正式 铀污染地下水的生物修复

铀污染地下水的生物修复：一种地下生物地球化学的系统方法摘要添加刺激高溶解性U（VI）微生物还原为低溶解U（IV）的有机电子供体是一种固定受污染地下水环境中铀的前景方法。

研究表明，诊断用环境转录组和蛋白质组学技术进行的铀生物修复中的地下群落的原位生理状态可以确定限制U （VI）还原活动的潜在因素。

硅胶表现方法中的电偶基因规模模型也许能够预测生物修复方法和新方法发展上援助的结果，硅胶的表现方法是用地球化学和水文学模型表现关键微生物种群的新陈代谢。

人们对隔离U（IV）矿物和与三价铁氧化物相关的共同污染物的释放的长期稳定扔存在一些忧虑。

共同污染物也许会克服电子的定向投放去选择用原位电极产生的菌种。

引言铀污染地下水广泛分布于世界各地，其传统的处理方法像地下水扬水法(pump-and-treat)成本高昂，促进U(VI)到U(IV)的微生物还原方法是一种前景替代法，这种方法能把地下水中的铀降解为不溶性沉淀（表1）。

由于这种反应有更大的降解稳定性，与像生物吸附法或者生物积累法等生物替代法相比，它是更具吸引力的选择。

在饱和冲积沉淀物和裂缝腐泥土在内的一系列环境中，去除污染地下水中铀的生物还原法有效性一再得到验证，因此采用原位修复法修复受铀矿影响的环境获得学者们相当大的关注。

自从微生物U（VI）还原方法发现以来的二十年里，生物学、水文学和地质学之间的相互作用方面的发现有了重大进步，鉴于这种进步，在某些情况下，模拟地下水环境的偶合过程是可能。

然而，由于微生物–细菌和细菌-矿物相互作用的重要知识缺口及相关地下水环境中铀地球化学信息的需求，怎样去最好地优化原位铀生物修复仍然是重大问题。

与地下水U(VI还原有关的微生物体纯培养中得到的多种多样微生物都能够运用到U（VI)还原。

(表2）大部分是能够还原其他多种金属和三价铁的厌氧菌，还原效果最显著的三价铁在地下水环境中通常含有最丰富的电子受体。

目前人们公认，不仅营养细胞而且在某些情况下孢子能促进U（VI)还原。

最近认识到还原U(VI)的微生物包括:从铀矿的土壤中恢复过来的假单胞菌,泛菌藻和肠杆菌属；从污染场所分离出来的几个地杆菌属和嗜热栖热菌属。

水生栖热菌包含一种假设的肽ABC转运体、能够实现U（VI)还原的肽键蛋白质。

得出结论这种蛋白质促使的铀（VI）还原是偶然的。

在微生物铀（VI）还原中，，受有其他氧化还原功能的蛋白质促使的U（VI)混杂还原可能是一个共同的主题。

因为尽管微生物U（VI）还原可以通过沉积环境中天然有机物得到驱动，但是未污染水中U（VI）含量通常太低以至于特定的铀（VI）呼吸路线不可能得到进化。

例如，地杆菌属促使的U（VI)还原是相当非特异性，具有用与报道的腐殖质物质转移方式相似的方式的把电子转移到U（VI)上的多种多样的外表面c 型细胞色素。

地杆菌属通过有着与金属传导性一样特性的菌毛和一个相关的c型细胞色素能够还原远距离的细胞电子受体，但是菌毛是U（VI)还原的主要场所。

这一观点与多行证据不一致，这个多行证据表明U（VI)降解不需要菌毛。

很难明确确定哪些微生物对地下水中U(VI)还原起作用,因为即使在污染环境，能够支持无氧呼吸的替代电子受体的可用性,如硝酸盐、铁(III)或硫酸[1,3],通常是比U（VI)可用性更大。

因此，尽管在铀生物修复期间，通常把U（VI)还原的重要作用归因于地下水中最占优势的微生物，但是事实上群落的一个小成分去解释观察到的U（VI)还原可能就足够丰富了。

