用于寡营养环境中增强硫酸盐还原作用和缓解酸化现象的、基于碳的水热硫酸盐还原生物制剂

《Journal of Cleaner Production》：Hydrothermal carbon-based sulfate-reducing bioagent for enhanced sulfate reduction and acidification mitigation in oligotrophic environments

高效酸矿山排水处理的HC-SRB生物剂开发及机制研究。通过水热碳化制备的多孔载体兼具微生物固定与碳源缓释功能，在220℃反应3小时时载体表面疏水-亲水平衡最优，使SRB在pH 5.3酸性环境中实现99%硫酸盐还原率，较游离菌提高3倍活性。经五次循环实验验证，载体结构稳定且DOM释放持续支持菌体代谢，pH从5.3提升至6.5，显著促进重金属硫化物沉淀。

　　

冯一青|朱晓|郝立凯|张梅|谭玉泉|吴云堂|李方白

中国科学院地球化学研究所环境地球化学国家重点实验室，中国贵阳，550081

摘要

通过硫酸盐还原菌（SRB）进行硫酸盐还原是缓解酸性矿井排水（AMD）酸化问题的关键策略。然而，SRB受到低酸耐受性和对外部碳源依赖性的限制，在强酸性和营养缺乏的条件下硫酸盐还原效率低下。为了解决这些挑战，我们开发了一种基于水热碳（HC）的SRB生物制剂，并研究了其作为微生物载体和内在碳源的双重作用。在不同条件下合成的HC材料中，220°C下加热3小时制备的样品表现出最高的性能，被选为进一步研究的对象。在营养缺乏的环境中，HC-SRB生物制剂显著增强了硫酸盐的还原作用，将硫酸盐浓度从1100 mg L^?1降低到730 mg L^?1，而游离的SRB则几乎没有活性。该生物制剂还将系统pH值从5.3提高到6.5，而游离SRB的pH值仅为5.6。这一改善归因于HC的双重功能：它提供了一个保护性的微环境，并持续释放生物可利用的碳来支持SRB的生长。重要的是，HC-SRB生物制剂在连续使用五个循环后仍能保持稳定的硫酸盐还原效率，最高可达99%。总体而言，我们的结果表明，HC-SRB生物制剂有效克服了传统SRB在酸性和碳限制条件下的主要局限性，为AMD处理提供了一种可持续和绿色的方法。

引言

酸性矿井排水（AMD）是采矿作业的普遍后果（Qian等人，2021年），由于其极高的酸性和高浓度的硫酸盐及重金属，对环境造成了严重威胁（Costa等人，2019年，2022年；Hochella等人，1999年）。低pH值会增加金属的溶解度和迁移性，从而加剧生态风险（Zhou等人，2022年）。因此，降低酸度是减轻AMD环境影响的关键。硫酸盐还原菌（SRB）在AMD修复中的应用受到了越来越多的关注（Bayrakdar等人，2009年；Kieu等人，2011年；Yan等人，2018年）。SRB通过消耗大量氢离子将硫酸盐还原为硫化物，从而提高废水的pH值并促进不溶性金属硫化物沉淀的形成，实现AMD的全面修复（Costa等人，2020年；Elliott等人，1998年；She等人，2024年）。然而，SRB的实际应用面临诸多挑战，包括培养难度大、损失率高和活性不稳定，这些因素共同限制了其效果。

为了克服这些挑战，人们探索了各种载体材料，如陶瓷颗粒、沸石、碳纤维和生物炭，以固定SRB并提高其在复杂环境中的稳定性和活性（Di等人，2018年；Xi等人，2024年）。其中，固定在生物炭上的SRB在水和土壤修复中显示出很大的潜力（Di等人，2022年；Li等人，2022年；Virpiranta等人，2022年）。例如，固定在生物炭上的SRB显著促进了SRB的增殖，并已成功应用于修复受Zn（Si等人，2023年）和Cd（Ke等人，2023年）污染的土壤。在AMD处理中，固定在生物炭上的SRB通过形成CdS和PbS沉淀物来促进重金属的固定（Wu等人，2022年）。然而，由于AMD环境通常是寡营养的，固定在生物炭上的SRB仍需要添加外源碳源以避免碳限制并维持代谢活性。因此，一个关键的技术挑战是找到一种既能固定SRB又能释放碳源以促进在营养贫乏条件下硫酸盐还原的载体材料。

