通过基于RSM的建模与优化，在微生物共生体系中改善盐质环境下的铀生物浸出

为何咸水与微小帮手至关重要

随着高品位铀矿日益难觅且淡水愈发稀缺，采矿公司正寻求更清洁、更廉价的方法来提取这种核电关键燃料。一种有前景的途径是让微生物来完成工作：某些细菌能通过一种称为生物浸出的过程，缓慢地将金属从岩石中溶出。但问题是——这些微生物通常不耐受含盐的微咸水，而在干旱的采矿区这类水往往是唯一可用的水源。本研究探讨了一种巧妙的替代方案：将耐盐细菌与一种酵母配对，使它们在微咸条件下协同从低品位矿石中萃取铀。

让微生物来“采矿”岩石

生物浸出不依赖高温或强烈化学药剂，而依靠能够通过转化矿石中的铁和硫来获取能量的微生物。其过程中，微生物会产生酸性和氧化性环境，将固态铀矿物转化为可以从溶液中回收的可溶形态。研究人员使用来自伊朗中部的低品位铀矿石，在实验室培养基中培养了嗜盐耐受的细菌Acidithiobacillus ferrooxidans THA4，并在培养基中控制加入一定量的盐、粉碎矿石和空气。通过在不同条件下精确测量最终溶液中铀的含量，他们得以评估微生物对岩石的“采矿”效率。

测试盐度与矿料负荷

一个关键问题是细菌在性能下降之前能耐受多少盐分和固体物料。研究团队采用一种称为响应面法（response surface methodology）的统计方法，在数十次实验中改变盐含量、矿石浓度（浆密度）、接触时间和初始菌量。他们发现，较高的盐度和更大的固体矿料都会降低铀的回收率：盐分使微生物承受渗透胁迫，而浓稠的浆体则限制氧气并使细胞难以接近矿物表面。延长浸出时间在约十天内有助于提高回收率，给予细菌足够时间生长并产生氧化剂，但超过此时长性能反而下降，可能是因为养分被消耗且废物积累所致。

为艰难环境添加合作伙伴

为在微咸水中提高提取效率，研究人员引入了第二种微生物：耐酸耐盐的酵母Rhodotorula toruloides IR-1395。两者并非互相竞争，而是分担不同职能。该细菌以无机铁与硫为能量来源并依赖二氧化碳，而酵母利用有机物并将二氧化碳释放回液相。当两者按精心选择的比例共存时，体系变得更稳健。经优化的细菌与酵母组合在相似盐度条件下比单独细菌的铀回收率提高了约24%，且溶液更具氧化性和酸性——这两者都有利于铀的溶解。

观察微生物如何构建“采矿”群落

团队还使用扫描电子显微镜结合元素分析，直接观察微生物如何定殖在矿石上。几天内即可见到单个细菌细胞附着在矿粒上。16天后，含菌与酵母的样品显示出覆盖岩石的致密微生物层——生物膜，以及表面形成的矿物结壳（如黄钾矿）。这些生物膜有助于将细胞紧密保持在矿石表面，使其持续产生侵蚀矿物的化学物质并将铀保持输送至溶液中。可视证据支持了测量结果：该共菌群不仅存活下来，而且在咸水环境中积极重塑了岩石表面。

这对未来铀回收意味着什么

总的来说，研究表明：有目的地设计不同微生物之间的协作可以克服生物浸出的一大障碍——对盐的敏感性。通过将耐盐细菌与兼容的酵母配对，并用统计工具微调盐度、矿料负荷、微生物投加量和时间，研究者打造出一种在微咸水与低品位矿石条件下仍有效的高效铀浸出体系。对普通读者而言，结论是微小生物可以充当更环保的“矿工”，且以正确方式将它们配对或有助于在缺乏清洁水源和富矿资源的地方回收有价值的金属。

引用: Shoja, M., Mohammadi, P., Tajer-Mohammad-Ghazvini, P. et al. Improved uranium bioleaching in brackish environments via microbial consortium using RSM based modelling and optimization. Sci Rep 16, 9697 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39700-3

关键词: 生物浸出, 铀提取, 盐水, 微生物共菌群, 生物采矿