光介导的生物膜在ZnAlLa-LDHs涂层上的协同磷吸收：一种控制湖泊磷污染的新策略

《Journal of Environmental Sciences》：Light-mediated synergistic phosphorus uptake by biofilms on ZnAlLa-LDHs coatings: A novel strategy for lake phosphorus control

内源磷释放控制中ZnAlLa-LDH涂层与自然生物膜的协同作用机制研究，通过不同光照强度（0/2000/6000 lx）下的实验，发现生物膜显著降低LDH涂层磷释放率（0-82.3%），且光照增强促进EPS分泌和微生物群落稳定，证实生物膜与LDH的协同效应受光照调控，为湖泊磷污染治理提供新思路。

　　

王亚帆|陈世宇|邱饶|范秀媛|杜瑶

地下水质量与健康重点实验室（中国地质大学），教育部，武汉430078，中国

摘要

层状双氢氧化物（LDHs）和天然生物膜在控制湖泊中内源性磷（P）释放方面均表现出良好效果，但它们的协同机制尚未得到充分研究。本研究通过共沉淀法合成了三元ZnAlLa-LDHs，并将其作为磷吸附剂涂层应用于不同光照强度（0、2000和6000 lx）下，以探究其与天然生物膜的相互作用。生物膜的存在显著减少了负载磷的LDHs的磷释放量（63 mg/g），释放率从0 lx时的52.6%增加到6000 lx时的82.3%，这表明生物膜活性和光照共同抑制了磷的再释放。生物膜的生理参数（包括叶绿素a、脱氢酶和碱性磷酸酶活性）随光照强度变化显著，但未受到LDH涂层的不利影响，证实了其生物相容性。共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）显示，负载磷的LDH涂层促进了藻类产生的EPS分泌约60%，并增强了结构稳定性，尽管在低光照条件下减少了细菌与藻类的共生作用。微生物群落分析进一步表明，以Ca. Competibacter、Thiobacillus、Desmodesmus以及产生EPS的硅藻（Aulacoseira、Navicula、Nitzschia）为主的稳定群落得以形成，说明LDHs控制磷的释放有助于维持群落平衡并抑制机会性物种。磷的吸收遵循负指数模型（R2 > 0.7），且在初始磷浓度（0.04–0.25 mg/L）范围内，磷吸收速率系数（K）在强光照条件下显著增加。这些结果首次证明了光照介导的生物膜与LDH之间的协同作用在调节磷动态中的重要性，为可持续富营养化湖泊修复提供了新的功能材料设计思路。

引言

富营养化主要由过量的磷（P）输入引起，对湖泊生态系统构成严重威胁，会损害水质并破坏生态平衡（Li等人，2019a；Pu等人，2021；Liu等人，2022）。湖泊中超过90%的磷储存在沉积物中，因此控制内源性磷的释放对于缓解富营养化和维持健康的水生环境至关重要（Yin等人，2021；Yang等人，2022）。有效的原位磷控制策略至关重要，近期研究主要集中在合成封盖材料或天然附生生物膜上，以降低水体和沉积物中的磷含量（Lin等人，2020；Zhi等人，2020；Chen等人，2021a、2021b、2021c）。

层状双氢氧化物（LDHs）因其带正电的层状结构和可交换的层间阴离子而成为原位磷控制的有希望的材料（Wu等人，2020；Bouzar等人，2023）。例如，MgAl-LDHs已被证明能将农业沟渠中上层水中的可溶性活性磷（SRP）减少约69%，同时稳定表层沉积物中的移动磷（He等人，2021）。为了提高磷酸盐吸附能力，人们通过添加高磷亲和力的元素（如铜（Cu）（Gao等人，2023）、锆（Zr）（Zeng等人，2023）和镧（La）（Yuan等人，2023）来改性LDHs。值得注意的是，掺镧的ZnAl-LDHs的磷酸盐吸附能力比未改性的ZnAl-LDHs提高了17%（105.42 mg P/g）（Li等人，2025）。此外，ZnAlLa-LDH改性的膨润土在柱实验中能够将上层水中的总磷（TP）浓度保持在III类地表水标准以下（Chen等人，2022）。这些研究强调了LDHs在非生物磷控制方面的有效性，但其在自然湖泊环境中的表现（其中存在微生物相互作用）仍需进一步探索。

在自然湖泊环境中，生物膜通过吸收和将磷纳入生物量中，在磷循环中发挥重要作用，从而减少水中的多种磷形态（Wu等人，2018）。含有生物膜的沉积物表现出显著更高的磷吸附能力（0.50–1.13 mg/g），而原始沉积物的吸附能力仅为0.04–0.06 mg/g（Chen等人，2021）。然而，在严重污染的水体中（SRP：104.6 μg/L），生物膜的磷吸收能力下降，而在污染较轻的水体中（SRP：44.8 μg/L，P = 0.024），生物膜的磷吸收能力较高（Proial等人，2017），这表明生物膜对环境压力敏感。然而，生物膜对人工引入的修复材料效果的影响以及它们作为天然磷汇的共存兼容性仍需进一步研究。

