电化学生物强化：地下水砷生物修复的新策略

《Environmental Research》：Electrochemical Bioaugmentation as a New Strategy for Arsenic Bioremediation in Groundwater

　　

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  成功实现了与砷相关的电活性细菌的电化学富集
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  通过扫描电子显微镜和流式细胞术检验了细菌富集情况
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  群落分析表明红球菌属（Rhodococcus sp.）为最优势菌属
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  +0.3 V（vs. Ag/AgCl）的设定电位将砷氧化率从5.5%提高至20%

引言

生物电化学系统（BES）是一种创新技术，它将电化学过程与催化微生物活性相结合以促进氧化还原反应（Li et al., 2021; Rabaey, 2009）。对BES日益增长的兴趣源于其相较于传统系统的诸多优势，包括与其他技术的兼容性、更高的电化学效率以及更大的通用性。该技术已应用于不同领域，包括生物产品回收（Singh et al., 2024; Wang et al., 2024）、氮磷回收（Cerrillo et al., 2023）和脱盐（Aber et al., 2023; Mohammadi et al., 2024）。在BES领域中被最广泛探索的是与水和沉积物处理相关的领域（Madondo et al., 2023; Ramanaiah et al., 2023; Wang et al., 2025）。BES在修复铬（Beretta et al., 2020）、镉（Chen et al., 2016; Hou et al., 2018）、镍（Amanze et al., 2022; Kadhim and Abbar, 2023）、氯酸盐（Torres-Rojas et al., 2020）、高氯酸盐（Butler et al., 2010; Mieseler et al., 2013; Torres-Rojas et al., 2022）和合成染料（L. Sun et al., 2022; Uduma et al., 2023）等无机污染物方面已展现出令人鼓舞的成果。提高BES性能的一种策略是从多样化的接种物中筛选和富集电化学活性微生物（EAMs）。电化学富集可以改善催化能力并加速系统启动（Kannaiah Goud and Venkata Mohan, 2013; Koch et al., 2018; Li et al., 2024）。为此，设定电位的应用已被广泛研究，并展示了在EAM富集和系统性能方面的进步（Araneda et al., 2018; De La Fuente et al., 2022; Haavisto et al., 2020; Tapia-Tussell et al., 2019）。

砷（As）是一种广泛分布的类金属，也是地壳中最丰富的元素之一（Guo et al., 2024; Shakya et al., 2023）。其循环涉及物理化学和微生物过程（Lièvremont et al., 2009）。在水中最常见的无机形态是三价砷（As(III)）和五价砷（As(V)）。与As(V)相比，As(III)具有更高的迁移性，而As(V)更倾向于与三价铁离子或硫形成沉淀，也可能被氢氧化物、有机质、方解石或黏土吸附（Figoli et al., 2020）。由于火山喷发和风化作用，砷天然存在于黄铁矿和砷黄铁矿等矿物中（Panagiotaras and Nikolopoulos, 2015）。然而，人类活动如采矿、农药使用和砷含量丰富的化石燃料燃烧已增加了食物和用于供水及人类消费的地下水中的砷含量，导致当今人们暴露于更高水平的砷中（Sher and Rehman, 2019）。

在过去的十年中，BES已成为砷转化和环境修复方面一种有前景的替代技术。多项研究已证明BES将As(III)氧化为毒性较低的As(V)的可行性（Nguyen et al., 2016; Pous et al., 2015a）。近期研究侧重于通过考察胞外电子传递（EET）对BES中砷形态转化的影响（Wang et al., 2020）、探索BES构型对该过程的影响（Isabel San-Martín et al., 2023），以及研究不同碳源和外加电压对土壤BES中砷去除的效果（Wang et al., 2021, 2020），来理解和提高BES的性能。然而，这些研究主要关注系统性能和砷去除效率，而驱动这些过程的微生物群落仍未得到充分表征，尽管了解负责砷转化的微生物对于设计和优化电生物修复策略至关重要。尽管如此，BES中与砷相关的EAM的富集和表征仅得到部分研究。此外，BES中砷的存在作为系统中微生物的选择压力因素，可能会限制EAM的选择和富集以及BES中砷的转化。而且，特定的设定电位是否随着时间的推移塑造这种微生物选择过程，以及由此产生的群落差异如何转化为砷转化差异，此前尚未得到解决。本研究旨在评估在含有砷的条件下，设定电位BES施加的选择压力如何影响电化学活性群落的选择和富集。研究了有设定电位和无设定电位下群落的动态变化，以及它们将As(III)转化为As(V)的能力。

章节摘要

接种物富集

取自智利阿里卡和帕里纳科塔大区科皮塔斯河的沉积物样品被用作微生物接种物来源。采集后，沉积物样品（50 g）被装入密封的3.8 L塑料袋中，在黑暗中4 °C条件下保存直至处理和分析。样品被用于接种密封的500 mL血清瓶，其中装有450 mL不含维生素的最小培养基（Nguyen et al., 2017）。培养基调节至pH 7，并补充0.65 mM

电化学表征

在三个批循环周期中共116天内追踪了电化学系统的电流密度。到第3周期结束时，即第112天，记录到的最高阴极电流密度在+0.3 V实验中为?1.5 μA/cm²，在无生物对照组中为?1.2 μA/cm²（图S1）。在每个批循环周期结束时进行循环伏安（CV）测试，以评估反应器中的电化学活性（图2）。在第1周期中，+0.3 V实验的三个重复组中只有一个（第2重复组）显示出还原峰

讨论

本研究获得的结果证明了EAM群落的存在。循环伏安曲线中?0.6 V至?0.7 V（vs Ag/AgCl）之间的阴极峰表明在+0.3 V实验过程中微生物群落催化的还原反应。然而，未观察到与砷或任何氧化过程相关的阳极峰。在先前的研究中，接近?0.6 V和?0.7 V（vs. Ag/AgCl）的电位被认为与微生物电合成中的CO₂还原有关（He et al., 2016;

结论

本研究调查了使用设定电位富集与砷相关的EAM的效果。微生物群落的表征结果表明，实验主要富集了红球菌属（Rhodococcus），其相对丰度超过90%，在设定电位和开路电位（O.C.P.）实验中均与砷抗性相关联。尽管两种实验（+0.3 V（vs. Ag/AgCl）和O.C.P.）中的微生物群落显示出不足40%的差异，但设定电位

CRediT作者贡献声明

Julian Casas-Vargas：撰写——审阅与编辑、可视化、数据整理。Angela Cantillo-González：撰写——初稿、可视化、验证、软件、方法论、调查研究、形式化分析、数据整理、概念化。Rodrigo De la Iglesia：撰写——审阅与编辑、可视化、指导监督、数据整理。Ignacio Vargas：撰写——审阅与编辑、指导监督、资源提供、项目管理、资金获取、概念化

利益冲突声明

? 作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系可能对本研究产生影响。

6. 致谢

本研究得到了FONDECYT项目1240572、ANID CEDEUS CIN250009、ANID COTH2O CTI250001以及天主教智利大学研究副校长的支持。感谢Mauricio Medel（PUC环境生物技术与微生物学实验室）提供的协助。

Angela Cantillo-González|Julian Casas-Vargas|Rodrigo De la Iglesia|Ignacio T. Vargas