虽然许多研究已经把注意力集中浮游生物和地下水中U（VI）上，但是附加在地下沉积物上微生物在U（VI）还原上起着重要作用，因为吸附在沉积物上U（VI）也能受到降解并把转化为不易解析的形式释放到地下水中。

许多环境条件（像添加的有机质、PH、盐度等）影响微生物在原位铀生物修复中主导地位。

在某些情况下，分子微生物群落分析显示与铀污染地下水的生物修复有关的相当复杂微生物群落。

这种情况在美国能源部于美国田纳西州橡树岭综合实地调研任务（IFRC）的不同治疗区域是明显的。

地下水区域3是除去铀污染的有着低pH值和高硝酸盐的区域，区域3是用嵌套在外层地下水空调循环圈内的U（VI）生物还原圈来处理。

高通量基因芯片分析了处理系统中的两个组成部分，这揭示了独特的微生物群落，这些微生物群落是金属还原细菌如脱磷孤菌属、地杆菌属、厌氧粘细菌、和希拉瓦氏菌属，他们广泛存在原位U（VI）还原区域的内部，并获得乙醇作为电子受体。

大规模平行测序指示剂物种的方法确定了脱磷孤菌属、厌氧粘和希拉瓦氏菌属作为优势菌种。

当沉积物卵化项目中的乙醇和甲醇刺激微生物活动时，伯克氏菌科丛毛单胞菌科、草酸杆菌科、红环菌科中的微生物占据主导。

区域2是一个有着接近中性的pH值和低浓度硝酸盐的区域，在区域2的研究中，在同化碳13的金属还原条件下放线菌是最活跃的，碳13来自为了促进实验室沉积物卵化项目中微生物活动而添加的13C-ethanol，其他实验对橡树岭沉淀物的研究表明电子供体和沉积物来源类型极大地影响了其微生物主导下添加电子供体。

在这个场所的实地研究中，乳化植物油的添加刺激硝酸盐、铁(III),U(VI)和硫酸还原，这导致了丛毛单胞菌科、地杆菌科和脱硫菌中成员们的演替。

与橡树岭微生物群落的复杂性相比，位于美国有限公司Rifle的美国能源部的国际联合会在U（Ⅵ）还原的最活跃阶段注意到一个更简单的微生物群落。

这可能部分归因于接近中性的pH值、微不足道的硝酸;和一种充当促进U （VI）还原的电子供体非发酵基质醋酸盐。

日益复杂的分子分析使用可携带式微阵列分析系统，用高通量基因芯片和生物微距阵芯片执行, 环境蛋白质组学和并入脂肪和DNA的13 c-硝酸盐的分析证实了这一来自前16s核糖体核糖核酸基因序列分析的发现，这个发现是地杆菌属物种所占的比重为在活跃的U(VI)降解期间从地下水中恢复过来16s核糖体核糖核酸基因序列的90%的。

地杆菌属物种拥有大量的菌种特性，这些菌种特性可能有利其在厌氧地下环境中的生长；当铁(III)的关系不可用，这种生长包括最近公认的作为电子供体互养合作伙伴的生长能力。

在Rifle公司,地杆菌属物种最初随着作为主要电子受体的铁(III)生长;然而,持续地有效降解U(VI）的能力表明,当铁和硫酸还原(或者甲烷生成)是主要代谢途径，他们也可能是主要的U(VI)还原剂，这一途径是用单质硫和互养生长的还原补充U(VI)还原。

铀生物修复的系统分析和基因组比例模型在rifle site,与铀生物修复有关的相对简单微生物群落使得分析和模拟重要的地下种群和发展工具的原位活动可行,这种原位活动现在可以潜在地应用于更复杂生物修复场所。

就最近的审查而言,一系列量化记录地下地杆菌属种群关键基因丰度的研究阐明了重要生理参数,如代谢率，增长率，如电子供体，磷酸和固定氮等关键营养物质局限性以及其他环境胁迫。

环境蛋白质组学研究证实了地杆菌属丰度，这种地杆菌属与U（VI）降解的峰值速率有关并且提共相关物新陈代谢活动的信息。

地杆菌属物种利用电极作为电子受体的能力也使监控地下电极的原位新陈代谢率可行。

理想情况下,在现场实施以前能够准确预测生物修复结果的未来会使用生物修复技术，这种技术能够使生物修复方法优化。

例如，用能够有效促进 U（Ⅵ）的还原的最下量电子供体滴定是可取，不会产生多余可能降低渗透率或刺激生物的物质，这种物质如氧化醋酸的硫酸还原剂,他消耗额外电子供体但不有助于U （VI）还原。