与热解碳不同，水热碳（HC）含有丰富的有机质（DOM），既可作为碳源也可作为能源支持细菌生长（Borges等人，2024年；Gon?alves等人，2021年；Kambo和Dutta，2015年；Khosravi等人，2022年；Liu等人，2019年）。此外，HC具有高孔隙率和大的表面积，并富含羟基和羧基等含氧功能团，使其成为微生物的理想载体（Marzban等人，2024年；Wu等人，2020年）。其多孔结构可以物理吸附细菌，并可能提供稳定的生长环境（Gon?alves等人，2021年）。表面的含氧功能团可以与细菌细胞壁蛋白质和多糖形成共价键和氢键，从而增强固定效果（Borges等人，2024年）。此外，HC具有良好的机械强度和化学稳定性，能够在酸性条件下保持结构完整性（Ji等人，2024年；Marzban等人，2024年；Masoumi等人，2021年）。基于这些特性，我们提出了一个新概念：使用HC辅助合成复合SRB生物制剂（即基于HC的SRB生物制剂），预期该制剂可以调节SRB的微环境，提供缓释碳源，并创造最佳生长条件。然而，到目前为止，水热温度对微生物负载的影响以及HC衍生的DOM在寡营养环境中支持SRB生存的能力仍不清楚。

在这项研究中，使用农业废弃物稻壳作为原料通过水热处理制备HC。所得HC作为载体用于合成基于HC的SRB生物制剂。确定了SRB在HC上的最佳负载条件，并分析了SRB与HC之间的附着机制。此外，还评估了基于HC的生物制剂的硫酸盐还原能力和pH值提升效果。还研究了HC释放DOM以支持SRB生长的机制。这项工作提出了一种合成SRB生物制剂的新策略，并揭示了其背后的机制，旨在为绿色、高效和可持续的AMD生物修复技术的发展提供理论基础。

部分摘录

SRB培养

本研究中使用的SRBDesulfovibrio由华南理工大学的Lu Guilin博士提供。该菌株在Postgate B培养基中于30°C和200 rpm条件下培养。培养基的pH值调整为5.5，含有1.00 g L^?1 NH₄Cl、0.10 g L^?1 CaCl₂、0.50 g L^?1 K₂HPO₄、2.00 g L^?1 MgSO₄·7H₂O和0.50 g L^?1 Na₂SO₄（Dong等人，2024年；Jin等人，2025年；Ke等人，2024年）。添加了1.00 g L^?1的酵母和3.5 g L^?1的60%（w/v）乳酸作为额外的碳源。

探索HC辅助合成SRB生物制剂的最佳条件

为了系统研究水热碳化温度和持续时间对HC负载SRB能力的影响，我们设置了4种温度（180°C、200°C、220°C和240°C）和4种水热碳化时间（1小时、2小时、3小时和4小时）。这些样品与SRB共培养18小时。扫描电子显微镜（SEM）成像（图1）显示，HC呈现出片状形态，并伴有分散的絮状结构，为SRB提供了充足的附着表面。

结论

本研究开发了一种新型的基于HC的SRB生物制剂，使用稻壳衍生的HC作为双功能平台。220°C下合成的HC既作为高效的微生物载体，又作为缓释碳源。其卓越的SRB固定能力源于正的Zeta电位、高亲水性和丰富的极性功能团，而在典型的AMD碳限制条件下，持续释放的生物可利用DOM维持了SRB的代谢。HC-SRB生物制剂显著

CRediT作者贡献声明

冯一青：撰写——原始草稿，研究，数据管理。朱晓：撰写——审阅与编辑，可视化。郝立凯：撰写——审阅与编辑，概念构思。张梅：研究，数据管理。谭玉泉：验证，研究。吴云堂：撰写——审阅与编辑，项目管理，方法学，概念构思。李方白：资金获取，概念构思。

资助

本研究得到了国家重点研发计划（2023YFD1902100、2023YFD1901300）、国家自然科学基金（42377315）、广东省基础与应用基础研究基金（2024A1515010293）、广东省科技发展计划（2023GDASQNRC-0202）、广东省科技研究基金（2023B1212060044）和广东省基础与应用基础研究重大项目（2023B030300006）的资助。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

我们非常感谢审稿人和编辑的建议，同时也感谢华南理工大学的Lu Guining教授所提供的帮助。