科学家发现能“锁住”有毒铀元素的细菌

德国德累斯顿-罗森多夫亥姆霍兹中心（HZDR）与Wismut公司以及格拉纳达大学科学家合作，首次在《自然-通讯》发表论文，证明当甘油可作为碳源或营养来源时，细菌能够把水中溶解的铀转化为一种稳定化学化合物。在此过程中，铀进入了一种此前被认为只是短暂存在的化学状态。研究结果可能为未来利用细菌清理铀污染环境提供依据。

土壤和水中的细菌是自然生态系统的重要组成部分，其中一些种类能够代谢对人类和其他生物有害的物质。HZDR陆地微生物学课题组科学家、论文共同作者Evelyn Krawczyk-Bärsch指出，有些细菌可以在代谢过程中利用有毒的铀。她所在课题组此前已发现，当细菌能够获得甘油这种食物来源时，可以利用水中溶解的铀进行代谢。甘油是动植物脂肪的基本成分，也可以自然产生，例如真菌分解木材时可能生成。

研究人员希望了解细菌能多有效地降低水中溶解铀的含量，并鉴定微生物处理铀过程中形成的具体化学形态。团队从Wismut公司位于厄尔士山脉的一处淹水铀矿井采集矿水。在实验室中，他们向水样加入定量甘油，并将样品置于无氧环境中培养。论文第一作者、曾在HZDR和格拉纳达大学微生物学系工作的Antonio M. Newman-Portela解释说，这是为了模拟矿井中约2000米深处通常几乎无氧的自然条件，使矿水中原有的细菌群落能够在适合生长的条件下发挥作用。

在适宜条件下，微生物开始以甘油为食物来源。随着时间推移，水中仍溶解的铀含量显著下降。Newman-Portela说，经过130天后，样品中原本溶解在水里的铀只剩下约5%。研究人员推测细菌已将铀整合进细胞壁，并且文献中已有类似积累过程的报道。随后，他们确认铀确实积累在细菌细胞壁中。

接下来的问题是：这些铀究竟形成了哪种化合物？为了查明，研究人员利用同步辐射光谱、显微和光谱分析等手段进行了深入研究，其中包括在法国格勒诺布尔欧洲同步辐射装置（ESRF）运行于HZDR的罗斯多夫光束线（ROBL）开展的实验，以及在格拉纳达大学进行的补充研究。科学家检查细菌膜，确定铀所处的化学状态。化学中常用“价态”描述一个原子在化合物中与其它原子连接时相当于有多少个可用连接位点。铀通常表现为4价或6价；5价铀虽存在，但罕见或只短暂出现，此前一般被认为是不稳定氧化态。因此，实验生物量中检出异常高比例的5价铀非常令人意外。

研究还发现，5价铀会与铁和氧结合，形成FeU(V)O4。Krawczyk-Bärsch解释说，这种铀化合物因较新而尚未拥有通用名称；2020年一项分析克罗地亚受贫铀弹药污染土壤的研究曾首次证明该物质。当时发现，即使暴露在大气氧条件下，这种铀化合物也能稳定存在超过25年。但此前人们不知道它如何在自然界形成，也不知道细菌在形成过程中发挥作用。

额外实验又出现一个意外结果：当研究人员让干燥后的细菌生物量接触氧气时，FeU(V)O4的含量反而增加，而不是减少。这表明该化合物即使在氧气存在下也可能保持稳定，并进一步支持细菌活动可以把易迁移的铀转化为在水中更不易移动的化学形式。

Krawczyk-Bärsch总结说，这项研究首次证明，在获得甘油作为碳源时，细菌可以把水中溶解的有毒铀转化为稳定化学化合物。团队还需要进一步研究，细菌在多大程度上能够帮助铀无害化，以便用于环境修复。研究人员计划更深入地研究能结合铀的细菌，并揭示使这种转化成为可能的生物化学和地球化学过程。对这些机制的更好理解，未来或有助于判断细菌能否有效用于清理受铀污染的环境。