淺談微生物在鈾成礦中的作用及研究現(xiàn)狀

(西北大學 地質(zhì)學系，陜西 西安 710069)

現(xiàn)有的鈾礦床低溫成礦機制認為，鈾成礦過程中需要預吸附一濃縮富集U(Vl)而后低溫無機還原U(VI)，對鈾礦床的成因已經(jīng)做出了比較好的解釋，但是這一機理還存在反應速率慢等問題，與實際成礦情形有沖突[1]。隨著對微生物成礦作用的逐步了解,發(fā)現(xiàn)微生物的介入能使反應速率加快，且微生物的作用廣泛存在于自然界中，因此將微生物引入鈾的低溫成礦機制綜合考慮是一個很有前景的方向。

表1 新疆十紅灘鈾礦床各蝕變砂巖

表2 新疆十紅灘鈾礦床各蝕變砂巖部分

同時，筆者在野外工作中發(fā)現(xiàn)：與黃鐵礦、有機質(zhì)伴生出現(xiàn)的鈾礦石品位遠高于普通鈾礦石的現(xiàn)象。繼而，筆者對前人在新疆十紅灘鈾礦床和鄂爾多斯盆地大營鈾礦床所采集樣品的特征地球化學指標值做以分析整理，發(fā)現(xiàn)樣品中的鈾含量與其中的有機碳含量、黃鐵礦含量呈正相關關系，如表1樣品中的鈾含量與有機碳含量變化趨勢一致；表2中的數(shù)據(jù)不是很明顯，但總體趨勢與表1一致；表3、表4樣品中的鈾含量與有機碳含量、可反映黃鐵礦含量的總硫含量大體呈正相關關系。根據(jù)以上數(shù)據(jù)與野外現(xiàn)象對此做出合理推測，認為與黃鐵礦、有機質(zhì)伴生出現(xiàn)的高品位鈾礦石和微生物的活動有關。黃鐵礦大多具有生物成因，與硫酸鹽還原菌等微生物的活動密切相關，有機質(zhì)能夠為微生物提供生存、繁殖活動的能量，故而與兩者伴生的鈾礦石，其特高品位可能與微生物的聚集有關。為探明微生物在鈾成礦中所能發(fā)揮的作用，筆者通過查閱文獻、總結資料對此進行分析綜述。

1 成礦微生物的分類與各自作用

微生物廣泛參與了成礦過程中，地球化學環(huán)境中的物質(zhì)元素循環(huán)、遷移、轉化、富集和沉積成礦，在鈾成礦過程中具有重要意義。

1.1 微生物的分類

根據(jù)西北大學黃建新老師團隊在新疆十紅灘鈾礦床卓有成效的工作，將參與鈾成礦微生物的種類總結如表5所示，共有7個菌種、21個菌屬。

1.2 微生物的作用

1.2.1 參與鈾成礦的各微生物相互關系

微生物廣泛參與了成礦過程中，地球化學環(huán)境中的物質(zhì)元素循環(huán)、遷移、轉化、富集和沉積成礦[9]，而這樣的微生物不是孤立存在、各行其是的一種或幾種，而是分工明確、各司其職的微生物群體，它們互相依存共同實現(xiàn)著微生物對鈾元素的成礦作用。

如圖1所示，在微生物對鈾元素的成礦作用中，芽孢桿菌負責代謝產(chǎn)生乙醇、醋酸、甘油等有機物，為其它細菌提供碳素營養(yǎng)，是整個微生物群體的食物供給者；硫桿菌、硝化細菌、亞硝化細菌分別對硫化物、硝化物進行作用，產(chǎn)生SO42-、NO3-、NO2-降低了環(huán)境pH，使環(huán)境pH調(diào)節(jié)為酸性環(huán)境便于含氧含鈾流體的流動以富集鈾元素[3]，有利于分散在巖石中的四價鈾被浸出，以六價鈾的形式遷移、富集，并且在遷移至還原物質(zhì)足夠豐富的環(huán)境中時，有利于六價鈾被還原為四價鈾而卸載成礦；硫桿菌作用產(chǎn)生的硫酸鹽與地層中固有的硫酸鹽作為硫酸鹽還原菌(SRB)[11]呼吸作用的原料，可生成H2S氣體，其本身具有較強的還原能力，可將六價鈾還原為四價鈾，溶于水可降低環(huán)境pH，有利于成礦；而過量的H2S氣體對微生物是一個很大的生存威脅，氧化硫硫桿菌可對H2S在水中電離后得到的S2-進行呼吸作用產(chǎn)生硫酸鹽，改善了了菌體的生存環(huán)境，也使H2S氣體與硫酸鹽在環(huán)境中構成了物質(zhì)循環(huán)；巖石中分散的四價鈾在鐵還原型細菌[3]的作用下被浸出，以六價鈾的形式遷移、富集，在硫酸鹽還原菌(SRB)、自養(yǎng)需氧型鐵細菌(IRB)、H2S氣體的綜合作用下被還原為四價鈾而卸載成礦；而氧化型鐵細菌負責代謝產(chǎn)生Fe3+，使Fe2+與Fe3+在環(huán)境中構成了物質(zhì)循環(huán)；反硝化細菌的作用，目前尚不明確。硫桿菌、硝化及亞硝化細菌、反硝化細菌、芽孢桿菌，雖未參與直接成礦，但它們促進了礦床中C、N、S、Fe、U等元素的循環(huán)，加快了有機、無機物之間的轉換，為成礦細菌提供了能源、電子供體、受體，創(chuàng)造了有利的成礦環(huán)境。根本而言，微生物是以催化劑的身份介入成礦相關作用當中的，反應前后物質(zhì)守恒、價態(tài)守恒，它的參與加快了鈾成礦的進程。