描述地下沉积物中U（VI）还原的模型开发了几种不同方法。

真正的预测模型的发展需要有这种能力，这种能力是预测微生物种群关键成分怎样对在生物修复期间不断变化的环境条件做出反应的能力。

一个可能的方法是自下而上的塑造基因组规模模拟，在模拟中，影响生物修复过程的关键生物体的代谢模型是把地球化学的和水文学的模型耦合在一起。

自下而上的基因组规模模拟的一个优势是在铀生物修复期间它在与微生物所处的不断变化的环境状况相关联的微生物生理机能(如。

增长收益)中占了重大的比重。

这些特性并不代表塑造微生物活动的传统方法。

自下而上的塑造基因组规模模拟通过用被动运输模型耦合地杆菌属基因组模型能有效的预测醋酸诱发的铀生物修复。

BUGS模型模拟能用连续添加代表额外的关键种群的基因组模型描述更加复杂的微生物种群。

例如，当把醋酸盐添加到表面时；能够还原铀，战胜氧化醋酸盐的还原三价铁的红育菌属物种（据报道不能降解铀）的地杆菌属物种极大的有利于原位铀生物修复。

下述红育菌属基因比例模型的发展，当醋酸盐的浓度是高浓度时，醋酸盐改良剂和允许地杆菌属去战胜红育菌属的生理特征出现之前；BUGS模型模拟预测了红育菌属在表面与地杆菌属有效竞争的能力。

模拟地杆菌属物种和与醋酸竞争的氧化醋酸盐的硫酸还原剂的相互作用，但是不能还原铀，改善醋酸盐改良剂间对观察到的铀（VI）还原模式的理解和表明一种通过添加Fe(III)去维持地杆菌属物种长期还原U(VI)的活动来提高铀生物修复的策略。

基因组规模代谢模拟预测了该改变的代谢通量以适应新的底物的突变，这可能会一个额外的优化生物修复策略。

BUGS模拟方法需要一种大量的初始投资，这种投资是隔离和描述为了获得需要建模的生理数据的微生物。

未来，这可能会通过宏基因组学的重大进展而快速发展，有限公司Rifle最近提供了对未培养微生物的重要基本信息，未培养微生物的重要基本信息有助于确定恢复这些培养微生物的适当策略，最终，BUGS模拟可以使生物修复策略的设计更为可预测和科学，消除了大量的铀和其它污染物生物修复的典型通用经验主义。

影响铀生物修复的地球化学因素预测微生物U（Ⅵ）还原成功也是至关重要，他可以作为一种补救措施；这种预测是对影响还原铀种群稳定性的非生物因素的一种理解。

在接近中性的pH值，地下水中U（VI）在形式上也许是和无机碳复合的。

无机碳比无机复合体中的U(VI)更加不容易影响微生物U（VI）还原，有机复合体通过霉素作用过程得到的还原比用潜在非生物还原剂得到的还原更加容易。

尽管还原铁和硫磺的物在内的无机种能还原实验室条件下的U（VI），实验室条件包括像 Ca2+ and HCO3成分，分别抑制还原的环境相关浓度孵化。

这与区域观察到的情况一致。

这中情况是当酶促过程可能是有效时，U(VI)只能有效地移除。

尽管研究最多的微生物还原U（VI）产品是纳米（直径<3-nm）沥青铀矿，最近的研究不充分的报道了有序的与磷酰基和羧酸盐组配位U（VI）的配位聚合。

U（VI）的物化形式和地球化学形式通过复合体的物，例如人形石、CaU(PO4)2形成影响U（IV）氧化和转移的敏感性。

氧化沥青铀矿敏感性是由于Mn2 +结构性参与Ca2 +反应的消弱的，最重要的稳定机制(见图1 b)似乎是维持低水平的溶氧和低渗透沉积物或包络生物量在内的螯合。