铀在微生物黏土矿物复合界面的吸附过程

　　从铀矿开采、核燃料加工、核能发电、乏燃料处理到核废料处置的整个过程中，铀（U）都将不可避免地进入到环境系统，给生态环境系统和人类的生命健康带来直接危害和潜在威胁。环境系统中，U主要以+6和+4两种化学种态存在。一旦U(VI)进入土壤系统后，将不可避免地与土壤各种组分发生吸附-解吸、氧化-还原、沉淀-溶解、矿化等作用，进而影响U在土壤介质中的微观赋存状态、迁移、转化和循环等地球化学行为。对于U(VI)与单一土壤组分（如矿物、微生物和有机质）的相互作用机制已有较为深入的研究，为U的环境行为预测和风险评估提供了重要的理论基础。然而，土壤中活性组分很少以游离态存在，各组分之间广泛存在相互作用，多通过粘附作用形成矿物-微生物复合体，其结构、表面电荷以及表面吸附特性均与单独的微生物或矿物不同。因此，开展U在微生物-矿物复合界面吸附过程和机制研究具有重要的实际意义。

　　中国科学院西北生态环境资源研究院（简称西北研究院）范桥辉课题组通过系统研究了U(VI)在高岭石-黑曲霉和伊利石-黑曲霉复合体上的富集行为，重点阐明了以黑曲霉为代表的丝状真菌对U(VI)在高岭石和伊利石表面吸附行为的调控途径和机制（图1所示）。研究结果证明不同pH条件下，U(VI)在高岭石和伊利石表面的吸附机理为离子交换、外层络合 (OSCs) 和内层络合 (ISCs)。黑曲霉可在一定程度上改变伊利石和高岭石表面的电荷密度、吸附位点等理化性质，进而促进了U(VI)的吸附；同时，U(VI)在黑曲霉-矿物复合体表面的吸附形态仅为ISCs。说明在黑曲霉-高岭石或伊利石复合体中U(VI)的吸附过程较黏土矿物有显著的改变。SEM和FT-IR表明在黑曲霉-高岭石或伊利石的复合体中，U(VI)主要在黑曲霉的磷酸基、酰胺基和羧基发生络合作用，进而削弱了U(VI)在黏土矿物表面的离子交换，以及与Si-OH和Al-OH的络合作用（如图1A-H所示）。XPS光谱则证实吸附在黑曲霉-黏土矿物复合体表面的部分U(VI)可被黑曲霉还原，形成非结晶形式的U4+。相关的研究成果进一步阐明了U(VI)在复杂环境系统中的地球化学过程，为准确评估和预测U(VI)的环境行为提供了重要理论基础。

　　相关研究成果以 New insights into the sorption of U(VI) on kaolinite and illite in the presence of Aspergillus niger 为题发表于Chemosphere。西北研究院博士生耿榕悦为论文的第一作者，范桥辉研究员为通讯作者。该研究获国家自然科学基金（21906073和21876172）、中科院青年创新促进会、中科院西部之光、甘肃省油气资源研究重点实验室的资助。

　　图1 U(VI)在黑曲霉-伊利石或高岭石复合体表面的吸附机制。其中，A和B: 高岭石-黑曲霉复合体吸附U后的SEM；C和D: 伊利石-黑曲霉复合体吸附U后的SEM；E: 复合体中不同位置U的相对含量（绿色点：黑曲霉菌丝表面；蓝色点：矿物表面；红色框：矿物-菌丝复合区域）；F-H: 黏土矿物-黑曲霉复合体中的U与P、N和S元素的相关性；I：U(VI)在黑曲霉-伊利石或高岭石复合界面吸附机制。