通过甘油刺激的细菌在矿井水中形成五价与四价铀

地下铀为何关系日常生活

在世界各地，废弃的铀矿仍向地下水中泄漏微量这种放射性金属。即便含量很低，铀也会威胁饮用水来源和生态系统，而且清理成本高且需长期进行。本研究探索了一种引人注目的替代方法：让矿井水中天然存在的微生物，在一种名为甘油的工业副产物帮助下，把铀固定成极小、稳定的颗粒，从而阻止其在环境中自由迁移。

把废弃物变成清理帮手

研究人员使用来自德国一处废铀矿的水样，该处地下水中铀含量仍高于监管限值。他们没有仅依赖化学处理，而是在密封试瓶中装入矿井水并加入甘油——一种来源于生物柴油生产的廉价且丰富的副产物。甘油可为某些微生物提供碳源。当这些微生物分解甘油时，会改变水体的化学平衡，使其从富氧转为强缺氧条件。在130天的时间里，这一条件变化使微生物群落能够把高达96%的溶解铀从水中移除。

在黑暗中微生物重塑铀形态

在这些缺氧条件下，若干细菌类群繁盛起来。发酵微生物利用甘油产生小分子有机物和氢气，进而为硫酸盐还原菌和金属还原菌提供能量来源。后两类细菌已知可在能量代谢过程中利用像铀这样的金属。随着它们的活动，移动性强的溶解铀被还原为附着于细胞表面并下沉的固相颗粒。与此同时，溶解的铁、硫酸盐和砷等其他物质也有所下降，显示出微生物活动驱动的矿井水化学格局发生了广泛重塑。

微小晶体与令人意外的中间态

为了确证形成了哪些铀形态，研究团队使用了同步加速器的强X射线技术和高分辨率透射电子显微镜。他们发现大部分铀被还原为较低溶解度的形态，组装成称为铀矿（uraninite）的纳米级晶体。这些晶体只有几纳米尺度，常聚集在细菌细胞外表面。更令人意外的是，相当一部分铀存在于一种介于常见“高价”与“低价”之间的中间化学态。该中间态既以与水中碳酸根结合的溶解配合物形式存在，也以与铁紧密结合形成的混合矿物（如FeUO₄）固相出现。

在氧气回归下的稳定性

任何现实世界的清理策略都必须经受条件变化的考验，包括可将金属重新动员的氧气回归。因此研究人员将部分含铀颗粒暴露在空气中四周。正如预期，部分铀矿晶体被氧化回更易移动的铀形态。然而，那些铁-铀混合颗粒和中间铀态出乎意料地保持稳定；在被氧化的样品中，这种中间态甚至成为占优形式。这表明由微生物形成的铁-铀矿物可发挥缓冲作用：即便部分最还原的铀被重新氧化，许多铀仍被束缚在不那么易迁移的中间态，而不是完全回到水相中。

这对清理旧矿区意味着什么

对非专业读者来说，关键结论是：通过向矿井水中的微生物提供一种廉价的废弃副产物，可以触发一系列天然过程，将铀封存到极小且稳定的固体中。重要的是，研究表明铀并非简单地从可移动态转换为不可移动态，而是能落入一种出乎意料且持久的中间态，从而仍然阻止其扩散。通过展示微生物群落、铁矿物与铀在现实矿井水条件下数月尺度的相互作用，这项工作指向了更可持续的污染场地管理策略，并可能帮助缩短昂贵主动水处理所需的时间。

引用: Newman-Portela, A.M., Kvashnina, K.O., Bazarkina, E.F. et al. Pentavalent and tetravalent uranium formation via glycerol-stimulated bacteria in mine water. Nat Commun 17, 4030 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-72560-z

关键词: 铀生物修复, 矿井水, 微生物金属还原, 甘油刺激, 环境放射性核素清理