铀（U）是自然界具有天然放射性的稀有金属，是高度敏感、军民两用的国家紧缺战略资源和能源矿产，其核裂变后释放出巨大能量，被广泛应用于核能发电、核武器制造及医疗健康等领域。随着核工业的快速发展，铀资源的开采不断扩大，伴随而来的环境铀污染问题日益凸显。据统计，全球已开采4000多个铀矿，共产生约200 亿t 铀尾矿，在降水的淋滤和自养嗜酸微生物长期作用下，尾矿堆中的铀持续扩散至土壤和水体中，存在巨大的核污染隐患。由于铀具有生物累积效应、生殖发育毒性和潜在的致癌性，严重威胁生态环境安全和人体健康，国际原子能机构（IAEA）已明确将铀污染治理列为核能可持续发展的优先方向。
目前，铀污染修复技术主要包括物理修复、化学固定、电动修复和微生物修复等。其中，微生物修复技术因其绿色环保、反应条件温和、无二次污染等优点备受关注。微生物主要通过生物吸附、生物累积、生物还原和生物矿化等机制修复铀污染。众多微生物中，解磷微生物（Phosphate solubilizing microorganisms，PSM）作为土壤微生物的重要组成部分，能够依靠自身的代谢产物（如有机酸和/ 或磷酸酶），将土壤中难溶态磷转化为可供植物吸收利用的可溶性磷（Pi）。这一特性不仅可以提高土壤中磷的利用率，促进植物生长，而且PSM产生的Pi 还能与环境中的可溶性铀酰离子（UO22+，即六价铀）发生反应，形成稳定的磷酸铀酰沉淀，从而有效减少U( Ⅵ ) 的迁移性，起到“一菌两用”的效果。研究表明，利用PSM 溶磷并介导铀- 磷酸盐（U-P）生物矿化过程（反应式1 和2）不仅具有铀沉淀效率高、沉淀产物稳定性强等优点，且适用于不同浓度的铀污染修复，特别是低浓度的铀的处理，解磷微生物亦可通过吸附作用将铀进行浓缩，降低成核和矿化活化能，促进U-P 矿化。因此，PSM介导的U-P 生物矿化铀污染修复技术被认为是一种高效且具有广阔应用前景的铀污染修复技术。
近年来，随着PSM在铀污染修复领域的深入研究，其介导U-P 生物矿化修复技术取得了显著进展。研究者们不仅揭示了PSM溶磷作用的机制，还通过优化与生物矿化过程密切相关的磷酸盐等关键要素，提高了铀的沉淀效率和稳定性。此外，通过基因工程等手段，进一步增强了PSM的溶磷能力和对铀的耐受性，为铀污染的高效修复提供了有力支持。然而，该技术在实际应用中仍面临诸多挑战，如解磷微生物在铀污染修复中仍面临基因调控机制不明确、代谢产物作用途径不清晰、菌群互作关系复杂及磷酸铀酰矿物长期稳定性不足等关键问题。基于此，本文围绕解磷微生物展开论述，涵盖其概述、溶磷机制以及其在介导U-P 生物矿化修复铀污染方面的研究进展。同时，重点剖析影响解磷微生物介导U-P 生物矿化的各类因素，并对该技术的未来发展进行展望，为环境铀污染的修复治理提供了科学的理论依据。
PSM是一类能够将土壤中难溶的磷转化为植物可吸收利用形式的微生物。它们在自然界中广泛存在，对土壤磷循环和植物营养供应具有重要意义。PSM种类繁多，根据微生物的种类不同，可将其分为解磷细菌、解磷真菌和解磷放线菌等，其详细信息如表1所示。
