《Bioresource Technology》：Jasmonic acid-mediated biosorption of multi-metal ions by
Beauveria bassiana Z1
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茉莉酸增强白僵菌Z1对六种重金属的吸附特性及机制研究。在单金属系统中，JA使Cd(II)吸附量提升80.6%；多金属系统中总吸附量提高18.8 mg/g。SEM-EDS显示胞外富集，TEM揭示内部分区化，FTIR和XRD证实表面官能团及晶体固物的吸附作用，转录组学表明SPT15和ABC转运蛋白基因的协同调控。
Xinwei Xu|Lijie Zhang|Xi Zhou|Xuanyi Chen|Yidong Jin|Junji Ren|Zhilin Xing|Tiantao Zhao
重庆理工大学化学与化学工程学院，中国重庆400054
摘要
多金属复合污染的协同毒性加剧了环境风险，这突显了高效绿色修复策略的迫切需求。本研究探讨了Beauveria bassiana Z1在暴露于外源茉莉酸(JA)条件下对六种重金属的吸附特性及其潜在机制，分别在单一金属体系和复合金属体系中进行了实验。在单一金属体系（6 mM）中，Z1菌株对Cd(II)的吸附能力最强（59.7 mg/g），而JA处理后这一能力显著提升至108.1 mg/g。JA提高了Cd(II)、Co(II)、Zn(II)和Ni(II)的吸附能力（按吸附能力排序），并缩短了Cu(II)和Mn(II)的吸附平衡时间。在多金属体系（总浓度6 mM）中，吸附能力顺序为：Cd(II) > Mn(II) > Cu(II) > Co(II) > Zn(II) > Ni(II)。JA处理后总吸附量增加到18.8 mg/g，而对照组仅为15.8 mg/g。SEM-EDS/TEM分析表明，Z1菌株通过细胞外富集金属（如Cd(II)、Mn(II)、Zn(II)以及细胞内区室化作用减轻了金属毒性。FTIR和XRD分析表明，不同表面官能团和晶体固体参与了不同金属的生物吸附过程。转录组分析进一步揭示，外源JA处理导致SPT15基因上调（1.5倍，低于仅Cd(II)处理时的42.3%），并与关键ABC转运蛋白基因的表达增加相关。这种转录级联反应可能增强了重金属的运输和细胞内螯合，从而解释了Z1菌株表现出更强的重金属吸附能力。此外，在多金属体系中，金属间的竞争对Z1菌株的吸附作用影响更大。
引言
工业和农业废水的持续排放导致Cd(II)、Cu(II)、Zn(II)、Co(II)、Ni(II)和Mn(II)等重金属的广泛释放，造成了严重的环境污染。由于这些金属具有不可生物降解性和累积性，它们通过食物链的生物累积对人体健康构成重大威胁。欧洲环境署(EEA)报告称，2019年28个欧盟成员国（不包括英国）共排放了55吨Cd、1,790吨Cu、429吨Ni和3,547吨Zn，其中Zn和Cu主要来自电镀、采矿、农用杀菌剂和镀锌行业。在美国，2008至2017年间Co的累计排放量为59.36吨（Bai等人，2023年），而全球大气中Mn（<10 μm气溶胶）的排放量估计为每年1,400 Gg，其中31%来自人为来源（Lu等人，2024年）。这些数据表明，这些金属不仅排放量大，而且具有较高的环境迁移性。
从健康风险的角度来看，国际癌症研究机构(IARC)将Cd(II)列为1类致癌物，其口服参考剂量(RfD)低至0.01 μg/kg/天；Ni(II)被列为2B类（可能致癌物)，RfD为0.005 mg/kg/天（Rai等人，2019年）。即使在小剂量下，游离的Co(II)也会对易感人群产生神经毒性、心血管和内分泌效应（Leyssens等人，2017年；Genchi等人，2023年）。尽管Cu(II)、Zn(II)和Mn(II)是必需的微量元素，但过量暴露可能导致肝脏或肾脏功能障碍、免疫抑制、胃肠道疾病以及特发性帕金森病（Rai等人，2019年；Patil等人，2024年）。世界卫生组织(WHO)因此将饮用水中Mn(II)的指导值设定为0.05 mg/L（Amorim等人，2018年）。这六种目标金属不仅排放量大，而且具有多样的人为来源和明确的毒理学特性，使其成为当前环境风险管理和修复策略的重点污染物。
实际上，这些金属通常以混合物的形式存在，由于协同作用，它们的综合毒性可能会显著增强。例如，Ooka等人（2025年）通过体外实验表明，Ni(II)-As(III)-Cd(II)和Be(II)-As(III)-Cd(II)等混合物会显著增加细胞毒性、氧化应激和DNA损伤，其综合毒性超过了单一成分。除了直接毒性外，这种共污染还会通过改变微生物群落结构破坏生态系统。Qi等人（2022年）发现，多金属污染会降低微生物多样性并破坏群落组成，从而破坏生态平衡。因此，迫切需要成本效益高且环保的技术来修复重金属共污染（Kumar和Dwivedi，2021a）。微生物在单独重金属的生物修复方面显示出巨大潜力。例如，Chlorella vulgaris（Al-Khiat等人，2023年）和Pseudomonas monteilii X1（Wang等人，2024年）对Zn(II)和Cd(II)具有很强的吸附能力。Agrobacterium tumefaciens S12可以通过离子交换和络合机制同时吸附Pb(II)、Cd(II)和Zn(II）（Liu等人，2024年）。某些真菌种类，如Aspergillus flavus SGE34（Sharma等人，2023年）、Penicillium polonicum（Xu等人，2020年）和Trichoderma lixii CR700（Kumar和Dwivedi，2021b）也被发现能有效吸附特定重金属。与藻类和细菌相比，真菌作为生物吸附剂具有明显优势，因为它们能形成致密的菌丝颗粒，具有较大的吸附表面积、强的吸附能力和快速生长速率（He等人，2023年）。
