废弃污泥衍生腐殖酸通过酰胺介导的转化和代谢调控改变反硝化过程中金属纳米颗粒与细菌的相互作用

《Environmental Research》：Waste sludge-derived humic acid alters metallic nanoparticle-bacteria interactions during denitrification via amide-mediated transformation and metabolic regulation

　　- 废物来源的腐殖酸在保护反硝化作用方面优于天然类似物- 酰胺基团作为主要的结合位点，表现出更优异的银亲和力- 污泥腐殖酸将银纳米粒子转化为低毒性聚集体和氧化态物质- 通过物理化学转化和代谢上调实现双重保护- 可持续的废物资源化同时应对纳米材料污染和污泥管理问题## 引言细菌反硝化作用占全球氮去除量的70%以上，是维持生态系统氮平衡的关键生物地球化学过程(1), (2)。这一微生物介导的通路将硝酸盐转化为气态氮化合物，广泛存在于陆地和水生生态系统中³，然而反硝化细菌对环境扰动极为敏感，使其极易受到新兴污染物的影响，特别是工业化社会中日益普遍的工程化纳米材料(4), (5)。银纳米粒子（Ag NPs）因其抗菌特性而被广泛应用于抗菌领域，已有大量研究报告表明其可显著抑制细菌反硝化作用。暴露于Ag NPs会使沉积物中的反硝化速率在30天内降低30%⁶，主要通过破坏细菌生长和抑制关键反硝化基因发挥作用⁷。这些损害不仅局限于局部效应，还可能引发连锁生态后果，包括硝酸盐积累、水体富营养化、生态系统不稳定以及一氧化二氮排放升高——这是一种增温潜势为CO₂ 298倍的温室气体(8), (9)。因此，开发高效且可扩展的缓解策略以保护这一关键生态系统服务功能，已成为迫切的环境优先事项。在众多缓解策略中，吸附因其操作简便、经济高效以及即使在痕量污染物水平下仍具有强大效力，已成为一种特别有前景的方法¹⁰。天然有机质（NOM），尤其是腐殖酸（HA），是缓解Ag NPs毒性最有效的天然吸附剂之一，通过多种物理化学机制发挥作用。HA通过与表面结合产生的空间位阻和静电排斥作用增强Ag NPs的胶体稳定性，同时促进纳米颗粒聚集从而降低其生物有效性(11), (12)。与此同时，HA与溶解态Ag⁺离子络合，而Ag⁺被公认为Ag NPs的主要毒性途径，从而抑制其释放及随后的细菌抑制作用¹³。这些保护效应已在各种受Ag NPs污染的水生系统中得到证实(14), (15)。HA通过减少Ag NPs与细胞的直接相互作用，增强Phanerochaete chrysosporium（金孢色孢属）的细菌活力，有效缓解细胞毒性¹⁶。类似地，HA诱导的Ag NPs聚集通过限制生物有效性，显著降低了日本青鳉胚胎的发育毒性¹⁷。尽管HA在保护单个生物体方面展现出这些令人振奋的特性，但其能否维持细菌反硝化作用的功能完整性——这一对生态系统氮循环至关重要的多步骤生物地球化学过程——目前仍完全未被探索。将这些实验室发现转化为可扩展的环境意义面临着一个根本性的可持续性悖论。当前缓解研究中使用的HA主要来源于有限的天然水储层（例如Suwannee河腐殖酸（SRHA））(13), (18), (19)，这使得大规模部署在生态上不可持续且经济上难以承受。目前，有效管理来自废水处理设施的污泥（WS）代表着一项严峻的可持续性挑战，鉴于其巨大的产生量（预计到2030年将达到每年1.3亿吨）(20), (21)、高昂的处理成本以及巨大的环境足迹²²。有趣的是，HA占污泥组成的15-40%²³，这提供了一种可持续的天然水环境HA替代方案，同时实现了废物资源化——这一双重效益同时解决了纳米材料污染和有机废物管理问题。然而，来源于污泥的HA（WSHA）组成更加复杂，引发了合理担忧，证据显示光合作用细菌的细胞膜完整性和代谢功能受损²⁴。显然，WSHA能否有效减轻Ag NPs对细菌反硝化作用的毒性，通过何种结构和机制途径实现，目前仍基本未被探索。本研究旨在评估WSHA作为缓解Ag NPs对细菌反硝化作用毒性的可持续替代方案的可行性，并从物理化学和生物维度阐明其潜在的保护机制。首先，测定WSHA在Ag NPs暴露下对反硝化效率、细菌生长动态和关键酶活性的影响。然后，为表征WSHA介导的Ag NP转化中特定结构片段和官能团的作用，采用全面的物理化学分析方法（例如¹³C核磁共振波谱（¹³C-NMR），二维相关傅里叶变换红外光谱（2D-FTIR-COS））结合理论计算方法，研究Ag NPs与WSHA之间的相互作用。此外，为全面解析WSHA介导的保护细菌反硝化作用免受Ag NPs毒性的生物机制，对调控反硝化和应激适应的相关代谢通路进行了深入研究。本研究推进了对HA-纳米材料相互作用的基础理解，并提供了一种可行的策略来缓解纳米材料对细菌反硝化作用的毒性，从而应对纳米材料污染和有机废物管理的双重可持续性挑战。## 章节摘要### 天然水环境和污泥来源腐殖酸的获取源自天然水环境的HA（Suwannee河腐殖酸标准品II，SRHA）购自国际腐殖质学会（IHSS，美国）。用于HA提取的污泥来自中国上海一家采用传统生物脱氮工艺运营的废水处理厂二级沉淀池。所得污泥首先经过预过滤以去除有害杂质，然后……### 污泥来源腐殖酸缓解Ag NPs对细菌反硝化效率的抑制Ag NPs对细菌反硝化的毒性已引起对全球氮循环的严重关切，但基于HA的缓解策略的效力仍知之甚少。Ag NPs暴露严重损害了细菌反硝化作用，将NO₃^--N去除效率从97.3%（空白对照）降低至52.4%（图1A），与之前的研究结果一致(29), (33)。添加SRHA部分恢复了反硝化性能至70.6%，而WSHA则提供了……### 结论与总体认识本研究确立WSHA为一种优越的Ag NP毒性保护剂，通过一个在物理化学和生物化学层面同时运作的一体化双机制框架发挥作用（图5）。在物理化学层面，其丰富的酰胺官能团通过卓越的电子供体能力增强了Ag NPs吸附，同时促进聚集体介导的颗粒生长和表面氧化，将生物可利用的Ag⁰转化为低毒性的、不溶的Ag₂……### CRediT作者贡献声明**陈先达：** 软件、方法论、调查。**何欣：** 方法论、调查、数据整理。**高俊：** 资源、形式分析、数据整理。**黄聪：** 资源、形式分析、数据整理。**薛莹：** 软件、调查、数据整理。**孙传智：** 写作——审阅与编辑、写作——原稿、软件、资源、调查、形式分析、数据整理、概念化。**陈银光：** 监督、形式分析、数据整理。**欧哲伟：** 写作——……## 利益冲突声明? 作者声明他们不存在可能被认为会影响本文报告工作的已知竞争经济利益或个人关系。## 致谢本研究由国家自然科学基金资助（52570174和52470057）。Ou哲伟|Wu阳|Wu丽娟|Fu传跃|Zhu不周|Gao俊|Huang聪|Chen先达|He欣|Xue莹|Sun传智|Chen银光|Zheng熊