厌氧条件下微生物垫对六价铬的去除机制与群落响应研究

本综述系统探讨了微生物垫在厌氧环境中对六价铬（Cr(VI)）的去除能力与机制。研究表明，微生物垫通过胞外聚合物（EPS）介导的生物吸附和铬酸盐还原酶（ChrR）催化的生物还原作用，将毒性强的Cr(VI)转化为低毒性的Cr(III)。群落分析显示Cr(VI)浓度梯度显著驱动细菌类群演替（如Clostridia、Bacilli、Gammaproteobacteria和Alphaproteobacteria），揭示了其在低氧环境中修复铬污染水体的应用潜力。

　　

引言

采矿活动导致地下水中六价铬（Cr(VI)）污染日益严重。尽管好氧条件下微生物垫对Cr(VI)的去除已有研究，但其在厌氧环境中的作用机制尚不明确。本研究通过从阿曼铬矿遗址采集的微生物垫，系统分析了厌氧条件下Cr(VI)的去除效率、机制及细菌群落响应。

材料与方法

微生物垫样本（Mat A、B、C）采集自阿曼Nakhal废弃铬矿水体。实验在严格厌氧条件下进行，通过氮气脱氧和甲基蓝验证无氧环境。Cr(VI)浓度通过二苯碳酰二肼法测定，去除机制通过扫描电镜-能谱联用（SEM-EDX）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和胞外聚合物（EPS）定量分析。细菌群落通过16S rRNA基因MiSeq测序解析。

结果

厌氧Cr(VI)去除效率

三组微生物垫在30天内对1 mg L^-1 Cr(VI)的去除率均达96%以上。Mat A在更高浓度（5–50 mg L^-1）下仍保持显著去除能力，去除速率随浓度升高从0.15增至0.77 mg L^-1 d^-1。

生物吸附机制

SEM-EDX和元素映射证实Cr富集于微生物垫表面。FTIR分析揭示金属-O、Cr(VI)-O、PO₄、C-N、C=O、C-H、烷基和OH-NH₂等官能团参与吸附过程。暴露于100 mg L^-1 Cr(VI)后，EPS产量增加三倍，表明其关键作用。

生物还原作用

Cr(VI)被还原为Cr(III)，且还原量随浓度升高而增加。在100 mg L^-1 Cr(VI)条件下，75%的Cr被还原。细胞游离提取物（CFE）中铬酸盐还原酶活性为0.034 U mg^-1蛋白，30分钟内可去除80%的Cr(VI)。

细菌群落演替

原始垫中以Proteobacteria、Bacilli、Phycisphaerae为主。Cr(VI)暴露导致群落多样性显著降低（P < 0.001）。低浓度（1 mg L^-1）下Clostridia和Bacilli富集；5 mg L^-1时Gammaproteobacteria（如Stenotrophomonas maltophilia）占优势；高浓度（15–50 mg L^-1）下Alphaproteobacteria（如Brevundimonas）成为主导类群。相关性分析显示Alphaproteobacteria与Cr(VI)浓度呈显著正相关（r = 0.75）。

讨论

微生物垫通过生物吸附和生物还原协同作用高效去除Cr(VI)。EPS的功能基团（如羧基、羟基）和铬酸盐还原酶是关键分子基础。群落演替反映了类群对Cr(VI)耐受性和代谢能力的差异：Clostridia和Bacilli可能通过发酵产物提供电子供体；Gammaproteobacteria和Alphaproteobacteria则可能直接参与酶促还原。本研究为厌氧环境中铬污染生物修复提供了理论依据和应用潜力。

结论

微生物垫在厌氧条件下通过EPS介导的吸附和酶促还原有效去除Cr(VI)，且细菌群落结构随Cr(VI)浓度梯度发生适应性演替。未来需聚焦功能菌株分离、多组学机制解析及实际环境应用验证。