铀矿区动态氧化还原带细菌含磷分子调控U-P生物矿化机制研究

Uranium migration in environmental medium and its geochemical behavior is one of the most frontier issue in nuclear environmental research. Recent studies found that uranium exist stably as micro/nano U-P mineral in living cells inside and outside. However, as far as we known, the process of metabolic regulation and molecular interaction mechanism between uranium and living cells remains unclear. Herein, Kocuria rosea and Shewanella putrefaciens, isolated from the surface water and groundwater dynamic redox transitional zone of a uranium mine area, will be chosen as model bacteria. Simulate the geological environment in aerobic and anaerobic and both the change, and investigate the subcellular distribution characteristics and migration transformation process of uranium and phosphorus. Identify the occurrence form and microstructure of uranium in and on the bacterial cells at molecular level by using of mesoscopic and advanced means of spectroscopy, and combining with biomimetic mineralization and simulation calculation methods, we focus on the influence behavior by the different structure and component of bacterial cell membrane, and elucidate the key role of induce uranium biomineralization by the common and unique phosphorous molecules in cells in the process of decomposition and synthesis, and reveal the molecular regulation mechanism of uranium- phosphorus biomineralization by the bacterial cells in metabolic activity. Expected result not only provide the important reference for deeply understanding the process and mechanism of uranium- phosphorus biomineralization, but also provide theory basis for environmental in situ remediation contaminated by uranium and nuclide biogeochemical behavior.

铀在环境介质中的迁移及其地球化学行为是核环境研究中最受关注的前沿问题之一。近期研究发现铀在活体细胞内外主要以微纳米U-P矿稳定存在，然而其代谢调控过程和分子作用机制仍不清楚。本项目以铀矿区地表水和地下水过渡带-动态氧化还原区域分离的考克氏菌和希瓦氏菌为特征菌，模拟在有氧、无氧及二者更替的地质环境下，研究细菌体内铀和磷的亚细胞分布特征以及迁移转化过程，利用介观和先进谱学手段，结合仿生矿化和模拟计算的方法，在分子水平上研究铀在细菌胞内外的赋存方式和微观化学结构，重点研究细菌细胞壁膜结构和组分差异对原位矿化铀的影响行为，阐述细胞共有和特有含磷分子在分解合成过程中诱导铀生物成矿的关键作用，揭示细菌代谢活动参与下细胞磷类物质原位矿化铀的分子调控机制。预期成果可为深入认识铀矿区细胞调控铀-磷生物矿化过程和机制提供重要参考，同时为促进我国铀污染环境的原位修复和核素生物地球化学行为研究工作提供理论依据。

铀在氧化还原地带的迁移转化过程是核环境研究领域的热点和难点问题。前期研究表明，生物介导生成铀磷矿物是环境中铀被固滞的重要形式，然而其分子界面作用过程仍不清楚。本项目重点利用原位/仿生实验、先进光谱分析及理论模拟计算，系统研究了铀矿区细菌含磷分子调控U-P生物矿化机制，阐明了铀矿化的界面生物理化过程及基团配位机理，基于师法自然，开发出系列具有高亲铀基团的仿生材料，为铀的富集分离与原位固化提供了新思路和新途径。主要研究结果如下：1）有氧弱酸条件下，铀首先与细胞表面的大量亲铀活性基团络合，进而与细胞结构及代谢含磷分子成核矿化为微纳米尺度的片状氢铀云母，U-P以单齿和二齿配位的形式存在；无氧弱酸条件下，铀主要以四价磷酸铀盐的形式在细胞表面还原并矿化沉积；生物成因的磷酸铀[U(VI/IV)]矿物在环境中保持较高的稳定性。2）希瓦氏菌和考克氏菌因其壁膜成分及结构的差异，导致矿化前驱过程有显著区别，胞外聚合物及细胞壁膜结构分子对铀具有较强的吸附能力，尤其是含磷生物大分子对铀具有很强的亲和作用力，铀吸附率可达99%，然而无活性或者休眠期的菌体及生物分子难以介导铀的生物矿化。3）结合实验与理论计算，在模拟铀矿区地质环境中（有机酸-微生物-铀酰及钙镁离子三元体系），自然界大量存在的植酸对铀酰具有强螯合作用，二者将迅速结合形成胶体从而抑制生物细胞对铀的矿化，Ca2+、Mg2+共存下将生成低溶度积植酸钙镁盐同时载带绝大部分铀沉淀，从而增强自然环境中铀的固滞效应。本研究提出利用活体细菌细胞结合环境介质原位矿化铀可作为强化铀污染场地原位生物修复有效途径，在适宜pH条件下，细胞壁膜上的大量官能团为铀成矿提供了吸附和成核位点，细胞的代谢活动是诱导铀原位生物矿化的必要条件，通过酶促作用分解提供无机磷酸根是生物铀矿结晶生长的主控因子，而环境常见有机酸（如植酸）和无机离子（如Ca2+、Mg2+）因其自身氢键网络结构和高反应性，可协同促进环境中铀的稳定沉积。