浅谈微生物在铀成矿中的作用及研究现状

(西北大学 地质学系，陕西 西安 710069)

现有的铀矿床低温成矿机制认为，铀成矿过程中需要预吸附一浓缩富集U(Vl)而后低温无机还原U(VI)，对铀矿床的成因已经做出了比较好的解释，但是这一机理还存在反应速率慢等问题，与实际成矿情形有冲突[1]。随着对微生物成矿作用的逐步了解,发现微生物的介入能使反应速率加快，且微生物的作用广泛存在于自然界中，因此将微生物引入铀的低温成矿机制综合考虑是一个很有前景的方向。

表1 新疆十红滩铀矿床各蚀变砂岩

表2 新疆十红滩铀矿床各蚀变砂岩部分

同时，笔者在野外工作中发现：与黄铁矿、有机质伴生出现的铀矿石品位远高于普通铀矿石的现象。继而，笔者对前人在新疆十红滩铀矿床和鄂尔多斯盆地大营铀矿床所采集样品的特征地球化学指标值做以分析整理，发现样品中的铀含量与其中的有机碳含量、黄铁矿含量呈正相关关系，如表1样品中的铀含量与有机碳含量变化趋势一致；表2中的数据不是很明显，但总体趋势与表1一致；表3、表4样品中的铀含量与有机碳含量、可反映黄铁矿含量的总硫含量大体呈正相关关系。根据以上数据与野外现象对此做出合理推测，认为与黄铁矿、有机质伴生出现的高品位铀矿石和微生物的活动有关。黄铁矿大多具有生物成因，与硫酸盐还原菌等微生物的活动密切相关，有机质能够为微生物提供生存、繁殖活动的能量，故而与两者伴生的铀矿石，其特高品位可能与微生物的聚集有关。为探明微生物在铀成矿中所能发挥的作用，笔者通过查阅文献、总结资料对此进行分析综述。

1 成矿微生物的分类与各自作用

微生物广泛参与了成矿过程中，地球化学环境中的物质元素循环、迁移、转化、富集和沉积成矿，在铀成矿过程中具有重要意义。

1.1 微生物的分类

根据西北大学黄建新老师团队在新疆十红滩铀矿床卓有成效的工作，将参与铀成矿微生物的种类总结如表5所示，共有7个菌种、21个菌属。

1.2 微生物的作用

1.2.1 参与铀成矿的各微生物相互关系

微生物广泛参与了成矿过程中，地球化学环境中的物质元素循环、迁移、转化、富集和沉积成矿[9]，而这样的微生物不是孤立存在、各行其是的一种或几种，而是分工明确、各司其职的微生物群体，它们互相依存共同实现着微生物对铀元素的成矿作用。

如图1所示，在微生物对铀元素的成矿作用中，芽孢杆菌负责代谢产生乙醇、醋酸、甘油等有机物，为其它细菌提供碳素营养，是整个微生物群体的食物供给者；硫杆菌、硝化细菌、亚硝化细菌分别对硫化物、硝化物进行作用，产生SO42-、NO3-、NO2-降低了环境pH，使环境pH调节为酸性环境便于含氧含铀流体的流动以富集铀元素[3]，有利于分散在岩石中的四价铀被浸出，以六价铀的形式迁移、富集，并且在迁移至还原物质足够丰富的环境中时，有利于六价铀被还原为四价铀而卸载成矿；硫杆菌作用产生的硫酸盐与地层中固有的硫酸盐作为硫酸盐还原菌(SRB)[11]呼吸作用的原料，可生成H2S气体，其本身具有较强的还原能力，可将六价铀还原为四价铀，溶于水可降低环境pH，有利于成矿；而过量的H2S气体对微生物是一个很大的生存威胁，氧化硫硫杆菌可对H2S在水中电离后得到的S2-进行呼吸作用产生硫酸盐，改善了了菌体的生存环境，也使H2S气体与硫酸盐在环境中构成了物质循环；岩石中分散的四价铀在铁还原型细菌[3]的作用下被浸出，以六价铀的形式迁移、富集，在硫酸盐还原菌(SRB)、自养需氧型铁细菌(IRB)、H2S气体的综合作用下被还原为四价铀而卸载成矿；而氧化型铁细菌负责代谢产生Fe3+，使Fe2+与Fe3+在环境中构成了物质循环；反硝化细菌的作用，目前尚不明确。硫杆菌、硝化及亚硝化细菌、反硝化细菌、芽孢杆菌，虽未参与直接成矿，但它们促进了矿床中C、N、S、Fe、U等元素的循环，加快了有机、无机物之间的转换，为成矿细菌提供了能源、电子供体、受体，创造了有利的成矿环境。根本而言，微生物是以催化剂的身份介入成矿相关作用当中的，反应前后物质守恒、价态守恒，它的参与加快了铀成矿的进程。

