《Journal of Hazardous Materials》：Extracellular polymeric substances-mediated detoxification of roxarsone in anaerobic granular sludge: Molecular insights and the critical role of proteins
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摘要有机砷饲料添加剂的广泛使用导致畜禽废水中含有砷。虽然厌氧颗粒污泥（AnGS）在厌氧消化过程中表现出对砷的高耐受性，即特征为胞外聚合物（EPS）分泌量显著增加，但其潜在的解毒机制及 EPS 的具体作用仍知之甚少。在此，我们将 56 天的批次厌氧消化实验与砷-EPS 相互作用
摘要
有机砷饲料添加剂的广泛使用导致畜禽废水中含有砷。虽然厌氧颗粒污泥（AnGS）在厌氧消化过程中表现出对砷的高耐受性，即特征为胞外聚合物（EPS）分泌量显著增加，但其潜在的解毒机制及 EPS 的具体作用仍知之甚少。在此，我们将 56 天的批次厌氧消化实验与砷-EPS 相互作用的分子水平分析相结合，以洛克沙砷（ROX）作为模型有机砷化合物来研究 AnGS 的解毒作用。虽然 570 μM 的 ROX 诱导了不可逆的产甲烷抑制，但在 38 μM 的 ROX 下实现了强韧的功能恢复，累积甲烷产率回升至对照组的 95.9%。砷主要积累在 AnGS 表面（2.3 wt%）而不是内部（0.4 wt%），使微生物细胞保持完整，同时松散结合胞外聚合物（LB-EPS）增加了 1.7 倍，主要成分为蛋白质。ROX、其代谢物 4-羟基 -3-氨基苯胂酸（HAPA）以及砷酸（As(V)）的 As–O 和 As–OH 基团通过静态猝灭与蛋白质的–NH2/–NH 基团结合。蛋白质 -HAPA 络合被鉴定为关键的解毒途径，由于其 在多个位点牢固结合，降低了 33.6–44.1% 的整体毒性。本研究阐明了 AnGS 中 EPS 介导的砷解毒的分子基础，提高了厌氧系统处理含砷废水的稳定运行能力。
引言
有机砷化合物如洛克沙砷（ROX；4-羟基 -3-硝基苯胂酸，C6H6O6NAs）被广泛用于饲料中，以刺激生长并控制主要禽畜生产国家（包括巴西、阿根廷、墨西哥和越南等许多发展中国家）中的球虫寄生虫 [1], [2]。典型剂量范围为每千克饲料 20–50 mg (76–190 μmol) ROX，其中超过 90% 最终排泄到粪便和废水中 [1]。因此，禽类废物中的砷（As）浓度可达到 10.7–130 mg (142.8–1735.5 μmol)/kg [3]，养猪废水中可达 9.21 μM [4]。鉴于其有机含量高，畜禽废水通常通过厌氧消化处理，以减少污染物排放并回收沼气 [5]——这一过程符合全球碳减排目标。然而，由于含砷化合物具有固有的毒性 [6]，了解微生物对 ROX 的响应对于维持厌氧系统的运行稳定性至关重要。
ROX 对厌氧消化的毒性抑制已被广泛研究，特别是在利用厌氧颗粒污泥（AnGS）的系统中，因其具有高代谢活性和对逆境环境的强韧性 [1], [7]。在批次实验中，ROX 对产甲烷的半最大抑制浓度（~50%）范围为 190.37 至 425.60 μM [8], [9]。在连续系统中，投加 95.19 μM 的 ROX 被证明会导致 92 天内甲烷产量抑制 57.8%，即使将 ROX 浓度减半，这一趋势仍持续存在 [10]。这种毒性不仅归因于 ROX 本身，还归因于其代谢物——具体来说是无机亚砷酸（As(III)）和砷酸（As(V)），它们具有显著更高的急性毒性 [6], [9]。有趣的是，虽然环境相关水平的 ROX（~19.09 μM）[11] 可能导致暂时性抑制，但产甲烷活性通常会随时间恢复 [7]，这表明 AnGS 具有特定的砷解毒机制。AnGS 实现 ROX 及其代谢物自我解毒的途径尚待阐明。
