关于腐殖酸增强微生物修复六价铬和芘共污染水体的机制性见解

《Journal of Water Process Engineering》：Mechanistic insights into humic acid-enhanced microbial remediation of Cr(VI)-pyrene co-contaminated water

微生物修复协同去除Cr(VI)与pyrene的研究表明褐煤腐殖酸（LHA）较泥炭腐殖酸（PHA）提升Cr(VI)去除率130%、pyrene降解率91%，其增强机制涉及疏水作用、π-π相互作用及Cr(VI)络合能力差异。

　　

Xinpeng Liu|Xiaoying Liu|Wenbin Huang|Huaiyong Shao|Gang Liu|Zhengyu Luo|Zhihua Liu|Shibin Liu

中国四川省成都市二仙桥东三路1号，成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，邮编610059

摘要

微生物修复是一种可持续的策略，用于处理同时受到重金属和多环芳烃（PAH）污染的水体，但其效率受到污染物毒性的限制。腐殖酸可以减轻这些毒性效应并提高修复效率，然而其具体作用机制尚不明确。本研究富集了微生物群落AC-1以修复同时受到六价铬（Cr(VI)和芘污染的水体，并评估了不同来源的腐殖酸在生物修复中的作用。在没有腐殖酸的情况下，AC-1仅去除了28.3%的Cr(VI)和40.4%的芘。相比之下，褐煤衍生的腐殖酸（LHA）使Cr(VI)的去除效率提高了130%，芘的去除效率提高了91%，其效果比泥炭衍生的腐殖酸（PHA）高出6-10%。48小时后，LHA的污染物吸附能力比PHA强20%，亲和力强1.5-2倍，这归因于更强的疏水作用和π-π相互作用。LHA中含有更多的富电子基团，有助于增强Cr(VI)的络合和电子转移。扫描电子显微镜（SEM）图像显示LHA能更好地稳定微生物细胞结构，从而支持吸附和活性。气相色谱-质谱（GC–MS）结果进一步表明，LHA能抑制中间产物的积累，促进高效降解，同时保持芳香结构并促进分支氧化。这些发现阐明了腐殖酸的来源依赖性作用，并为提高微生物对Cr(VI)-芘共污染环境的修复效果提供了见解。

引言

水资源在维持人类社会的稳定性和促进发展方面发挥着至关重要的作用[1]。然而，快速的经济增长加剧了工业活动，导致重金属（HM）和多环芳烃（PAH）进入水生系统，造成共污染[2],[3],[4]。这些污染物因其持久性、难以检测性和复杂性而受到越来越多的关注[5]。它们的共存可能导致多种效应，进一步放大环境毒性[6]。这增加了共污染的修复难度，并对人类健康和生态系统构成重大风险[7],[8]。应对这些挑战需要开发针对HM和PAH的创新高效修复策略。

微生物修复因其高效率、成本效益以及无二次污染而受到广泛关注[9]。已经分离出能够降解PAH和去除重金属的单个菌株，用于修复HM-PAH共污染的水体。然而，修复效率通常受到单一菌株处理能力和适应性的限制。这种效率低下主要是由于单一菌株对复杂PAH的代谢能力不足，以及金属对细胞代谢和PAH降解酶的抑制[10]。例如，尽管Altererythrobacter sp. H2具有降解多种高分子量PAH和脱毒Cr(VI)和As(III)的能力，但其对更难降解化合物（如芘和苯[a]芘）的降解效率仍然较低，芘和苯[a]蒽的降解率低于35%[11]。相比之下，微生物群落表现出显著更好的修复性能。细菌共培养使Cd的吸附效率提高了32%，As的生物还原效率提高了28%[12]。在Cd(II)浓度为10–50 mg/L的条件下，混合细菌培养物的菲降解效率在65%到81%之间，是单个菌株的1.4–3.0倍[13]。然而，尽管微生物群落的修复效率很高，但仍受环境条件、污染物浓度、微生物竞争等因素的影响，导致降解效率有限[14]。

