基于真菌的工业废水生物处理方法：使用Alternaria sp. YNX的菌丝球实现硝酸盐和重金属的同时去除

《Journal of Water Process Engineering》：Fungal-based biological treatment of industrial wastewater: Mycelial pellets of Alternaria sp. YNX for simultaneous nitrate and heavy metal removal

研究西安建筑科技大学分离的Alternaria sp. YNX菌株，发现其能有效同步去除水体中硝酸盐（NO3?-N）和锌、镍、镉重金属，去除率分别达90.44%、94.90%、95.81%、99.17%。机制研究表明菌丝球表面功能基团（-OH、C=O、PO43?-P）通过络合、离子交换及诱导沉淀协同作用，电化学分析显示重金属浓度影响电子传递特性，EEM光谱证实重金属胁迫下胞外多糖成分动态调整。

　　

王一楠|王月|苏俊峰|白一涵|王洪宇|李轩

西安建筑科技大学环境与市政工程学院，中国西安，710055

摘要

水环境中硝酸盐（NO₃^?-N）和重金属的存在，源于工业废水的排放，这对生态稳定性和公共卫生构成了严重威胁。在本研究中，分离出一种名为Alternaria sp. YNX的菌株，该菌株能够同时去除硝酸盐（NO₃^?-N）和多种重金属。在最佳条件下（碳源：葡萄糖，初始硝酸盐浓度为50 mg L^?1，C/N比为9，pH值为7，锌（Zn）、镍（Ni）和镉（Cd）的添加量均为10 mg L^?1），YNX菌株对硝酸盐的去除效率达到了90.44%。锌、镍和镉的去除效率分别达到了94.90%、95.81%和99.17%。机制研究表明，菌丝颗粒（MPs）表面的功能基团（-OH、CO、PO₄^3?-P）通过络合、离子交换和微生物诱导沉淀作用有效固定了重金属离子。电化学分析进一步表明，低浓度的重金属，尤其是锌（Zn(II)），会影响菌丝颗粒的电子传递特性。荧光激发-发射矩阵（EEM）光谱结果显示，重金属胁迫会促使细胞外聚合物物质（EPS）的成分发生动态变化，低浓度的锌（Zn(II)甚至可以轻微激活YNX菌株的代谢活性。

引言

工业化和城市化的快速发展加剧了对化学产品的需求。因此，工业废水排放已成为一个亟待解决的环境问题[1]。工业废水中通常含有硝酸盐（NO₃^?-N）、磷酸盐和重金属等复合污染物，这对生态和人类健康构成了严重威胁[2]。硝酸盐（NO₃^?-N）是植物生长的必需营养素，但过量排放到水体中会导致富营养化，破坏水生生态平衡[3]。此外，通过受污染的饮用水摄入的高浓度硝酸盐（NO₃^?-N）在人体内可能被还原为亚硝酸盐（NO₂^?-N），干扰氧气运输，在极端情况下可能导致高铁血红蛋白血症甚至致命后果[4]。工业废水中的重金属，如镉（Cd）、镍（Ni）和锌（Zn），是主要的环境污染源[5]。这些金属不仅会破坏水和土壤环境，还具有生物累积性、高毒性和协同效应，可通过食物链放大，最终在人体内引发多系统毒性，增加慢性疾病和癌症的风险，对生态系统稳定性造成不可逆的损害[6]、[7]。

为了解决工业废水中硝酸盐（NO₃^?-N）和重金属的复合污染问题，人们探索了多种技术方法。物理方法如吸附和膜分离本质上属于相转移技术。吸附剂通常在去除硝酸盐方面选择性较差，且重金属的存在会与活性位点竞争，导致吸附能力迅速下降[8]。膜工艺可以有效截留污染物，但存在浓度极化和污染问题，尤其是在高盐度或高悬浮固体环境中。此外，处理后的浓缩物需要进一步处置，无法实现真正的污染物消除[9]。化学沉淀法使用硫化物或氢氧化物，具有高效的去除效果和快速的动力学特性，但大量化学试剂的投入会引入额外的阴离子，可能提高出水盐度。产生的化学污泥属于危险废物，处理和处置成本较高[10]、[11]、[12]、[13]。尽管生物处理被认为对环境友好，但在处理含金属的废水时面临诸多挑战。在传统的细菌反硝化系统中，某些重金属离子（如镉（Cd(II)和镍（Ni(II)））会不可逆地抑制关键功能酶（如亚硝酸盐还原酶），破坏电子传递链，从而阻碍反硝化过程。此外，细菌细胞在有毒胁迫下容易裂解，导致功能性生物量大量损失，使系统无法保持长期稳定性[14]。

