利用巴氏芽孢杆菌和Ochrobactrum EEELCW01的协同矿化作用同时固定铅、镉和砷

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Simultaneous immobilization of Pb, Cd and As through synergistic mineralization by Sporosarcina pasteurii and Ochrobactrum EEELCW01

　　

陈月如|黄亚园|陈希文|高文燕|李外钦|薛胜利|吴川

中国长沙410083，中南大学冶金与环境学院

摘要

受污染土壤中通常同时存在铅（Pb）、镉（Cd）和砷（As）等多种污染物，但这些阳离子与阴离子的化学性质差异较大，往往会产生相互抵制的效应，难以实现同步去除。由巴斯德孢囊菌驱动的微生物诱导碳酸盐沉淀作用能够有效固定阳离子型的Pb和Cd，而氧化铁细菌则可沉淀出氧化铁氢氧化物，从而固定阴离子型的As；这两种机制具有互补性。本研究将这两种菌株共同培养，通过耦合生物矿化作用同步稳定这三种金属。在3天内，该混合培养系统就能从受污染的土壤中去除90%以上的500 μmol/L浓度的Pb、Cd和As。FTIR光谱分析表明，细胞与矿物界面上的–OH、C–O和C=O基团负责吸附大部分重金属。到第11天时，沉淀物主要由方解石和赤铁矿组成，同时还存在无定形相。电子显微镜和X射线衍射分析显示，10–15微米大小的致密矿物团簇在细胞表面形成，这些团簇不断生长并将细胞包裹在坚固的框架中。Pb主要嵌入矿物晶格中，而Cd和As则主要吸附在或共沉淀于复合矿物的表面。这些研究结果表明，MICP与氧化铁作用相结合的方法，为同时治理土壤中的多种重金属污染提供了一种高效且低影响的策略。

引言

有色金属冶炼污染地区的土壤中通常含有多种重金属污染物。2008年至2022年间对中国金属矿区土壤重金属数据的分析显示，砷（As）、镉（Cd）、铅（Pb）和锌（Zn）等重金属的浓度明显高于该地区的背景值[1]、[2]、[3]。吴等人[4]研究了湖南省冶炼厂污染排放的特征，发现该地区的有色金属冶炼过程主要以Pb和As的排放为主，且两者的空间分布存在显著差异。上述研究还表明，冶炼厂周边土壤的污染并非由单一类型的重金属造成，而是多种金属共存的结果。此外，不同重金属离子的性质也存在差异，它们之间的协同或拮抗作用进一步增加了同时固化/稳定治理的难度。彭等人[5]指出，某些研究用微生物虽然能够固定Cd，但却可能增加Zn和Pb的移动性。pH值也会显著影响重金属的固定情况[6]。高碱性环境有助于降低重金属阳离子的活性[7]、[8]，但对重金属阴离子则会产生相反的效果。因此，如何同时固定多种重金属仍然是一个亟待解决的难题。

近年来，微生物修复技术逐渐成为重金属修复领域的热门研究方向[9]。由于微生物具有生长繁殖速度快、新陈代谢旺盛、体积小且比表面积大的特点，生物修复通常利用微生物引发的矿化作用来实现重金属的去除。这项技术具有很大的发展潜力[10]。有些微生物能够产生脲酶，将尿素水解为CO₃^2?，后者可以与环境中的重金属离子结合形成碳酸盐矿物，从而固定重金属[11]。这种机制被称为微生物诱导碳酸盐矿化作用（MICP）[12]。在某种程度上，脲酶的活性决定了碳酸盐的生成速率，进而影响受污染场所中重金属的固化效率。在本研究中，巴斯德孢囊菌的脲酶活性最高，其活性可达40–130毫米摩尔/升[13]。该菌能够使重金属以ZnCO₃、Ca_0.67Cd_0.33CO₃和PbCO₃等晶体形式存在[14]。在多金属污染的土壤中，添加产脲酶细菌可以降低可交换性重金属的含量，同时显著增加以碳酸盐形式存在的重金属量[15]、[16]、[17]。不过，目前大多数研究都是在单一金属条件下进行的，多金属条件下的研究结果仍在探索之中。

