好氧颗粒污泥对重金属的耐受机制：基于c-di-GMP介导的胞外聚合物调控与细胞膜离子交换协同作用的新见解

《Journal of Water Process Engineering》：Tolerance mechanisms of aerobic granular sludge to heavy metals: New insights based on synergistic responses from c-di-GMP-mediated extracellular polymeric substance regulation to cell membrane ion exchange

重金属胁迫下活性污泥颗粒（AGS）的耐受机制及信号分子调控研究。通过SBR系统考察Cu2?、Ni2?、Cr3?对AGS结构及功能的影响，发现c-di-GMP通过促进EPS分泌（尤其是TB-PN，R=0.91）增强重金属耐受性，孔隙率提升与蛋白/多糖含量稳定共同维持结构完整性。EDX分析显示Ca2?离子交换是主要去除途径（Cu2?累积7%）。慢性暴露导致c-di-GMP与EPS同步下降，膜电位和渗透性失衡，揭示信号分子在膜损伤调控中的关键作用。研究为AGS处理重金属废水提供理论支撑。

　　

周一杰|沈瑶|刘冲|唐棠|王玉英|王硕|李姬

中国江南大学环境与生态学院厌氧生物技术江苏省重点实验室，无锡，214122

摘要

废水处理系统经常面临金属离子的挑战，这些金属离子会影响污泥的微生物活性和结构稳定性，而好氧颗粒污泥（AGS）对重金属的耐受性和适应性的潜在机制尚未得到充分研究。本研究探讨了AGS在重金属压力下的耐受机制，重点关注第二信使环二鸟苷酸（c-di-GMP）和胞外聚合物物质（EPS）的调节作用以及相关的细胞膜响应。通过使用序批反应器（SBR）系统，研究了AGS在Cu2?、Ni2?和Cr3?压力下的结构和功能变化。实验结果表明，在污泥颗粒化过程中，孔隙率和比表面积的增加，以及蛋白质和多糖含量的微小变化，对于维持结构完整性至关重要。c-di-GMP被证明可以增强EPS的分泌（特别是TB-PN），与EPS含量有很强的相关性（R = 0.91），从而提高对重金属的耐受性。有机成分分析显示，微生物间的通信促进了AGS内部成分的趋同（48%的共享成分），增强了环境适应性。虽然低浓度重金属压力会升高c-di-GMP水平，但长期暴露会导致c-di-GMP和EPS的同步下降，最终破坏细胞结构。能量分散X射线（EDX）分析表明，AGS主要通过Ca2?离子交换去除重金属，其中Cu2?的积累量最高（7%）。此外，细胞膜通透性和电位的变化强调了c-di-GMP在减轻外部压力下膜损伤中的调节作用。这些发现为AGS在处理含重金属废水中的应用提供了理论支持和新的见解。

引言

工业化的加速发展伴随着纺织、染色和电镀等行业的兴起，这些行业产生了大量含有重金属的废水[1]、[2]。其中，Cu2?、Ni2?和Cr3?等离子在电镀废水中常见，其浓度在不同工艺中差异显著，通常在4到800 mg/L之间[3]。这些重金属具有高毒性、累积性和不可生物降解性，未经处理的含重金属废水排放对环境安全和人类健康构成严重威胁[4]。因此，处理含重金属废水一直是水污染控制中的关键研究重点和技术挑战。目前的主要处理方法包括化学沉淀、离子交换、电解、活性炭吸附、反渗透和电渗析[5]、[6]，尽管这些物理化学方法在不同程度上有效，但往往存在缺点。例如，化学沉淀和电解可能会产生污泥或废电解质的二次污染，而离子交换、反渗透和电渗析则常伴随高运营成本或膜污染问题。尽管活性炭吸附对某些重金属具有高去除效率且一般不会产生二次污染，但其广泛应用受到材料成本和再生需求的限制[7]。近年来，基于微生物的处理方法因成本效益和环境兼容性而受到越来越多的关注[7]。

