在循环流动条件下选择吸附和固定载体，以提升 Acidithiobacillus ferrooxidans 的性能和代谢特性

《Bioresource Technology》：Selection of adsorption and immobilization carriers under circulating flow conditions for enhanced performance and metabolic characteristics of Acidithiobacillus ferrooxidans

高效固着酸杆菌处理Fe2?工艺研究。通过构建循环流固着反应器，系统评估玄武岩纤维、滤布和沸石三种载体对铁氧化亚球菌（A. ferrooxidans）的固定化效果。实验表明玄武岩纤维最优，经响应面法优化后Fe2?氧化率达741 mg/(L·h)，峰值达1238 mg/(L·h)，生物膜形成显著增强。研究揭示了载体矿物形态与微生物代谢协同机制，为酸性环境重金属处理提供新方案。

　　

周芳正|陈光辉|王艳艳|于德双|朱一凡|卢仁杰|李淑芳|肖淑玲|董英英

青岛大学环境与地理学院，中国青岛市266071

摘要

Acidithiobacillus ferrooxidans（A. ferrooxidans）是一种参与重金属浸出和固体废物处理的关键微生物。为了有效利用该微生物，高效培养并维持其高Fe²⁺氧化速率至关重要，但这些过程常常受到细胞流失、连续流动条件下的操作不稳定以及强酸性环境中载体耐久性有限的阻碍。本研究构建了一个循环流式固定化反应器，以评估A. ferrooxidans在各种载体材料上的表现。通过对氧化还原电位、pH值、Fe²⁺氧化速率及载体相关矿物形态的全面分析，发现玄武岩纤维是最适合A. ferrooxidans固定化的载体。通过响应面方法优化了使用玄武岩纤维的固定化条件，实现了高效的固定化效果，同时增强了细胞外聚合物的分泌和酶活性。玄武岩纤维显著缩短了A. ferrooxidans的生长迟滞期，增加了生物量并使Fe²⁺氧化速率平均达到741 mg/(L·h)，最高可达1238 mg/(L·h)。固定化后，A. ferrooxidans的相对丰度从67%提升至85%。总体而言，本研究表明玄武岩纤维是一种坚固且有效的A. ferrooxidans固定化载体，能够在连续流动条件下实现稳定的固定化和高效的Fe²⁺氧化。

引言

Acidithiobacillus ferrooxidans（A. ferrooxidans）是一种能够在极端环境中生存的化能自养细菌，属于专性需氧、嗜酸的革兰氏阴性菌。它以Fe²⁺和还原态硫化合物为电子供体，生成Fe³⁺和硫酸等氧化代谢产物（Li等人，2023年）。该菌在pH 1.5–3.0的强酸性条件下仍能保持活性，并参与氧化还原反应、金属迁移和生物矿化过程（Gan等人，2021年；Kremser等人，2021年）。因此，它在环境工程中具有广泛的应用前景，包括生物浸出、废物降解和资源回收。

近年来，A. ferrooxidans被广泛应用于环境工程领域，如生物采矿、金属去除与回收、含铁污染物的氧化以及油泥处理（Baniasadi等人，2019年；Guo等人，2023年；Li等人，2022年）。其代谢氧化能力和酸溶解能力使得它能够通过再生Fe³⁺来溶解金属和转化污染物，从而减少对外部化学氧化剂或酸的需求，具有操作简便、成本低廉和环保的优点。然而，其大规模应用仍受到工程限制，如细胞流失、代谢不稳定、对流动条件的敏感性以及维持生物活性的难度。在连续流动条件下，细胞损失和生物膜形成不良会降低反应效率，而悬浮培养则需要较长的培养时间。因此，生物量固定化和生物氧化效率的提升对于改善其在污染控制和资源回收中的性能至关重要（Chen等人，2023年；Jung等人，2023年）。

