来自P-C3N5的羟基自由基能够增强细菌活性，从而促进低温条件下阿特拉津（atrazine）的生物降解过程

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Hydroxyl radicals from P-C3N5 boost bacterial activity for enhanced low-temperature atrazine biodegradation

草甘膦降解、磷掺杂C3N5、微生物固定化、活性氧调控、生物协同修复

　　

康志超|杨阳|韩学荣|王晨旭|岳静|余洪文

中国科学院东北地理与农业生态研究所黑土保护与利用国家重点实验室，中国长春，130102

摘要

阿特拉津是一种在全球农业实践中广泛使用的除草剂。然而，其环境持久性对生态系统构成了严重的毒理学风险，这突显了需要有效的修复策略。本研究证明，将能够降解阿特拉津的细菌Paenarthrobacter sp. KN0901与掺磷的C3N5结合使用的混合系统在低温条件下显著提高了阿特拉津的去除效率。具体而言，该混合系统的阿特拉津降解率比单独使用细菌时高出28.0%，主要通过促进细菌生长和上调代谢活性实现。进一步的机制研究表明，C3N5材料增加了KN0901细胞内的活性氧（ROS）水平，主要是通过增强羟基自由基的生成。此外，该混合系统在广泛的pH和温度条件下都能保持稳定的性能。总体而言，这些发现为活性氧作为生物混合系统中生化刺激剂的作用提供了新的机制见解，并为基于材料-微生物协同作用的设计高效且具有韧性的生物修复技术提供了有希望的策略。

引言

阿特拉津是一种在全球范围内广泛使用的三嗪类除草剂，用于控制多种农业系统中的阔叶杂草和草本杂草[1]。由于其广泛的应用以及高水溶性，它经常通过地表径流导致水环境的污染[2]、[3]。在农业区域，阿特拉津在地表水、地下水中甚至饮用水中的浓度范围从0.01到10 μg·L^-1不等，在严重污染的地点，浓度甚至超过50 μg·L^-1——远超美国环保署规定的3 μg·L^-1的关注水平[4]。阿特拉津在土壤中的半衰期为13至261天，在水中的半衰期超过200天，表现出显著的环境持久性和潜在的内分泌干扰效应，对生态完整性、农业生产力和人类健康构成重大风险[5]。因此，有效去除环境中的阿特拉津残留物对于保护生态系统健康和推进农业实践至关重要。

已经鉴定出许多能够降解阿特拉津的微生物菌株，包括Streptomyces nigra LM01、Citricoccus sp. TT3和Arthrobacter sp. C2[6]、[7]、[8]。使用这些能够将阿特拉津代谢为低毒性或无毒代谢产物的菌株代表了一种有前景的生物修复策略，因为它具有成本效益、操作条件温和且二次污染最小[9]。然而，微生物修复的实际效果往往受到个别菌株在变化环境条件下的存活率低和降解性能不稳定性的限制。

为了克服这些限制，已经开发了多种策略来提高微生物的存活率和降解效率[10]。其中，微生物固定化已成为提高有机污染物降解效率的有效方法，并引起了越来越多的研究兴趣[11]、[12]、[13]。碳氮化物材料（CxNy）在光催化和高级氧化过程中被广泛研究用于环境修复[14]。在光照或激活下，这些材料会产生活性物种，包括自由基（·OH, O₂^-）和非自由基（¹O₂, h⁺），这些物种在污染物降解中起着关键作用[15]、[16]。

迄今为止，关于用于微生物固定的碳氮化物载体的研究主要集中在基于C3N4的材料上[17]、[18]。掺磷已被证明是一种成熟且有效的策略，可以优化C3N4的物理化学性质，近年来有大量的基础研究和实际应用报告[19]。磷掺杂主要通过替代晶格中的碳/氮原子引入缺陷（作为电荷分离位点）来改变C3N4的电子结构[20]。如今，研究进一步扩展了其应用范围，包括光催化污染物降解（例如酚类、抗生素）、水分解和CO₂还原。相比之下，C3N5具有更优的电子结构、更高的氮含量和更强的催化活性，使其成为环境修复的有希望的候选材料[21]。然而，关于掺磷C3N5的研究仍然很少，特别是在将其整合到微生物混合系统用于生物修复方面的研究。

