尿素分解驱动的硫化物生成沉淀作用及pH值升高，助力锌污染酸性矿井废水的有效生物修复

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Ureolysis-driven sulfidogenic precipitation and pH enhancement for robust bioremediation of zinc-laden acid mine drainage

微生物协同修复酸性含锌矿井水：UPB-SRB策略的机制与效能评估

　　本研究探讨了尿素酶产生菌（UPB）与硫酸盐还原菌（SRB）之间的顺序微生物协同作用，用于处理含有锌的酸性矿井排水（AMD），旨在缓解低pH值和金属毒性带来的复合压力。传统处理方法不仅成本高昂，还存在二次污染的风险，而本研究采用尿素酶产生菌通过水解尿素、提升pH值以及降低金属毒性，为硫酸盐还原菌的生长创造有利条件。通过模拟含有锌的酸性矿井排水（初始pH值为3，Zn2?浓度为100 mg/L，SO?2?浓度为2500 mg/L），评估了UPB在不同条件下的适应性及其代谢响应。结果显示，UPB能够有效提升系统pH值，从而促进后续SRB的定殖，并显著提高锌去除率和硫酸盐还原效率，相较于仅使用SRB的对照组表现更优。地球化学分析（如XRD、FTIR和XPS）进一步表明，UPB衍生的代谢产物能够促进锌的螯合，从而增强SRB驱动的硫化作用和金属沉淀。宏基因组测序揭示了明显的微生物演替过程，从初始UPB的主导地位（用于酸性环境的耐受）逐渐过渡到SRB的稳定主导，这一过程与改善的理化参数密切相关。UPB–SRB策略在高锌负荷和酸性条件下提升了修复性能，为AMD处理提供了一种生物集成的方法。

全球对锌的需求在2024年达到了约1380万吨精炼金属，预计在2025年将超过1400万吨（ILZSG, 2024）。这种持续的消费导致了大量的废弃和半活性锌矿，其尾矿和废石富含易氧化的闪锌矿，当暴露于空气、雨水以及硫氧化微生物时，会生成酸性矿井排水（AMD）。典型的锌-AMD表现出pH值低于3，硫酸盐和锌的毫摩尔浓度较高，而在某些闪锌矿矿点，溶解的锌甚至可以达到2克/升 [1], [2], [3]。锌-AMD的持续释放会酸化土壤，污染地表水和地下水，并沿着食物链生物累积，对生态环境和公众健康构成长期威胁 [4]。

传统的处理方法，包括物理方法（如吸附、膜技术）和化学方法（如电解、离子交换），虽然能够达到排放标准，但存在高试剂消耗、操作复杂、污泥处理困难以及在许多情况下产生二次污染等问题 [5]。相比之下，利用硫酸盐还原菌（SRB）进行生物修复因其成本效益高、环境兼容性强以及较强的金属去除能力而受到越来越多的关注。在厌氧条件下，SRB以有机碳为电子供体，将硫酸盐还原为硫化物，这些硫化物随后与Zn2?反应生成不溶的金属硫化物沉淀，从而有效固定金属毒性 [6], [7]。

尽管SRB在处理锌-AMD方面具有潜力，但其规模化应用仍面临挑战。大多数SRB菌株属于DsrAB型的异化还原菌（如Desulfovibrio、Desulfobulbus和Desulfobacter），它们主要在中性污泥或湖泊沉积物中活跃，适应pH值5–8的环境 [8], [9]。原始的酸性排水（pH值低于3）需要使用昂贵的碱性试剂（如Ca(OH)?和CaO）或NaOH来调节pH值并使金属沉淀，但这对于锌而言效率低下。锌氢氧化物（Zn(OH)?）具有两性性质，其低溶解度意味着只有当pH值超过9时，才能实现有效的沉淀 [18], [19]。然而，这样的碱性条件远远超出了SRB的最佳活动范围（6–8），凸显了传统化学中和方法与生物处理之间的不兼容性。

近年来，尿素酶产生菌（UPB）因其对酸性和金属胁迫的耐受能力而受到关注。在尿素水解过程中，UPB释放氨（NH?），逐步提高pH值，并展现出良好的生态适应性和生物相容性。研究表明，来自Bacillus和Lysinibacillus的菌株能够在pH值低于5的条件下将pH值提升至中性或碱性 [20], [21], [22]。研究还发现，UPB能够与其它微生物（如磷酸溶解菌、硝化菌和胞外多聚物产生菌）协同作用，增强pH调节和金属固定能力 [23], [24]。这些微生物产生的代谢产物富含羧基和氨基基团，可能作为金属螯合位点，从而降低金属的生物可利用性 [20], [25], [26]。基于已有研究，UPB的代谢产物已被证明能够显著增强SRB在酸性重金属废水中的金属硫化物沉淀能力，例如在酸性矿井排水和电池浸出液中 [26], [27], [28]。然而，目前关于UPB与SRB之间是否存在直接的物种互作和代谢耦合的研究仍较为有限，尤其是在功能基因水平上对这些互作机制的解析也尚未深入。

为了解决这一问题，本研究设计了一种顺序共培养策略，首先引入UPB通过其代谢活动调节微环境，随后引入SRB以实现代谢接力和动态协同。研究的核心科学问题包括：UPB是否能够在极端酸性和金属胁迫条件下维持尿素酶活性？UPB衍生的代谢产物如何增强SRB的功能性？UPB和SRB之间是否存在协调的代谢机制？回答这些问题不仅有助于深化对微生物互作机制的理解，也为该策略在工程应用中的理论基础提供了支持。需要强调的是，尽管本研究基于微生物代谢，但重点在于它所诱导的化学过程，即碱度调节、金属螯合和硫化物沉淀（表S2）。这些过程代表了主要的污染物去除途径，并具有明确的工程应用价值。

