通过溶解性腐殖质重塑生物 - 纳米界面：代谢激活与电子穿梭驱动 MR-1/nZVI 高效的六价铬解毒

《Journal of Hazardous Materials》：Reshaping bio-nano interfaces via dissolved humic substances: Metabolic priming and electron shuttling drive robust Cr(VI) detoxification by MR-1/nZVI

　　

摘要

纳米零价铁 (nZVI) 和异化铁还原菌在环境修复中的应用受到 nZVI 钝化和活性氧 (ROS) 诱导的细菌失活的限制。为了应对这些挑战，开发了一种使用天然溶解性腐殖质 (DHS) 的双重增强策略，整合了代谢启动和电子穿梭，以建立一个高活性的 MR-1₂₀/nZVI/DHS 体系。在最佳条件下，该体系在 48 小时内完全消除了 80 mg/L 的 Cr(VI)，与传统的 MR-1/nZVI 体系相比，表观还原速率常数 (k_obs) 增加了 2.94 倍。机制上，DHS 诱导的代谢启动刺激了大量的胞外聚合物 (EPS) 分泌。EPS 和外源 DHS 形成一个电活性微层，物理上屏蔽细胞免受纳米颗粒和 Cr(VI) 毒性的影响，并直接淬灭胞外羟基自由基 (·OH)。同时，代谢启动预激活了细胞内抗氧化防御并增强了 ROS 清除，减轻了 nZVI/Cr(VI) 联合毒性，大大提高了细菌存活率。得益于这种保护性微环境，细胞内能量 (ATP) 和还原力 (NADH) 水平分别增强了 1.74 倍和 2.78 倍。这些激增触发了外膜细胞色素 c (Cyt c) 和内源性核黄素 (RF) 分别上调 8.88 倍和 48.64 倍，有效激活了双通道电子传递网络，并驱动整体电子传输系统活性 (ETSA) 激增 15.71 倍。增强的电子通量加速了 nZVI 表面钝化层的溶解，不断再生活性生物 Fe(II) 以还原 Cr(VI) 并驱动其共沉淀为稳定的 FeCr₂O₄ 尖晶石。这项工作提出了一种处理含 Cr(VI) 废水的有效方法，并为重金属胁迫下生物 - 纳米材料界面的协同解毒提供了新的理论见解。

引言

全球工业化迅速导致了广泛的六价铬 [Cr(VI)] 污染，这对水生生物构成了严重风险，并对人类构成致癌风险 ([1], [2]; Yang et al., 2025a; [3])。相反，三价铬 [Cr(III)] 具有低毒性、高热力学稳定性和强沉淀倾向 [4]。因此，将高迁移率和高毒性的 Cr(VI) 还原为不溶性 Cr(III) 仍然是处理含铬 (Cr) 废水的有前景的策略 [5], [6]。由于其高表面积和强还原反应性，纳米零价铁 (nZVI) 被广泛认为是实现 Cr(VI) 还原的极佳材料 ([7]; Yang et al., 2025a)。然而，其实用实施受到表面钝化的严重限制。nZVI 表面极易氧化，迅速形成一层致密、非导电的铁氧化物/氢氧化物钝化层（如 Fe₂O₃ 或 FeOOH），这阻碍了电子从 Fe⁰ 核心向外部污染物的传递，导致 nZVI 的反应性和长期稳定性迅速下降 [8], [9]。

为了解决 nZVI 钝化问题，通过引入异化铁还原菌 (DIRB) 构建微生物 - 纳米材料协同系统已成为研究热点 ([7], [8]; Yang et al., 2025a)。DIRB 拥有强大的胞外电子传递 (EET) 途径，可以生物还原 nZVI 表面上不溶性的 Fe(III) 基钝化层 [10]。这一过程不仅原位恢复了 nZVI 的反应性，并生成高反应活性的生物源 Fe(II) (Fe(II)_bio) 以持续驱动 Cr(VI) 还原，从而建立了钝化溶解、活性位点再生和协同 Cr(VI) 还原的良性循环。尽管这种 DIRB-纳米材料混合系统具有巨大潜力，但野生型 DIRB 的内在能力在复杂的环境胁迫下严重受损。具体而言，Cr(VI) 和 nZVI 的联合毒性导致细胞内活性氧 (ROS) 过度积累，尤其是来自类 Fenton 反应的羟基自由基 (·OH)，这引发了对细菌细胞的严重氧化损伤。为了确保存活，野生型菌株被迫将其有限的代谢能量和还原当量转移到抗氧化防御和细胞修复上。这种代谢重定向耗尽了细胞内 ATP 和 NADH 库，从而限制了可用于 EET 的能量，并显著抑制了电子传递效率 ([7]; Zhang et al., 2025b)。这种能量赤字成为控制协同系统长期除铬效率的核心速率限制步骤。

为了改善野生型 DIRB 的固有局限性，以往的研究补充了外源氧化还原介体，以合成的 2,6-蒽醌二磺酸 (AQDS) 和核黄素 (RF) 为代表，以提高修复性能 (Yang et al., 2025a)。然而，这些传统策略仅作为胞外氧化还原介体，未能解决野生型菌株的内在代谢弱点。在 Cr(VI) 和 nZVI 的联合氧化胁迫下，这些细胞仍面临严重的抗氧化能力、细胞内 ATP 和还原当量赤字。因此，迫切需要建立一种具有成本效益且可持续的策略，以主动增强微生物的内在胁迫抵抗力和 EET 网络活性。

