仿生硅化通过稳定微藻-细菌联合体，在酸性胁迫下增强高分子量多环芳烃的生物降解

《Journal of Hazardous Materials》：Biomimetic silicification enhances high-molecular-weight PAH biodegradation by stabilizing microalgae–bacteria consortium under acidic stress

　　

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  仿生硅化增强了微藻-细菌 consortia 对多环芳烃（PAH）的降解作用。
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  二氧化硅外壳缓解了酸性引起的氧化应激并稳定了细胞代谢。
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  在强酸性条件下，生物降解仍为主导的PAH去除途径。
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  转录组学揭示了外源物降解和能量代谢的保持。
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  硅化将微生物响应从应激防御转向代谢驱动的降解。

引言

多环芳烃（PAHs）是一类由多个稠合芳环组成的有机污染物，由于自然过程和人类活动的共同作用而广泛分布于环境中。森林火灾和火山喷发等自然来源导致PAH排放，而化石燃料燃烧、工业排放、煤炭加工、焦化活动和汽车尾气排放则是环境中PAH积累的主要人为贡献者[1]，[2]。由于其毒性、持久性、致突变性和致癌潜力，多种PAH已被列入环境风险评估框架中的优先污染物名单，其中苯并[a]芘（BaP）常被用作致癌性高分子量PAH风险的指示化合物[3]。根据芳环数量，PAHs可大致分为含两至三环的低分子量PAHs（LMW PAHs）和含四环或更多环的高分子量PAHs（HMW PAHs）[4]。与LMW PAHs相比，HMW PAHs表现出更高的结构稳定性、更强的疏水性和更低的生物有效性，这使得它们从受污染环境中的去除变得极为困难[5]。关于微生物BaP降解的综述同样强调了HMW PAHs的难降解性以及能够转化它们的微生物范围的局限性[6]。由于其疏水性和高分配倾向，HMW PAHs优先富集于土壤、沉积物、污泥和富含有机质的悬浮颗粒物中，而非以游离溶解状态存在于水中[7]。因此，与土壤和沉积物相关的受污染环境是HMW PAHs的重要储库和修复目标[8]。

目前已开发了多种修复策略，包括化学氧化、物理吸附/固定化和生物处理技术。化学氧化可以快速转化PAHs，但通常需要大量试剂投入，并可能造成二次环境干扰[9]，[10]。物理吸附或固定化可以降低PAH的迁移性，但这些过程主要将污染物从一个相转移到另一个相，需要后续的再生或处置[11]，[12]。传统生物处理具有环境友好性和成本效益，但其效率常常受到HMW PAHs低生物有效性以及在酸性、氧化性或共污染条件下微生物抑制的限制[8]，[13]。

生物处理作为一种环境友好且经济有效的PAH修复方法已被广泛探索。以往研究主要关注细菌对LMW PAHs的降解；然而，由于HMW PAHs分子结构复杂且生物有效性有限，其高效生物降解仍是一个重大挑战。越来越多的证据表明，微生物 consortium 在污染物降解方面可以优于单一微生物物种，因为微生物之间的协同作用可以增强代谢多样性以及环境胁迫下的韧性[14]，[15]，[16]，[17]，[18]，[19]。特别是，微藻-细菌 consortium 作为环境修复的有前景系统而受到越来越多的关注。在此类系统中，微藻通过光合作用产生氧气以支持细菌的有氧降解，而细菌则提供对藻类活动有益的必需维生素、营养物质和微量元素[20]。此外，微藻细胞表面可以创造局部微环境，增强污染物生物有效性并加速PAH转化[21]，[22]。因此，将耐PAH微藻与有益的耐PAH细菌合理配对可能同时提高污染物转化和抗应激能力。

尽管微生物 consortium 具有代谢互补性，但在恶劣环境条件下其性能可能受到严重损害[23]，[24]。虽然许多PAH污染的土壤和沉积物呈中性或碱性，但在特定的工业或采矿影响环境中可能出现酸性PAH污染条件，例如煤炭加工场地、煤焦油浸出液、酸性矿井排水影响水域和酸化沉积物。在这些场景中，质子胁迫和氧化胁迫可能进一步抑制微生物代谢并降低PAH生物降解效率[25]。

