外源颗粒活性炭（GAC）促进菱锰矿的生物氧化溶解及污染物降解：基于胞外超氧自由基产生、关键酶活性及转录组学分析的见解

《Journal of Hazardous Materials》：Exogenous granular activated carbon (GAC) promotes the biogenic oxidative dissolution of rhodochrosite and the degradation of pollutants: Insights from extracellular superoxide radical generation, key enzyme activities and transcriptomic analysis

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  研究了颗粒活性炭（GAC）对菱锰矿生物源氧化溶解的影响。
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  GAC将原位生成的生物源MnO₂浓度从18.43 mg/L提升至24.76 mg/L。
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  GAC通过释放有机酸加速了菱锰矿的溶解。
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  胞外O₂^•?是菱锰矿生物源氧化过程中的主导活性氧物种（ROS）。
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  PAA在MnCO₃@GAC体系中得到了高效去除。

引言

锰（Mn）是自然环境中含量最丰富的过渡金属之一。锰氧化物（主要为MnO₂）约占河流、海洋沉积物和土壤颗粒中锰含量的75%[1]。大多数天然锰氧化物被认为是通过微生物氧化Mn(II)形成的。微生物产生的锰氧化物（又称生物源锰氧化物，BMOs）是环境中含量最丰富且反应活性最强的矿物之一[2]。氧化锰细菌（MnOB）是一类能够将可溶性Mn(II)离子氧化为BMOs的微生物。在结构上，BMOs由共边MnO₆八面体组成；尽管其结构中存在大量Mn空位，BMOs仍以低结晶度的层状锰氧化物形式存在，其矿物相类似于水锰矿（δ-MnO₂）[3]。与化学源锰氧化物不同，BMOs通常具有较小的晶粒、较大的比表面积、较高的结构无序度以及畸变的层状对称条件[4]，[5]。由于BMOs具有高反应活性和强吸附能力，它们在环境修复领域发挥着关键作用[6]，[7]。

在大多数现有研究中，溶解态Mn(II)离子通常被用作唯一的Mn(II)来源[8]。然而，过量的Mn(II)离子会抑制MnOB介导的锰氧化过程[9]，导致生物源Mn(II)氧化速率缓慢且不彻底。菱锰矿（MnCO₃）广泛存在于各种沉积地层中，是自然环境中Mn(II)矿物的主要来源。菱锰矿对氧化还原变化十分敏感，尤其在厌氧-好氧交界处，因为它可以通过多种非生物和生物过程被氧化为锰氧化物[10]，[11]。在纯非生物条件下，菱锰矿的氧化速率非常缓慢，但其生物氧化速率却非常高[12]。研究表明，MnOB在菱锰矿的生物氧化过程中起着主导作用；据报道，生物过程的效率比非生物过程高出10³~10⁵倍。例如，Tang等人[13]报道，不同菌种产生的真菌锰氧化物的形态学和分布特征各异，但真菌对菱锰矿的氧化能力相对有限，经过22天反应后，BMOs含量最高约为21.7 mg/L（250 μM）。因此，菱锰矿向BMOs的快速生物转化对环境中有機污染物的降解具有重要影响。

值得注意的是，外源颗粒可影响菱锰矿的稳定性，并进一步影响其氧化溶解过程[14]，[15]。生物源菱锰矿氧化的酶促反应涉及两个步骤[13]，[16]：(1)菱锰矿溶解为可溶性Mn(II)离子，以及(2)可溶性Mn(II)被氧化为Mn(III)，随后进一步氧化或歧化生成Mn(IV)（图S1）。Namgung和Lee等人[17]研究了纤铁矿对菱锰矿非生物氧化的影响，结果表明外来颗粒的存在显著加速了菱锰矿的非生物氧化，并在纤铁矿表面形成了菱锰矿。此外，我们近期的研究表明，纤铁矿的存在可以加速MnOB胞外超氧阴离子的产生，并促进Mn(II)的生物源氧化[18]。然而，据我们所知，外源颗粒对菱锰矿微生物氧化的影响尚未见报道，这是一个重要的研究空白，因为该物质的氧化溶解过程可能会受到其他矿物表面的影响。这一现象可能是因为外源颗粒能够介导菱锰矿溶解过程以及溶解态Mn(II)离子所经历的微生物Mn(II)氧化过程。