LDHs与生物膜的结合提供了一种有前景的协同磷控制策略，因为LDHs具有优异的生物相容性，可通过静电吸附结合微生物细胞并促进微生物电子转移（Forano等人，2018）。研究表明，用作生物膜反应器中微生物固定载体的ZnAl-和MgAl-LDHs加速了生物膜的形成（2-3天内），并增强了微生物多样性，其中ZnAl-LDHs支持的独特微生物物种数量（13,332）显著高于MgAl-LDHs（11,844）或陶瓷载体（11,339）（He等人，2022）。然而，生物膜在LDH颗粒表面的磷吸收能力及其与LDHs在磷控制中的潜在协同效应仍需进一步研究（Yang等人，2023）。

湖泊沉积物中的磷动态受环境因素的影响，如光照强度、水温和溶解氧（DO）水平（Li等人，2019b；Tammeorg等人，2020；Zhang等人，2022）。特别是光照会影响沉积物-水界面（SWI）的生物膜组成、代谢活动和磷调节，促进浮游植物和底栖藻类的生长，从而增加DO和pH值。较高的DO水平抑制磷的释放，而升高的pH值可能促进其释放（Zhang等人，2022）。在流动通道系统中的研究表明，高强度光照（4500 lx）促进了光养生物膜的生长和细胞外聚合物物质（EPS）的分泌，实现了40.9%的TP去除率（Li等人，2023）。然而，由于富营养化程度的不同，湖泊透明度的变化会在SWI产生光照强度梯度，可能影响生物膜在LDH载体上的定殖和磷吸收。因此，了解基于LDH的材料在不同光照条件下的环境适应性对其实际应用至关重要。

本研究利用负载磷的LDHs涂层的玻璃片（P-LC）在不同光照强度下探究了ZnAlLa-LDHs和天然生物膜的协同磷去除机制。具体目标包括：1）评估有无生物膜时P-LC的磷释放潜力；2）研究ZnAlLa-LDHs在不同光照强度下对生物膜生理特性和群落组装的影响；3）评估在不同光照条件下在P-LC上形成的生物膜的磷吸收能力。通过阐明这些相互作用，本研究旨在为富营养化湖泊中LDHs和生物膜的生物非生物协同作用提供新的见解，以实现有效的磷控制。

试剂和培养基

所有使用的试剂均为分析级。ZnCl?、AlCl?·6H?O和LaCl?·7H?O购自Aladdin Industrial Corporation（中国），用于合成高效的磷吸附剂ZnAlLa-LDHs。最小矿物盐溶液（MMS）的配方为：每升含有0.7 mg KH?PO?、120 mg (NH?)?SO?、15 mg KNO?、72 mg MgSO?·7H?O、30 mg CaCl?·2H?O、0.84 mg NaHCO?、10 mg NaSiO?·9H?O，并用NaOH调节至pH 7.0（Dong等人，2000）。其他试剂均从

不同光照强度下P-LC的磷释放

在Mirror Lake载玻片上原位培养的生物膜的发育阶段和生理特性如图1所示。视觉观察表明，随着培养时间的延长，生物膜逐渐变暗且变得更厚。在早期定殖阶段，生物膜呈灰棕色；到第13天时变为绿色；到第30天时，形成了成熟、深绿色的厚生物膜。颜色从棕色变为绿色

结论

本研究系统地探讨了三元ZnAlLa-LDHs和天然生物膜在不同光照强度下的协同磷控制能力，重点关注它们的适应性和磷吸附特性。结果表明，天然生物膜能有效抑制负载磷的LDHs的磷再释放，将其导向生物量积累，而不会受到LDHs的显著负面影响。生物膜的磷吸收能力受光照强度的调节

附录A 补充数据

与本文相关的补充数据可在在线版本xxxxxx中找到。

CRediT作者贡献声明

王亚帆：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，项目管理，资金获取，概念构思。陈世宇：撰写 – 原稿，可视化，方法学，调查，数据分析。邱饶：调查，数据分析。范秀媛：调查。杜瑶：撰写 – 审稿与编辑，监督。

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所述的工作。

致谢

本研究得到了湖北省生态环境厅环境研究项目（编号2022HB-04）、国家自然科学基金（编号42422707）和中国地质大学（武汉）中央高校基本科研业务费（编号122-G1323522145）的支持。