受自然生物矿化过程的启发，基于仿生矿化的工程活体材料最近被开发用于提高微生物在环境胁迫下的稳健性[26]，[27]。通过仿生矿化，无机材料可以在细胞表面组装形成界面结构，从而在允许与周围环境交换的同时维持细胞活性[28]，[29]。基于二氧化硅的系统因其生物相容性、化学稳定性和纳米结构特征而受到关注[30]，[31]。以往研究已评估了人工硅化在CO?固定、生物制氢、生物电化学能量转化和烃类生物降解等应用中的应用[29]，[32]，[33]，[34]，[35]，[36]。然而，在酸性HMW-PAH暴露条件下，对仿生制备的微藻-细菌 consortium 的综合表征、PAH归趋分配以及群落水平转录响应仍缺乏研究。

据我们所知，本研究首次综合证明了一种依次制备的PDADMAC-纳米硅酸盐界面能够在酸性共胁迫下的HMW-PAH转化过程中维持微藻-细菌 consortium 处于代谢导向状态。与传统微藻-细菌处理不同，该系统嵌入了工程化的矿物相关外界面；与以往的硅化细胞研究不同，本研究将界面组装与PAH质量平衡分配、生理应激响应、荧光特性以及群落水平转录组学联系起来。综合证据揭示了一种与处理相关的转变，即从应激/修复投入转向能量和外源物降解途径的维持，从而将仿生硅化从单细胞保护扩展到功能微藻-细菌 consortium 对酸性PAH的修复。

章节摘要

菌株和培养基

三种PAHs——苯并[a]芘（BaP）、芘（FLU）和蒽（ANT）——购自上海麦克林生化科技有限公司，色谱级。微藻副球藻属Parachlorella kessleri QWY28（GenBank: MK367466.1），最初分离自PAH污染土壤，保存在哈尔滨工业大学，培养于青岛希望生物科技有限公司（中国青岛）生产的BG-11培养基中添加10 g/L葡萄糖的条件下。Paenibacillus illinoisensis是分离自

处理 consortium 的制备和结构表征

通过Zeta电位测量考察了连续表面修饰过程，分别在PDADMAC暴露前、PDADMAC吸附后和硅酸盐沉积后（图2A）。原始微藻细胞的Zeta电位为-22.1 +/- 0.5 mV。PDADMAC处理后，电位偏移至+7.4 +/- 0.28 mV，支持了阳离子聚电解质的吸附以及正电荷聚集/矿化支架的形成。在随后的硅酸盐沉积之后，

结论

本研究证明，整合的PDADMAC-纳米硅酸盐制备处理增强了暴露于酸性pH梯度下HMW PAHs的微藻-细菌 consortium 的性能。制备的 consortium 在酸性条件下保留了更多叶绿素，积累较少的ROS，维持了更高的CYP450含量，并表现出更大的与生物降解相关的PAH比例。结构表征确立了PDADMAC支撑的依次形成

环境意义

多环芳烃是持久性且有毒的污染物，酸性条件进一步限制了生物处理。在定义的土壤浸提培养基中，整合的PDADMAC-纳米硅酸盐制备的微藻-细菌 consortium 保持了生理活性，并维持了比未修饰 consortium 更大的与生物降解相关的PAH比例。因此，工程界面提供了一种有效的实验室规模策略以维持PAH的生物转化

CRediT作者贡献声明

Zetang Chai：可视化，正式分析。Shengqiang Fan：验证，监督。Xinzuo Yang：写作–初稿，软件。Guojun Xie：监督，资源，调查。Zifeng Zhang：监督，调查。Nanqi Ren：监督，资金获取。Jie Ding：写作–审阅与编辑，监督。Wenbo Guo：写作–初稿，可视化，方法论，正式分析。Liu Bing-Feng：写作–审阅与编辑，监督，项目管理，资金

利益冲突声明

作者声明，他们不存在可能影响本文所报告工作的已知的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（编号：52470145）、黑龙江省自然科学基金（编号：JQ2024E006）、中央高校基本科研业务费专项资金（编号：2025CXPT01）、国家污泥安全处置与资源回收工程技术研究中心（Z2024A018）以及国家-地方联合生物能开发与技术研究中心（K2025A009）对本工作的经费支持。

Wenbo Guo|Hongyu Ren|Yeheng Wang|Zetang Chai|Xinzuo Yang|Shengqiang Fan|Zifeng Zhang|Guojun Xie|Jie Ding|Nanqi Ren|Bingfeng Liu