腐殖质加速太湖沉积物微宇宙体系中多氯联苯的微生物脱氯：同系物与微生物演替的深入探讨及后续补充硫化纳米零价铁的作用

《Environmental Research》：Humin-accelerated microbial dechlorination of polychlorinated biphenyls in Taihu Lake sediment microcosms: Insights into congener and microbe shifts and the role of subsequently supplemented sulfidated nanoscale zero-valent iron

　　Humin在12至30周期间加速了Aroclor 1254的脱氯过程。Humin未改变脱氯偏好，但加速了间位氯的去除。在Humin存在下，*Dehalococcoides*、*pcbA4*和*pcbA5*丰度增加。S-nZVI恢复了PCB脱氯并富集了某些功能菌种。Humin与S-nZVI的分阶段耦合可实现持续的PCB脱氯和解毒。多氯联苯（PCBs）是一类持久性氯代芳香族化合物，包含209种同系物。由于其强疏水性，PCBs倾向于沉积在土壤和沉积物中（Passatore等，2014）。它们还可在生物体内蓄积并通过水生食物网生物放大，导致野生动物和人类长期暴露（?rédlová和Cajthaml，2022）。PCB暴露与神经系统、免疫系统、内分泌系统和生殖系统的不良影响以及癌症风险增加相关（Heilmann等，2006；Idowu等，2023；Lauby-Secretan等，2016）。在各种商用PCB混合物中，由孟山都公司生产的Aroclor 1254被认为是毒性最强的（ATSDR，2000）。它主要由四氯至七氯同系物组成，质量含氯量约为54%，其中含有数种二噁英类PCB，共同导致其高毒性（Frame等，1996；Schulz等，2024）。先前的研究表明，微生物脱氯可以去除高氯代PCB上的氯取代基，从而降低其平均氯代程度和二噁英类毒性（Chen等，2024；Kaya等，2018；Xu等，2025）。在厌氧条件下，有机卤素呼吸细菌（OHRB）是介导呼吸还原脱卤的关键参与者，它们以有机卤化物作为终端电子受体来获取能量并促进细胞生长（Bedard，2008；Hug等，2013；Jugder等，2016）。迄今为止，已发现*Dehalococcoides*、*Dehalogenimonas*、*Dehalobacter*和*Dehalobium*的成员参与PCB脱氯（Han等，2024；Wang和He，2013）。目前已表征的PCB脱氯菌主要属于*Dehalococcoidia*纲，包括*Dehalococcoides (D.) mccartyi*菌株195（Fennell等，2004）、CBDB1（Adrian等，2009）、JNA（LaRoe等，2014）、CG1、CG4、CG5（Wang等，2014）、CG3、SG1（Wang等，2019）以及MB（Xu等，2022a），还有*Dehalobium chlorocoercia* DF-1（Wu等，2002）以及未分离的*Bacterium o*-17（Cutter等，2001）。这些微生物虽然有不同的脱氯途径偏好，但主要去除间位和para位氯，通常位于flanked位置，而*o*-17是一种ortho-脱氯菌。还原脱卤酶（RDases）是有机卤素呼吸中切割碳-氯键的关键催化酶（Jugder等，2016；Luo等，2026）。研究最深入的PCB RDase基因包括*pcbA1*、*pcbA4*和*pcbA5*，它们最初分别鉴定于菌株CG1、CG4和CG5中（Wang等，2014）。各种研究已成功将这些基因（一个或多个）的增加与PCB脱氯联系起来（Ewald等，2020；Matturro等，2016）。最近一项针对污泥的全球调查显示，PCB脱氯涉及比此前认识更广泛的OHRB和RDases，包括*Dehalogenimonas*、数种未培养的*Dehalococcoidia*以及其它未知的RDases（Xu等，2024a）。OHRB之间的功能差异同样重要，因为CG1、CG4和CG5的确定菌落组合实现了比单独菌株更广泛的脱氯，且*pcbA*基因在不同时间点表现出不同的表达模式（Chen等，2024）。然而，PCB的低水溶性限制了其生物利用度，而PCB脱氯OHRB通常生长缓慢且丰度较低（Bedard，2008）。此外，单个OHRB和RDase通常底物范围有限，导致反应性较低的同系物未能脱氯（Chen等，2024；Xu等，2025）。另外，脱氯还可能受到电子供体可用性下降以及其它厌氧微生物竞争电子的制约（Botti等，2024）。因此，通过微生物还原脱氯实现PCB污染沉积物的自然衰减仍然面临挑战（?rédlová和Cajthaml，2022）。Humin（HM）广泛分布于土壤和沉积物中，约占土壤有机碳的50%和沉积物有机碳的70%以上，是腐殖质中在全pH范围内均不溶的固相组分（Pham等，2021；Weber等，2018）。先前的研究发现，Humin可以促进胞外电子传递，并作为氯酚和溴化阻燃剂微生物脱卤的可逆电子介质（Pham等，2021；Zhang和Katayama，2012；Zhang等，2025）。