表3 鄂尔多斯盆地大营铀矿床矿石带砂岩部分特征地球化学指标值(引自罗晶晶，2017)

表4 鄂尔多斯盆地大营铀矿床各蚀变砂岩部分特征地球化学指标值(引自孙莉，2016)

表5 参与铀成矿微生物的分类[3、6-8]

1.2.2 硫酸盐还原菌(SRB)作用机理

SRB是微生物参与铀成矿的主要细菌之一，它主要是通过改变环境中的物理化学条件来发挥成矿作用，可利用硫酸盐作为呼吸作用的原料[11]，生成具有较强还原能力的H2S气体，H2S气体溶于水可降低环境pH，有利于成矿；SRB也可直接参与还原六价铀，其还原能力与生长情况有关,若生长旺盛则还原能力较强，反之则较弱[3]。

图1 微生物参与铀成矿流程示意图

1.3 微生物的分布特征

各类细菌及其数量与地球化学分带有关，按照氧化带→弱氧化带→矿石带→还原带的顺序，其种类和数量均逐渐减少。其分布受矿层中有机碳含量、二价铁含量、三价铁含量、溶解氧含量、硫酸盐含量和铀含量等控制[10]。对比铀含量高的分带中多种微生物数量的多寡，发现铀含量高的分带中SRB数量高于其他微生物，且与铀含量之间存在较明显的正相关关系，是比较好的找矿标志[3]，对铀矿勘查很有意义。

1.4 微生物生存条件

根据吐哈、伊犁两盆地总结出的该类

铀矿床具备的(藻菌类)微生物生存条件：

1)两盆地早、中侏罗世的气候温润潮湿

2)赋矿围岩中富含有机质

3)含氧地下水为好氧菌供氧

4)该类铀矿床形成于常温(20℃～30℃)

2 微生物的培养、分离、鉴定

微生物的培养、分离、鉴定流程如图2所示，按氧化带、矿石带(过渡带)、还原带在矿区采样，对得到的岩心样品去除表层以免非本源微生物的污染，经紫外线照射后置于无菌研钵内粉碎至细粉状备用。每次培养需取用10 g样品混入100 ml目标微生物的富集培养液中摇匀，经一段时间培养增殖后，针对不同微生物的特点分别采取连续平板涂布法、二重叠皿隔绝空气培养法、硅胶固体平板分离法进行分离纯化，再经稀释平板计数法、MPN计数法统计细菌数目，最后使用伯杰细菌分类手册、芽孢菌鉴定手册对各细菌进行鉴定。其中，细菌计数是为了得到各细菌浓度，鉴定是为了得到获取微生物的种属、特征。

图2 微生物培养、分离、鉴定流程图

3 结语

微生物参与铀成矿的现象与活动证据广泛存在，而且它们互相依存共同实现着对铀元素的成矿作用。微生物参与成矿的过程中，存在H2S气体与硫酸盐物质循环、Fe2+与Fe3+物质循环，在循环中能量被传递、电子被转移，促进了矿床中C、N、S、Fe、U等元素的循环，加快了有机、无机物之间的转换，为成矿细菌提供了能源、电子供体、受体，创造了有利的成矿环境，对现有的铀矿床低温成矿机制是一个很好的补充。要研究与黄铁矿、有机质伴生出现的铀矿石品位远高于普通铀矿石这一现象的原因，需探究岩石中的哪些成分是微生物的优势聚居地，黄铁矿和有机质是否是微生物优势聚居地之一，而微生物本身是否能造成铀元素的富集等问题。这也是下一步工作的方向之一。