过程中的铀归宿）
通过浓度变化和固体形态分析发现，在以 S⁰ 为能源的体系中铀去除率近80%，而在以 FeS₂ 为能源的体系中仅约20%。XPS分析表明，在 S⁰ 体系的残渣中铀主要为 U(VI)，而细菌内铀主要为 U(IV)。这表明 *S. thermosulfidooxidans* 将 U(VI) 还原为 U(IV) 并固定在细胞内。这可能是由于该菌利用 S⁰ 作为电子供体，U(VI) 作为替代最终电子受体进行呼吸作用所致，且在 S⁰ 体系下具有更高的硫氧化活性。

3.2. Uranium uptake analysis（铀摄取分析）
3.2.1. pH effect（pH效应）
研究发现铀的固定受pH显著影响。当pH从4升至8时，去除率增加；pH继续升高则去除率下降。这一现象与溶液中铀形态随pH变化及细菌表面电荷有关。pH低于4时主要由细菌摄取；pH升至5以上时形成 UO₂(OH)₂·H₂O 固体物种；pH 8时化学沉淀占主导。动力学分析表明数据更好地符合伪二级模型，说明铀酰离子与细菌发生了化学相互作用。

3.2.2. Effect of initial uranium concentration（初始铀浓度效应）
在 pH 4.2 条件下，低初始铀浓度具有更高的去除率，这可能是由于提供了更多的活性位点。等温线分析表明，铀摄取更符合Freundlich模型，说明吸附发生在具有非均匀结合位点的异质表面上，这符合细胞表面复杂成分的特征。

3.2.3. Uranium uptake by S0-grown S. thermosulfidooxidans（S⁰培养的 *S. thermosulfidooxidans* 的铀摄取）
以 S⁰ 为能源生长的细菌表现出更高的铀摄取能力。在 pH 3.9 时，其铀负载量达 70.1 mg g^-1，高于以 FeS₂ 培养的细菌（34.8 mg g^-1）。S⁰ 培养的细菌达到吸附平衡的时间更短，去除率更高。作为AMD环境中广泛分布的土著微生物，其在酸性条件下同时参与硫铁循环和铀固定的能力具有重要环境意义。

3.3. Bio-immobilization mechanism analysis（生物固定机制分析）
3.3.1. Bacteria Morphology（细菌形态）
STEM-EDS观察显示，铀与磷在细胞内共定位，且铀的积累具有时间依赖性。SEM和XRD未检测到铀的结晶沉淀，表明细胞内铀是以无定形相形式积累的。

3.3.2. XANES analysis（XANES分析）
P K-edge XANES光谱分析表明，处理后的细胞出现了与含铀磷酸盐化合物相似的前边特征，且后边共振区域的变化与非结晶 U(IV) 存在的特征一致，支持了胞内磷酸盐与无定形 U(IV) 结合的结论。

3.3.3. FTIR analysis（FTIR分析）
FTIR光谱显示，处理后出现 U-O 键条带，磷酸盐峰强度下降，表明磷酸基团参与了铀的结合。-OH 和 -NH 基团吸收强度的减弱以及酰胺II等蛋白质条带的位移，说明羟基、胺基和蛋白质参与了铀配位。EPS分析表明，S⁰ 培养细菌的蛋白质浓度更高，有助于捕获铀；同时EPS充当了渗透屏障，限制铀进入胞内，去EPS的细胞固定能力增强。

3.3.4. XPS analysis（XPS分析）
U 4f光谱拟合出 U(VI) 和 U(IV) 两种组分，提供了在酸性和好氧条件下细菌部分还原 U(VI) 的证据。S 2p光谱显示还原态硫化合物在铀存在时减少，表明铀还原与硫生物氧化同时发生。时间序列分析揭示了生物吸附与 U(VI) 还原过程的动态竞争机制：初期快速吸附并还原 U(VI)，随后 U(VI) 吸附量上升，最终 U(IV) 重新占据主导。

总结讨论与研究结论
研究人员总结了目前研究的局限性，指出实验室控制条件无法完全代表真实AMD系统的复杂性（如温度、竞争离子、混合菌群等），且分子机制和长期稳定性仍需进一步探究。未来的研究应在真实AMD环境中验证机制，利用代谢组学和分子生物学方法解析电子转移途径。

在研究结论部分，研究人员指出：在富含硫酸盐、酸性和好氧条件下系统研究了铀酰离子与 *S. thermosulfidooxidans* 的相互作用。结果表明，该菌能有效固定铀，且固定后的铀至少在30天内保持稳定。铀固定受pH、初始铀浓度和细胞密度影响。以 S⁰ 培养的细胞固定能力显著高于 FeS₂ 培养的细胞。机制研究表明，该菌通过生物吸附、生物积累和部分 U(VI) 还原共同实现铀固定。FTIR确认了羟基、胺基、蛋白质和 PO₄^3- 等参与结合；TEM-EDS、SEM和XRD证明胞内铀与磷结合形成无定形相；XPS证明了 U(VI) 的部分还原。EPS不增强吸附，而是作为保护层限制铀迁移。这些发现为铁硫生物氧化条件下的铀循环提供了新见解，并为AMD等环境污染的生物修复提供了理论基础。