本土电活性腐败希瓦氏菌的铀富集机制解析及其在生物修复中的应用前景

《Frontiers in Microbiology》：Insights into uranium enrichment of indigenous electroactive Shewanella putrefaciens

本研究通过基因组学与光谱学联用技术，首次系统揭示了铀矿尾渣中本土腐败希瓦氏菌（Shewanella putrefaciens）通过Mtr通路介导的胞外电子传递实现铀生物还原（bioreduction）的分子机制。该菌株在实验条件下对铀的去除率高达93%，其基因组中能量代谢与胁迫抗性基因显著富集，通过生物吸附（biosorption）、生物矿化（biomineralization）、生物富集（bioaccumulation）和生物还原（bioreduction）的多路径协同作用，展现了优异的铀污染原位修复潜力。

　　

1 引言

铀作为核能领域的关键元素，其开采和冶炼过程导致的环境污染日益严重。与传统物理化学修复方法相比，基于微生物的生物修复技术因成本低、无二次污染等优势，在铀污染治理中展现出巨大潜力。腐败希瓦氏菌（Shewanella putrefaciens）作为典型的金属还原菌，在极端环境中表现出卓越的代谢适应性，但其本土菌株的铀富集机制尚未明确。

2 材料与方法

研究采集铀矿尾渣（TU）和非铀矿区（CK）土壤，通过16S rRNA高通量测序分析微生物群落结构。采用含100 mg/L铀的LB培养基筛选优势菌株，通过形态学观察、循环伏安法（CV）和生长曲线评估菌株特性。利用Illumina NovaSeq和Oxford Nanopore平台进行全基因组测序，结合傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、X射线光电子能谱（XPS）和透射电镜-能谱（TEM-EDS）解析铀结合机制。通过同源重组构建MtrA基因敲除突变体（ΔMtrA），验证其电子传递功能。

3 结果与讨论

3.1 铀矿区土壤微生物群落特征

PCA分析显示CK与TU的微生物群落结构显著分离。TU组Chao1和Shannon指数均低于CK，表明铀污染导致微生物多样性下降。在门水平上，变形菌门（Proteobacteria）和放线菌门（Actinobacteriota）为优势菌群；属水平中，希瓦氏菌属（Shewanella）相对丰度最高，暗示其耐受性优势。

3.2 腐败希瓦氏菌的分离与鉴定

从TU土壤中分离的菌株A-1经16S rRNA鉴定为腐败希瓦氏菌，系统发育树显示与Shewanella putrefaciens WS13同源性超过99%。该菌为革兰氏阴性杆菌，电化学检测到-0.3 V（氧化峰）和-0.45 V（还原峰），证实其胞外电子转移能力。在200 mg/L铀浓度下仍保持正常生长，耐受性显著。

3.3 铀去除性能评估

菌体浓度（OD₆₀₀）从0.2升至1.8时，铀去除率由30%增至95%。在pH 5–7范围内去除率最高，且对K⁺、Ca²⁺、Fe³⁺等共存离子抗干扰能力强。与其他土著菌（如Staphylococcus warneri）相比，腐败希瓦氏菌的铀去除率（93%）优势明显。

3.4 基因组功能注释

全基因组测序显示菌株基因组大小为4.59 Mbp，编码4005个蛋白。GO和KEGG注释揭示基因显著富集于能量代谢、应激防御等通路，COG分类中“能量代谢与转化”类别基因数量最多（233个），为其铀还原提供遗传基础。

3.5 铀去除机制解析

SEM和TEM-EDS显示铀以纳米颗粒形式沉积于菌体表面及内部，铀原子占比0.32%。FT-IR检测到铀结合后U–O键振动峰（917 cm^-1），且–OH、–COOH等官能团发生位移。XPS证实铀价态包含U(VI)（393.3 eV）和U(IV)（380.3 eV），表明存在生物还原过程。MtrA敲除后，铀去除率下降34%，U(IV)峰面积减少13.1%，证明Mtr通路在胞外电子传递中起核心作用。

4 结论

腐败希瓦氏菌通过生物吸附、生物还原、生物富集和生物矿化的协同作用实现高效铀固定，其Mtr介导的电子传递路径是关键分子机制。该研究为铀污染环境的原位生物修复提供了优质菌种资源和理论依据。