其次，根据解磷微生物作用的磷源类型不同，可将其分为有机解磷微生物和无机解磷微生物。有机解磷微生物主要以植酸钙、磷酸肌醇、磷脂等有机态的磷化合物为磷源，而无机解磷微生物则是以无机磷酸钙、羟基磷灰石等为磷源。但这两类解磷微生物的界限有时并不明确，有些微生物如Pseudomonas koreensis、Acinetobacter calcoaceticus 和Staphylococcus epidermidis既可以溶解有机磷，又可以溶解无机磷。由于磷是生物必需元素，且土壤环境中可溶性磷含量很低（<1 mg/kg），PSM 通过溶磷作用产生Pi，促进植物生长，因此PSM 最初是作为植物促生菌使用。后续研究表明，PSM 释放的Pi 能与可溶性的UO22+反应，生成不溶性的磷酸铀酰沉淀，减少U(Ⅵ)的迁移。可见，利用PSM溶磷特性进行固铀，对修复环境铀污染具有较大潜力。下面将详细阐述PSM 的溶磷机制及其介导U-P 生物矿化修复铀污染的研究进展，并对PSM 介导U-P 生物矿化过程的影响因素进行总结。
过去几十年，科学家对PSM的溶磷机制进行深入探究，发现其主要通过两种机制实现溶磷作用：
1）溶无机磷的酸解机制：对于环境中不溶/ 难溶的无机磷化合物（又称矿物磷酸盐），PSM一般通过分泌葡萄糖酸、草酸、柠檬酸等有机酸，使环境pH降低，进一步通过竞争并螯合磷酸盐沉淀中的阳离子，从而实现解磷作用。GOLDSTEIN 等提出革兰氏阴性菌Erwinia herbicola 产葡萄糖酸是矿物磷酸盐溶解的主要机制，并在1992 年首次克隆出与该菌矿物磷酸盐溶解有关的基因gdh（葡萄糖脱氢酶基因）和pqq（吡咯喹啉醌合成基因），将其在Escherichia coli HB101 中异源表达，结果表明，重组菌株可产生葡萄糖酸且可溶解羟基磷灰石。目前已报道的与矿物磷酸盐溶解相关的基因有gabY、ppa、ppx、glp 和gcd 等。
2）溶有机磷的酶解机制：对于环境中不溶/ 难溶的有机磷化合物，解磷微生物可通过合成并分泌磷酸酶或植酸酶，使环境中不溶性的有机磷降解为可溶性的无机磷。据统计，土壤中有机磷酸盐约占土壤总磷含量的20%~80%，土壤中的微生物约有80% 可通过磷酸酶水解的方式将有机磷水解为无机磷。根据溶解有机磷酸盐底物的不同，可将磷酸酶分为三类：
（1）非特异性酸性磷酸酶（Nonspecific acid phosphatases, NASPs），主要以核苷酸和磷酸糖为底物。目前已报道的NASPs基因有acpA、phoC和napA、napD 和napE等。
（2）植酸酶（Phytases），亦称肌醇六磷酸盐磷酸水解酶，以肌醇六磷酸为底物。植酸盐是土壤中有机磷化合物的主要组成成分，土壤中微生物的存在促进了植物对植酸盐的利用，因此，开发高产植酸酶PSM 对改善植物营养和修复重金属污染具有重要的意义。目前已报道的植酸酶基因有来源于Bacillus sp.DS11 和B.subtilis VTT E-68013 的热稳定性植酸酶基因（phy）、来源于E.coli 的双功能酶基因appA 和appA2（编码酸性磷酸酶/ 植酸酶），以及来源于B.amyloliquefaciens FZB45 的中性植酸酶基因（phyA）等。
（3）磷酸酶和C-P 裂解酶，主要断裂有机磷酸盐中的C— P 键，这类磷酸酶水解的底物在土壤中含量少，因此研究的也少。目前已报道的与解磷微生物溶磷作用相关的基因见表2。
此外，对于某些既具有溶解无机磷又具有溶解有机磷的解磷微生物如Acinetobacter pittii，发现其细胞内既有与无机磷酸解有关的pqq 和ppk 基因，也有与有机磷酶解有关的phoH 和bpp 基因，针对两种不同类型的磷源，菌株均能通过感知磷浓度变化启动调控网络，以不同的基因表达模式来适应不同磷源环境，从而实现对磷的高效利用。
综上所述，PSM 主要通过酸解和酶解两条途径将难溶性的磷酸盐转化为可溶性的磷酸根，溶解出来的磷酸根可进一步与环境中的重金属离子螯合生成沉淀。但在实际应用过程中，需要注意的是PSM 通过分泌葡糖糖酸等有机酸过程，往往会降低环境pH，这可能会影响其他重金属的溶出。因此，在重金属环境修复中，我们更希望通过酶解作用的有机解磷微生物来实现重金属修复。