此外，以往的研究通常认为碳氮化物材料产生的活性氧（ROS）对微生物活性有害，忽视了它们促进生物降解的潜力[22]、[23]。新的证据表明，ROS可能积极促进微生物对污染物的降解。例如，在使用DyP基酶系统的细菌系统中，ROS对木质素的降解至关重要[24]。另外，另一项研究表明Methylosarcina和Candidatus Nitrosotenuis表达了含铜的甲醇单加氧酶（CuMMOs），这些酶产生ROS，从而在以甲烷为养分的生物膜中启动了磺胺甲噁唑的氧化降解[25]。虽然这些研究强调了细胞内ROS的积累，但掺磷C3N5诱导的细胞外ROS对微生物降解阿特拉津的影响尚未被探索。

在之前的研究中，成功分离出一种能够在低温下高效降解阿特拉津的嗜冷菌Paenarthrobacter sp. KN0901[26]。同时，还合成了掺磷的C3N5。基于这些基础，本研究追求四个主要目标：（I）合成C3N5并通过红磷（rP）对其进行修饰以获得P-C3N5；（II）构建结合C3N5基材料和Paenarthrobacter sp. KN0901的混合系统；（III）研究在不同条件下C3N5材料对KN0901菌株降解阿特拉津的影响；（IV）阐明材料诱导的ROS在调节微生物降解过程中的机制作用。这项工作不仅引入了一种新型的高性能材料到微生物-材料混合系统中，还开创了将ROS视为微生物降解潜在刺激剂而非抑制剂的探索。这些发现有望为设计下一代针对持久性有机污染物（如阿特拉津）的协同修复技术提供指导。

部分摘录

化学试剂

在本研究中，红磷（97%）购自中国上海的Macklin公司，而3-氨基-1,2,4-三唑则购自中国上海的Aladdin公司。

掺磷C3N5的合成与表征

在本研究中，C3N5是通过热裂解合成的[27]。具体来说，将3-氨基-1,2,4-三唑放入瓷坩埚中，在550°C下，在氩气氛围中加热3小时，加热速率为每分钟5°C。随后通过将红磷（rP）蒸镀到C3N5上来实现磷掺杂。

掺磷C3N5的合成与表征

合成的C3N5材料的表面形态通过扫描电子显微镜（SEM）进行了分析（图1）。SEM图像显示了一种典型的皱褶和平滑的片状结构。所有材料都表现出III型等温线（图S1a），表明存在丰富的介孔（表S3），这一点通过相应的孔径分布曲线（图S1b）得到了进一步证实。

C3N5材料的晶体结构通过X射线衍射（XRD）进行了表征（图2）

讨论

表征结果证实了使用3-氨基-1,2,4-三唑作为前体成功合成了C3N5，并通过将红磷蒸镀到C3N5上制备了P-C3N5。基于C3N5的材料由于具有高的光催化和电催化性能、稳定性以及低毒性，成为处理环境污染物的有希望的选择，这也使它们适合作为微生物固定的载体[34]。本研究系统地探讨了协同效应、关键机制等

结论

本研究开发了掺磷碳氮化物（P-C3N5），以增强细菌Paenarthrobacter sp. KN0901对阿特拉津的降解作用。构建的混合系统KN0901@P-C3N5在15°C下72小时内完全去除了阿特拉津，优于所有其他系统。机制研究表明，P-C3N5提高了细胞内的活性氧（ROS）水平，尤其是羟基自由基（·OH），从而促进了微生物的生长和代谢

CRediT作者贡献声明

岳静：可视化、验证、资源管理、项目行政、数据分析。王晨旭：软件、方法论、研究、数据分析。余洪文：写作——审稿与编辑、监督、项目行政、资金获取、数据分析、概念化。杨阳：可视化、方法论、数据分析。康志超：写作——初稿撰写、方法论、研究、概念化。韩学荣：验证、资源管理、项目

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了中国国家重点研发计划（项目编号2024YFD1502400）、CPSF博士后奖学金计划（GZC20251858）和吉林省科技发展计划（YDZJ202401488ZYTS）的支持。