此外，少数研究人员报道，沉积物来源的Humin可以维持单个PCB同系物的脱氯，并通过来自陆地和海洋环境的培养物增强商用PCB混合物Aroclor 1260的脱氯（Wang等，2024；Zhang等，2017）。先前的研究表明太湖湖沉积物微宇宙中存在大量PCB脱氯和解毒作用，并研究了相关的微生物群落和还原脱卤酶基因（Xu等，2022b, 2021）。对铁碳材料、短链脂肪酸和竞争性电子受体的研究表明，电子供体供应和地球化学条件可以影响这一过程（Tang等，2026；Xu等，2023b, 2024c, 2021）。竞争性电子受体硫酸盐、Fe(III)和硝酸盐抑制了脱氯，而补充乙酸盐或乳酸盐则部分恢复了脱氯。这些发现表明，许多生物和地球化学因素可能影响太湖湖沉积物中的PCB脱氯。然而，沉积物来源的Humin的作用仍不清楚。由于Humin可以接受和供出电子，它可能有助于支持微生物PCB脱氯。这引发了一个问题：从太湖湖沉积物中提取并添加Humin是否能够增强同一沉积物系统中的脱氯作用。硫化纳米零价铁（S-nZVI）是一种由Fe?-FeS复合而成的工程材料，旨在提高传统零价铁在污染物还原和转化中的电子传递效率、选择性和使用寿命（Garcia等，2021）。与乳酸等可发酵有机底物需要通过复杂的微生物转化才能产生H?不同，S-nZVI可以通过Fe?腐蚀缓慢产生H?，为产氢OHRB提供电子，从而减少对发酵产H?的依赖（Garcia等，2021；Xu等，2023a）。S-nZVI产生的H?可作为*Dehalococcoides*等OHRB的电子供体，电子随后通过有机卤素呼吸链传递，最终通过RDases驱动碳-卤键的断裂（Wu等，2024）。硫化还改善了纳米零价铁与脱氯细菌的相容性。使用*D. mccartyi*菌株195进行的直接比较表明，S-nZVI的细胞毒性低于纳米零价铁，并且在电子供体受限条件下能提供更持久的H?供应（Wang等，2025）。S-nZVI已被报道能够在电子供体受限的环境中（如地下水和沉积物系统）在PCE和TCE处理过程中维持细胞生长和脱卤活性（Wang等，2025；Wu等，2024）。S-nZVI可能通过促进微生物营养相互作用为*Dehalococcoides*提供H?和挥发性脂肪酸，从而维持OHRB的长期脱卤作用（Wu等，2024）。然而，目前的证据主要集中在氯代溶剂和烷烃上，S-nZVI在促进PCB微生物脱氯方面的效力仍不清楚。本研究将提取的太湖湖沉积物Humin引入，以调查其在66周孵育过程中对Aroclor 1254脱氯的影响。此外，在初始PCB脱氯速度减缓后，考察了S-nZVI的生物刺激作用。为评估其效果，系统地分析了PCB质量和摩尔浓度的时间变化、毒性当量（TEQs）、脱氯偏好和途径，以及微生物群落和*Dehalococcoides*和RDase基因丰度。本研究旨在评估一种分阶段策略，即在太湖湖沉积物微宇宙中先添加Humin后补充S-nZVI，以实现持续的微生物PCB脱氯。**章节摘要***沉积物采集、Humin和S-nZVI制备及表征*我们从中国太湖湖竺山湖的5个采样点采集了共计10升表层沉积物（0-5 cm）。去除植物残屑和砾石后，将沉积物转移至棕色玻璃瓶中并用湖水饱和。在实验室中分析了太湖湖沉积物的pH值、含水率、总有机碳（TOC）和背景PCB浓度，以及重金属和阴离子。关于采样沉积物及其……*Humin和S-nZVI的特性*通过光谱和电化学分析表征了提取的Humin的功能基团和氧化还原性质（图1和S1）。EAC和EDC分别为3.45和4.83 μmol e?·g?1（表S5），与其它土壤和沉积物来源的Humin的报道值相当（Guo等，2018；Zhang等，2019）。FTIR光谱显示在3683、3624和3409 cm?1处存在O-H伸缩振动带，在2925和2854 cm?1处存在脂肪族C-H伸缩振动带（图1a）……**结论**Humin可以在不显著改变间位和para-脱氯偏好的情况下，加速活性阶段Aroclor 1254的脱氯过程。同系物变化与推定的PCB110→PCB71→PCB32、PCB99→PCB47和PCB92→PCB52途径一致，并伴随*Dehalococcoides*、*pcbA4*和*pcbA5*丰度的增加。第30周补充S-nZVI支持了进一步的PCB脱氯，并伴随群落逐步重组，后期富集了……**CRediT作者贡献声明****王莹：** 方法论，调查。**唐延强：** 软件，调查。**韩学新：** 验证，方法论，调查，数据整理。**徐磊：** 撰写——初稿，可视化，软件，方法论，调查，正式分析，数据整理。**肖志行：** 资源，方法论。**陈家丰：** 方法论，调查。**徐燕：** 撰写——审阅与编辑，监督，项目管理，资金获取，概念构思。**利益冲突声明**? 作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能会影响本文所报告的工作。**致谢**本工作得到了国家自然科学基金（42377020）、江苏省"青蓝工程"以及中央高校基本科研业务费的资助。作者衷心感谢中国科学院南京地理与湖泊研究所分析中心的合作者在样品分析方面给予的慷慨帮助。