腐殖酸常被用作添加剂，以增强微生物对污染物的修复效果。腐殖酸通过吸附、络合、离子交换和氧化还原反应等多种途径与HM和PAH相互作用，从而降低毒性并提高其在环境中的迁移性[15],[16],[17],[18]。腐殖酸的类表面活性剂胶束结构还可以增加PAH的溶解度，从而提高其生物可利用性[19]。此外，腐殖酸作为电子介质，可加速微生物呼吸，促进生长并增强代谢活性，进而提高HM的生物还原和PAH的生物降解[20]。然而，其对微生物修复效率的影响并不一致。例如，Mohammed等人发现，来自亚热带森林土壤的腐殖酸通过竞争电子和改变电子转移，降低了Shewanella oneidensis对Cr(VI)的还原效率，从65%降至56%[21]。同样，在腐殖酸存在下，Pseudomonas aeruginosa PR1菌株对磷酸酯的生物降解也受到抑制[22]。然而，不同来源和结构的腐殖酸对微生物修复的影响在机制方面仍不十分清楚，特别是在调节HM-PAH共污染方面[23]。

在这里，我们研究了不同来源的腐殖酸在调节Cr(VI)-芘共污染水体微生物修复中的作用。我们从石油污染场地收集了土壤样本，并筛选和驯化了能够降解目标污染物的高效微生物群落。提取了来自泥炭和褐煤的腐殖酸，对其进行了表征，并全面评估了它们对Cr(VI)-芘共污染水体微生物修复的效果。本研究的目标是：（1）研究来自泥炭和褐煤的腐殖酸对芘降解和Cr(VI)还原的影响；（2）探讨腐殖酸增强Cr(VI)-芘共污染水体微生物修复的机制，并确定影响其作用的主要因素。这些发现将为在HM-PAH共污染水体中应用腐殖酸提供理论基础。

试剂和材料

本研究通过将芘溶解在丙酮中制备了浓度为1 g/L的芘-丙酮储备溶液；通过将铬酸钾（K₂CrO₄）溶解在超纯水中制备了浓度为1 g/L的六价铬（Cr(VI)储备溶液。通过将8.0 g MgSO₄·7H₂O、1.6 g CuSO₄·5H₂O、1.1 g MnSO₄·H₂O、1.8 g FeSO₄·7H₂O和1.3 g CaCl₂·2H₂O溶解在1 L超纯水中，制备了pH值为7.0–7.2的微量元素溶液。通过将1.0 g K

细菌群落结构和降解能力的鉴定

随着时间的推移，微生物对Cr(VI)和芘的修复效率逐渐提高（图1a）。到第4周时，Cr(VI)的去除效率达到16.3%，芘的降解效率达到26.5%。到第6周时，这些数值分别提高到28.5%和40.6%。这些结果表明，微生物群落逐渐适应了共污染系统，增强了其代谢活性，并提高了对Cr(VI)和芘的毒性压力的抵抗力[30]。

实际意义和局限性

传统的重金属-PAH共污染水体修复方法通常依赖于分离的物理化学过程，如吸附（例如活性炭或生物炭）、化学还原（例如零价铁）或高级氧化[35]。虽然这些方法对单一污染物有效，但在复杂介质中常常遇到显著的限制，包括传质效率低、产生二次化学污泥以及高昂的运营成本[76]。相比之下，我们的

结论

本研究从油田附近的土壤中分离并鉴定了一种高效微生物群落AC-1，该群落能够同时降解Cr(VI)和芘。在7天的培养期间，Cr(VI)和芘的去除效率分别达到了28.3%和40.4%。最佳去除条件为pH 7.0、30°C和10%的接种量。对LHA和PHA的结构和吸附性能的比较分析表明，富含羰基的LHA

CRediT作者贡献声明

Xinpeng Liu：撰写初稿、软件应用、方法设计、数据管理。Xiaoying Liu：撰写初稿、数据可视化、软件应用、形式分析。Wenbin Huang：数据验证、软件应用、实验设计、数据管理。Huaiyong Shao：撰写与编辑、审稿。Gang Liu：撰写与编辑、审稿。Zhengyu Luo：撰写与编辑、审稿。Zhihua Liu：撰写与编辑、审稿、资源协调、项目管理、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了成都理工大学Everest科学研究计划（编号2024ZF11422）、成都理工大学2023年青年和中青年骨干教师发展资助计划（编号10912-JXGG2023-07049）以及西藏自治区重大科学技术专项（编号XZ202201ZD0005G03）的支持。