在本研究中，我们采用模拟锌-AMD系统作为模型，以探究UPB与SRB的协同作用。研究目标包括：（i）在不同条件下表征UPB的代谢活动及其提升pH值的能力；（ii）通过UPB-SRB共处理量化其解毒能力；（iii）整合宏基因组和地球化学数据，以阐明金属去除途径和微生物互作机制。本研究建立并验证了以UPB为驱动、SRB为主导的修复策略，为处理锌污染废水提供了一条稳健的生物修复路径。

为了评估UPB在不同环境压力下的适应性及其pH调节能力，我们进行了低氧单因素和多因素实验。这些实验揭示了UPB的耐受机制，并量化了其将pH值提升至6所需的时间，6是SRB代谢的最低阈值。如图1A和1B所示，在低氧条件下，pH值为3时，UPB联合体通过水解尿素生成NH?，迅速提高pH值，证实了在pH值2–4.5范围内，尿素酶的诱导表达是酸性胁迫的一种响应机制 [33]。这一发现表明，UPB不仅能够在极端酸性条件下保持其活性，还能够通过代谢产物的释放逐步改善环境条件，从而为后续SRB的生长和代谢提供有利的微环境。

此外，研究还揭示了UPB和SRB之间存在的协同效应。UPB的代谢产物不仅能够提高系统pH值，还能够通过螯合作用降低锌的生物可利用性，从而减少其对SRB的毒害。在酸性条件下，锌的存在可能抑制SRB的活性，而UPB通过其代谢产物的释放，能够缓解这种抑制作用，使SRB得以在更宽泛的pH范围内发挥功能。这种协同效应的实现依赖于UPB和SRB之间的代谢耦合，即UPB的代谢产物能够为SRB提供必要的营养和生长条件，从而促进其对锌的去除和硫酸盐的还原。

宏基因组测序结果进一步表明，UPB和SRB之间存在明显的微生物演替过程。在初始阶段，UPB占据主导地位，主要负责酸性环境的耐受和pH值的调节。随着环境条件的改善，SRB逐渐成为系统中的主要功能菌群，这一过程与系统pH值的提升和金属毒性降低密切相关。研究还发现，UPB和SRB之间的相互作用不仅限于物理环境的调节，还包括功能基因的协调表达。这种协调表达可能涉及代谢产物的共享、信号分子的传递以及基因调控网络的相互影响，从而形成一种动态的微生物协同网络。

通过地球化学分析（如XRD、FTIR和XPS），我们进一步解析了UPB和SRB在锌去除过程中的作用机制。UPB的代谢产物能够与锌形成稳定的络合物，从而降低其在溶液中的浓度，并促进其向固相沉淀。这一过程不仅提高了锌的去除效率，还为SRB的硫化作用提供了适宜的条件，使锌与硫化物结合，形成不溶的金属硫化物沉淀。这种协同作用的实现依赖于UPB和SRB之间的代谢耦合，即UPB的代谢产物能够为SRB提供必要的硫源和还原条件，从而增强其对锌的去除能力。

研究还发现，UPB和SRB之间的协同作用具有明显的环境适应性。在高锌负荷和酸性条件下，UPB能够通过其代谢产物的释放，为SRB提供一个相对稳定的微环境，使其能够在不利条件下继续发挥功能。这种适应性不仅体现在UPB对酸性环境的耐受能力上，还体现在其对金属毒性的缓解作用上。通过调控pH值和金属的生物可利用性，UPB能够为SRB的生长和代谢创造一个更适宜的环境，从而提高整个系统的修复效率。

此外，研究还探讨了UPB和SRB之间的功能基因互作。通过宏基因组测序，我们发现UPB和SRB在基因表达水平上存在显著的协同效应。UPB的某些基因可能在酸性条件下被激活，以增强其对金属的耐受能力，而SRB的某些基因则可能在pH值提升后被激活，以提高其对锌的去除效率。这种基因表达的动态变化可能反映了UPB和SRB之间的代谢耦合，即UPB的代谢产物能够作为信号分子，触发SRB的特定代谢途径，从而实现更高效的污染物去除。

研究还揭示了UPB和SRB在锌去除过程中的协同效应。UPB通过其代谢产物的释放，不仅能够提高系统的pH值，还能够通过螯合作用降低锌的生物可利用性，从而减少其对SRB的毒害。这种协同效应的实现依赖于UPB和SRB之间的代谢耦合，即UPB的代谢产物能够为SRB提供必要的营养和生长条件，从而促进其对锌的去除和硫酸盐的还原。通过这种协同作用，UPB和SRB能够共同作用，实现对锌-AMD的高效处理。

综上所述，本研究通过模拟锌-AMD系统，探讨了UPB与SRB之间的顺序协同作用。研究结果表明，UPB能够在极端酸性和金属胁迫条件下维持其活性，并通过代谢产物的释放为SRB的生长和代谢创造有利条件。这种协同作用不仅提高了锌的去除效率和硫酸盐的还原能力，还通过代谢耦合和功能基因互作，形成了一个动态的微生物修复网络。本研究为处理锌污染废水提供了一种新的生物修复策略，具有重要的理论和工程应用价值。