胞外聚合物（EPS）是 AnGS [12] 基质的基本成分，在类金属的结合和解毒中起关键作用 [13], [14], [15]。长期暴露于 ROX 会触发 EPS 分泌量增加 24.1–82.9%，在 AnGS 表面形成保护层 [7], [10]。在整个消化过程中，砷在污泥中逐渐积累，批次系统中浓度达到 45.2–593.1 mg As/kg VS [8]，长期上流式厌氧污泥床（UASB）反应器中可达 10,661.9 mg As/kg VS [7], [16], [17]。值得注意的是，其中 86.6–92.2% 的积累砷以 4-羟基 -3-氨基苯胂酸（HAPA）、As(III) 和 As(V) 的形式存在于胞外 [7], [16]。虽然在厌氧氨氧化系统中已确定 EPS 是 As(III) 入侵的屏障 [13]，但不同形式的砷，特别是具有更大分子量和更复杂功能基团的有机砷，与 AnGS 系统中 EPS 相互作用的分子机制仍然知之甚少。此外，含砷 EPS 脱落进入出水 [7]（占进水砷的 52.9–76.6% [17], [18]）表明，EPS 在解毒和砷迁移中发挥着双重作用。
因此，本研究的目的是：(i) 利用批次厌氧消化实验研究 AnGS 对不同 ROX 浓度下甲烷产生和 EPS 分泌的响应；(ii) 通过结合荧光光谱和傅里叶变换红外光谱（FTIR）阐明不同砷化物与 EPS 成分之间相互作用的分子机制；(iii) 明确 EPS 成分在解毒过程中的关键作用。本研究有望为厌氧微生物的砷解毒机制提供深入见解，为维护厌氧消化系统的稳定性和减轻与含砷畜禽废水相关的环境风险提供有价值的参考。
章节摘要
材料与化学品
AnGS 采自中国苏州处理柠檬酸废水的 UASB 反应器，总固体（TS）和挥发性固体（VS）含量分别为 50.3 ± 7.1 g/L 和 29.5 ± 5.4 g/L。颗粒大小范围为 0.5 至 4.0 mm，比产甲烷活性为 0.31 kg COD/kg VS/d。
ROX（纯度 >98%）购自 Sigma-Aldrich，而 HAPA（纯度 >97%）购自国际化学实验室。亚砷酸钠和砷酸钠来源于
浓度依赖的产甲烷响应与恢复
在 ROX 浓度为 38 μM 时，前 24 天的累积甲烷产量达到对照组的 70.9%。随后，甲烷产生速率加快，到第 56 天，累积产率达到 368.7 mL CH4/g 蔗糖，为对照组的 95.9%（384.5 mL CH4/g 蔗糖；图 1a）。这种恢复表明低浓度 ROX 对产甲烷的抑制作用是可逆的。这些发现与 Tang 等人 [7] 的观察一致，他们观察到 38.3% 的抑制随后
结论
本研究阐明了蛋白质在 AnGS 的 EPS 中砷解毒的关键作用。在 38 μM ROX 条件下，AnGS 的甲烷生成活性恢复正常水平，这与在 570 μM ROX 中观察到的不可逆抑制形成对比。砷主要积累在 AnGS 表面（2.3 wt%）而不是内部（0.4 wt%），保护了微生物细胞的完整性。同时，LB-EPS 增加了 1.7 倍，这主要由
环境意义
本研究阐明了厌氧颗粒污泥（AnGS）中胞外聚合物（EPS）介导的砷解毒的分子基础，确定蛋白质 -4-羟基 -3-氨基苯胂酸络合为将毒性降低 33.6–44.1% 的关键途径。虽然 AnGS 表现出从洛克沙砷诱导的抑制中恢复的强韧功能，但激活此保护所需的巨大滞后阶段以及含砷 EPS 脱落进入出水的风险突显了
CRediT 作者贡献声明
战新民：方法论。王玉轩：写作 – 初稿，调查。姚冠保：写作 – 初稿，调查。唐锐：写作 – 审阅与编辑，概念化。陈磊：验证。袁守俊：形式分析。胡振湖：写作 – 审阅与编辑，资源，概念化。
利益冲突声明
作者声明，他们没有任何已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本报告中所述工作的呈现。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52400050）和安徽省自然科学基金（2208085ME145）的支持。
王玉轩 | 姚冠保 | 唐锐 | 陈磊 | 袁守俊 | 胡振湖 | 战新民
合肥工业大学，土木工程学院，乡村水环境与资源安徽省工程实验室，中国 合肥 230009