本研究阐明了在外源颗粒存在或缺失条件下，微生物氧化性菱锰矿溶解的内在分子机制。选择颗粒活性炭（GAC）作为模型外源颗粒基质，因为它是水中净化、土壤修复及其他环境实践中广泛使用的常见碳基材料之一。此外，由于该材料的大规模应用和不可避免的环境释放，它在自然系统中也频繁被检测到。GAC已被实际评估用于基于吸附工艺的Mn(II)去除中的过滤和生物载体，并富集了饮用水净化中的关键功能微生物[19]，[20]，[21]；因此，GAC极有可能重塑共存的菱锰矿体系的界面反应过程。我们具体研究了以下目标：(1)研究GAC负载菱锰矿（MnCO₃@GAC）体系中Mn(II)氧化的动力学及反应程度，并与纯MnCO₃和溶解态Mn(II)的处理结果进行对比；(2)阐明活性氧物种（ROS）在MnCO₃@GAC细菌氧化性溶解过程中的作用；以及(3)评估MnCO₃@GAC生物源氧化过程中苯胂酸（PAA）的降解能力。这些结果将为外源颗粒存在下菱锰矿的生物地球化学循环提供新的见解。

各节摘要

实验菌株与材料制备

MnOB模式菌株，即Pseudomonas putida MnB1（菌株编号：23483），购自美国模式培养物保藏中心（ATCC）。该菌株使用ATCC#279培养基培养，其成分已在先前研究中提供[6]。

菱锰矿（MnCO₃）通过化学方法分别合成，涉及MnSO₄?H₂O与NaHCO₃的反应，方法详见补充文本S1。GAC负载菱锰矿（MnCO₃@GAC）则按照此前方法制备

MnCO₃@GAC的特性

掺杂50.0% GAC的MnCO₃@GAC的材料特性见图1。MnCO₃@GAC的吸附脱附曲线（图1a）显示，其比表面积为467.34 m2/g，显著高于MnCO₃的14.11 m2/g。MnCO₃@GAC较大的比表面积有利于细菌附着和生长，并为吸附活性污染物提供了额外位点[32]。MnCO₃@GAC的孔体积为0.32 cm3/g（图1b），其等温线特征

结论

阐明了GAC存在下菱锰矿微生物氧化性溶解的内在分子机制。原位生成的生物源MnO₂浓度达到24.76 mg/L，显著高于MnCO₃（18.43 mg/L）和溶解态Mn(II)（10.50 mg/L）处理组。GAC的存在促进了低分子量有机酸的分泌，从而加速了MnCO₃的溶解和溶解态Mn(II)离子的释放。此外，

研究意义声明

阐明了外源GAC对菱锰矿生物源氧化性溶解及污染物降解的影响。在MnCO₃@GAC体系中，原位生成的生物源MnO₂浓度达到24.76 mg/L，显著高于纯MnCO₃和溶解态Mn(II)处理组中观察到的浓度。GAC的存在显著上调了与Mn离子跨膜转运活性、生物膜形成相关的基因表达

CRediT作者贡献声明

王华伟：论文起草，项目管理，经费获取。王飞：资源提供。段新磊：资源提供。孙英杰：监督指导，资源提供。高磊：调查研究。王雅楠：论文审阅与编辑，方法论，调查研究。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究得到国家自然科学基金（编号：52370173）和泰山学者专项基金（编号：tsqn202408218）的资助。

王华伟|王飞|段新磊|孙英杰|高磊|王雅楠