混合SRB组装的生物FeS杂化材料的电子转移机制与微生物群稳定性及其在铬污染修复中的应用

《Journal of Hazardous Materials》：Electron Transfer Mechanisms and Microbiome Stability of Mixed-SRB-Assembled Bio-FeS Hybrids for Enhanced Chromium Remediation

　　

摘要

虽然生物源硫化铁纳米颗粒在去除六价铬方面表现优异，但其更广泛的应用却受到诸多限制：一方面过度依赖纯培养合成方法，这种做法简化了复杂的实际环境状况；另一方面，人们对混合微生物群落中的电子转移机制及协同去除机制了解不足。为填补这些知识空白，我们利用硫酸盐还原菌的混合群落原位合成了一种生物杂化材料（Bio-FeS@SRB）。通过响应面分析，确定了最佳合成条件：640.31毫克/升硫酸根离子、202.77毫克/升铁离子，pH值为7.22，在此条件下，FeS纳米颗粒（24.46±4.30纳米）能均匀地形成在细菌细胞表面。电化学分析结果显示，Bio-FeS@SRB的电子转移能力显著高于单独的硫酸盐还原菌，其电荷转移电阻降低了67.20%，直接电子转移比例上升，电子传输系统活性也提高了一倍。因此，Bio-FeS@SRB在高浓度（50毫克/升）的六价铬溶液中仍能实现超过99%的去除率。该反应遵循一级动力学规律，同时还能显著促进硫酸盐的还原。机制研究显示，FeS纳米颗粒可替代辅酶Q，形成另一种高效的内部电子传递途径。原位生成的FeS纳米颗粒能够保护重要的硫酸盐还原菌属，增加耐六价铬的菌群，还能提升与硫代谢相关的功能基因以及耐六价铬基因的表达水平。偏最小二乘路径模型分析表明，电子传输系统活性是推动生物矿物协同作用的关键因素，且这种协同效应会随着初始六价铬浓度的升高而增强——在50毫克/升浓度时为7.82±0.51%，而在100毫克/升浓度时则上升至18.52±0.75%。本研究系统阐述了生物源FeS与复杂微生物群落之间的协同作用机制，为开发高效的生物修复技术奠定了坚实基础。

引言

铬是一种重要的工业原料，被广泛应用于电镀、染料制造、皮革加工、金属冶炼以及摄影等行业[1]。含铬废水若被排放，因其高毒性和致癌性，会对生态系统和人类健康构成严重威胁[2]。铬主要以六价铬和三价铬的形式存在，其中六价铬的毒性约为三价铬的100倍[3]。传统的六价铬去除方法，如吸附法和化学沉淀法，存在效率低、成本高且易造成二次污染等问题[4]。因此，将六价铬还原为溶解度更低、毒性更小的三价铬，逐渐成为一种更为可持续的解决方案[5]。在这一背景下，硫化铁纳米颗粒受到了广泛关注，因为FeS中的亚铁离子和硫离子都能作为电子供体，用于六价铬的还原。此外，FeS纳米颗粒还具有表面活性高、活性位点丰富等优点，还能形成稳定的CrxFe1-x(OH)3共沉淀物，从而固定生成的三价铬[6]。

传统化学合成法制备FeS纳米颗粒需要使用昂贵且具有危险性的化学品，容易引发二次污染。而且，化学合成的FeS纳米颗粒在实际应用中容易发生聚集和氧化，从而限制了其效果[7]。相比之下，生物源合成法制备的FeS纳米颗粒则是一种绿色、低成本且可持续的替代技术[8]。在各种生物合成途径中，硫酸盐还原菌是最常见且与环境适应性最强的选择。在缺氧环境中，硫酸盐还原菌能够将硫酸盐还原为硫化物，后者再与铁离子结合，在细菌细胞表面形成FeS纳米颗粒[9]。生物有机成分以及细菌细胞表面本身可作为天然模板，提升生物合成FeS的分散性、反应性和稳定性，这也部分解释了为何生物合成的FeS性能优于非生物合成的FeS。例如，霍等人发现，由Shewanella putrefaciens CN32合成的FeS，其脱氯速度是非生物合成FeS的5倍[10][11]。此外，Bio-FeS在去除砷(III)和六价铬等重金属方面的性能也优于化学合成的FeS[12][13]。

已有大量研究表明，利用纯细菌培养物，Bio-FeS在去除六价铬方面具有良好效果。董等人[9]使用Desulfovibrio bizertensis SY-1进行了FeS纳米颗粒的生物合成，在pH值3.0–8.0的范围内，六价铬的去除率可达到96%以上。傅等人[4]发现，由Shewanella菌介导的FeS纳米颗粒不仅能实现近98%的六价铬去除率，还能使FeS纳米颗粒重新生成。不过，这些研究大多基于纯培养体系，而实际受六价铬污染的环境中存在着复杂的微生物群落，纯培养体系无法真实反映实际情况。实际的生物修复通常依赖于混合微生物群落，这类群落具备更强的环境适应能力和更高的污染物去除效率[14]。已有研究表明，不同的微生物属会显著影响Bio-FeS纳米颗粒的形态、化学组成、分散性以及最终的污染物去除效果[4][8][15]。然而，Bio-FeS纳米颗粒在混合微生物群落中的作用，以及它们如何影响群落的组成、种间相互作用以及在六价铬胁迫下的功能稳定性，目前仍缺乏深入研究。