3 PSM 介导U-P 生物矿化修复铀污染的研究进展
PSM通过溶磷机制产生可溶性磷，为介导U-P 生物矿化提供了必要条件。近年来，利用PSM介导U-P 生物矿化研究较多。20 世纪90 年代初，人们首次发现菌株Citrobacter sp.N14 能将U( Ⅵ ) 以HUO2PO4 的形态沉淀下来，进一步研究表明，在Ca2+ 浓度较高时会形成Ca(UO2)2(PO4)2。随后该过程在其他细菌，如Bacillus、Enterobacter 和Pseudomonas 等，以及真菌如Aspergillus中得到证实（表3）。研究表明，PSM 能分泌有机酸或是表达磷酸酶，在无机磷酸盐如Ca3(PO4)2 和有机磷酸盐如甘油磷酸钠（SGP）、甘油-2- 磷酸（G2P）、甘油-3- 磷酸（G3P） 及植酸等存在下，形成各种U-P 矿物，其中最常见的是钙铀云母，但也观察到切尔尼科夫矿的形成。此外，对于一些耐辐射但自身不具备U-P 生物矿化功能的细菌，可通过异源表达溶磷基因来增强其沉淀U( Ⅵ ) 的能力。XU 等研究表明，在Deinococcus radiodurans 中异源表达phoN可显著提高重组菌株对U( Ⅵ ) 的沉淀能力。因此，在耐辐射菌中过表达溶磷基因是赋予微生物固铀的良好策略，也是利用微生物修复铀污染的一种有效方式。值得注意的是，铀作为一种放射性金属元素，能引起微生物的应激反应。目前的研究已经证实，双组分调控系统（Two-component systems, TCSs） 是细菌应对金属胁迫中一种最普遍且最重要的机制，该系统是由组氨酸蛋白激酶（Histidine protein kinase, HPK）和反应调节蛋白（Response regulator protein, RR） 组成。以C.crescentus NA1000 为例，当其暴露于一定浓度的U( Ⅵ ) 后，通过转录组和蛋白质组测序分析，发现两个关键的铀响应TCSs：UrpRS 和UzcRS。其中，UrpRS 通过调节植酸酶基因的表达来增强菌株对U( Ⅵ ) 的抗性；而UzcRS 则调节与铀响应相关基因urcA 的表达，该基因的启动子区域包含两个对U( Ⅵ ) 诱导特异的m_5 基序，与UzcR 识别的18 bp 基序几乎相同，研究表明UzcRs 缺陷的突变体对铀表现出敏感。此外，PINEL-CABELLO 等对菌株Stenotrophomonas bentoniticaBII-R7 进行转录组学分析，结果表明，在U( Ⅵ ) 压力下，涉及细胞壁和膜蛋白合成、外排系统及磷酸酶的基因均被上调，并推测增加合成的细胞壁将促进U( Ⅵ ) 与细胞表面的吸附，并由磷酸酶促进形成U-P 矿物。WANG等通过转录组测序比较了耐铀B.atrophaeus 菌株和同种敏感菌株之间的基因表达情况，结果表明，编码碳酸酐酶和细胞色素bd 氧化酶的两个基因ytiB 和ythA 可能对U( Ⅵ ) 去除能力产生负面影响。HU等指出，在铀胁迫下， Streptomyces 优先激活有机磷矿化和细胞内磷代谢通路，通过上调相关基因（如phoD、ugpBAEC）维持磷供应，同时通过afuA 等基因的铀转运系统减少铀对细胞的损伤，表明磷代谢与铀抗性存在协同调控。因此，为全面解析解磷菌介导U-P 生物矿化分子机制，不仅需要关注溶磷基因，还需要通过多组学分析解磷菌对U( Ⅵ ) 的响应机制。
