群体感应信号调控微生物聚集体高效捕获稀土元素的机制及应用

针对稀土元素(REEs)回收率低、酸性废水处理难的问题，研究人员通过群体感应(QS)信号分子酰基高丝氨酸内酯(AHLs)调控附生生物膜(PB)的群落功能，将REEs捕获效率提升至96%，并在矿山废水、电子废物和粉煤灰等实际场景中验证了该技术的可行性，为REEs的绿色循环经济提供了新策略。

　　

稀土元素(REEs)是清洁能源技术的核心材料，但全球每年仅1%的REEs被回收，中国每年产生的2000万吨REEs废水与5400万吨电子废物造成严重环境压力。传统物理化学回收技术成本高且效率低下，而单一菌株难以适应酸性废水环境。微生物聚集体虽具有环境适应优势，但其REEs捕获机制尚不明确。

中国科学院南京土壤研究所等单位的研究人员以附生生物膜(PB)为模型，揭示了群体感应(QS)信号分子AHLs通过调控胞外生物聚合物合成，显著提升REEs捕获效率的机制。研究发现，AHLs增强的PB在矿山废水、电子废物浸出液等实际场景中REEs捕获效率达96%，并通过静电吸附、质子释放和复合沉淀三重机制实现高效回收。QS信号还优化了PB的耐酸群落结构，利用胞外聚合物屏障缓解pH和REEs胁迫。该研究在10吨级现场试验中验证了技术的可行性，成果发表于《Journal of Hazardous Materials》。

关键技术包括：从江西龙南稀土矿区采集酸性废水(pH=3.7)培养PB；AHLs浓度梯度实验评估REEs捕获效率；代谢组学分析生物合成通路；场发射扫描电镜-能谱(FE-SEM-EDS)表征REEs沉淀；16S rRNA测序解析群落结构。

【主要结果】

1. 附生生物膜培养：从含高NH₄
   ⁺
   -N(40-150 mg/L)的酸性废水中成功培育出以鞘氨醇单胞菌属(Sphingomonas)为主的PB群落。

2. AHLs增强捕获效率：3-oxo-C8-HSL信号使PB的REEs(La³⁺
   、Ce³⁺
   )捕获量提升2倍，静电吸附贡献率达58%。

3. 生物聚合物机制：AHLs促进EPS中糖醛酸(增加37%)和蛋白质(增加24%)合成，形成REEs-EPS复合沉淀。

4. 群落抗性机制：QS信号使PB在pH<4时存活率提高3倍，通过EPS屏障减少细胞内REEs积累50%。

5. 实际应用验证：在电子废物浸出液(含1.2 mg/L REEs)中实现92%回收率，粉煤灰处理成本降低40%。

【结论与意义】
该研究首次阐明QS信号通过"代谢激活-群落优化-环境适应"三级调控网络增强微生物聚集体REEs捕获能力。AHLs诱导的氨基酸和核苷酸糖代谢通路重构，促进EPS关键组分合成；同时塑造了以酸杆菌门(Acidobacteria)为主的核心耐酸菌群。现场试验证明该技术可处理10吨/日废水，为REEs循环经济提供了绿色解决方案。研究不仅拓展了QS在环境微生物学中的应用边界，也为重金属生物修复提供了"信号调控-功能强化"的新范式。