探索通过耦合生物还原过程（使用Bacillus stercoris (MRM1)）在水介质中实现对Hg(II)解毒的集成生物修复方法

《International Biodeterioration & Biodegradation》：Exploring integrated bioremediation approaches on detoxification of Hg(II) in aqueous medium through a coupled bioreduction process using Bacillus stercoris (MRM1)

汞生物修复：Bacillus stercoris MRM1菌株的高效耐受与转化机制研究

　　

Bhuvaneshwari Parthasarathy | Arathi Baskaran | Rajakumar Sundaram | Radhakrishnan Manikkam | Ayyasamy Pudukkadu Munusamy

印度泰米尔纳德邦塞勒姆市Periyar大学微生物学系，邮编636011

摘要

生物修复为二价汞[Hg(II)]的解毒提供了有效解决方案，这种污染物即使在微量水平下也会对人类和水生生态系统造成严重危害。在本研究中，从含有镁矿的土壤中分离出的细菌菌株 MRM1能够耐受高达1 g/L的Hg(II)，并实现了98.5%的去除率，表现优于其他菌株。X射线胶片上的雾状暗斑证实了Hg(II)的挥发，表明其已生物转化为元素汞Hg0。最佳操作条件为pH 7、温度30–40°C以及0.5%（重量/体积）的淀粉。过量的碳会抑制Hg(II)的去除，说明在营养丰富的条件下生物转化作用减弱。在实验室规模的固定床土壤柱实验中验证了这些优化条件：处理2天后和处理5天后均实现了汞的去除。10升规模的生物反应器实验进一步证明了该方法的可重复性，处理2组的解毒效果优于未优化组。原子吸收光谱（AAS）分析显示，到第10天时，汞含量分别降至2 μg/L（在土壤柱中）和1.5 μg/L（在生物反应器中）。傅里叶变换红外光谱（FTIR）、能量色散X射线光谱（EDX）和扫描电子显微镜（SEM）分析结果支持了汞的有效去除以及细菌细胞在修复过程中的形态变化。通过BioRender.com提供的工具，我们验证了处理后水体的无毒性，该工具可用于生成图表摘要和图形。

引言

环境污染仍然是全球公共健康面临的最严峻威胁之一，主要源于快速的城市化、工业化、人类活动以及不当的废物管理。这种污染不仅影响陆地生态系统，还严重扰乱了水生生物。在各种污染物中，重金属污染尤为突出，因为它们具有不可生物降解性和高毒性（Yadav等人，2023年）。汞（Hg）是一种主要的重金属污染物，以多种化学形式存在，每种形式具有不同的溶解度、反应性和毒性，对生态系统、水环境及人类健康产生多种影响（Acharyya等人，2025年；Giovanella等人，2016年）。汞的原子序数为80，原子质量为200.59原子质量单位，符号为Hg，存在多种形式，包括元素汞Hg0、亚汞离子Hg+和汞离子Hg2+。它还形成多种有机化合物，如甲基汞、乙基汞和苯基汞（Balachandran等人，2023年；Yang等人，2020年）。自然状态下，地壳中的汞浓度非常低（约0.5 μg/mL）（Yang等人，2020年；Mukherjee等人，2024年）。汞的环境来源包括火山爆发、森林火灾、矿物沉积物的释放，以及采矿、工业排放和物理风化等人类活动（Landrigan等人，2020年；Li等人，2020年；Sinha等人，2012年；Streets等人，2009年）。

汞是一种持久且毒性极高的元素，存在于大多数水体和土壤中，最终通过农作物和水生生物进入食物链，对人类和动物健康造成严重威胁。水体污染通常与煤炭燃烧、石油精炼、废物焚烧、采矿、温度计制造、石油化工和电子工业以及黄金提取等工业活动有关（Giovanella等人，2016年；Darwesh等人，2024年）。即使少量长期接触汞也会导致多种非特异性症状，如疲劳、体重下降和胃肠道问题。汞可严重损害多个器官和系统，包括呼吸系统、心血管系统、消化系统、中枢神经系统、生殖系统、免疫系统、肝脏、肾脏、眼睛和胎儿系统（Yadav等人，2023年；Briffa等人，2020年；Budnik和Casteleyn，2019年；Custódio等人，2020年）。20世纪50年代日本曾发生过一起典型案例，当时大量摄入含有甲基汞（CH3Hg）的海产品导致严重的神经系统损伤。这种有机汞化合物容易被人体吸收并分布于全身，但排泄速度缓慢，增加了生物累积的风险（Meneses等人，2022年；Meyer等人，2023年；Saito等人，2021年）。甲基汞（MeHg）是最具毒性的有机汞形式，可轻易穿过生物膜进入血液，并在肝脏、肾脏和大脑等关键器官中积累（Beckers和Rinklebe，2017年；Liu等人，2023年；Zhang等人，2025年）。鉴于汞的极端毒性，世界卫生组织（WHO）将其列为十大最危险物质之一，且认为其没有任何营养价值。美国环境保护署（USEPA，2019年）建议每日汞摄入量不超过0.1 μg/kg体重，水中允许的汞浓度限制为0.002 mg/L（Yang等人，2020年；Meyer等人，2023年）。根据印度标准局（BIS，2012年）的规定，饮用水中的汞含量不得超过0.006 mg/L（WHO，2017a,b；Chien等人，2007年；Fischer等人，2022年；Rani等人，2020年）。由于汞的持久性和毒性，需要采用可持续、环保且经济高效的修复策略。传统的修复方法（如离子交换、沉淀、化学萃取、水解、浸出、电化学方法和填埋）通常成本高昂、劳动密集，并可能带来二次环境风险（Yadav等人，2023年；Medfu Tarekegn等人，2020年）。因此，人们转向了能够将汞转化为毒性较低或可挥发形式的生物修复技术。