与细菌相比，真菌通常具有更强的环境适应性和抗逆性[15]。在流体剪切应力下，真菌菌丝会缠绕并形成规则的三维球形结构，称为菌丝颗粒（MPs）[16]。这些结构具有明显的层次性和多孔性，有利于物质传递和扩散，从而提高代谢效率。此外，由于菌丝颗粒的相对较大粒径和高密度，具有优异的沉降性能[17]。这使得它们能快速从处理水中分离出来，显著简化后续处理过程[18]。一些真菌已被证实具有反硝化能力，其独特的细胞内酶系统（如P450nor）可以将硝酸盐（NO₃^?-N）还原为氮气（N₂[19]。此外，真菌通过分泌有机酸（如草酸、柠檬酸）和其他代谢物，可以促使重金属离子形成稳定的矿物沉淀物（如碳酸盐或磷酸盐），从而实现其在环境中的长期固定[20]。值得注意的是，Alternaria属真菌在环境修复领域展现了显著的潜力。先前的研究表明，Alternaria属真菌可以有效降解有机污染物，如聚丙烯和聚乙烯[21]、[22]。此外，Alternaria真菌可以在含有铜或镉的培养基中生长，并通过表面络合和细胞外沉淀作用降低重金属活性[23]、[24]。这些特性表明Alternaria真菌具有协同处理复合污染物的生理基础，为同时去除硝酸盐（NO₃^?-N）和重金属提供了有前景的途径。因此，研究该真菌属在多污染物系统中的代谢机制和增强去除效率对于开发高效稳定的生物修复技术具有实际意义。

本研究分离出一种名为Alternaria sp. YNX的菌株，并研究了其去除硝酸盐（NO₃^?-N）和多种重金属的能力。本研究的目标是：（i）确定关键环境变量对反硝化过程的影响；（ii）阐明去除硝酸盐（NO₃^?-N）和重金属的机制；（iii）使用傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线衍射（XRD）等仪器分析YNX菌株在不同条件下的物理化学性质差异。

章节摘录

菌株来源和培养基

本研究从陕西省渭河的沉积物样本中分离并富集了Alternaria sp. YNX菌株。最初，沉积物经过多次富集培养，每次培养在室温下进行3天，直到硝酸盐（NO₃^?-N的去除效率持续超过90%。富集后，将微生物菌群接种到固体培养基上进行分离

不同碳源的影响

图1a展示了在不同碳源下的硝酸盐（NO₃^?-N去除效率。实验结果表明，在测试的碳源中，葡萄糖表现出最佳的反硝化性能，24小时内反应系统中的硝酸盐（NO₃^?-N浓度降至5.87 mg L^?1。这可能是因为葡萄糖作为一种单糖，易于降解，为真菌提供了稳定的能量来源，从而促进了硝酸盐（NO₃^?-N的逐步还原

结论

本研究系统地阐明了Alternaria sp. YNX通过协同多机制同时去除硝酸盐（NO₃^?-N）和重金属的过程。在最佳条件下，YNX菌株在24小时内对硝酸盐（NO₃^?-N和重金属的去除效率超过了90%。结果表明，菌丝颗粒（MPs）的三维多孔结构及其丰富的表面功能基团为污染物去除提供了理想的微环境

CRediT作者贡献声明

王一楠：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，实验研究。王月：软件应用，方法论，概念设计。苏俊峰：指导，方法论，概念设计。白一涵：验证，实验研究。王洪宇：数据可视化，实验研究。李轩：数据可视化，软件应用。

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

本研究部分得到了国家自然科学基金（项目编号：52270167和52170049）、国家重点研发计划（项目编号：2022YFC3203605）以及陕西省重点科技创新团队（项目编号：2023-CX-TD-32）的支持。作者衷心感谢西安建筑科技大学仪器分析中心的Fang Song在SEM分析方面的协助。