揭示Paracoccus versutus XT0.6在辉锑矿溶解过程中的双重作用：从促进有氧反应到抑制无氧反应

《Journal of Hazardous Materials》：Unveiling the dual role of Paracoccus versutus XT0.6 in stibnite dissolution: from aerobic promotion to anaerobic inhibition

微生物调控锑矿物溶解的氧化还原条件差异及机制研究。采用兼性厌氧锑氧化菌Paracoccus versutus XT0.6，对比有氧/无氧条件下对锑矿物的溶解影响，发现无氧条件下形成S-O键钝化层抑制溶解，而好氧促进氧化释放Sb(III)并转化为Sb(V)。揭示了微生物-矿物相互作用与电子受体耦合的关键作用，为重金属污染治理提供新思路。

　　微生物在采矿区的环境中对于锑（Sb）的迁移和转化具有重要作用，尤其是在有氧条件下。然而，关于微生物如何在无氧条件下增强硫化锑（stibnite，Sb?S?）的溶解和氧化仍存在许多未知。本研究使用了一种兼性厌氧的锑氧化细菌——Paracoccus versutus XT0.6，在无氧条件下探讨了其对硫化锑的相互作用。实验结果表明，在无氧的封闭系统中，XT0.6能够抑制硫化锑的溶解以及Sb(III)的释放，这一现象与有氧条件下其促进硫化锑溶解和Sb释放形成鲜明对比。在无氧的非生物系统中，总锑浓度（TSb）为41.7 mg/L，其中Sb(III)为16.8 mg/L。而在XT0.6存在的无氧系统中，TSb在第3天后下降至13.9 mg/L，且未检测到Sb(III)的存在。这一模式在不同初始氧含量的封闭系统中也得到了验证。相比之下，在有氧条件下，XT0.6能够将释放出的Sb(III)完全氧化为Sb(V)，最终浓度达到83.8 mg/L，而非生物对照组的TSb为69.8 mg/L，其中Sb(III)为36.3 mg/L。光照条件下，硫化锑的溶解和Sb(III)的氧化得到了增强，但对微生物与硫化锑之间的相互作用影响不大。这一现象可能与硫化锑作为半导体矿物，在光照下能够产生反应性氧物种（ROS）有关，从而促进了其溶解。而XT0.6对硫化锑溶解的抑制作用，可能是由于其在矿物表面形成了一层含有S-O键的钝化层，这在XPS和SEM-EDS的分析结果中得到了支持。本研究揭示了兼性厌氧细菌在锑循环中的作用，强调了在无氧条件下微生物与矿物相互作用的重要性。

锑是一种具有生理毒性的类金属元素，因其对全球环境污染和人类健康的影响而备受关注。锑广泛应用于工业产品中，如阻燃剂、电池和半导体，这导致了过去十年全球锑产量的持续增长。人类活动如采矿、冶炼以及含有锑的产品使用，与自然过程如风化和火山活动共同导致了土壤和水体中锑含量的升高。在中国的淡水生态系统中，锑污染对水生生物种类产生了显著影响，评估结果显示，有21.6%的场景属于高风险类别。硫化锑作为最重要的锑矿石矿物，其溶解和释放结晶态的Sb(III)是锑从矿物向土壤和水环境迁移的关键步骤。硫化锑的氧化溶解受到非生物和生物过程的共同影响。非生物因素包括溶解氧、pH、光照射、温度以及某些阳离子（如Ca2?和Mg2?）对硫化锑溶解具有显著影响。此外，反应性氧物种（ROS）和增强的电子传递也被证明可以促进硫化锑的溶解。除了这些非生物因素，微生物在调节锑的迁移和形态转化方面也发挥着关键作用。越来越多的细菌菌株被证实能够氧化溶解态的Sb(III)，并且一些新的酶系统和代谢途径也已被发现，例如AnoA和AioAB酶系统以及细胞内的过氧化氢（H?O?）。目前，关于微生物与锑的相互作用已有较全面的综述，特别强调了酶机制、调控途径和代谢过程。进一步的研究表明，某些特定的细菌菌株可以促进含有锑的矿物如硫化锑的氧化溶解。例如，Bosea sp. AS-1已被证实能够介导硫化锑中硫和锑的氧化，导致锑的释放。锑氧化微生物及其胞外分泌物可以通过pH调节和氧化溶解过程促进锑的释放和氧化。此外，酶促途径也增强了Sb(III)或硫的氧化。这些释放出的可溶性Sb(V)可能随后在形成次生矿物如NaSb(OH)?的过程中沉淀，从而影响锑的地球化学循环过程。

然而，上述进展大多是在有氧条件下取得的。然而，无氧条件在尾矿和地下环境中更为常见。在这些条件下，微生物与硫化锑的相互作用可能与有氧条件下有所不同，但目前对此仍知之甚少。在无氧条件下，硝酸盐成为最流行的电子受体之一，促进了硝酸盐还原和反硝化微生物的生长，这些微生物通过不同的代谢途径处理硝酸盐。硝酸盐还原菌将硝酸盐转化为铵，而反硝化菌则通过硝酸盐的逐步还原（NO?? → NO?? → NO → N?O → N?）生成氮气。自养型反硝化菌可以将硝酸盐还原与无机电子供体的氧化耦合，而异养型反硝化菌则主要依赖有机碳代谢进行硝酸盐还原。过去几十年，从环境中鉴定出的许多反硝化菌株包括Paracoccus denitrificans、P. versutus和Pseudomonas stutzeri。在采矿区，由于氮肥的过量使用和采矿活动，硝酸盐和重金属往往共存于地下水之中。这种共存使得硝酸盐还原与锑氧化的耦合成为可能。一方面，这种耦合可以降低锑的毒性；另一方面，硝酸盐的还原可能导致氮氧化物（N?O）的排放。作为一种强效温室气体，N?O的全球变暖潜能是二氧化碳的310倍，其释放可能加剧全球变暖。然而，反硝化菌如何通过硝酸盐和锑循环的耦合与硫化锑相互作用，特别是在采矿区，仍然缺乏深入研究。

