微生物介导内源磷驱动的花状磷酸盐自组装及其重金属固定化机制研究

【编辑推荐】本研究针对传统微生物诱导磷酸盐沉淀（MIPP）技术依赖外源磷的局限性，创新性地利用大肠杆菌（Escherichia coli）内源磷代谢途径，在Cu2+胁迫下通过活性氧（ROS）激活多磷酸盐分解，自发形成花状铜磷酸盐纳米结构，实现了无外源添加的重金属（Cu2+、Co2+、Zn2+、Pb2+）固定化，为环境修复提供了可持续策略。

　　

重金属污染是当今环境治理的重大挑战，其中铜（Cu）作为兼具生理必需性与毒性的典型元素，其过量释放会导致神经系统损伤、癌症等严重健康风险。传统修复技术如化学沉淀法成本高昂且易造成二次污染，而微生物诱导沉淀技术（如MICP和MIPP）虽具潜力，却长期受限于对外源磷酸盐的依赖。针对这一瓶颈，江西省自然科学基金等项目支持的研究团队在《Journal of Environmental Chemical Engineering》发表突破性成果，揭示了大肠杆菌通过内源磷代谢驱动重金属自组装成矿的全新机制。

研究团队采用多学科技术手段：通过扫描电镜（SEM）和X射线衍射（XRD）表征矿物形貌与组成；利用荧光探针检测细胞内ROS水平；结合蛋白质组学分析磷酸代谢关键酶（如PPK1和PPX）的作用；并拓展验证了Co²⁺、Zn²⁺、Pb²⁺等多金属体系的普适性。

材料与试剂
实验选用大肠杆菌K-12标准菌株，在含CuCl₂的LB培养基中诱导应激反应，通过50 mM PBS缓冲体系调控反应环境。

形态与成分表征
SEM观测显示，Cu²⁺胁迫下细菌表面自组装形成3D花状结构，XRD证实其为结晶态铜磷酸盐（Cu₃(PO₄)₂·3H₂O）。透射电镜（TEM）进一步揭示纳米片通过细菌分泌蛋白定向堆叠的成核过程。

机制解析
关键发现包括：（1）Cu²⁺吸附触发细菌膜负电基团（-COOH/-OH）静电作用；（2）ROS爆发激活polyP-ATP转化通路，PPX酶切释放PO₄^3-；（3）胞外Cu²⁺与PO₄^3-螯合形成初级纳米片；（4）细菌表面蛋白介导次级自组装为花状结构。该过程Cu²⁺去除率达92%，且内源磷含量与矿化效率呈正相关。

结论与意义
本研究首次阐明微生物通过内源磷代谢实现重金属自发矿化的完整链条，突破传统MIPP技术局限。其创新性体现在：（1）揭示polyP酶解-金属螯合-蛋白模板化的级联反应；（2）证实该机制对多种重金属的普适性；（3）为开发零化学添加的环境修复技术提供理论支撑。由Hui Xu等作者完成的工作不仅深化了对微生物-金属互作的认识，更为生物材料合成与污染治理开辟了新路径。