好氧颗粒污泥（AGS）是一种先进的微生物废水处理技术，与传统絮凝污泥相比，具有更好的沉淀性能和更高的生物量保留能力[8]。虽然重金属会破坏AGS的结构并抑制微生物酶活性，从而降低处理效率[9]、[10]，但研究表明，低浓度的重金属可以提升AGS的性能[11]。这种改善归因于胞外聚合物物质（EPS）的保护作用，它们在有毒条件下赋予结构稳定性和韧性[12]。EPS包括多糖、蛋白质、腐殖酸等成分，是微生物分泌的大分子粘性物质，可以促进微生物聚集，在污泥颗粒化过程中起重要作用，并维持AGS的结构稳定性。与絮凝污泥相比，AGS的EPS含量更高，有助于微生物抵抗重金属的压力。第二信使环二鸟苷酸（c-di-GMP）在调节AGS系统中的细菌运动性、胞外多糖生产和生物膜形成中起着关键作用[13]。值得注意的是，c-di-GMP在EPS生物合成中起着核心作用。在絮凝污泥的颗粒化过程中，c-di-GMP分泌的增加显著提高了EPS的产生，从而增强了AGS抵抗有毒物质的能力[14]、[15]。

此外，c-di-GMP通过细胞膜传递信息，在物质的跨膜运输、信息识别和传递以及能量转换中发挥独特作用。其对环境变化的响应也有助于细胞有效抵抗不利环境条件的影响。Ding等人[16]和Zhang & Tay[17]证明，c-di-GMP诱导的生物膜形成和EPS含量的增加在AGS周围建立了保护性的酚浓度梯度，减轻了直接毒性并提高了生物降解效率。然而，c-di-GMP介导的信号传导过程中细胞膜的动态变化尚未得到充分研究，这在基于信号的AGS稳定性调节方面存在知识空白。尽管AGS技术在实际应用中越来越广泛，但目前的研究主要集中在颗粒化机制和毒性影响上[18]。很少有研究探讨低浓度重金属与EPS分泌以及基于信号分子c-di-GMP的细胞膜响应之间的关系。研究AGS在重金属压力下的c-di-GMP变化模式将有助于提高AGS处理富含重金属废水的能力。

基于我们之前关于AGS处理复杂含重金属废水性能的研究[19]，本研究旨在进一步探讨成熟AGS对重金属压力的响应特性。通过全面评估絮凝污泥颗粒化过程中的物理化学性质，我们重点阐明涉及第二信使和细胞膜响应的潜在机制。通过相关性分析，我们明确了c-di-GMP与微生物生物量、EPS生产和污染物去除效率之间的关系，强调了c-di-GMP在AGS系统中的重要性。此外，还分析了絮凝污泥和好氧颗粒污泥之间可溶性微生物产物（SMP）、松散结合EPS（LB-EPS）、紧密结合EPS（TB-EPS）和细胞内物质的组成差异，重点关注颗粒化过程中信号传导引起的成分重新分布。同时，通过表征细胞膜电位和膜通透性的变化，研究揭示了信号通信和物质运输如何影响膜性质。总之，这项研究为分析AGS的形成和稳定运行机制奠定了基础，包括细胞信号分子和信号传导的调节。

反应器设置和操作

实验在实验室规模的序批反应器（SBR）中进行。该圆柱形反应器高度为100厘米，内径为10厘米，有效工作体积为4升（图1）。反应器顶部、中部和底部均设有采样口。通过反应器底部的扩散器以2升/分钟的恒定速率供气。反应器使用蠕动泵进行底部进水和中部出水

污泥颗粒化的形成和孔隙率

根据分析结果，接种的絮凝污泥的污泥体积指数（SVI??）为110 mL/g，混合液悬浮固体（MLSS）浓度为2500 mg/L。到第60天时，SVI??值降至50 mL/g，而MLSS浓度稳定在8000 mg/L。这些观察表明污泥颗粒化大约在第60天完成[30]。颗粒化前后污泥的质地特性通过氮含量进行了表征

结论

絮凝污泥的颗粒化赋予了AGS更好的性能，所形成的孔隙率（表现为比表面积和总孔隙体积的增加）促进了高效的底物转移和信号分子交换。此外，蛋白质和多糖在颗粒中的空间分布，以及EPS组分和细胞内物质中共享有机成分的显著增加（从17%增加到48%），表明微生物活性得到了增强

CRediT作者贡献声明

周一杰：撰写——初稿、方法论、数据分析、概念化。沈瑶：方法论、研究。刘冲：撰写——初稿、方法论、数据分析。唐棠：可视化、验证、研究。王玉英：可视化、验证、方法论、研究。王硕：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、监督、项目管理、资金筹集。李姬：监督、资源协调、资金筹集。

利益冲突声明

所有作者均已批准手稿，并同意将其提交同行评审。作者声明他们没有已知的可能影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者衷心感谢国家自然科学基金（52470036）和江苏省生态与环境监测研究基金（24A13）提供的财政支持。