基于枯草芽孢杆菌的重金属毒性生物传感器：有机底物对灵敏度的影响及其在电镀废水中的应用

《International Biodeterioration & Biodegradation》：A Bacillus clausii-based biosensor for heavy metal toxicity: Effects of organic substrates on sensitivity and application to electroplating wastewater

　　

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  开发了一种基于呼吸作用的B. clausii生物传感器用于金属毒性检测。
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  50% BHI增强了Cr(VI)的敏感性，同时最大限度地减少了有机物干扰。
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  在受测金属中，Zn(II)表现出最强的抑制作用。
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  在电镀废水中检测到低于排放限值的毒性。

引言

水生环境日益受到重金属污染的威胁，这些重金属主要来自工业活动，特别是电镀、金属加工和表面处理过程（Li and Du, 2025）。电镀废水（EW）通常含有六价铬、镍和锌等有毒金属的复杂混合物（Lekhlif et al., 2014; ?winder and Lejwoda, 2021; Venkateswaran et al., 2007），这些金属具有持久性和不可生物降解性，即使在低浓度下也可能对生态环境和人体健康造成严重影响（Lejwoda et al., 2023; Hama Aziz et al., 2023）。尽管先进的分析技术可以精确量化单个金属种类，但对于水中这些金属及其混合物的毒性、生物有效性和生物效应却提供的信息有限（Fytianos, 2019; Gu, 2018）。

在此背景下，基于生物测定的毒性评价方法引起了越来越多的关注（Jia et al., 2015; Schuijt et al., 2021）。虽然基于大型溞和鱼类物种的标准化生物测定被广泛用于评估废水的生态风险（Liu et al., 2022; Tkaczyk et al., 2021），但它们耗时较长、成本高昂，并受到伦理问题的限制（Farré and Barceló, 2003）。相比之下，微生物测定依赖于对生长和存活（Cui et al., 2025; Vassallo et al., 2018; Qiu et al., 2017）、酶功能（Zhang et al., 2018）、生物发光（Weitz et al., 2002; Kusumahastuti et al., 2019; Wang et al., 2014）和呼吸作用（Figueredo et al., 2015; Ahmed and Oh, 2018; Eom et al., 2020）等基本生理活动的抑制，为废水毒性的早期检测提供了更快、更具成本效益且无需使用动物的替代方案（Viegas, 2021）。这些生物响应反映了重金属干扰微生物关键生化过程的能力，包括酶活性、膜转运和参与细胞呼吸的电子传递链，从而导致代谢抑制。在这些测定方法中，基于生物发光和呼吸作用的测定方法已被标准化（Strotmann et al., 2024）；然而，它们在环境监测中的适用性仍然有限。两种方法都可能低估延迟毒性，并受到基质效应的影响，包括盐度、营养物可用性和浊度（Strotmann et al., 2024; Cook et al., 2000; Froehner et al., 2000; Abbas et al., 2018; Yoshioka et al., 1986）。此外，基于生物发光的测定方法，如费氏弧菌（Vibrio fischeri）抑制试验，需要昂贵的设备和菌种（Abbas et al., 2018），而基于呼吸作用的测定方法通常需要更长的暴露时间，且可能表现出较低且更为变化的敏感性（Hund-Rinke and Simon, 2008）。尽管存在这些局限性，活性污泥抑制呼吸试验因其操作简便、运行成本低且不依赖特殊菌株而被广泛应用于废水和土壤毒性评估（Hund-Rinke and Simon, 2008; Amariei et al., 2017; Vasiliadou et al., 2018）。因此，持续的努力正在提升基于呼吸作用的测定方法在快速评估复杂工业废水毒性方面的敏感性、响应时间和可重复性。

在这些努力中，选择或开发更敏感的菌株是提高基于呼吸作用的测定方法性能的关键策略（Inui et al. 2002, 2002e?en et al., 2010; Hassan et al., 2016; Phan et al., 2025）。此外，开发能够限制与样品相关因素（包括浊度、颜色和粘度）影响的先进传感系统对于实际适用性也至关重要。尽管具有低成本、非侵入性以及由于气相CO₂测量而不受浊度影响等优点，但非色散红外（NDIR）CO₂传感器在基于生物反应器的呼吸抑制测定中的应用仍然有限（Kaur et al., 2015; Djerdj et al., 2021; Per?i? et al., 2019）。在我们最近发表的工作中，一种基于NDIR CO₂的系统实现了对微生物生长和呼吸的实时监测，利用对数早期阶段的Pseudomonas koreensis实现了对地表水质限值（0.01?mg?L^?1；QCVN 08:2023/BTNMT）下Cr(VI)的敏感和可重复检测（Phan et al., 2025）。然而，需要分离和培养此类敏感菌株限制了实际应用，这促使使用可商业获得的微生物来提高基于呼吸作用的水毒性预警方法的操作简便性、可重复性和可及性。此外，在NDIR CO₂监测条件下，营养物可用性对基于呼吸作用的毒性响应的影响尚未得到系统评估，特别是对于电镀废水等复杂工业基质。因此，本研究评估了一种在可控营养条件下使用可商业获得微生物菌株的基于NDIR CO₂的呼吸抑制测定方法。毒性测量同时使用合成溶液和真实电镀废水进行，以评估所开发测定方法的敏感性、可重复性和实际适用性。

章节摘要

化学品与材料

本研究中使用的所有化学品均购自HiMedia（印度）和Merck（德国），均为分析纯级别，未经进一步纯化直接使用。浓度为1000?mg?L^?1的Cr(VI)、Ni(II)和Zn(II)储备液通过将1000?mg重铬酸钾、六水合氯化镍（II）和七水合硫酸锌分别溶解于1?L蒸馏水（DI）中配制而成。随后使用经调节的DI将储备液稀释至所需浓度

BHI浓度对B. clausii敏感性的影响

先前的研究表明，培养基成分（Kang et al., 2014; Tian et al., 2025; Rathnayake et al., 2013）或呼吸底物（Wang et al., 2022; He et al., 2020）的组成显著影响重金属对细菌的毒性。在本研究中，BHI不仅作为培养B. clausii的培养基，还作为后续毒性测定中的呼吸底物。图2展示了BHI浓度对毒性

结论

本研究展示了一种基于B. clausii的呼吸生物传感器在评估水系统中重金属毒性方面的有效性。在营养受限（50%）条件下使用BHI作为培养基和首选呼吸底物，不仅显著提高了B. clausii对Cr(VI)的敏感性，还防止了代表废水基质的有机物在基于CO₂的呼吸测量中产生的干扰。该生物传感器表现出可重复的

CRediT作者贡献声明

Hoang-Duy P. Nguyen：撰写——初稿，软件，方法学，调查，正式分析，概念设计。Phuong-Thao T. Le：撰写——初稿，调查，正式分析，数据整理。Duc-Thang Tran：可视化，调查，正式分析，数据整理。Anh Minh-Nhat Lai：可视化，调查，正式分析，数据整理。Thanh-Linh H. Duong：撰写——初稿，软件，调查。Tien-Cuong Hoang：撰写——审阅与编辑，

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究由越南科学技术院资助，项目编号为T?PTCB.02/24-26。

Hoang-Duy P. Nguyen|Phuong-Thao T. Le|Duc-Thang Tran|Anh Minh-Nhat Lai|Thanh-Linh H. Duong|Tien-Cuong Hoang|Tang Ba Quang|Nguyen Phuc Thanh Duy|Ta Dang Khoa|Thuy-Phuong T. Pham