铀污染治理的细菌方案

矿井水中的细菌细胞膜内会生成纳米颗粒。

细菌或许能为污染水体中的铀固定提供一种意想不到的解决思路。

铀污染治理难度极大，根源在于这种金属会发生化学形态转变。如果铀被锁在矿物内部，迁移能力会大幅降低；但一旦环境条件改变或采矿活动将其转化为可溶性形态，铀就会随地下水扩散，污染范围远超原始污染源。

一项全新研究表明，天然存在的细菌能够遏制铀的迁移扩散。科研人员发现，取自积水铀矿的水样中天然微生物，几乎能去除水中全部溶解态铀，并将其中大部分转化为一种稳定性远超预期的化合物。

该研究由德国亥姆霍兹德累斯顿-罗森多夫研究中心（HZDR）、维司穆特矿业有限公司以及西班牙格拉纳达大学的科学家联合完成，相关成果发表于《自然·通讯》期刊。

将易迁移铀转化为稳定形态

铀的化学形态至关重要，直接决定它在土壤与水体中的迁移难易程度：部分形态极易溶于水，另一部分则会被禁锢在矿物、沉积物或生物有机质中，无法流动。

本次实验中，研究人员给细菌提供甘油作为碳源后，细菌可将水中溶解的铀转化为固态化合物。甘油是动植物脂肪的组成成分，真菌分解木材时也会天然生成甘油。

实验过程中，铀形成了五价铀[U(V)]。五价铀在自然环境中十分罕见，且通常只能短暂存在。

矿井水中天然原生的微生物群落

微生物是土壤与地下水化学变化的核心驱动力。部分菌种可将重金属及各类污染物纳入自身代谢过程，从而改变污染物的迁移特性，或将其固定。

亥姆霍兹德累斯顿-罗森多夫研究中心陆地微生物学课题组科学家、论文共同作者伊芙琳·克拉夫奇克-贝尔施博士表示：“部分细菌能够代谢利用对人体有毒的重金属铀。我们团队此前研究已经证实，只要有甘油作为营养源，水中溶解态铀就能成为这类细菌的代谢底物。”

研究团队核心想要解答两个问题：第一，细菌最多能去除水体中多少铀；第二，微生物代谢铀后会生成哪些化学物质。

模拟地下深处矿井环境

实验水样取自维司穆特矿业运营的厄尔士山脉积水铀矿，水样本身含有适应矿井极端环境的天然细菌群落。

研究人员向水样中精准定量添加甘油，并全程保持无氧环境，以此还原矿井深部缺氧甚至无氧的地下环境。

论文第一作者安东尼奥·M·纽曼-波特拉博士解释道：“我们要为矿井水中原生菌群复刻天然生存环境，矿井地下约2000米深处通常氧气稀薄，甚至完全无氧。”该博士曾同时任职于亥姆霍兹德累斯顿-罗森多夫研究中心与西班牙格拉纳达大学微生物系。

这座铀矿开采深度约2000米（合6562英尺）。在适宜细菌增殖的实验室条件下，微生物以甘油作为碳源与能量来源开展代谢活动。

绝大多数溶解态铀被去除

培养130天后，水样中仅剩余约5%的溶解铀。

纽曼-波特拉介绍：“130天后样本里只剩下5%左右的溶解铀。我们推测铀富集在了细菌细胞壁上，此前已有大量文献报道过微生物富集重金属的相关机制。”

后续检测证实，铀确实大量沉积在细菌细胞壁中。这一结果明确了铀的富集位置，但尚未确定最终生成的铀化合物具体种类。

检出罕见铀价态

为鉴别铀化合物，研究团队运用高端显微成像与光谱分析技术开展检测。部分实验依托亥姆霍兹德累斯顿-罗森多夫研究中心设在法国格勒诺布尔欧洲同步辐射装置的罗森多夫光束线站（ROBL）完成，其余分析工作在格拉纳达大学开展。

科研人员检测菌体有机质，确定铀的氧化价态——价态反映铀原子电子排布方式，也决定铀与其他元素的结合能力。

纽曼-波特拉说：“自然界中铀常见四价、六价两种价态；五价铀虽客观存在，但十分稀少且存续时间极短，以往观测到的五价铀都极不稳定。因此本次实验结果令我们非常意外：实验组菌体有机质里检测出的铀，有极高比例为五价铀。”

可稳定留存数十年的新型铀化合物

五价铀与铁、氧结合，生成了亚铁五价铀氧化物（FeU(V)O₄）。

克拉夫奇克-贝尔施解释：“这种铀化合物发现时间较短，尚未正式定名。2020年一项研究首次检出该物质，当时研究对象是克罗地亚部分遭铀弹污染的土壤样本。研究发现，即便长期暴露在大气氧气环境下，该化合物仍能稳定存在超过25年。但在此之前，学界完全不清楚这种物质在自然界如何生成，也不知道细菌参与其形成过程。”

早年克罗地亚的研究证明，该化合物可在污染土壤中完整留存数十年；而本次新研究揭示了它的天然生成路径，证实细菌活动是形成该物质的关键环节。

研究团队还发现，干燥后的菌体有机质接触氧气后，FeU(V)O₄的生成量不降反升。这说明氧气并不会分解该化合物，反而会在对应条件下促进其持续生成。

铀污染生物修复的潜在技术方案

该研究成果有助于科研人员更清晰掌握铀在污染地下水、矿井废水及废料场地中的迁移转化规律，同时能推动生物修复技术的研发——生物修复依靠生物有机体降低污染物的流动性、毒性与生物可利用度。

克拉夫奇克-贝尔施表示：“本研究首次证实，以甘油为碳源的细菌，可将水中有毒溶解铀转化为性质稳定的固态化合物。但细菌修复铀污染的实际效能、无害化程度，仍有待进一步深入研究。”

目前这套技术方案尚无法直接投入实地治理工程。科研人员还需验证该反应在实验室外自然环境中的稳定性、铀固定后的长效稳定周期，以及各类环境变化对该化合物长期稳定性的影响。

亥姆霍兹德累斯顿-罗森多夫研究中心后续将持续开展专项研究，聚焦能结合铀的功能细菌，以及微生物固定铀过程中涉及的生物化学反应与地球化学反应。

Reference: “Pentavalent and tetravalent uranium formation via glycerol-stimulated bacteria in mine water” by Antonio M. Newman-Portela, Kristina O. Kvashnina, Elena F. Bazarkina, André Rossberg, Frank Bok, Sean Ting-Shyang Wei, Andrea Kassahun, Thorsten Stumpf, Johannes Raff, Mohamed L. Merroun and Evelyn Krawczyk-Bärsch, 4 May 2026, Nature Communications.

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