历史石材表面分离的詹森青霉和频现青霉对Fe2+的体内生物修复研究

《Engineering Science and Technology, an International Journal》：In vivo bioremediation of Fe2+ from batch culture medium using Penicillium jensenii and Penicillium frequentans isolated from historical stone surfaces

本研究针对水体Fe2+污染问题，探讨了从历史建筑石材表面分离的詹森青霉(Penicillium jensenii)和频现青霉(Penicillium frequentans)在批次培养体系中的生物修复潜力。研究证实两种真菌在10天培养期内可同步实现菌体生长与Fe2+高效去除（最高去除率93.45%），并通过FTIR光谱揭示了其官能团参与修复机制，为可持续废水处理提供了新型微生物资源。

　　

随着工业化进程加速，重金属污染已成为全球性环境挑战。铁(Fe)作为地壳中含量丰富的金属元素，其离子形态Fe²⁺在水体中过量存在时，会通过食物链富集对生态系统和人体健康造成严重威胁。传统物理化学处理方法虽有一定效果，但存在成本高、易产生二次污染等局限。在此背景下，利用微生物进行环境修复的绿色技术——生物修复(Bioremediation)应运而生。特别值得关注的是，某些微生物在营养匮乏的极端环境中进化出独特的金属耐受机制，这为开发高效生物修复剂提供了新思路。

本研究创新性地从伊斯坦布尔耶尔德兹技术大学达武特帕沙校区历史建筑石材表面分离微生物资源。这些历经数百年风雨侵蚀的石材表面，孕育了能在极端营养条件下生存的微生物群落。研究人员假设，这些以矿物成分为营养源的微生物可能具备卓越的重金属富集能力。基于该假设，团队开展了针对Fe²⁺污染水体的真菌修复研究，相关成果发表于《Engineering Science and Technology, an International Journal》。

研究团队采用多阶段技术路线：首先通过DRBC和MEA培养基从石材样本中分离纯化真菌菌株；继而利用火焰原子吸收光谱法(FAAS)定量检测Fe²⁺浓度变化；通过监测10天内菌体干重与金属去除率的动态关系，计算最大比摄取率(S_m)和特定生长率(μ)；采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)解析真菌细胞壁官能团在金属吸附过程中的作用机制。

研究结果系统揭示了两种青霉菌的修复特性：

3.2.1 詹森青霉的生物修复性能

在50-200 mg/L Fe²⁺浓度范围内，詹森青霉均表现出显著修复能力。当初始浓度为100 mg/L时，第5天去除率达93.45%，最大比摄取率为0.139 mg/g。值得注意的是，所有实验组均呈现"第5天拐点现象"——修复效率在5天内持续上升，之后因菌体衰亡导致部分已吸附金属重新释放。

3.2.2 频现青霉的生物修复性能

频现青霉对50 mg/L Fe²⁺的去除效率最高达93.98%，但其对高浓度(200 mg/L)铁胁迫的耐受性较弱，效率降至57.43%。最大比摄取率(0.124 mg/g)略低于詹森青霉，表明菌株间存在代谢差异。

3.3 pH值对生物修复的影响

溶液酸碱度显著影响修复效率。詹森青霉在pH=6时效果最佳(95.68%)，而频现青霉在pH=5时达峰值(94.1%)。碱性环境(pH>8)均会抑制两种真菌活性，这与细胞膜通透性和金属离子形态变化相关。

3.4 培养基浓度对生物修复的影响

降低培养基浓度至1/2(8.5 g/L)和1/4(4.25 g/L)后，真菌在营养胁迫下仍保持良好修复性能。詹森青霉在稀释培养基中对50 mg/L Fe²⁺的去除率维持在81-91%区间，证明其适应贫营养环境的能力与历史石材分离源特性相符。

3.5 生物修复机制阐释：FTIR光谱分析

通过对比修复前后真菌生物质的红外光谱位移，明确羧基(-COOH)、胺基(-NH₂)和磺酸基(-SO₃H)等官能团是金属结合的主要位点。詹森青霉在1618 cm^-1(C=O伸缩振动)和1551 cm^-1(仲胺基)处的显著峰位移，频现青霉在1620 cm^-1处50 cm^-1的位移量，均证实这些基团通过配位键与Fe²⁺发生特异性结合。

本研究通过多维度实验验证了历史石材来源真菌的修复潜力。相较于传统死细胞生物吸附，活体真菌修复技术实现了微生物生长与污染物去除的协同增效。詹森青霉与频现青霉对Fe²⁺的高效去除能力，特别是在贫营养条件下的持续活性，为工业废水处理提供了新策略。研究揭示的pH适应性、营养利用特性及分子作用机制，为后续菌种改良和工艺优化奠定了理论基础。这种"以废治废"的理念——利用真菌将重金属污染物转化为生物质组成成分，代表了环境生物技术的重要发展方向，对推动可持续发展具有重要实践意义。