粉末活性炭强化MFQ7菌同步锰氧化耦合反硝化与重金属固定：促进机制与性能

《Bioresource Technology》：Powdered activated carbon enhanced synchronous manganese oxidation coupled with denitrification and heavy metal immobilization by Zoogloea sp. MFQ7: Promoting mechanisms and performance

　　Trace PAC增强了Mn(II)氧化、反硝化和重金属(HM)固定化作用。Zn(II)、Cu(II)和Ni(II)在复合胁迫下的固定化率均超过70%。PAC使峰值细胞浓度提高了24.70%；ETSA比对照组高出9.66%。EPS、Mn沉淀物和碳酸盐共同支撑固相金属固定化。引言全球椰子生产每年产生数百万吨椰子壳废料，给废弃物处置带来巨大压力（Koutchouo等，2026年）。椰子壳因其坚硬的木质纤维结构和较高的碳含量，有利于制备结构稳定的多孔碳材料，因此被选作粉状活性炭（PAC）的前驱体。磷酸活化可进一步促进孔隙发育，并改变椰子壳基活性炭表面的含氧官能团（Higai等，2021年；Koutchouo等，2026年）。将其转化为PAC既结合了材料的适用性，又实现了农业废弃物的资源化利用。与此同时，硝酸盐氮（NO??-N）和锰（Mn(II)）在工业废水和农业径流中常与重金属（HM）共存，这些重金属包括锌（Zn(II)）、铜（Cu(II)）和镍（Ni(II)）（Hama Aziz等，2023年；Wang等，2024a年）。此类水体中这些污染物往往浓度较低，且缺乏传统异养反硝化所需的充足有机碳（Jokai等，2021年；Liu等，2026年；Wang等，2025年）。因此，在有机碳受限时，需要有效处理策略来同步去除NO??-N、Mn(II)和共存的HM。硝酸盐依赖型锰氧化（NDMO）为处理这种混合污染提供了一种潜在途径。在该过程中，Mn(II)可充当无机电子供体，NO??-N还原与Mn(II)氧化及生物源锰氧化物（BMOs）的形成相偶联（Bai等，2020年；Zhu等，2024年）。这些BMOs提供了具有反应活性的矿物界面，可通过表面缔合和结构嵌入来保留共存的HM（Hu等，2024年；Ren等，2024年）。然而，Zn(II)、Cu(II)和Ni(II)的复合暴露会抑制微生物活性及与Mn(II)氧化相关的过程，从而影响生物源Mn沉淀物的形成并降低NDMO性能（Wang等，2024b年）。因此，在重金属复合暴露下维持微生物活性和Mn沉淀物的形成，对于保证稳定处理效果至关重要。PAC可在生物处理系统中提供额外的碳质界面。它还可能在反硝化过程中促进电子利用。此外，PAC表面的官能团可能参与界面相互作用，而微生物产生的胞外聚合物（EPS）可能有助于细胞的胁迫应答和金属结合（Sathishkumar和Elango，2020年；Priyadarshanee和Das，2024年）。尽管NDMO/BMO系统和PAC或生物炭增强的反硝化研究均已开展，但这些研究领域在很大程度上各自独立发展。先前的NDMO研究主要关注NO??-N还原与Mn(II)氧化偶联过程（Chang等，2021年；Zhu等，2024年）。关于BMOs的研究侧重于矿物反应活性及其与共存的污染物的相互作用（Hu等，2024年；Boothe-Lordon等，2025年）。关于PAC或生物炭辅助反硝化的研究主要考察了微生物活性和电子转移过程（Li等，2025年；Fan等，2025年），而利用活性炭去除重金属通常是在以吸附为主导的体系中进行的（Kim等，2024年）。然而，低剂量PAC是否能够同时维持NDMO性能、调节微生物生理和胞外响应，以及增强Zn(II)、Cu(II)和Ni(II)与生物源Mn沉淀物的结合，目前尚不清楚。为弥补这一空白，将椰子壳衍生的PAC引入Zoogloea sp. MFQ7的培养体系中。本研究分为三个递进性目标：(i) 确定菌株MFQ7实现NO??-N和Mn(II)同步去除的适宜生长条件，并评估PAC对该偶联过程以及共存Zn(II)、Cu(II)和Ni(II)固定化的贡献；(ii) 考察菌株MFQ7的生理和胞外响应，并确定PAC在Zn(II)、Cu(II)和Ni(II)复合暴露下对微生物活性的影响；(iii) 阐明PAC在生物源Mn沉淀物形成以及三种共存金属固相固定化中的作用。段落片段细菌菌株与材料制备采用Zoogloea sp. MFQ7作为模式微生物。该氧化Mn(II)的反硝化细菌分离于中国西安李家河水库的底泥沉积物中（Chang等，2021年）。使用前对细胞进行厌氧激活处理。椰子壳PAC（200目）通过磷酸活化后在N?气氛下于500 ℃热解制备。详细的培养、培养基、储备液和PAC制备步骤见补充材料（Feng等，碳氮比、pH和初始Mn(II)浓度的影响在无PAC条件下，不同碳氮比、初始pH值和初始Mn(II)浓度下的NO??-N消耗曲线使用广义Logistic模型拟合。相应的动力学参数汇总于表1。图1展示了三个单因素实验中NO??-N浓度变化、NO??-N积累和Mn(II)去除随时间的变化。碳氮比影响菌株MFQ7对NO??-N和Mn(II)的偶联去除效果（图1a–b）。在碳氮比为0时……结论椰子壳衍生的低剂量PAC在Zn(II)、Cu(II)和Ni(II)复合胁迫下增强了Zoogloea sp. MFQ7的污染物去除能力。添加0.8 mg L?1 PAC时，NO??-N和Mn(II)的去除率分别达到75.93%和69.00%，Zn(II)、Cu(II)和Ni(II)的固定化率分别达到79.22%、78.65%和71.34%。PAC恢复了电子传递系统活性，并维持了富含蛋白质的EPS基质。综合……CRediT作者贡献声明王雨：写作——审阅与编辑、写作——初稿、调查。赵博琳：可视化、软件、数据整理。刘艳：可视化、验证。苏俊峰：验证、监督、方法论、概念设计。李雪：可视化、数据整理。姚瑶：验证、软件。白伊涵：监督、方法论、概念设计。李璇：可视化、验证。利益冲突声明作者声明他们不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能影响本文所报道的工作。致谢本研究部分受到国家自然科学基金（NSFC：No. 52270167和No. 52400013）、陕西省重点科技创新团队（2023-CX-TD-32）和陕西省优秀青年科学基金项目（No. 2025JC-JCQN-019）的资助。感谢试验家实验室（www.shiyanjia.com）进行XRD测试。作者感谢西安仪器分析中心……王雨｜赵博琳｜刘艳｜苏俊峰｜李雪｜姚瑶｜白伊涵｜李璇