腐殖酸有助于在广泛的温度范围内通过微生物氧化锰来修复土壤中的砷污染

生物锰氧化物（MnOx）与腐殖酸（HA）协同调控砷（As）污染土壤修复效率，探究了假单胞菌XY4在10-30℃温度梯度下氧化As(III)为As(V)的机制，发现HA通过增强MnOB的酶促氧化活性及生成高结晶度MnOx促进砷固定，最终使土壤溶液中As(III)去除率达89.9%-96.6%，水稻生物有效性砷降低至安全水平。

　　

翟伟伟|张文进|董凌峰|鲁玉龙|徐尧|何展飞|张道勇|潘向良

中国浙江省工业大学环境学院工业污染低碳控制技术重点实验室，杭州310000

摘要

生物来源的锰氧化物（MnO_x）由锰氧化细菌（MnOB）产生，由于其氧化和吸附特性，在修复砷（As）污染的土壤方面具有巨大潜力。然而，MnOB与土壤腐殖酸（HA）之间的协同作用，以及它们在环境相关温度范围内对砷修复效率的综合影响，目前仍知之甚少。因此，本研究旨在阐明腐殖酸在广泛温度范围（10–30°C）内增强MnOB驱动的砷修复作用，这是现场应用中的一个关键知识空白。本研究从高锰含量的土壤中分离出一种MnOB菌株Pseudomonas sp. XY4，以探讨腐殖酸对微生物氧化Mn(II)及随后土壤中砷修复过程的促进作用。菌株XY4对pH值、碳源和盐度具有广泛的适应性。腐殖酸促进了酶促的Mn(II)氧化，并生成了结晶度更高、锰(III)含量更高的生物来源锰氧化物（MnO_x）。结果，经过腐殖酸处理的XY4菌株能够快速将有毒的As(III)氧化为移动性较低的As(V)，从而在土壤和溶液中实现高程度的固定。土壤溶液中As(III)的去除率达到了89.9%–96.6%，并且41.0%–49.0%的生物可利用砷转化为了稳定的Fe/Mn氧化物形式。最后，在同时使用XY4菌株和腐殖酸处理的土壤中生长的黑麦草，其砷积累量极少，且效果在不同温度下保持一致。这些发现突显了MnOB与腐殖酸联合策略在实际田间条件下实现可持续砷修复的潜力。

引言

砷（As）是土壤、沉积物和水中普遍存在的有毒元素（He等人，2025b）。长期暴露于砷对人体健康以及陆地和水生生态系统构成严重威胁。陆地植物容易从土壤中吸收砷，导致其在食物链中的生物累积，并影响多个营养级的生物。因此，砷污染被视为一个重要的全球环境问题，其修复工作亟待开展。砷的毒性和环境迁移性很大程度上取决于其氧化状态；亚砷酸盐[As(III)]通常比砷酸盐[As(V)]更具毒性和迁移性（Ganie等人，2024）。因此，将As(III)氧化为As(V)被认为是有效修复的关键步骤（He等人，2019；Raturi等人，2023）。

生物修复为去除砷提供了一种有前景、成本效益高且环境可持续的方法（Wang等人，2020；Zhang等人，2023）。微生物通过固定、转化和解毒过程显著影响砷的形态和迁移性（Da和Das，2020；Yin等人，2018）。其中，锰氧化细菌（MnOB）广泛分布于土壤中，能够催化Mn(II)氧化为Mn(III/IV)，生成生物来源的锰氧化物（MnO_x）（Liu等人，2024a；Miletto等人，2021）。生物来源的MnO_x具有较大的表面积和高氧化还原反应性（He等人，2025b；Mukherjee等人，2013），既能氧化As(III)又能吸附As(V)，从而在控制砷的地球化学命运中发挥关键作用（Liu和Okibe，2025；Si等人，2023）。微生物介导的Mn(II)氧化通过生物和非生物机制发生（Zhou和Fu，2020）。生物过程主要由多种铜氧化酶（MCOs）、锰过氧化物酶和过氧化氢酶-过氧化物酶复合体等酶驱动（He等人，2023；Soldatova等人，2017）。非生物途径涉及活性中间体如超氧阴离子（O₂•^?）（He等人，2023；Learman等人，2011）或代谢物引起的pH值和氧化还原电位变化（Barboza等人，2016）。在大多数MnOB中，Mn(II)的氧化主要依赖于分泌的MCOs，其反应速率比化学合成MnO_x快五个数量级（Liu等人，2024a；Zhou和Fu，2020）。重要的是，生物来源的MnO_x与合成MnO_x在结构和功能上存在显著差异。例如，化学合成的MnO_x（δ-MnO₂、α-MnO₂、γ-MnO₂）通常需要碱性条件（pH ～9）才能最佳氧化As(III)，而生物来源的MnO_x在接近中性的条件下实现最大程度的固定（Liu等人，2024b）。此外，来自Pseudomonas putida MnB1的MnO_x由于其非晶晶格中的丰富空位而具有较高的吸附能力（Zhou等人，2015）。作为一种可再生的代谢副产物，生物来源的MnO_x具有环境兼容性，可以持续再生，使其成为可持续砷修复的生态功能性材料。