因此，本研究的主要目标是阐明在无氧条件下，硫化锑的溶解机制以及由反硝化菌XT0.6介导的锑氧化过程。具体研究目标包括：（1）在不同初始氧含量条件下，研究XT0.6与硫化锑的相互作用；（2）探讨氧、pH和光照对无氧条件下微生物溶解硫化锑的影响；（3）揭示硝酸盐和锑循环之间的耦合关系。本研究的结果可能为理解在无氧条件下硫化锑与反硝化菌的相互作用提供新的见解，并为该领域的研究开辟新的方向。

XT0.6菌株是从锡矿山矿区的尾矿坝中分离得到的，已被证明能够在有氧和无氧条件下氧化Sb(III)。在本实验中，XT0.6在无氧条件下生长，使用了无菌的化学定义培养基（CDM），初始pH为7.2，在30℃下以150 rpm的速度在黑暗中培养。有氧实验则在250 mL的锥形瓶中进行，每个瓶内含有100 mL的无菌CDM。在有氧条件下培养3天后，通过离心（3000 rpm）收集细胞。在无氧条件下，随着XT0.6的生长，硝酸盐（NO??）浓度在前12小时内逐渐下降，并在16小时内完全减少至检测限以下（图2A）。平均反硝化速率计算为13.5 mg NO??/L/h。相应地，亚硝酸盐（NO??）浓度上升，16小时时达到1 mM的峰值，并在24小时后变得不可检测。随后，头空间中的N?O气体浓度急剧上升。

在本研究中，XT0.6在无氧条件下与Sb(III)的氧化过程耦合，同时进行硝酸盐的还原。研究发现，多种Paracoccus菌株已被确认为反硝化菌。例如，P. versutus LYM具有异养硝化和好氧反硝化（HNAD）能力，而P. versutus KS293则表现出好氧和厌氧高效的反硝化能力，并具有独特的铵（NH??-N）波动模式。XT0.6的基因组显示，其在两个染色体中携带参与反硝化的功能基因，如narG、nirS、nosZ和nirB。在本研究中，随着XT0.6的生长，其对Sb(III)的氧化作用与硝酸盐的还原过程紧密耦合，这一过程在无氧条件下尤为显著。

研究结果表明，单一微生物菌株对矿物溶解的影响可能取决于氧化还原状态。在有氧条件下，XT0.6通过提高pH和Sb(III)的氧化作用增强了硫化锑的氧化溶解。而在无氧条件下，尽管pH升高，XT0.6却表现出对硫化锑溶解的抑制作用。进一步的实验验证了在硫化锑表面形成了一层含有S-O键的钝化层，这可能是XT0.6抑制硫化锑溶解的原因。这一钝化层的形成可能影响了微生物与矿物之间的相互作用，从而改变了锑的迁移路径。

微生物对硫化锑溶解的影响依赖于氧化还原条件：有氧微生物通过氧化作用加速硫化锑的溶解，而无氧微生物则可能通过形成钝化层抑制其溶解。这一发现突显了氧含量在锑循环中的关键作用，并提示通过调控微生物过程以适应特定的氧化还原条件，可以增强对锑污染场地的可持续生物修复能力。在采矿区，由于尾矿和地下水环境的特殊性，微生物与矿物之间的相互作用可能对锑的迁移和转化产生重要影响。因此，了解这些相互作用对于评估和管理锑污染具有重要意义。

此外，硫化锑的溶解不仅受到微生物的影响，还受到多种非生物因素的调控。例如，溶解氧、pH、光照射、温度以及某些阳离子（如Ca2?和Mg2?）都可能影响硫化锑的溶解速率和程度。光照条件下，硫化锑的溶解和Sb(III)的氧化得到了增强，但对微生物与硫化锑的相互作用影响不大。这可能与硫化锑作为半导体矿物，在光照下能够产生反应性氧物种（ROS）有关，从而促进了其溶解。而微生物对硫化锑溶解的抑制作用，可能是由于其在矿物表面形成了一层含有S-O键的钝化层，这在XPS和SEM-EDS的分析结果中得到了支持。因此，研究微生物与矿物之间的相互作用，不仅有助于理解锑的地球化学循环，也为环境修复提供了新的思路和方法。

本研究的结果表明，微生物在不同氧化还原条件下对矿物溶解的作用可能截然不同。在有氧条件下，XT0.6通过增加pH和Sb(III)的氧化作用促进了硫化锑的溶解，而在无氧条件下，尽管pH升高，XT0.6却表现出对硫化锑溶解的抑制作用。这种差异可能与微生物在矿物表面形成的钝化层有关，该钝化层能够阻碍硫化锑的进一步溶解。因此，在环境修复过程中，需要考虑微生物与矿物之间的相互作用，以及氧化还原条件对这一过程的影响。通过调控这些条件，可以更有效地利用微生物进行环境修复，减少锑污染对生态系统的危害。

综上所述，本研究揭示了微生物在无氧条件下对硫化锑溶解的抑制作用，并探讨了其与Sb(III)氧化的耦合机制。这些发现不仅加深了对微生物与矿物相互作用的理解，也为锑污染的治理提供了新的视角。未来的研究可以进一步探索不同微生物菌株在无氧条件下的作用机制，以及如何通过微生物工程优化环境修复效果。此外，还可以结合环境监测和模型模拟，预测微生物在不同条件下的行为，从而为实际应用提供科学依据。这些研究对于推动可持续的环境管理具有重要意义。