综上所述，PSM 介导U-P 生物矿化过程与其溶磷、矿化作用密切相关。此外，铀胁迫下还会涉及到其他功能基因的表达调控，未来研究需整合多组学技术，解析溶磷基因与矿化基因的调控机理，以及它们与铀响应机制的交互关系，优化工程菌株的耐铀性与矿化效率，以推动PSM在铀污染修复中的实际应用。
PSM介导U-P 生物矿化是一个复杂的过程，涉及环境理化条件和生物代谢过程。研究表明，微生物种类、酸碱度（pH）、有机物及共存离子等生物理化因素均影响PSM介导U-P 生物矿化过程，具体如图1 所示。
在PSM 介导U-P 生物矿化过程中，温度、pH、磷源、共存离子等理化因素对PSM 的生长和代谢产物的产生具有重要影响，进而影响固铀产物的形成及其稳定性。例如，ZHENG 等在研究酿酒酵母固铀时，发现初始pH 为酸性时，其固铀产物为H2(UO)2(PO4)2 · 8H2O，而初始pH 为碱性，其产物为NH4(UO4)PO4 · 3H2O。ZHOU等在研究假单胞菌固铀时，发现当无外源磷源存在时，铀与假单胞菌表面官能团发生纯结合生物吸附；而在外源有机磷源存在时，该菌会分泌磷酸酶降解有机磷源，产生PO43−促进U-P生物矿化，形成稳定的结晶矿物沉淀，这表明有机磷源可促进PSM将不稳定的含铀络合物转变为更稳定的结晶矿物。
此外，无论是土壤还是地下水，都存在着大量阴阳离子（CO32−、NH4+、Ca2+、NO3−、Cl−等），使得PSM在介导U-P生物矿化过程及其产物变得复杂。REINOSO-MASET等通过流动 柱试验，研究了CO32−和pH对磷酸铀酰矿物溶解的影响，结果表明，在背景孔隙水碳酸根浓度增加时，会导致铀和磷的释放量大幅增加，且矿物溶解速率加快，这是由于形成了二元和三元铀酰碳酸盐络合物，加速了铀酰从磷酸铀酰层状结构中脱离的速率控制步骤；某些共存离子也对微生物矿化U（Ⅵ）产生促进作用，MEHT A等针对地下水中常见的阳离子（Na+、Ca2+），研究了两种阳离子对磷酸盐沉淀铀（Ⅵ）形成固体的影响，结果表明Ca2+的存在使情况更为复杂，在不同pH条件下涉及钙铀云母沉淀、磷酸钙固体形成以及铀在这些固体上的吸附或结合等多种过程；Na+的存在有利于形成钠铀云母，降低铀的溶解度，促进铀的固定，WEI等也得到相似的结论。虽然对共存离子已经有了不少研究，但面对室外场地共存离子对铀酰生物矿化的影响需要进一步深入研究。
微生物的存在及其特性对固铀产物的形成及稳定性起着重要影响，其中PSM的影响最显著。MORRISON等在研究Caulobacter OR37固铀时，发现在pH 为4.5且没有微生物参与下，当U(Ⅵ)浓度<1 μmol/L 且Pi>500 μmol/L 时，不会形成U-P 矿物；然而相同条件下，当OR37 参与时，却能形成U-P 矿物。这表明解磷菌的参与不仅能显著降低铀矿物成核所需的铀浓度阈值，还能促进铀成矿过程，增加产物稳定性，在铀污染修复中展现出不可替代的作用。
研究表明，PSM 介导U-P 生物矿化还与其表面形成的成核位点有关，PSM 通过代谢活动、表面结构及分泌胞外聚合物（EPS）等构建功能化成核位点，该界面可调控离子浓度梯度、提供矿物晶核反应界面，协同驱动矿物的定向结晶成核。如ZHANG等通过酯化和乙酰化反应分别屏蔽B.cereus12-2 表面的氨基、羧基和磷酸基，使铀的吸附能力分别下降60.65%、73.77% 和65.90%，指出羧基对铀吸附的贡献最大。这个结论被WEI 等再次验证。此外，ZHOU等指出，假单胞菌WG2-6产生的EPS对U-P 矿化中起着促进作用，并为形成稳定的矿化产物提供了成核位点，对铀磷酸盐矿物的沉淀起着关键作用。以上研究结果表明，PSM 介导U-P 生物矿化与表面成核位点的形成紧密相关，其细胞结构及代谢产物在重金属吸附与矿化发挥关键作用。