生物修复利用细菌、真菌、病毒、藻类及其成分等微生物，通过生物积累、生物转化、生物吸附或生物转化来消除汞。由于成本低、环境影响小且效率高，这种方法引起了全球关注（Chen等人，2022年；Hoque和Fritscher，2019年；Olaya-Abril等人，2024年；Santos等人，2025年）。许多耐汞细菌进化出了多种解毒机制，包括表面积累、螯合作用、通过ATP结合盒（ABC）转运蛋白进行外排，以及通过merA、merR、merP和merT基因编码的汞离子还原酶将Hg2+还原为Hg0。其中，merA是一种黄素氧化还原酶，分子量约为120 kDa，以二聚体形式存在，通过FAD将两个电子从NADPH传递给Hg(II)，从而将高反应性的有毒阳离子汞转化为低毒性的惰性单原子汞Hg0（Giovanella等人，2016年；Santos等人，2025年；Anuar等人，2020年；Bafana等人，2010年；Lopes-Santos等人，2025年）。例如、、、、、和等菌种在受污染环境中表现出类似的解毒机制。 PW-05菌株能够挥发94.72%的Hg(II)，菌株的汞去除率可达91.30%（Dash等人，2014年；Harsonowati等人，2023年）。此外，活真菌和死真菌生物质（如、来去除受污染自然水中的汞。该菌株经过分子鉴定并确认了其解毒潜力，随后在不同条件下进行了批次实验优化，并通过固定床土壤柱和生物反应器系统进行了验证。两种系统的汞去除效果均通过植物毒性和遗传毒性分析得到了验证。

从土壤中分离细菌菌株

在印度泰米尔纳德邦塞勒姆市Dalmia镁矿开采现场的10米深处采集了土壤样本（纬度：11.719412°；经度：78.07881°）（图1）。样本在无菌条件下用聚乙烯袋收集，运输至实验室并在4°C下处理，以分离耐汞细菌菌株。采用倾注平板法，使用营养琼脂培养基进行10^-3至10^-9的系列稀释。细菌菌落...

耐汞细菌菌株的鉴定

经过系列稀释的土壤样本在营养琼脂平板上产生了30种独特的细菌分离株（图S1a）。其中，三种细菌菌株MRM1、MRM4和MRM6在营养琼脂平板上能够耐受1000 mg/L的Hg(II）（图S1b）。表型鉴定显示MRM1属于属，MRM4属于属，MRM6属于属。使用二硫茚酮比色法测定了汞浓度...

讨论

汞（Hg）被美国有毒物质和疾病登记署（ATSDR）列为第三大危险物质，世界卫生组织（WHO，2017年）将其列为十大主要公共卫生问题化学物质之一。接触汞可能导致严重的健康问题，如出血性胃炎、结肠炎和基因毒性效应，甚至引发肿瘤形成。近期Hg(II)污染的增加很大程度上归因于各种人类活动（Meyer等人，...

结论

从采矿现场分离出的耐汞菌株 MRM1对Hg(II)具有很高的耐受性（1 g/L），并通过二硫茚酮检测证实其去除效率达到99%。挥发实验表明Hg(II)被生物转化为挥发性汞Hg0，这一过程伴随着雾状物质的形成。优化实验结果显示，在pH 7、温度30–40°C和接种量1%的条件下，汞去除效率最高，达到98.5%。添加碳源后，汞的去除效率反而下降...

CRediT作者贡献声明

Bhuvaneshwari Parthasarathy：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、软件使用、方法学设计、数据管理、概念构建。 Aarthi Baskaran：数据管理、正式分析。 Rajakumar Sundaram：撰写 – 审稿与编辑。 Radhakrishnan Manikkam：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、监督、方法学设计、实验研究、概念构建。

伦理批准

不适用。

资金支持

本研究未获得任何内部或外部资金支持。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

印度泰米尔纳德邦塞勒姆市Periyar大学微生物学系为整个研究提供了实验室设施，并在DST-FIST（参考编号SR/FST/LSI-640/2015(c) Dt.30/052016）项目下提供了仪器支持；Periyar大学的仪器维护中心（CIMF）为SEM-EDAX和AAS仪器分析提供了支持。我们衷心感谢BioRender.com提供了用于制作图表摘要和图形的独特工具。