然而，在实际环境中，生物来源的MnO_x介导的砷修复效果可能受到天然有机物（如腐殖酸（HA）的复杂影响。一方面，腐殖酸通过非生物和生物途径显著影响砷的行为（Guo等人，2023；Yang等人，2016）。具体而言，腐殖酸的酚类和羧基容易与As(III)形成复合物，从而提高其溶解度和潜在的生物可利用性（Mandal等人，2019；Rashid等人，2018）。腐殖酸还与砷竞争矿物表面的吸附位点，这可能增加砷的迁移性（Deng等人，2025；Li等人，2020）。此外，在厌氧条件下，腐殖酸可作为电子穿梭剂，促进微生物将As(V)还原为As(III）（Qiao等人，2019；Wang等人，2023）。另一方面，腐殖酸通过促进Mn(IV)氧化物还原为Mn(II)并改变其结构特性来影响锰的生物地球化学循环（Wang等人，2018）。此外，MnOB能够利用腐殖酸作为唯一碳源将Mn²⁺氧化为生物来源的MnO_x（Ye等人，2023）。这表明腐殖酸有可能通过微生物作用促进砷的固定。尽管存在这些多方面的相互作用，但腐殖酸在MnOB介导的途径中调节砷环境命运的作用仍不完全清楚。

温度是影响砷生物修复过程效果和稳定性的另一个关键因素。低温通过限制有机物的吸收和代谢来抑制微生物活性，从而减缓细菌繁殖并影响修复效果（Zeng等人，2021）。虽然某些菌株（如Pleosporales sp. Mn1）在较高温度（例如45°C）下表现出增强的锰氧化酶活性，但这种条件在大多数土壤环境中并不常见（Yoshimura等人，2021）。自然环境中经历显著温度波动也会抑制微生物代谢并影响修复稳定性。此外，温度变化还会改变土壤的物理化学性质，如pH值、氧化还原电位和溶解有机碳，这些因素间接影响砷的形态（Delanau等人，2024）。例如，在Carnoulès矿的排水系统中，砷的分布存在季节性变化，冬季主要形成富As(III)的toeleite沉淀物，而夏季则以非晶态铁砷酸盐为主（Egal等人，2010；Villalobos等人，2003）。因此，实际现场应用必须考虑环境温度的波动。在较温暖的时期安排生物修复项目将更具成本效益和可持续性（Delanau等人，2024）。本研究关注10–30°C的温度范围，因为这一范围涵盖了温带气候的典型季节变化（例如春季到秋季），在此期间微生物活性预计较为活跃。在这一范围内，较高的温度通常会刺激微生物活性并加速修复过程（Alia等人，2024；Wang等人，2022）。这些动态表明温度、砷的地球化学性质和微生物活性之间存在复杂的相互作用，强调了需要在环境相关范围内评估修复策略的必要性。

总之，尽管已经分别研究了腐殖酸和温度对砷迁移性和MnOB修复潜力的影响，但腐殖酸如何调节MnOB活性以促进砷的氧化和固定，以及这种协同效应是否在这些代表现场条件的温度波动（例如10–30°C）下仍然存在，仍是一个重要的知识空白。本研究探讨了腐殖酸在广泛温度范围（例如10–30°C）内对MnOB诱导的土壤中砷(III)修复的影响。具体目标是：（1）研究腐殖酸对MnOB氧化Mn(II)活性的积极作用；（2）评估在广泛温度条件下，经过腐殖酸增强的MnOB修复砷(III)污染土壤的性能。研究结果有望揭示腐殖酸在土壤中锰和砷生物地球化学过程中的新作用，并开发出一种适用于广泛温度范围的新型腐殖酸和MnOB联合修复策略。

土壤采集与制备

土壤样本来自中国内蒙古包头的农业用地。手动去除砾石和植物残余物后，将土壤风干并通过2毫米筛网过滤。该土壤被归类为淡棕壤，pH值为7.58，有机质含量为0.76%。总铁和锰浓度分别为31.57克/千克和4.32克/千克（表S1）。XRD分析显示，土壤的主要矿物包括gismondine、二氧化硅（SiO₂）和氟石。

MnOB的分离、鉴定及代谢途径

本研究使用高锰含量的土壤（锰含量4.32克/千克，表S1）来分离MnOB菌株。在#279培养基的琼脂平板上观察到棕色圆形菌落（图1a），这些菌落可以用LBB染成蓝色，证明这些棕色沉淀物是MnO_x。值得注意的是，菌落的放大视图（图1a右侧的照片）显示中心有一个深棕色沉淀物，周围环绕着一个较浅的棕色环，这表明这些细菌的锰氧化速率较高。

结论

本研究表明，腐殖酸显著增强了Pseudomonas sp. XY4的锰氧化活性，该菌株具有广泛的适应性。腐殖酸促进了结晶度更高、锰(III)含量更高的生物来源锰氧化物（MnO_x的生成，从而有效氧化并固定了受污染土壤中的As(III)。XY4菌株与腐殖酸的联合处理使As(III)转化为As(V)，并随后将其固定到土壤中的稳定组分中，减少了砷的迁移性。

CRediT作者贡献声明

翟伟伟：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，资金获取。张文进：撰写 – 原稿，研究。董凌峰：方法学，研究，数据管理。鲁玉龙：方法学，研究，数据管理。徐尧：方法学，研究，数据管理。何展飞：撰写 – 审稿与编辑，监督，方法学，资金获取，概念构思。张道勇：撰写 – 审稿与编辑，监督，资金获取。潘向良：

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（编号42377476、42177461和U24A20623）、中国浙江省自然科学基金（R25D010012）以及浙江省省级高校基本研究基金（RF-A2024012）的支持。