此外，混合系统中细菌与矿物界面处的电子转移机制也尚未得到系统阐明。最新研究表明，原位生物合成的FeS纳米颗粒沉积在细菌细胞上后，可以起到类似外膜细胞色素的作用，参与细胞外的电子转移过程[16]。邓等人[11]发现，由Desulfovibrio vulgaris合成的FeS纳米颗粒能够在细胞内充当高效的细胞外电子传递通道，其电子摄取速率大约是D. ferrophilus IS5中通过外膜细胞色素途径的7倍。不过，Bio-FeS纳米颗粒如何融入细胞内的电子传递链、与特定的呼吸组分发生相互作用，以及如何引导电子流向细胞外的受体，这些问题目前仍不清楚。另外，已知Bio-FeS能够促进微生物酶促还原作用与FeS的非生物还原能力之间的协同效应，进而提升污染物去除效率[17]。这种协同效应的具体程度以及其对不同条件的依赖性，还需要进一步深入研究。

为填补这些知识空白，本研究利用富含硫酸盐还原菌的混合群落，开发了一种生物杂化系统（Bio-FeS@SRB）。我们假设，由于生物与非生物作用的协同效应，Bio-FeS@SRB复合体在去除六价铬方面的效果会优于单纯的微生物群落。本研究的主要目标包括：（1）通过响应面分析法优化Bio-FeS@SRB的生物合成条件，并对该材料进行全面表征；（2）通过电化学测量和呼吸抑制剂试验，阐明其中的电子转移路径；（3）评估六价铬去除的动力学特征和效率；（4）分析微生物群落结构及功能网络的变化；（5）通过偏最小二乘路径模型和热灭活实验，揭示六价铬去除背后的协同机制。这些研究结果表明，生物源FeS纳米颗粒能够在混合微生物群落中促进细胞内和种间的电子传递，从而拓展了原位修复技术在重金属处理领域的应用范围。

章节节选

硫酸盐还原菌群落的筛选与富集

该硫酸盐还原菌群落的来源是来自中国青岛一家污水处理厂的厌氧污泥。富集实验在250毫升的血清瓶中进行，先加入90毫升的Postgate's C培养基[18]，再倒入10毫升污泥。随后用氮气冲洗培养基15分钟，以创造缺氧环境。这些培养瓶在30摄氏度、180转/分钟的条件下进行培养。通常在四天内，当检测到有硫化氢生成（表现为醋酸铅试纸变黑）时，就会取10%（体积比）的培养液进行下一步操作

合成参数对Bio-FeS@SRB生成的影响

本研究采用了Box-Behnken设计形式的响应面分析法，用来研究硫酸根离子浓度、铁离子浓度以及pH值对硫酸盐还原速率的单独影响和综合影响。单因素实验（图1a-c）显示，硫酸根离子的最佳浓度为600毫克/升，铁离子的最佳浓度为200毫克/升，pH值的最佳值为7。这些数值被选为后续响应面分析设计的中心点（见表S1）。随后对选定参数对应的硫酸盐还原速率数据进行了分析

结论

本研究通过将FeS纳米颗粒的合成方式从纯培养转变为更符合实际环境的硫酸盐还原菌混合群落培养，成功填补了在Bio-FeS纳米颗粒用于六价铬修复方面的关键知识空白。通过响应面分析法确定的最佳合成条件，使得FeS纳米颗粒能够均匀分布且具有很高的反应活性，附着在细菌细胞表面。原位合成的FeS纳米颗粒显著提升了Bio-FeS@SRB的电子转移能力，因为它们从根本上改变了细胞的电子传递过程

环境意义

本研究通过混合细菌群落原位合成FeS纳米颗粒，制备出一种生物杂化材料（Bio-FeS@SRB），该材料能够高效去除有毒的六价铬，为可持续的污染物修复提供了新的思路。它展示了利用微生物代谢来合成纳米材料的可行性，同时也阐明了FeS纳米颗粒如何通过增强电子转移和稳定微生物群落来实现协同作用。这项工作为开发实用且环保的污染物修复技术提供了重要参考

CRediT作者贡献说明

刘书娟：论文撰写——审阅与编辑、方法学、概念构思。江青：论文撰写——审阅与编辑、项目指导、资金获取、概念构思。孙国猛：实验研究、数据整理。周晓宇：论文撰写——初稿撰写、可视化分析、结果验证、项目管理、方法学、实验研究、概念构思。冯玉杰：项目指导、方法学指导。高宇：项目指导、概念构思。王峰：项目指导、数据整理。薛建良：项目指导

利益冲突声明

作者声明，他们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

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52300057、52374174）、山东省自然科学基金（项目编号：ZR2025MS712）以及青岛市自然科学基金（项目编号：25-1-1-93-zyyd-jch）的支持。

Xiaoyu Zhou|Guomeng Sun|Qing Jiang|Shujuan Liu|Ke Shi|Bo Wang|Jianliang Xue|Feng Wang|Yu Gao|Yujie Feng

山东科技大学安全与环境工程学院，中国山东青岛266590