芽孢杆菌属微生物矿化固定六价铀的微观机制及调控机理研究

The understanding non-reducing biomineralizaiton of U(VI) by microbes is one of the important subjects due to relating to the bioremediation of transport U(VI) in uranium tailings area.In this proposal, Bacillus strains will be selected as the target as they could resistant to extreme conditions.Hence, we aim to investigate the mechanism of non-reducing biomineralizaiton of U(VI) from multidisciplinary. To achieve the aims,the following aspects will be included 1) The isolation of the Bacillus strains with the ability to immobilize U (VI) directly, 2) The comprehensive analysis of the biomineralization process to understand the function of stains, 3) The evolution of the size ,shape and the phase of the minerals, and the impacting of environmental factors on the evolution, 4) The understanding the relation between biological and chemical processes during the immobilization process of U(VI). The analysis of the biogenic minerals under both different periods and different environment will be the key issues to be fully concerned . The significance and innovation of this projects are described as: the understanding of the biomineralization of uranium from the views of both bology and chemistry by the selecting of Bacillus strains ,which is the microorganism with the ability to non-reducing mineralize U(VI), and the gap of project has not been filled. The outcomes from this project will provide a new insight into the bioremediation of transport U(VI) pollutant.

研究微生物通过非还原方式直接矿化六价铀是关系到铀尾矿区的生物修复技术的一个重要课题。本项目以耐极端条件芽孢杆菌为研究对象，采用学科交叉的综合研究方法，从多角度探讨生物和化学协同作用下该类微生物对铀的非还原矿化的微观机理。具体内容包括1）芽孢杆菌对U(VI) 的作用能力和非还原矿化菌株的筛选；2）芽孢杆菌矿化U(VI)过程中U(VI)的固定和转化机制的全面分析；3）矿物的尺寸和物相的演变规律及其环境调控因素的影响；4）对过程中的生物与化学因素协同作用的理解。综合以上信息，实现对3-5类芽孢杆菌矿化固定六价铀的微观机制及其调控机理的系统认识。项目将侧重探讨及分析不同时期和不同环境因素及生物代谢下矿物的形态、结构、尺寸、组成及其演变等关键问题。项目的主要创新点包括选择非还原方式矿化铀的微生物，采用多学科综合交叉的方法实现对铀的生物固定与矿化的微观机制及其调控因素的深入认识和综合把握。相关机制认识可为微生物修复铀污染环境提供理论基础和依据。

微生物具有自我复制繁殖、成本低、效率高和对环境扰动少等优点，被认为是适合于实时、实地治理大面积受污染水体和土壤的一种有效方法。研究微生物通过非还原方式直接矿化六价铀是关系到铀尾矿区的生物修复技术的一个重要课题。本项目以铀矿区分离和其他来源菌株中筛选获得6株耐铀细菌为研究对象，采用学科交叉的综合研究方法，首先探索了该类微生物对U（VI）的作用能力进而筛选出非还原矿化U（VI）的实验菌株，并完成了培养条件的优化。随后，研究了这些细菌在不同铀浓度、不同pH和其他离子等条件下对U（VI）的吸附和矿化规律，研究发现苏云金芽胞杆菌对铀具有很好的吸附能力，是在无外加有机磷酸源时，细菌自身对铀具有较高的吸附容量，对铀的最大吸附量约为400 mg U/g（干菌）。通过建立时间序列的成矿晶体结构和红外官能团的变化关系，结合高分辨率扫描电镜和透射电镜分析，发现磷酸、-CH2和酰胺类官能团有助与U(VI)固定以及进一步转化为磷铵铀矿，揭示了该类微生物矿化U（VI）的微观机制，进而揭露了生长机制、产物晶体结构和胞内外分布的关系。在此基础上，通过分子生物学和官能团屏蔽实验进一步阐明了细菌表面官能团和酶与U（VI）的固定、矿化以及成矿产物尺寸变化的内在关联。采用这一研究思路，研究还发现了Pb等重金属与芽孢杆菌属相互作用的过程中仍存在成矿产物从无定型到结晶相、成矿物质由胞外向胞内的转变，这说明这一机制不仅适用于U（VI）污染的修复和治理。因此，实现目前铀矿山开采和冶炼导致的大面积低浓度U（VI）污染以及铅污染的生物修复技术提供理论指导。