表3 鄂爾多斯盆地大營鈾礦床礦石帶砂巖部分特征地球化學指標值(引自羅晶晶，2017)

表4 鄂爾多斯盆地大營鈾礦床各蝕變砂巖部分特征地球化學指標值(引自孫莉，2016)

表5 參與鈾成礦微生物的分類[3、6-8]

1.2.2 硫酸鹽還原菌(SRB)作用機理

SRB是微生物參與鈾成礦的主要細菌之一，它主要是通過改變環(huán)境中的物理化學條件來發(fā)揮成礦作用，可利用硫酸鹽作為呼吸作用的原料[11]，生成具有較強還原能力的H2S氣體，H2S氣體溶于水可降低環(huán)境pH，有利于成礦；SRB也可直接參與還原六價鈾，其還原能力與生長情況有關,若生長旺盛則還原能力較強，反之則較弱[3]。

圖1 微生物參與鈾成礦流程示意圖

1.3 微生物的分布特征

各類細菌及其數(shù)量與地球化學分帶有關，按照氧化帶→弱氧化帶→礦石帶→還原帶的順序，其種類和數(shù)量均逐漸減少。其分布受礦層中有機碳含量、二價鐵含量、三價鐵含量、溶解氧含量、硫酸鹽含量和鈾含量等控制[10]。對比鈾含量高的分帶中多種微生物數(shù)量的多寡，發(fā)現(xiàn)鈾含量高的分帶中SRB數(shù)量高于其他微生物，且與鈾含量之間存在較明顯的正相關關系，是比較好的找礦標志[3]，對鈾礦勘查很有意義。

1.4 微生物生存條件

根據(jù)吐哈、伊犁兩盆地總結出的該類

鈾礦床具備的(藻菌類)微生物生存條件：

1)兩盆地早、中侏羅世的氣候溫潤潮濕

2)賦礦圍巖中富含有機質(zhì)

3)含氧地下水為好氧菌供氧

4)該類鈾礦床形成于常溫(20℃～30℃)

2 微生物的培養(yǎng)、分離、鑒定

微生物的培養(yǎng)、分離、鑒定流程如圖2所示，按氧化帶、礦石帶(過渡帶)、還原帶在礦區(qū)采樣，對得到的巖心樣品去除表層以免非本源微生物的污染，經(jīng)紫外線照射后置于無菌研缽內(nèi)粉碎至細粉狀備用。每次培養(yǎng)需取用10 g樣品混入100 ml目標微生物的富集培養(yǎng)液中搖勻，經(jīng)一段時間培養(yǎng)增殖后，針對不同微生物的特點分別采取連續(xù)平板涂布法、二重疊皿隔絕空氣培養(yǎng)法、硅膠固體平板分離法進行分離純化，再經(jīng)稀釋平板計數(shù)法、MPN計數(shù)法統(tǒng)計細菌數(shù)目，最后使用伯杰細菌分類手冊、芽孢菌鑒定手冊對各細菌進行鑒定。其中，細菌計數(shù)是為了得到各細菌濃度，鑒定是為了得到獲取微生物的種屬、特征。

圖2 微生物培養(yǎng)、分離、鑒定流程圖

3 結語

微生物參與鈾成礦的現(xiàn)象與活動證據(jù)廣泛存在，而且它們互相依存共同實現(xiàn)著對鈾元素的成礦作用。微生物參與成礦的過程中，存在H2S氣體與硫酸鹽物質(zhì)循環(huán)、Fe2+與Fe3+物質(zhì)循環(huán)，在循環(huán)中能量被傳遞、電子被轉移，促進了礦床中C、N、S、Fe、U等元素的循環(huán)，加快了有機、無機物之間的轉換，為成礦細菌提供了能源、電子供體、受體，創(chuàng)造了有利的成礦環(huán)境，對現(xiàn)有的鈾礦床低溫成礦機制是一個很好的補充。要研究與黃鐵礦、有機質(zhì)伴生出現(xiàn)的鈾礦石品位遠高于普通鈾礦石這一現(xiàn)象的原因，需探究巖石中的哪些成分是微生物的優(yōu)勢聚居地，黃鐵礦和有機質(zhì)是否是微生物優(yōu)勢聚居地之一，而微生物本身是否能造成鈾元素的富集等問題。這也是下一步工作的方向之一。