露天铀矿区紫背浮萍根系表面诱导磷-铀矿化机制研究

Some indigenous floating plants showed a strong selective absorption and mineralization of uranium, which provides a protential new method for purification the large area of uranium contaminated water at the open pit uranium mine area, however, the process and mechanism of uranium mineralization induced by plants are still unclear. This project is aimed at the biomineralization behavior that the uranium bound to the root surface of Soirodela polyrhiza ——the aquatic plants has biological performance, and then contact with phosphorus ligands and formed to the hydrogen-autunite (HUP), Using isotope tracer and differential centrifugation technology, carry out the balance model of phosphorus and the subcellular distribution of uranium of Soirodela polyrhiza in the cultivating mode,Through biochemical analysis the phospholipid synthesis and decomposition approach of Soirodela polyrhiza under uranium stress. Using the methods of surface groups modification, the mineral characterization, and environmental factors change to study the influence of rhizosphere polyphase interfacial reaction induced, adjust and control the phosphorus and uranium mineralization on the root surface of Soirodela polyrhiza. Explore the absorption kinetics and the occurrence position of phosphorus and uranium in Soirodela polyrhiza, Illustrate the tolerance and detoxification mechanism of Soirodela polyrhiza under the uranium stress, To explore the generation process and conditions of hydrogen-autunite induced and regulation by the root surface polyphase interfacial reaction. The results will lay foundation for reveal the plants involved in uranium biomineralization behavior in geological evolution and the earth's environment significance, supply references for applying the Soirodela polyrhiza to in situ ecological restoration of polluted water at the open pit uranium mine area.

一些土著浮水植物对铀具有很强的选择性吸收并矿化的能力为露天铀矿区大面积铀污染水体的净化提供了新的思路，然而植物诱导铀矿化的作用机制仍不清楚。本项目拟针对在生物学性能优异的水生植物——紫背浮萍根系表面结合铀并生成氢铀云母(HUP)这一生物矿化行为，利用差速离心技术和同位素示踪，开展紫背浮萍在培养模式下体内铀的亚细胞分布和磷的平衡模式研究，通过生化分析研究在铀胁迫下紫背浮萍磷脂的合成与分解途径，利用表面基团修饰、矿相表征、环境因子改变等方法研究紫背浮萍根际多相界面反应与根系表面磷-铀诱导矿化作用的机制，探索浮萍体内铀的迁移分布特征和磷类物质的响应与变化规律，阐明浮萍在铀胁迫下的耐受和解毒机理，探讨根系表面多相界面反应诱导、调控氢铀云母的生成过程和条件。本研究将为揭示地质演化中植物参与的铀生物矿化行为及其地球环境意义提供理论基础，为将紫背浮萍应用于露天铀矿区污染水体的原位生态修复提供参考依据。

本研究以铀矿区土著水生植物(紫背浮萍)为研究对象，研究了植物体内铀和磷的亚细胞分布特征以及迁移转化过程，铀在植物胞内外的赋存方式和微观化学结构，初步阐释了生物细胞含磷分子在分解合成过程中诱导铀生物成矿的关键作用。活体浮萍对溶液中铀的快速原位矿化作用依赖于溶液pH，酸性条件下，活体浮萍与铀接触后，片状微纳米尺度的氢铀云母(HUP) 稳定存在根系和叶片覆水层表面，120h后在细胞器表面也发现含U片状晶体。伴随着浮萍根系分泌大量的有机P（如植酸）和无机P到溶液中并与结合在细胞表面的铀酰作用成核结晶。矿化晶体经水热和灰化处理后分别转化为球状UO2纳米颗粒和絮状无定型含铀物质。U(VI)是浮萍上的主要存在价态， pH3和5时，U-P配位数分别为0.87和0.97，配位距离分别为3.36Å和3.35Å，内层铀酰-磷酰络合物是U(VI)的主要存在形态，随着pH 值的升高（pH=8），U易与碳酸溶液中的C 或细胞表面的羧基官能团的两个O形成二齿配位。铀在浮萍体内的亚细胞分布比例依次为细胞壁(55-69%)＞可溶组分(24-35%)＞细胞器(2-18%)。随着时间延长(5min-5d)，进入胞内与细胞器结合的比例逐渐增多，各个亚细胞部位和化学结合态的铀含量均有所增加，铀在浮萍体内主要形成难溶磷酸盐（47%），其次是无机盐/氨基酸盐结合态、水溶性有机酸结合态、蛋白质/果胶结合态和草酸结合态。在适宜的pH条件下，细胞的新陈代谢活动（分泌有机、无机磷及相关酶）是铀生物成矿的关键调控因素，细胞表面的成核位点是矿化的必要诱导条件。实验和理论计算表明磷酸基团对铀酰中的铀原子存在较强亲和力，铀酰离子以无定型的络合物存在于生物含磷大分子表面。在纯铀酰离子(A)和铀酰离子与碳酸根共存(B)两种体系下，磷脂和植酸对铀的吸附均容易发生，吸附能范围分布在-109 kcal/mol至-114 kcal/mol，能量以弛豫形变吸附能为主；在A和B体系下，U-P键作用距离最短的分别是植酸(6.539Å)和磷脂（12.472Å），这与生物含磷分子的结构及溶液中离子种态有关。已发表SCI论文18篇。研究成果将为促进我国铀污染环境的原位修复提供理论依据。