一种新型的Bacillus tropicus菌株PCr-6能够同时去除六价铬（Cr(VI)）和磷酸盐：磷酸盐在促进六价铬还原过程中的作用

《Environmental Research》：Simultaneous removal of Cr(VI) and phosphate by a novel Bacillus tropicus strain PCr-6: The role of phosphate in the enhancement of Cr(VI) reduction

本研究发现Bacillus tropicus菌株PCr-6可同步去除磷酸盐和六价铬，磷源显著提升其Cr(VI)耐受性及还原效率，达97.39%，通过促进胞外多糖合成、增强还原酶活性及调控基因表达，主要去除途径为生物还原和生物矿化。

　　

彭丁华|李阳龙|刘嘉欣|张世忠|徐恒

中国三峡大学中医药管理局传统中药三级药理学实验室，湖北省宜昌市443002

摘要

鉴于磷酸盐（PO₄^3-）和铬酸盐（CrO₄^2-）具有相似的结构和电荷特性，使用传统方法难以同时去除它们。本研究创新性地报道了一种名为PCr-6的Bacillus tropicus菌株，该菌株能够同时从废水中去除磷酸盐和六价铬（Cr(VI)）。同时，Na₂HPO₄可以将PCr-6菌株对六价铬的最低抑制浓度从350 mg/L提高到1050 mg/L，并在24小时内将150 mg/L六价铬的还原率从20.89%提高到97.39%。摇瓶实验表明，PCr-6菌株在各种条件下（如pH值、温度、共存离子等）都能良好生长，同时实现六价铬的还原和磷的去除。在特定条件下，100 mg/L六价铬的还原率在24小时内达到了100%，10 mg/L磷的去除率在48小时内达到了98.56%。废水中的常见磷形式，包括三磷酸腺苷（ATP）、葡萄糖-6-磷酸（Pi）和三聚磷酸钠，都可以通过促进菌株生长、增加胞外聚合物的产生（73.09–107.31%）、提高六价铬还原酶活性（41.17–135.27%）以及调节chrA和nfrA基因的表达来增强PCr-6菌株对六价铬的还原效率。此外，磷的去除还通过调节碱性磷酸酶活性和ppk基因的表达来实现。表征结果表明，PCr-6菌株去除六价铬和磷酸盐的主要途径是生物还原和生物矿化。本研究为从废水中去除PO₄^3-和Cr(VI)提供了菌株资源。

引言

由于铬矿开采、冶炼、皮革制造等工业活动，六价铬（Cr(VI)）在环境中的污染问题日益严重（Singh等人，2022年）。六价铬具有较高的水溶性和迁移性，容易进入食物链，最终对人类造成致癌、致突变和致畸风险，因此被中国、美国环保署（EPA）和世界卫生组织（WHO）列为优先污染物（Xu等人，2024年）。然而，三价铬（Cr(III)）的溶解度较低，是生物体必需的微量元素，生物毒性几乎可以忽略不计。因此，将六价铬还原为三价铬被广泛认为是治理六价铬污染的最有效策略（Wu等人，2019年；Tan等人，2020年）。与化学和物理还原技术相比，微生物还原六价铬因其环保性、成本效益和可持续性而受到越来越多的关注。尽管已经鉴定出多种能够还原六价铬的细菌，如Shewanella属、Pseudomonas属、Lactococcus属和Bacillus属（Tan等人，2020年；Akhzari等人，2024年；Chen等人，2024年；Zhang等人，2024年），但在高浓度六价铬和存在竞争离子的复杂环境中，它们的六价铬还原效率仍不尽如人意。因此，迫切需要寻找更高效的六价铬还原菌株并开发改进的六价铬生物还原技术。

磷酸盐和六价铬是皮革鞣制、电镀和矿物加工等关键行业废水中典型的共污染物（Du等人，2022年；You等人，2024年；Cheng等人，2026年）。历史上，对这些行业的监管不足导致富含磷酸盐和六价铬的废水排放，从而导致水生生态系统中六价铬和磷酸盐的广泛共污染（Chen等人，2022年）。流域中的六价铬会通过与磷酸盐转运蛋白的竞争性结合，抑制水生植物的生长并减少植物中的磷积累（Li等人，2024年）。同时，高浓度的磷酸盐也会影响微生物对六价铬的积累，因为磷酸盐和CrO₄^2?共享相同的细胞转运通道（Gil-Cardeza等人，2017年）。因此，解决废水中的六价铬和磷共污染问题一直是一个重大挑战。目前，修复工作主要依赖于物理化学技术，如使用改性生物炭的吸附（Yan等人，2025年）和电凝聚共沉淀（Huang等人，2025年）。然而，这些技术在去除低浓度污染物方面的效果有限。尽管之前的研究分别报道了积累磷酸盐的生物体和还原六价铬的微生物，但很少有研究关注能够协同去除六价铬和磷的微生物。因此，分离出高效去除六价铬并具有磷去除能力的微生物具有重要意义。

