研究背景与目的: 铀矿开采引发的环境污染对生态系统和人类健康构成严峻威胁,铀污染的公共卫生风险及修复问题备受关注。细菌在铀矿区土壤中广泛分布,其群落特征对污染评估和修复至关重要,尤其是解磷菌可通过分解有机磷促使铀矿化沉淀,显著影响铀在环境中的迁移与转化行为。然而,目前对于不同铀矿开采环境中土壤细菌群落的动态变化规律,以及解磷菌在有机磷介导下矿化铀的具体行为与作用机制,仍缺乏系统且深入的研究。开展铀矿区细菌群落特征及有机磷介导下解磷菌矿化铀的机理研究,明确铀矿开采对土壤细菌群落及功能的影响,揭示解磷菌通过分解有机磷介导铀矿化的作用机理。 材料与方法: (1)采集铀矿区的尾矿表层土、采矿洞穴表层土、露天矿表层土、露天矿深层土和矿区周围环境表层土、深层土壤样品,基于16S r RNA高通量测序技术和GO等数据库预测细菌功能、分析细菌群落丰富度和多样性。(2)采用透明圈法进行解磷菌的筛选,并通过16S r RNA测序及生化特性进行鉴定;采用非生物沉淀法确定β-甘油磷酸钠(sodium glycerophosphate,SGP)与铀生成非生物沉淀量最小的浓度比;采用偶氮胂(Ⅲ)法和钼锑抗分光光度法分别在652 nm和710 nm波长处检测铀浓度和磷酸根浓度;采用阳离子交换树脂法提取Bacillus sp.X-113的胞外聚合物,并通过红外光谱仪、扫描电镜、X射线粉末衍射仪、X射线光电子能谱等手段分析Bacillus sp.X-113矿化铀形成的产物。(3)采用全基因组测序技术分析Bacillus sp.X-113矿化铀的分子基础,并采用基于超高效液相色谱-串联质谱(UHPLC-MS/MS)的代谢组学技术对Bacillus sp.X-113矿化铀的代谢物进行鉴定,通过KEGG和Met PA对差异代谢物进行注释和代谢通路富集分析。 研究结果: (1)铀矿开采显著降低了铀矿区土壤细菌群落丰富度和多样性指标,如Shannon指数、Observed-species、Chao1和Pielou evenness等受影响明显(P<0.05),还驱动细菌群落结构发生分化,如细菌属Thiobacillus、Sphingomonas和Sulfuriferula丰度显著增加(P<0.05),而RB41、Vicinamidactaceae和Nitrospira的丰度明显降低(P<0.05);铀矿开采使得DNA结合反应调节因子、DNA解旋酶、NADH-泛醌还原酶(H⁺转运型)等功能富集,细胞壁合成、非特异性丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶等功能受到显著影响(P<0.05)。 (2)筛选到一株高效解磷菌芽孢杆菌X-113(Bacillus sp.X-113),非生物沉淀发现SGP与100 mg/L铀的浓度比为10:1时,铀的去除可归因于Bacillus sp.X-113的作用;Bacillus sp.X-113在p H 6.0、30℃条件下生长12 h是其分泌胞外聚合物的最佳条件;Bacillus sp.X-113对铀的快速吸附相发生在0-10 h,在15 d时达到最大去除率为72.64%,且无PO₄^3-的释放;Bacillus sp.X-113在有SGP存在条件下对铀的最大去除率为83.84%,此过程中PO₄^3-持续释放,15 d时能检测到22.43 mg/L的PO₄^3-;Bacillus sp.X-113主要通过表面的酰胺键、羧基和磷酸基吸附铀并以无定形U-P复合物形式沉积,而SGP可促进Bacillus sp.X-113矿化铀,菌体表面在矿化第7天时观察到大量Na(UO₂)(PO₄)·3H₂O晶体纳米矿物的片状沉淀。 (3)Bacillus sp.X-113含有与磷酸盐代谢及重金属抗性相关的基因,包括磷酸酶、磷转运、有机酸、金属离子转运、氧化还原、氧化应激相关的基因,是Bacillus sp.X-113生物矿化铀的分子基础;SGP对Bacillus sp.X-113矿化铀的代谢有显著影响,发生上调和下调的差异代谢物分别有63和68个,其中上调的代谢物中43.75%为脂质和类脂分子,细胞膜相关的生理过程可能对Bacillus sp.X-113生物矿化铀极为关键;而色氨酸代谢通路中的NAD⁺生物合成模块(色氨酸=>喹啉酸盐=>NAD⁺)是差异代谢物的共同代谢通路,推测其与Bacillus sp.X-113矿化铀的过程密切相关。 研究结论: 铀矿开采活动降低了高原铀矿区土壤细菌群落的丰富度与多样性,并驱动细菌群落结构分化及改变细菌功能特性,解磷菌Bacillus sp.X-113含有与磷酸盐代谢及重金属抗性相关基因,其可水解SGP释放PO₄^3-使无定形的含铀复合物转化为Na(UO₂)(PO₄)·3H₂O的晶体纳米沉淀,且SGP主要通过影响Bacillus sp.X-113的色氨酸代谢途径及NAD⁺循环介导铀的矿化,研究结果加深了对铀矿区微生态效应及微生物矿化铀作用机理的认识,为铀污染土壤微生物修复提供理论依据与参考。