光养微藻驱动铁矿化新途径实现砷镉协同固定：一种重金属与类金属综合治理的创新策略

针对酸性矿山废水中砷(As)和镉(Cd)难以同步去除的难题，中山大学团队创新性地利用光养微藻-细菌共生体系，通过光合碱化促进Fe(II)氧化（提升45%）和FeOB/SRB协同作用，构建了As-Fe共沉淀(As/Fe比0.28)与CdS沉淀的双重固定路径，实现>99% As和>97% Cd去除，为多重金属(loid)污染治理提供了新型生物矿化策略。

　　

在矿山开采、冶金等行业排放的酸性废水中，砷(As)和镉(Cd)这对"毒鸳鸯"常常结伴出现，却因砷的阴离子形态(AsO₄^3-)与镉的阳离子形态(Cd²⁺)性质迥异，传统处理方法往往顾此失彼。现有技术如化学沉淀、铁基吸附剂等，不仅成本高昂，还可能引发二次污染。更棘手的是，自然界中铁矿物虽能强力吸附砷，但在强酸性环境中难以稳定存在。这时，一群神奇的"绿水工匠"——光养微藻进入了科学家视野。这些单细胞生物既能通过光合作用调节环境pH，又与铁氧化细菌(FeOB)等微生物形成共生关系，暗示着可能存在未知的协同净化机制。

中山大学的研究团队在《Journal of Cleaner Production》发表的研究，首次揭示了微藻驱动铁矿化的双途径机制。研究者从广东梅州铅锌尾矿湿地采集生物水壳(BAC)中分离出耐金属菌藻共生体，构建含Fe(II)、As(V)和Cd(II)的微宇宙实验体系，通过监测pH动态、金属去除率、矿物表征（X射线衍射和扫描电镜）及微生物群落分析（16S rRNA测序），系统解析了生物-非生物耦合作用过程。

微藻生长与培养期间pH动态
在初始15天适应期，所有实验组pH均降至3.5-4.0，这是Fe(III)水解产酸与微藻代谢失衡所致。但随着微藻适应，光合作用开始主导pH变化，实验组pH在20天内升至5.45-5.50，显著高于无生物对照组。这种"碱性引擎"效应直接促使28%-30%的Cd通过水解沉淀被去除。

铁转化与砷固定机制
持续碱化使Fe(II)氧化速率提升45%，90天培养后形成施氏矿/水铁矿等次生矿物，通过共沉淀实现>99%砷去除。特别值得注意的是，微藻共生体系中的铁氧化细菌(FeOB)产生的生物源铁矿物，其砷吸附容量显著提高（As/Fe摩尔比达0.28，对照组仅0.20）。

微生物群落结构与功能
16S rRNA分析显示，微藻显著富集了Gallionellaceae（典型FeOB）和Desulfobacteraceae（硫酸盐还原菌SRB）。前者加速Fe(II)氧化，后者通过产生S^2-促使97%的Cd以CdS形式沉淀。这种"细菌分工"与微藻光合碱化形成完美互补。

讨论与结论
该研究突破了传统认知中微藻仅能直接吸附重金属的局限，揭示了三条创新机制：(1)光合作用驱动的"pH开关"效应，既促进Cd水解又加速Fe(II)氧化；(2)微藻-细菌互作构建的"矿物工厂"，生物源铁矿物具有更优的砷固定能力；(3)SRB介导的硫化物沉淀路径。这种三重协同使体系在pH仅升至中性附近时，就实现了强酸性环境下难以达到的金属固定效率。

这项发现为多重金属污染治理提供了全新思路：利用自然界本就存在的菌藻共生关系，通过调控微生物群落结构，可低成本实现"以废治废"。特别在酸性矿山废水治理中，该方法既能避免传统石灰中和法产生的污泥问题，又克服了单纯生物处理效率低的缺陷。未来研究可进一步优化菌藻组合，探索在实际复杂水体中的应用潜力。