产气克雷伯菌HC10保护的用于去除三价锑（Sb(III)）的水凝胶：性能与机制

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Klebsiella aerogenes HC10 protecting hydrogel for Sb(III) removal: Performance and mechanism

锑氧化细菌（Sb-oxidizing bacteria）在土壤和水体中去除Sb(III)的应用受环境胁迫限制。本研究通过聚乙烯醇（PVA）和海藻酸钠（SA）构建细菌聚合物水凝胶（BPH），其多孔结构增强微生物存活与Sb(III)氧化效率达96.03%，且低分子量外源代谢物（<3kDa）和有机氧/杂环化合物代谢物起关键作用。实验证实BPH对土壤和水体中Sb(III)去除率分别达53.09%和32.91%，为锑污染治理提供新策略。

　　

张朝兰|钟凯|卢定天|向俊宇|孙宇波|于思荣|袁丽文|邓焕|顾敏华|荣群

广西大学资源环境与材料学院，中国南宁530004

摘要

氧化锑细菌是去除土壤和水环境中三价锑（Sb(III)）的重要生物剂。然而，它们容易受到恶劣环境条件的影响。本文提出了一种由聚乙烯醇（PVA）、海藻酸钠（SA）和HC10菌株组成的细菌聚合物水凝胶（BPH）。BPH具有多孔网络结构，具有较高的比表面积和胶体刚性，能够增强物质交换，帮助菌株适应压力环境，并显著加速Sb(III)的去除。较高剂量和初始pH值显著提高了Sb(III)的氧化和去除效率。在Sb压力下，代谢物中的有机氧和杂环化合物显著增加，细胞外低分子量组分（< 3 kDa）是加速氧化的关键因素，经过8天培养后氧化率达到96.03%。值得注意的是，外源性核黄素（RF）是增强BPH去除Sb(III)的关键代谢物。显微表征分析表明，BPH既吸附了Sb(III)也吸附了Sb(V)，并且吸附的Sb(III)在珠体内逐渐被氧化。-OH和-COOH官能团主要通过静电吸引和配合作用实现Sb的吸附。此外，BPH从土壤中分别去除了53.09%和32.91%的水提取和柠檬酸提取的Sb(III)。因此，本研究加深了对基于微生物氧化和吸附去除Sb的理解，并提出了一种实用的自我净化策略，用于管理含Sb产品的整个生命周期中的Sb泄漏和风险控制。

引言

过度且不可持续的采矿活动导致水和土壤中Sb的污染。在中国，超过1000万公顷的土地面临重金属污染的风险，其中包括Sb [1]。采矿活动导致干旱土壤中总Sb（T-Sb）的积累量为1357 mg·kg^?1，是区域背景水平2.1 mg·kg^?1的646倍 [2]。此外，稻田-旱地轮作区的土壤中Sb(III)含量约为588 mg·kg^?1，占T-Sb的40.7% [2]。这给土壤生态健康和农业生产带来了重大挑战，因为Sb(III)具有毒性、致癌性，并且容易被植物吸收 [3]。因此，氧化是一种有效的策略，可以减轻Sb的毒性和生物可利用性。

使用微生物替代无机氧化物受到了关注，因为它们是环保的生物材料，具有高效的土壤改良能力。特别是，氧化锑细菌被认为是潜在的氧化剂，因为它们能够抵抗压力，快速繁殖，并通过氧化基因或代谢物在细胞外或细胞内加速Sb(III)的氧化 [4],[5]。这些微生物在厌氧条件下使用硝酸盐作为Sb(III)氧化的电子受体，或者在代谢物中使用黄素来介导氧化还原反应，促进无定形纳米辉锑矿的形成 [6]。此外，它们将Sb氧化与尾矿栖息地中的固氮和磷溶解结合起来，从而有助于恢复土壤生态 [7]。然而，直接将氧化锑细菌应用于土壤或水中受到多种实际挑战的阻碍，例如由于非生物因素（如土壤pH值和温度）导致微生物存活率低，这使得微生物在土壤中的稳定性和长期持久性变得复杂 [8],[9]。这严重限制了生物氧化剂的使用。

然而，通过将微生物与某些工程材料和有机物质结合，可以提高微生物的定殖效率。例如，纳米材料可以与微生物相互作用，促进定向递送到特定类型的细胞并加速元素转化 [10],[11]。虽然有机物质通常作为载体，但在复杂的土壤环境中，它们的简单组合可能会遇到稳定性问题，从而可能降低微生物菌株的整体功能。相比之下，生物材料表现出优异的生物相容性和生物降解性，作为微生物封装剂具有显著潜力 [12],[13]。包含封装在生物材料中的菌株的微生物凝胶可以在干扰因素下增强菌株定殖并促进重金属修复 [14]。因此，迫切需要开发一种新型且简单的微生物封装剂，既能保持细菌的氧化Sb活性，又能促进定殖，提高微生物生长效率，并抵抗Sb的影响。

Klebsiella aerogenes HC10菌株是开发用于提高Sb(III)去除效率的氧化锑细菌的基础菌株。HC10的独特之处在于其高抗氧化性 [15]。此外，HC10具有独特的代谢系统，能够代谢有机酸并产生活性氧物种，从而加速Sb(III)的氧化 [16],[17]。因此，在本研究中，我们使用PVA和SA通过静电吸引、离子交联和氢键等相互作用形成BPH，以降低HC10对恶劣环境条件的敏感性。此外，我们进行了组合优化、批次平衡培养和土壤验证，确定了BPH的最佳制备方法和目标应用效果。同时，通过整合代谢组学分析和显微表征阐明了BPH的非生物应激响应机制，包括关键活性代谢物的分泌、Sb(III)氧化的加速以及Sb的保留，以减轻其毒性和移动性。

部分摘录

氧化锑细菌与土壤

Klebsiella aerogenes HC10是一种来自农田土壤的本土细菌。它以其耐受性和氧化能力而闻名，并已在中国普通微生物菌种保藏中心（编号20508）中登记和保存 [15]。为了获得湿细胞，HC10在液体LB培养基（酵母提取物（5 g·L^?1）、色氨酸（10 g·L^?1）、氯化钠（10 g·L^?1）中于25°C和150 rpm条件下培养24小时。然后通过4°C下8000×g离心8分钟分离细胞

BPH的合成和工艺参数优化

使PVA和SA以不同剂量相互作用，合成了九种不同的BPH样品（图1a）。珠子的直径为3.52毫米，活菌数为5.85×10⁸ CFU/g湿重（表S2）。BPH的SEM图像显示其具有多孔微结构（图1b）。这种结构有利于HC10的定殖和繁殖，并促进内部和外部之间的营养物质和细胞代谢物交换

结论

为了提高受Sb(III)污染环境中抗氧化锑细菌的功能能力，使用PVA和SA对细胞进行了封装。BPH具有丰富的多孔网络结构，为微生物提供了适宜的生活环境，增强了菌株的物质交换，并加速了Sb(III)的去除。较高剂量和初始pH值显著提高了Sb(III)的氧化和去除效率。这种细菌保护性水凝胶微球表现出

CRediT作者贡献声明

向俊宇：研究。钟凯：方法学，研究。卢定天：撰写——初稿，验证。张朝兰：撰写——初稿，资金获取，概念化。顾敏华：验证，研究。荣群：监督，项目管理，资金获取，概念化。袁丽文：方法学。邓焕：研究。孙宇波：研究。于思荣：研究。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国广西自然科学基金（2025GXNSFAA069171）、中国自然科学基金（42267001、42507043）以及广西青年人才计划（针对荣群）的支持。