磷是微生物代谢中的关键营养素，由于其对抗微生物生长、金属耐受性和修复效率的影响而受到了广泛关注。此外，还发现了微生物磷代谢与重金属地球化学过程之间的耦合关系（Duhamel等人，2021年）。例如，Wang等人（2019年）指出，有机磷可以促进Microcystis aeruginosa对砷（As(V)）的还原和甲基化，降低砷的生物毒性。Guo等人（2021年）报告称，土壤中的可利用磷可以增强Bacillus megatherium PMW-03对六价铬的还原。Wang等人（2020年）证明，磷可以刺激Geobacter sulfurreducens PCA分泌富里酸，从而增强铁（Fe(III)的还原。这些研究表明，磷可以促进微生物还原金属（如六价铬），减轻金属对微生物的毒性压力。然而，也有研究报道磷酸盐对微生物还原六价铬具有抑制作用，Kang等人（2014年）发现PO₄^3-抑制了Pseudomonas aeruginosa AB93066对六价铬的还原。然而，这些研究仅分析了单一形式的磷对微生物金属还原的影响，废水中多种磷的作用尚不清楚。因此，有必要评估六价铬还原细菌是否能在含有多种磷来源的废水中有效去除六价铬。值得注意的是，三价铬可以与磷酸盐结合形成相对稳定的CrPO₄，从而固定三价铬（Li等人，2024年）。因此，六价铬还原细菌同时去除六价铬和磷的潜力值得进一步研究。

总之，本研究的研究目标如下：1）分离并筛选一种高效还原六价铬且具有同时去除磷能力的细菌，并分析磷对其六价铬耐受性和还原能力的影响；2）评估该菌株在不同环境条件下的磷去除和六价铬还原性能；3）研究不同磷来源对细菌还原六价铬的影响，包括胞外聚合物（EPS）的产生、功能基因的表达水平以及关键酶的活性；4）表征六价铬还原细菌在不同磷来源下产生的六价铬还原产物。本研究有望为解决水生环境中的六价铬和磷共污染问题提供微生物菌株资源。

章节片段

六价铬还原和磷去除细菌的分离与鉴定

从中国四川省一家皮革制造厂的活性污泥中分离出了15株细菌。污泥的物理化学性质见表S1。这些细菌的分离方法详见补充材料的Text S1。然后，在含有或不含1.5% Na₂HPO₄的LB培养基中测定了这些菌株的六价铬最低抑制浓度（MIC），以进行分析

具有六价铬还原和磷去除能力的细菌的分离与鉴定

如图S1所示，从制革废水中分离出了15株具有不同菌落大小和颜色的六价铬抗性菌株，最初命名为PCr-1、PCr-2、PCr-3、PCr-4、PCr-5、PCr-6、PCr-7、PCr-8、PCr-9、PCr-10、PCr-11、PCr-12、PCr-13、PCr-14和PCr-15。表S4显示，这些菌株对六价铬的MIC范围为150至350 mg/L。这些结果共同表明，从制革废水中筛选出的菌株具有很强的六价铬抗性。有趣的是，MIC

结论

由于磷酸盐（PO₄^3-）和铬酸盐（CrO₄^2-）具有相似的结构和电荷特性，它们会竞争性地结合到相同的转运蛋白的活性位点上。因此，使用生物方法难以同时去除磷酸盐和六价铬。本研究创新性地报道了一种名为PCr-6的Bacillus tropicus菌株，该菌株能够同时去除磷酸盐和六价铬。同时，磷酸盐增强了PCr-6菌株对六价铬的耐受性和还原能力。该菌株表现出广泛的

CRediT作者贡献声明

彭丁华：写作 – 审稿与编辑，撰写初稿，可视化，方法学研究，数据整理，概念构建。李阳龙：可视化，验证，研究，数据整理。刘嘉欣：验证，研究，数据整理。张世忠：写作 – 审稿与编辑，撰写初稿，验证，概念构建。徐恒：验证，监督，资源协调，项目管理，资金获取

未引用参考文献

Li等人，2021年；Li等人，2024年；Li等人，2024年；Ya'acob等人，2021年。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：42307034）和四川省科技计划（项目编号：2024YFHZ0131，2024YFHZ0195）的财政支持；作者还感谢四川大学的吴曦教授和王辉教授提供的技术协助。