溶解性腐殖质 (DHS) 普遍存在于土壤和水生环境中。富含醌类和酚羟基等氧化还原活性功能基团，DHS 可作为理想的天然氧化还原介体 [11]。最近的研究表明，DHS 可以加速 MR-1/nZVI 协同系统中的 EET [12]，并通过强络合作用调节重金属和铁矿物的形态演化 [13]。然而，我们之前的研究 [12] 仅在还原过程中将 DHS 用作被动的外部氧化还原介体。为了克服被动穿梭的局限性，本研究探索了将 DHS 作为 DIRB 的代谢启动剂进行生理预激活。概念上，这种策略与传统微生物驯化根本不同。驯化通常需要数周或数月连续暴露于亚致死量污染物中，这是一种耗时的方法，往往导致大量细胞死亡。相比之下，代谢启动采用一种非毒性诱导物的快速、短期预处理。由于其固有的醌结构，DHS 特别适合担任这种诱导物角色。它作为一种良性环境信号和替代电子受体，温和刺激细胞内电子传递链并调节细胞氧化还原稳态，而不施加金属毒性。这种良性刺激触发了生理重编程，可以快速激活 DIRB 的内在胁迫抵抗力和还原能力。然而，DHS 诱导的 DIRB 快速激活的微观机制，以及启动菌株与 nZVI 耦合用于污染物修复的协同增强机制，仍然是重金属污染控制领域的一个关键知识缺口。

基于这些见解，本研究提出了一种协同调节策略，整合了微生物代谢启动和胞外反应过程强化。以天然 DHS 作为代谢启动剂，通过 24 小时诱导（无 Cr(VI) 选择性压力），获得了具有优异 EET 能力和环境胁迫耐受性的启动菌株。我们全面揭示了 DHS 诱导的代谢启动的微观机制，特别是其在清除 ROS 以缓解氧化胁迫、增加细胞内 ATP 和 NADH 库以及刺激关键电子载体（如细胞色素 c (Cyt c) 和 RF）合成中的作用。在此基础上，我们开发了一个由 DHS 启动菌株、nZVI 和外源 DHS 组成的三元耦合系统。在对 Cr(VI) 修复的操作参数进行优化后，我们从三个维度系统地探索了内在机制：重塑界面微环境以减轻毒性、扩大细胞内 ATP/NADH 库，以及激活双通道电子传递网络以缓解 nZVI 表面钝化。这一发现不仅为处理含 Cr(VI) 废水提出了一种创新的绿色技术，也为生物 - 纳米材料界面的电子流调节提供了基本的见解。

部分片段

DHS 诱导的代谢启动菌株

磷酸盐缓冲液 (PBS)、拉伯坦肉汤 (LB) 和无机盐培养基 (MSM) 的组成详见 Text S1。模型 DIRB 希瓦氏菌 MR-1 (MR-1) 购自中国工业微生物菌种保藏中心 (CICC 25104, 上海，中国)。

为了进行代谢启动，将活化的野生型 MR-1 培养物 (2% v/v) 接种到补充有不同浓度 DHS (10, 20, 30 和 50 mg C/L) 的 LB 培养基中。在 30 ℃ 和 150 rpm 下孵育 24 小时后，

筛选增强 Cr(VI) 去除的 DHS 启动菌株

如图 1a 所示，系统比较了野生型菌株 MR-1 或不同 DHS 浓度代谢启动菌株与 nZVI 体系耦合的 Cr(VI) 还原动力学。结果表明，适当浓度的 DHS 进行代谢启动显著增强了 Cr(VI) 的消除。与传统 MR-1/nZVI 体系相比，与 MR-1₁₀、MR-1₂₀ 和 MR-1₃₀ 耦合的 nZVI 体系中的 Cr(VI) 消除效率从 81.88% 增加到

结论

本研究提出了一种由天然 DHS 介导的代谢启动和界面电子穿梭共同驱动的新型增强策略。构建了一个高反应活性的 MR-1₂₀/nZVI/DHS 三元体系。该策略有效克服了传统生物修复系统中固有的细菌失活和纳米材料钝化双重瓶颈。MR-1₂₀/nZVI/DHS 体系的 Cr(VI) 表观还原速率比传统的 MR-1/nZVI 体系高 2.94 倍，80

未引用参考文献

[41], [42], [43], [44]

CRediT 作者贡献声明

杜东云： 监督。 熊玲： 写作 – 回顾与编辑，资源。 叶恒鹏： 写作 – 回顾与编辑。 左祥儒： 写作 – 原稿，方法论，调查，概念化。 孙毅航： 调查。 吴辉： 方法论。 陈少华： 写作 – 回顾与编辑，可视化，监督，资源，数据整理。 邹子奇： 软件，形式分析。

利益冲突声明

作者声明，他们没有任何已知的竞争财务利益或个人关系可能被认为影响本文报告的工作。

致谢

这项工作得到了国家自然科学基金 (52270173)；湖北省自然科学基金 (2024AFB744)；湖北省创新团队项目 (2025AFA031) 以及中南民族大学中央高校基本科研业务费 (CZZ26001) 的支持。

意义声明

微生物介导的 nZVI 系统的应用受到 nZVI 快速钝化和微生物对氧化胁迫易感性的严格瓶颈限制。传统的外源介体

左祥儒 | 陈少华 | 邹子奇 | 孙毅航 | 吴辉 | 熊玲 | 叶恒鹏 | 杜东云

中南民族大学 资源环境学院，中国 武汉 430074