为了解决这些问题，微生物固定化成为提高细胞稳定性和反应效率的有效手段（Hou等人，2024年）。主要的固定化方法包括包封和吸附：包封方法使用聚合物基质（如海藻酸钠、聚乙二醇）将细胞包裹起来（Yao等人，2025年），但在低pH值下，包封材料会降解或失去完整性，导致细胞泄漏和活性降低，限制了其在酸性环境中的应用；吸附固定法则将细胞固定在惰性载体上，形成稳定的生物膜，减少细胞损失并提高系统稳定性（Bouabidi等人，2018年）。在流动条件下，这种方法促进生物膜的形成，增加细胞密度和氧化速率，并支持原位矿物沉积（Al-Amshawee等人，2020年）。载体材料的选择对提升微生物性能至关重要。然而，天然载体（如沸石、非织造布和活性炭）往往缺乏结构稳定性、矿物负载能力和吸附亲和力，限制了其在大规模应用中的适用性。

玄武岩纤维是一种新型矿物纤维，近年来在航空航天、土木工程、阻燃材料和工业制造领域得到了广泛应用（Jia等人，2023年；Liu等人，2023年）。作为一种天然无机聚合物，玄武岩纤维具有较高的机械强度和强耐酸性（Chowdhury等人，2022年；Li等人，2016年），其纤维结构提供了丰富的附着面积，使其适用于低pH值和高负荷条件下的长期运行。此外，其微观结构能与A. ferrooxidans的矿化能力协同作用，促进细胞附着和生物膜的稳定生长，从而形成“生物膜-载体-矿物”协同系统。尽管已有研究使用有机纤维载体进行微生物固定化（Santaolalla等人，2021年），但无机和矿物基载体可能更符合A. ferrooxidans在酸性、富含矿物的环境中的自然生态位和典型应用需求。然而，关于A. ferrooxidans在玄武岩等无机纤维上的吸附、生物膜形成和矿物沉积的研究仍较为有限。

因此，本研究旨在：（1）将A. ferrooxidans固定在三种载体（沸石、纱布和玄武岩纤维）上，以确定最合适的载体；（2）利用响应面方法优化玄武岩纤维的固定化参数；（3）研究在优化条件下基于玄武岩纤维的固定化过程中的代谢变化和微生物群落动态；（4）通过分析群体感应机制，阐明玄武岩纤维-A. ferrooxidans系统的潜在工业应用。

实验材料

A. ferrooxidans菌株来源于实验室保存的培养物（Li等人，2022年）。保存前，该菌株取自青岛某污水处理厂收集的活性污泥，经过富集培养后使用9 K无机铁盐培养基进行筛选和纯化。9 K培养基的成分包括(NH₄)₂SO₄ 3.0 g/L、K₂HPO₄ 0.5 g/L、KCl 0.1 g/L、MgSO₄·7H₂O 0.5 g/L、Ca(NO₃)2 0.01 g/L和FeSO₄·7H₂O 44.2 g/L。实验中使用的三种载体分别为改性玄武岩纤维、纱布和...

常规监测参数的变化

在初始生长阶段，Fe²⁺被生物氧化为Fe³⁺，同时消耗H⁺，导致pH值暂时升高。随后，Fe³⁺水解生成二次矿物并释放H⁺，当H⁺的产生量超过消耗量时，pH值逐渐下降（Yi等人，2021年）。如图2(a)所示，所有固定化批次的pH值均表现出先升高后降低的趋势，这与A. ferrooxidans的特征代谢过程一致。

结论

本研究开发了一种循环流式固定化系统，以提高A. ferrooxidans的生物氧化性能。在三种评估的载体（玄武岩纤维、纱布和沸石）中，玄武岩纤维表现出最佳的固定化效果。通过形态学分析、矿物相分析和铁氧化分析证实，玄武岩纤维在强酸性和高氧化条件下具有优异的细菌附着性、氧化效率和结构稳定性。

CRediT作者贡献声明

周芳正：撰写原始稿件、数据可视化、正式分析、数据整理。陈光辉：撰写、审稿与编辑、项目管理、方法设计、资金获取、概念构思。王艳艳：监督工作、资源调配、资金获取。于德双：监督工作、资源调配。朱一凡：实验研究、数据整理。卢仁杰：数据可视化、实验研究。李淑芳：实验研究。肖淑玲：实验研究。董英英：实验研究。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：32470127）、青岛市自然科学基金（项目编号：24-4-4-zrjj-44-jch）和山东省自然科学基金（项目编号：ZR2024QD152）的支持。