此外，PSM 分泌的酶如植酸酶、磷酸酶等，在其介导U-P生物矿化过程中发挥关键作用。MARTINEZ 等研究首次证实，从受污染土壤中分离出的天然细菌— Bacillus 和Rahnella 菌株均可通过内源性磷酸酶活性沉淀铀。ZHANG等在研究Bacillus sp.对铀的矿化过程时发现，该菌株产生的磷酸酶通过溶磷产生可溶性磷酸根离子来促使铀的相变；与此同时，激酶及其他相关酶也参与整个矿化过程的调节，共同促进铀从最初吸附在细胞表面的无定形状态转化为细胞内稳定的结晶态，最终实现铀的固定。然而，高浓度的铀会对细胞产生毒害作用，导致负责矿化过程的酶失活，从而阻碍了铀的矿化过程。WEI等在研究B.thuringiensis 016 的固铀机制时发现，尽管该菌株对高浓度铀（200~300 mg/L）时展现出显著的吸附能力，但在高浓度铀的毒性作用下，其关键矿化酶活性受到严重抑制，导致铀仅以无定形吸附态滞留于菌体表面，难以转化为稳定的铀磷酸盐结晶矿物。以上研究表明，微生物分泌的酶是驱动重金属矿化、实现铀固定的核心要素。未来需深入解析酶促矿化与铀毒性抑制之间的分子机制，探索能有效降低铀对酶活性负面影响的策略，从而为提升微生物介导的U-P 生物矿化修复铀污染效率提供理论依据与技术方向。
综上所述，PSM 介导的U-P 生物矿化过程受环境理化因素（如pH、共存离子、磷源）与生物因素（微生物种类、表面官能团、酶活性）共同调控：理化条件通过改变矿物溶解/ 沉淀平衡及铀形态分布影响产物稳定性，而生物因素则通过微生物产生的代谢物、提供成核位点及酶促反应显著降低成矿阈值并促进铀固定。因此，在将该技术应用于实际场景时，必须全面、综合地考量上述各类因素，以确保生物矿化过程能够高效、稳定进行。
尽管PSM在铀污染修复中展现出良好的应用前景，但其实际推广应用中仍面临以下关键问题：一方面，PSM在铀的胁迫下，参与磷代谢的基因与铀响应相关基因存在复杂的协同调控关系，但具体的信号传导路径尚不清晰；另一方面，PSM在磷代谢过程中产生的代谢产物（如EPS、铁载体）可能通过直接或间接方式参与铀的固定，但具体的作用途径有待细化。应用PSM 修复铀污染场地时，还需考虑本土微生物共存问题，不同菌株的磷代谢功能可能通过协同或拮抗作用，进而影响PSM对铀的固定效能。此外，当前研究多聚焦于实验室模拟阶段，实际应用中固铀产物的长期稳定性尚待验证。结合作者所在课题组前期的研究成果以及上述所描述的问题，未来需要从以下几个方面展开研究。
1）关键基因的功能验证与调控：针对已发现的关键基因（如phoD、ugpBAEC 等），通过基因敲除、过表达等分子生物学手段，明确其在磷代谢和铀响应中的具体功能及调控机制，探究这些基因在不同铀浓度、磷形态下的表达调控网络，为基因工程改造菌株以增强修复能力提供理论基础。
2）关键蛋白的表达与调控：关注磷代谢过程中的关键转运蛋白、功能蛋白、酶及信号传导蛋白的结构与动态行为；通过蛋白质工程手段，强化酶的催化效率、拓宽转运蛋白底物范围并提升其对铀的耐受性。
3）环境适应性优化：借助宏基因组、宏转录组等技术，识别本土微生物中与磷代谢和铀响应相关的功能菌株，明确本土微生物代谢互作关系，构建协同关系的人工菌群。
4）矿化产物稳定性强化：通过人工调控、监测菌群互作关系，保证微环境相对稳定，以维持解磷微生物介导U-P 生物矿化的长期稳定。