Beauveria bassiana是一种广泛使用的真菌杀虫剂，相比传统吸附剂具有显著优势。当喷洒在重金属污染的农田上时，它既能控制害虫种群，又能固定土壤中的金属。在工业废水中，B. bassiana的丝状形态能够自发形成颗粒，这些颗粒作为低成本、可再生的生物载体，用于携带功能性菌株。与传统固定基质（如壳聚糖或聚氨酯）相比，菌丝颗粒消除了人工残留物的风险，具有更好的再生能力，并将金属吸附与微生物捕获相结合。例如，Zhao等人（2007年）将好氧反硝化菌固定在真菌颗粒上，观察到反硝化活性未受影响；Zhang等人（2023年）报道，固定在真菌菌丝颗粒上的藻类-细菌颗粒污泥提高了COD、NH4+-N、TN和TP的去除效率。因此，阐明B. bassiana的金属吸附性能对于土壤生物修复（作为双重功能的生物杀虫剂）和废水处理策略（作为自形成的金属清除载体）至关重要。我们之前的研究表明，Beauveria bassiana Z1对高浓度Cd(II)（10 mM）的吸附率达到71.2%。此外，Z1菌株利用了多种协同机制——如细胞外吸附、钙通道介导的跨膜运输、谷胱甘肽(GSH)络合、细胞色素P450抗氧化防御和JA信号传导——来实现高效的Cd(II)吸附和解毒（Zhang等人，2024年）。
茉莉酸(JA)是一种内源性植物激素，在调节重金属胁迫响应中起着重要作用。例如，Li等人（2024年）证实JA显著增强了抗氧化酶活性，从而降低了重金属毒性。Shi等人（2024年）发现，外源JA促进了Sedum alfredii在Cd(II)胁迫下的生长、抗逆性和Cd(II)的吸收/积累。在我们的先前的研究中，JA在Cd(II)吸附过程中充当信号传导分子，增强了Beauveria bassiana Z1的吸附能力（Zhang等人，2024年）。这些发现表明，JA调节离子运输，增强抗氧化防御，并促进重金属在生物系统中的络合和隔离。然而，迄今为止，尚无研究探讨JA在真菌吸附多种重金属中的作用。如果JA能有效提高真菌的吸附能力，可以通过简单的预培养补充步骤来增加农业工业废水或金属污染农田排水中重金属的去除率，为未来的生物修复策略提供机制基础。
在本研究中，使用Beauveria bassiana Z1探讨了在茉莉酸(JA)作用下水杨梅酸(Cd(II)、Zn(II)、Cu(II)、Co(II)、Ni(II)、Mn(II)这六种重金属的单独和联合吸附。表面金属分布通过扫描电子显微镜结合能量色散X射线光谱(SEM-EDS)进行分析，而细胞内超微结构动态通过透射电子显微镜(TEM)进行研究。傅里叶变换红外光谱(FTIR)和X射线衍射(XRD)分析了不同金属生物吸附过程中涉及的功能团和晶体固体。此外，转录组测序用于阐明JA调节Z1菌株中Cd(II)和多金属吸附过程的分子调控机制。本研究不仅为将Z1菌株应用于重金属共污染修复提供了理论基础，还为JA调控真菌重金属吸附的途径提供了新的见解。
菌株和生长条件
Beauveria bassiana Z1来自重庆理工大学环境微生物学实验室。该菌株在LB固体斜面培养基（5 g/L酵母提取物、10 g/L蛋白胨、5 g/L NaCl、18 g/L琼脂）上培养，并保存在4℃。实验前，将Z1菌株接种到LB液体培养基中，在25°C和170 rpm的摇床中培养24小时，以备后续使用。
外源JA存在下Z1菌株对单一和多金属的吸附动力学
为了量化Z1菌株在JA刺激下对单一和多金属的去除动力学，进行了批处理实验
外源JA存在下Z1菌株对单一和多金属的吸附动力学
研究了Z1菌株在初始浓度为6 mM的条件下对Cd(II)、Zn(II)、Mn(II)、Cu(II)和Ni(II)的吸附动力学（图1）。在对照组中，Cd(II)和Zn(II)在24小时内达到吸附平衡，而Co(II)和Ni(II)则需要72小时。Cu(II)的平衡时间最短（12小时），但去除率较低（<10%），表明可能存在静电排斥或缺乏合适的结合位点。
结论
本研究系统地探讨了Beauveria bassiana Z1在JA处理下对单一和多种重金属的吸附特性及其潜在信号传导机制，结合了吸附动力学、形态学表征和转录组分析。结果表明，Z1菌株在单一金属体系中表现出较强的Cd(II)吸附能力。在多金属条件下，外源JA显著提高了总吸附量
CRediT作者贡献声明
Xinwei Xu：撰写——初稿、方法学、数据分析、概念构思。Lijie Zhang：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取、概念构思。Xi Zhou：撰写——初稿、方法学、实验研究、概念构思。Xuanyi Chen：实验研究、数据管理。Yidong Jin：数据可视化、实验研究。Junji Ren：实验研究、数据管理。Zhilin Xing：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取、概念构思。Tiantao Zhao：
利益冲突声明
作者声明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
本研究得到了中国重庆市教育委员会科学技术研究计划（KJZD-M202301103）和重庆理工大学研究生创新项目（gzlcx20243263、gzlcx20243249）的支持。