除了MICP之外，氧化铁细菌产生的氧化铁（氢氧化物）也被证明是去除环境中金属污染物的有效物质[18]。氧化铁细菌分泌的胞外聚合物（EPS）会紧密附着在细菌表面[19]，这类聚合物富含阴离子基团，能够有效促进重金属在细胞表面的吸附，同时减轻重金属对细菌的毒性[20]、[21]。EPS上的–OH和–COOH基团是主要的络合吸附功能基团[22]、[23]。重金属还可以被氧化铁矿物吸附并固定在矿物中[24]。目前，氧化铁细菌的应用主要集中在水稻污染修复领域，而受污染土壤的问题则更为复杂，其在土壤修复中的应用仍处于探索阶段。此前有研究从稻田土壤中分离出一种依赖硝酸盐的氧化铁细菌——Ochrobactrum EEELCW01[21]、[24]。这类细菌通过还原硝酸盐来氧化环境中的亚铁离子，从而实现了氮循环与铁氧化还原循环之间的联系。经过筛选和培养后，这类细菌还获得了抗砷能力。

鉴于巴斯德孢囊菌和Ochrobactrum EEELCW01在重金属修复方面的互补作用，以及它们在氮循环中的关联[13]、[25]、[26]，本研究构建了一种混合培养矿化系统，旨在同时固定Pb、Cd和As。基于对这两种菌株氮循环相关代谢途径的了解，我们推测它们之间可能存在潜在的代谢互依关系——尤其是氮代谢物的交换以及pH值的共同调控——这有助于它们稳定共存并同步发挥作用，进而形成方解石和氧化铁等互补的矿物相，从而提高对Pb、Cd和As的去除效率。本研究的主要目标包括：（1）建立一种基于混合培养的生物矿化系统，实现多种金属的同时去除；（2）分析矿化产物，阐明混合培养系统中Pb、Cd和As的固定机制；（3）为未来在土壤修复中的应用提供理论依据。

章节要点

巴斯德孢囊菌与Ochrobactrum EEELCW01

本研究中使用的两种菌株分别是巴斯德孢囊菌和Ochrobactrum EEELCW01。巴斯德孢囊菌是从JINGBIO公司购买的，它是一种嗜碱菌，能够分解尿素，属于革兰氏阳性菌。Ochrobactrum EEELCW01[21]是一种依赖硝酸盐的氧化铁细菌，属于Ochrobactrum属。先前的实验表明，这类细菌能够分泌大量胞外聚合物，且对砷具有一定的耐受性[24]。

微生物生长系统的构建

单菌培养系统：巴斯德孢囊菌的浓度

巴斯德孢囊菌与Ochrobactrum EELCW01的混合培养

如图1a所示，Ochrobactrum EELCW01的生长速度最快，在接种后8小时就进入了对数生长期。24小时后，该菌进入稳定生长期，此时其OD₆₀₀值为1.80。在50–60小时时，OD₆₀₀值上升至1.98。Ochrobactrum EELCW01较高的OD₆₀₀值可能是由于该菌产生了大量EPS，这些EPS会影响吸光度，从而导致测得的数值偏高。在Ochrobactrum EELCW01生长过程中，pH值会随着其生长阶段而发生变化

结论

本研究结果表明，由巴斯德孢囊菌和Ochrobactrum EEELCW01构成的混合菌群在共矿化过程中能够生成更稳定的矿物，且能够同时固定铅、镉和砷。虽然单一菌群也对重金属有一定的去除效果，但效果稍弱。此外，在沉淀过程中各种重金属之间存在竞争关系。而混合培养的细菌则提升了Pb、Cd等重金属同时沉淀的效率

未引用参考文献

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CRediT作者贡献说明

薛胜利：写作——审阅与编辑，指导，项目管理，资金获取。李外钦：写作——审阅与编辑，指导。吴川：写作——审阅与编辑，指导，项目管理，资金获取，概念设计。黄亚园：数据收集，正式分析，数据整理。陈月如：写作——初稿撰写，可视化，方法设计，数据收集，正式分析，数据整理，概念设计。高文燕：指导，方法设计

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到了中国湖南省杰出青年科学基金（2023JJ10063）、国家自然科学基金（编号42177392）以及湖南省研究生创新基金（编号CX20230347）的支持。