摘要

為研究低氧條件下U(VI)的生物還原及固定化鈾的穩定性，向微觀體系中添加乙醇、乳酸和葡萄糖，并在低氧條件下進行培養。在培養期間，添加了電子供體的微觀體系中總溶解鈾從0.95毫克/升降至0.03毫克/升。焦磷酸測序結果顯示，與缺氧條件相比，在低氧條件下能夠還原U(VI)的厭氧微生物比例較小；能夠消耗溶解氧的好氧和兼性厭氧微生物比例較大；并且部分兼性厭氧微生物能夠還原U(VI)。這些結果表明，在低氧和缺氧條件下，負責U(VI)生物還原的微生物群落不同。在電子供體耗盡后，添加了電子供體的微觀體系中總溶解鈾保持不變，而沉積物固相中的U(VI)/U(IV)比例明顯增加。這意味著U(VI)的生物還原性能在低氧條件下得以維持。

1. 引言

鈾對地下水的污染是全球范圍內鈾尾礦庫普遍存在的問題。地下水中的鈾對鈾尾礦庫周圍居民的健康和生態環境構成威脅。還原性生物刺激是一種有前景的鈾污染地下水生物修復策略，該方法將可溶性的U(VI)還原為難溶的U(IV)，從而大大降低了鈾在地下水中的遷移性。

研究發現，地下水中的土著微生物群落可被各種電子供體刺激，并且某些微生物群落，如地桿菌屬、脫硫腸狀菌屬和希瓦氏菌屬等，已被發現能夠還原U(VI)。硫酸鹽還原菌和鐵還原菌被發現有利于U(VI)的生物還原和生物成因U(IV)的穩定性。氫氧化鐵可能與鈾酰離子競爭作為末端電子受體，從而延緩異化金屬還原菌對鈾的生物還原和沉淀。鈾可以被沉積物中的鐵氧化物礦物吸附和阻滯。從硫酸鹽礦物中釋放的高濃度硫酸根自由基不利于U(VI)的還原和U(IV)/U(VI)的吸附。因此，需要深入研究低氧條件下受刺激的地下水微生物群落對U(VI)生物還原的影響。

地下水中普遍存在的溶解氧是影響U(VI)生物還原的重要因素，因為它可以再氧化生物成因的U(IV)，并且DO會影響U(VI)生物還原過程中的微生物群落。N'Guessan發現，在添加乙酸后，含有低水平DO的地下水中的U(VI)被還原，并且在停止添加乙酸后，生物成因U(IV)的再氧化被大大延緩。Wu等人發現，當地下水中存在乙醇和DO時，發生了硫酸鹽和Fe(III)還原，并且觀察到了U(VI)的生物還原；當乙醇不存在而DO存在時，鈾濃度顯著增加。Campbell等人發現，U(IV)的再氧化速率受到含有低氧的地下水中生物量、細胞分泌物和地球化學條件的延緩。因此，研究低氧條件下U(VI)的生物還原和生物成因U(IV)的穩定性非常重要，因為許多場地的地下水都處于低氧條件。

本研究旨在探究低氧條件下輔助U(VI)生物還原的微生物群落以及影響生物成因U(IV)穩定性的生物地球化學因素。為此，制備了微觀體系，添加乙醇、乳酸和葡萄糖，并在低氧條件下進行培養。在培養期間監測了pH、化學需氧量、硝酸鹽、硫酸鹽、鈾和DO的變化。使用16S rRNA焦磷酸測序分析了輔助U(VI)還原的微生物群落，并使用X射線吸收近邊結構分析和化學萃取法測定了沉積物固相中U(VI)和U(IV)的比例。

2. 材料與方法

2.1. 采樣地點

沉積物和地下水樣品取自中國南方一個已退役鈾尾礦庫附近的鈾污染地下水區域，其水文地質特征已在先前文獻中描述。尾礦庫上覆蓋著未受污染的黏土，退役后在其外部鉆設了地下水監測井。尾礦中的殘留鈾被浸出到尾礦庫內的廢水中，并在地下水中檢測到鈾。從底部到頂部，地下水中的溶解氧濃度在0.2至0.5毫克/升之間。在地表以下20.5米深度處采集的地下水樣品中，總溶解鈾濃度為0.5毫克/升，而在9.2米深度處為2.0毫克/升。這兩個測量值均遠高于中國國家標準《鈾礦冶輻射防護和環境保護規定》中規定的飲用水鈾最大污染物限值0.050毫克/升。在尾礦庫壩體外建設了一個滲水收集系統，收集的廢水被泵回尾礦庫。附近有一條僅3.5公里遠的河流，鈾污染地下水對該河流構成威脅。

2.2. 樣品采集

使用繩系采樣瓶從一個直徑10厘米、深20米的鈾尾礦庫監測井中，于18米深度采集地下水樣品，隨后在厭氧手套袋中將其放入滅菌玻璃瓶。使用沉積物采集器從同一監測井采集沉積物樣品，然后將其轉移到滅菌厭氧玻璃瓶中，并放入充滿N?的厭氧手套袋。地下水樣和沉積物樣品均立即送至實驗室。部分地下水樣品隨后經0.2微米濾膜過濾，用于化學分析。未過濾的地下水樣品連同部分沉積物樣品在4°C下厭氧儲存過夜，用于微觀體系實驗，其余沉積物樣品在-20°C下厭氧儲存以備后續分析。

2.3. 微觀體系的低氧培養

首先，將50克沉積物和800毫升地下水放入四個1升滅菌罐中的每一個，向其中三個罐分別添加3.622克葡萄糖、或3.589克乳酸、或2.340毫升乙醇，使每個罐中等效COD為4.8克/升。隨后，向每個罐中加入2.000克碳酸氫鈉，使其中碳酸氫鹽濃度達到2.5克/升。這三個添加了電子供體的罐用于實驗，未添加的罐用作對照。然后，所有罐均用N?/CO?（4:1）混合氣體鼓泡30分鐘以去除溶液中的DO，并放入連接了兩個氣體過濾器的手套箱。最后，將手套箱抽真空至-0.05 MPa，向箱內注入含1.2% O?和98.8% N?的混合氣體，保持O?與N?比例不變以使對照罐中DO濃度維持在0.5毫克/升，并將罐在室溫下于黑暗中靜態培養。所有處理均設三個重復。培養開始后，大約每周從罐中取樣一次，DO每2天監測一次。