新型芽孢杆菌Cr02的Cr(VI)生物修复机制：土壤-地下水系统中同步好氧/厌氧还原的突破性研究

为解决铬污染土壤-地下水系统中因氧含量变化导致的Cr(VI)还原效率不稳定问题，研究人员从铬渣污染场地分离出高效菌株Bacillus megaterium Cr02，揭示其通过ChrR酶（好氧）和半胱氨酸代谢（厌氧）的双路径还原机制，实现100 mg/L Cr(VI)的完全转化及>90%残渣态铬固定。该研究为动态含氧环境下的铬污染协同修复提供了创新策略。

　　

铬污染是工业场地最棘手的环境问题之一，尤其是毒性强、迁移性高的六价铬（Cr(VI)）在土壤-地下水系统中的扩散，如同一把“生态达摩克利斯之剑”。传统化学还原法虽快速但易引发“返黄”现象（Cr(III)重新氧化为Cr(VI)），而现有微生物修复技术又受限于氧含量波动——地表土壤好氧、深层地下水厌氧的“分裂”环境，让多数菌株顾此失彼。例如Shewanella oneidensis MR-1在好氧时效率达60%，厌氧时却大幅下降。这种“氧敏感”瓶颈严重阻碍了实际工程应用。

针对这一难题，来自中南大学的研究团队从长沙铬盐厂污染土壤中“淘金”，成功捕获一株“全能选手”——Bacillus megaterium Cr02。这株革兰氏阳性菌不仅能在800 mg/L（好氧）和600 mg/L（厌氧）的Cr(VI)极限浓度下存活，更展现出“双模驱动”的超能力：好氧时靠ChrR酶（chromate reductase）以NADH为电子供体，通过分子 docking 形成疏水作用直接攻击Cr(VI)；厌氧时则切换为分泌半胱氨酸（cysteine），在胞外“撒网”捕获Cr(VI)。令人振奋的是，两种路径殊途同归，最终产物均为稳定的Cr(III)溶液或Cr(OH)₃沉淀。在实际土壤修复中，Cr02更是将90%以上的Cr(VI)锁死在残渣态，彻底阻断其“复活”可能。

研究团队运用了多项关键技术：通过16S rRNA基因测序和系统发育树分析鉴定菌种；采用紫外分光光度法追踪Cr(VI)还原动力学；结合X射线光电子能谱（XPS）和透射电镜-能谱（TEM-EDS）解析产物形态；利用分子对接模拟ChrR酶与Cr(VI)的相互作用；设计土壤柱实验模拟真实污染场景。

主要研究结果

1. 菌株特性：Cr02在好氧/厌氧条件下分别耐受800 mg/L和600 mg/L Cr(VI)，远超S. oneidensis MR-1（300 mg/L）。
2. 双路径机制：好氧还原依赖ChrR酶（贡献率78%），厌氧还原60%由半胱氨酸介导。
3. 产物稳定性：XPS证实Cr(III)占比>90%，TEM-EDS观察到纳米级Cr(OH)₃颗粒。
4. 土壤修复：在氧化-还原交替层中，Cr02仍保持90%以上的转化率，残渣态铬增加3.2倍。

这项发表于《Journal of Hazardous Materials》的研究，首次揭示了同一菌株在动态氧环境中的“智能切换”机制。其意义不仅在于提供了一种“即插即用”的生物修复工具，更开创了土壤-地下水系统协同治理的新范式。正如通讯作者Shengguo Xue强调的：“Cr02就像自然界的‘铬转化工厂’，无论氧气如何变化，它总能找到最经济的解毒路径。”未来，针对多金属复合污染场景的适应性改造，将成为该团队的重点攻关方向。