鈾在微生物黏土礦物復合界面的吸附過程

　　從鈾礦開采、核燃料加工、核能發電、乏燃料處理到核廢料處置的整個過程中，鈾（U）都將不可避免地進入到環境系統，給生態環境系統和人類的生命健康帶來直接危害和潛在威脅。環境系統中，U主要以+6和+4兩種化學種態存在。一旦U(VI)進入土壤系統后，將不可避免地與土壤各種組分發生吸附-解吸、氧化-還原、沉淀-溶解、礦化等作用，進而影響U在土壤介質中的微觀賦存狀態、遷移、轉化和循環等地球化學行為。對于U(VI)與單一土壤組分（如礦物、微生物和有機質）的相互作用機制已有較為深入的研究，為U的環境行為預測和風險評估提供了重要的理論基礎。然而，土壤中活性組分很少以游離態存在，各組分之間廣泛存在相互作用，多通過粘附作用形成礦物-微生物復合體，其結構、表面電荷以及表面吸附特性均與單獨的微生物或礦物不同。因此，開展U在微生物-礦物復合界面吸附過程和機制研究具有重要的實際意義。

　　中國科學院西北生態環境資源研究院（簡稱西北研究院）范橋輝課題組通過系統研究了U(VI)在高嶺石-黑曲霉和伊利石-黑曲霉復合體上的富集行為，重點闡明了以黑曲霉為代表的絲狀真菌對U(VI)在高嶺石和伊利石表面吸附行為的調控途徑和機制（圖1所示）。研究結果證明不同pH條件下，U(VI)在高嶺石和伊利石表面的吸附機理為離子交換、外層絡合 (OSCs) 和內層絡合 (ISCs)。黑曲霉可在一定程度上改變伊利石和高嶺石表面的電荷密度、吸附位點等理化性質，進而促進了U(VI)的吸附；同時，U(VI)在黑曲霉-礦物復合體表面的吸附形態僅為ISCs。說明在黑曲霉-高嶺石或伊利石復合體中U(VI)的吸附過程較黏土礦物有顯著的改變。SEM和FT-IR表明在黑曲霉-高嶺石或伊利石的復合體中，U(VI)主要在黑曲霉的磷酸基、酰胺基和羧基發生絡合作用，進而削弱了U(VI)在黏土礦物表面的離子交換，以及與Si-OH和Al-OH的絡合作用（如圖1A-H所示）。XPS光譜則證實吸附在黑曲霉-黏土礦物復合體表面的部分U(VI)可被黑曲霉還原，形成非結晶形式的U4+。相關的研究成果進一步闡明了U(VI)在復雜環境系統中的地球化學過程，為準確評估和預測U(VI)的環境行為提供了重要理論基礎。

　　相關研究成果以 New insights into the sorption of U(VI) on kaolinite and illite in the presence of Aspergillus niger 為題發表于Chemosphere。西北研究院博士生耿榕悅為論文的第一作者，范橋輝研究員為通訊作者。該研究獲國家自然科學基金（21906073和21876172）、中科院青年創新促進會、中科院西部之光、甘肅省油氣資源研究重點實驗室的資助。

　　圖1 U(VI)在黑曲霉-伊利石或高嶺石復合體表面的吸附機制。其中，A和B: 高嶺石-黑曲霉復合體吸附U后的SEM；C和D: 伊利石-黑曲霉復合體吸附U后的SEM；E: 復合體中不同位置U的相對含量（綠色點：黑曲霉菌絲表面；藍色點：礦物表面；紅色框：礦物-菌絲復合區域）；F-H: 黏土礦物-黑曲霉復合體中的U與P、N和S元素的相關性；I：U(VI)在黑曲霉-伊利石或高嶺石復合界面吸附機制。