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本研究发展与使用各类前沿的表面与纳米表征手段，结合我国毒性金属污染治理的需求，开展微生物与毒性金属铬和铀相互作用的微观机制研究。通过选择我国典型的毒性金属铬和铀严重污染的区域以及铀矿床作为菌种采集位点，从中分离出与六价铬和铀还原、转化和固定过程密切相关的各类细菌;以原子力显微镜、电子显微镜、同步幅射光源X射线吸收精细结构谱等技术对代表性细菌还原、转化和固定毒性金属铬和铀的微观过程进行观测研究。认识微生物处理毒性金属污染的本质问题。在此基础上发展出更为成熟高效的生物去除毒性金属污染的方法及毒性金属回收利用技术。具体研究内容和结果如下:
对多个受六价铬严重污染的位点进行土壤样品采集，分离筛选出5株对铬酸盐有强的耐受性的菌株。对阴沟肠杆菌和人苍白杆菌的耐铬机理进行研究，结果表明沟肠杆菌是通过形成保护层来防止铬的毒害，而人苍白杆菌则是通过表达大量的超氧化物歧化酶(SOD)来防止损伤。我们对人苍白杆菌CTS-325还原Cr(Ⅵ)及其固定还原产物Cr(Ⅲ)的机理的基础研究。蛋白抑制实验证明人苍白杆菌CTS-325细胞还原六价铬是酶促反应。ESR谱表明在还原的过程中Cr(Ⅴ)作为中间体产生，但很快就彻底还原成Cr(Ⅲ)。XANES进一步表明还原后的铬的价态为三价。EXAFS谱显示细胞碎片和铬的配位与甘氨酸和铬的配位谱图最吻合。通过铬氧和铬氮拟和发现铬是以6配位的形式存在。说明O/N原子是还原终产物Cr(Ⅲ)的第一配位壳层，结构类似于铬与甘氨酸的配位。通过酯化反应和酰胺化实验分别封闭羧基和氨基，结果进一步说明氨基和羧基是同时和Cr(Ⅲ)配位。在有机质丰富的环境，被还原的Cr(Ⅲ)可与含氨基和羧基的有机小分子先形成可溶的易迁移的Organo-Cr(Ⅲ)复合物，但是形成Organo-Cr(Ⅲ)仅仅是铬转化过程中的一个中间态，通过一定时间的滞留（约2年），它可以转化为无机的三价铬而被沉淀。在人苍白杆菌还原和固定铬的机理指导下，完成含铬工业废水处理和回收利用的中试(50L)放大实验。三类工业含铬废经过该工艺处理，排放水中的铬的含量达到中国水质排放标准。
应用PCR-DGGE指纹图谱技术和PCR-RFLP技术对十红滩铀矿床中微生物群落结构进行了研究。通过比较条带的数量和丰度了解各采集位点微生物的种群结构，比较不同位点的微生物种群差异。在铀矿床中微生物种群结构和分布清楚的情况下，设计合理的培养基对其中可培养细菌进行分离培养。已经从新疆十红滩铀矿床中和两个铀污染位点分离到36种细菌。选取3种本土细菌和2种遗传工程菌进行纯培养，以原子力显微镜、电子显微镜、同步幅射光源X-射线精细结构谱等技术进行这5种细菌与铀的相互作用微观机制研究，结果表明这些细菌均能在10分钟内将0.42 mmol/L的U(Ⅵ)中的90％以上沉淀下来，各细菌对铀的最大沉淀量为每克干重120-187 mg。XRD结果表明该沉淀物为无定型态，XANES结果表明沉淀的铀仍然为六价，EDS分析暗示了铀的沉淀与磷酸根相关。无定型沉淀物经过常温放置90天或150℃水热处理48h，可形成粒径小于5nm的颗粒磷酸铀酰化合物---HUO2PO4，但若提高水热处理温度到240℃，上述无定型物可在48小时内转化成粒径超过8纳米以上的沥青铀(UO2)。这种大尺寸的沥青铀纳米颗粒非常稳定，在环境中放置1年之后仍然保持其物相不变。