讨论


光谱和分析研究首次成功提供了荧光假单胞菌生物膜样品中开始形成类似于准钙铀云母的铀酰磷酸盐矿物的证据。在我们的实验中添加UO₂(ClO₄)₂后，水相铀渗透生物膜并诱导生物膜微生物与铀之间的相互作用，在生物膜内形成难溶矿物。生物膜内的浓度梯度以O₂随生物膜深度增加而减少和CO₂/CO₃随生物膜深度增加而增加为特征。在150-200微米范围内，这种O₂/CO₂浓度变化可能对水相U形态有较小影响。由于U(VI)-磷酸盐矿物的低溶解度，这种效应对U-磷酸盐沉淀而言可以忽略不计。


作为对铀胁迫响应的准钙铀云母形成，此前已被几个研究小组提及。然而，没有已知研究涉及由于铀与荧光假单胞菌菌株相互作用而导致的准钙铀云母形成。据我们所知，只有少数研究提供了使用荧光假单胞菌菌株的铀吸附实验。这些研究表明该菌株主要在细胞表面积累铀，铀通过质子化的磷酰基和羧基位点结合。Francis等能够确定积累的铀为细粒状、板状铀晶体，由铀和磷组成，位于荧光假单胞菌菌株的周质中。然而，没有提及钙铀云母或准钙铀云母的形成。


相比之下，使用从酸性污染地下土壤中分离的节杆菌、芽孢杆菌和拉恩氏菌菌株的实验中提到了与钙铀云母和准钙铀云母密切相关的沉淀物。作者证明浮游细胞的磷酸酶活性可以通过形成钙铀云母和准钙铀云母促进铀固定。铀酰磷酸盐作为细胞对重金属胁迫响应的形成也在另一文献中被描述。无机磷酸盐（H₂PO₄⁻）从细胞多磷酸盐中释放，并在某些微生物的细胞质中与铀形成强络合物。在最近的工作中，通过能量过滤透射电子显微镜（EF-TEM）和电子能量损失光谱法（EELS）研究，在芬兰地下岩石表征设施隧道ONKALO的生物膜小杆状微生物中确定了针状准钙铀云母晶体，初始铀浓度为0.04毫摩尔的铀吸附实验后。在从极端生境（如铀废物堆和放射性废物处置库地下水）分离的微生物菌株中，描述了多磷酸盐介导的钙铀云母或准钙铀云母作为电子致密颗粒的形成。在这种环境中，甚至在 numerous 微生物菌株的细胞表面检测到准钙铀云母沉淀物。


在本研究中，U-磷酸盐矿物的形成是由于从细胞多磷酸盐释放的磷酸盐，因为用于培养荧光假单胞菌生物膜的营养培养基分析表明磷酸盐含量可忽略不计（12.7±0.6毫克/升）。实验结束时，营养培养基中的磷酸盐量增加到99.8±1毫克/升。因此，从细胞多磷酸盐释放的磷酸盐不仅用于与铀形成强络合物。它被部分从微生物运输走，注入生物膜的开放水通道，最终进入主体溶液，在那里它将磷酸盐量增加到99.8±1毫克/升。这对应于从生物膜释放到400毫升营养培养基中的360微摩尔磷酸盐，即主体溶液。尽管由于上述原因，实验结束时磷酸盐量增加，但铀污染营养培养基中形成的铀物种理论优势场的热力学计算表明，在环境条件下磷酸盐不影响水相物种的形成。然而，在较低pH范围（<6.5），水相UO₂HPO₄和UO₂PO₄⁻物种的形成被定义。


结果与TRLFS研究非常一致。实验结束时，TRLFS研究显示在铀污染营养培养基中形成了水相Ca₂UO₂(CO₃)₃和UO₂(CO₃)₃⁴⁻物种。这些铀酰碳酸盐络合物是钙丰富水域中pH 6-10区域的主要热力学稳定物种，如文献所述。在对照实验中，没有荧光假单胞菌的情况下，将初始浓度为0.1毫摩尔的铀分别添加到含有12.7毫克/升和100毫克/升PO₄³⁻的纯营养培养基中。这些实验的目的是排除铀在实验条件下已在纯营养培养基中作为U-磷酸盐矿物沉淀。分析了对照实验样品以及超速离心后的等分试样。此外，通过SEM/EDXS研究确定了用于对照实验悬浮颗粒过滤的膜。结果表明，由于碳酸盐（20毫摩尔）的存在，溶液相对于准钙铀云母形成是不饱和的。EXAFS研究成功用于证实生物膜中形成了固体铀相。与生物膜相关的铀结构的确定和鉴定也表明形成了准钙铀云母样结构。


在我们的研究中，我们能够确定准钙铀云母作为细菌介导的矿化在单一物种荧光假单胞菌生物膜中的形成，这可能是添加铀的结果。这与上述对荧光假单胞菌浮游细胞的研究相比是新的，其中该菌株浮游细胞表面的铀积累可以描述为生物吸附。表面层内的带电基团（磷酸盐和羧酸盐）能够与主体溶液中存在的离子相互作用，因为细胞表面与其直接接触。因此，荧光假单胞菌的浮游细胞可能通过吸附增强放射性核素迁移。


相比之下，荧光假单胞菌生物膜通过生物矿化固定铀。在这些生物膜中，细菌可能能够促进磷酸酶活性，导致准钙铀云母的形成，可能在细胞内，如芬兰地下岩石表征设施隧道ONKALO的生物膜所述。作者考虑准钙铀云母矿物可能另外在生物膜组分（如EPS）中形成的可能性。一般而言，EPS由于有机磷酸基团的活性位点而对铀显示出高亲和力和结合能力。然而，荧光假单胞菌生物膜的微生物介导矿物沉淀可能提供一种新方法，并可能通过在氧化环境中形成稳定的准钙铀云母矿物，在铀污染场地的生物修复中发挥重要作用。如文献所述，形成的矿物将在长时间内保持稳定，表明只要生物膜存在，铀酰磷酸盐矿物可能为氧化环境中的铀提供长期衰减。


结论


作者证明，单一物种荧光假单胞菌生物膜的磷酸酶活性可以通过形成钙铀云母和准钙铀云母促进铀固定，可能是对铀胁迫的响应。在本研究中，我们提供了证据，表明生物膜和浮游生长模式之间存在差异。与菌株浮游细胞表面的铀积累（生物吸附）相反，铀通过细菌介导的矿化在生物膜中被固定。获得的结果表明，荧光假单胞菌作为生物膜可能在预测环境中铀的命运和传输方面发挥重要作用，例如在铀污染场地（采矿和提取）的生物修复中。


致谢


本工作由联邦经济和技术部（BMWi）根据合同号02E10618资助。X射线吸收光谱（XAS）测量在法国格勒诺布尔欧洲同步辐射设施（ESRF）的BM20（ROBL）进行。特别感谢Andreas Scheinost和Christoph Hennig（ROBL组，ESRF，格勒诺布尔，法国）在XAS测量期间的支持以及他们在数据评估方面的帮助。感谢Ursula Schaefer、Aline Ritter和Carola Eckardt进行分析。衷心感谢Stephan Weiß在EXAFS样品制备方面的熟练工作。感谢Nina Huittinen富有成果的讨论。