通过固定化Sphingobium sp. A2菌株，提高工业废水和农田土壤中除草剂二甲四氯的生物降解效率

《International Biodeterioration & Biodegradation》：Enhanced biodegradation of herbicide dicamba in industrial wastewater and farmland soil via immobilized Sphingobium sp. A2

高效生物强化修复技术：聚左旋葡萄糖酸钠固定化Sphingobium sp. A2降解百草枯的环境耐受性与循环稳定性研究

　　

周世军|严子硕|张月涵|张雪梅|戴华国|潘丹丹|张兆贤|何健|刘俊伟|吴向伟

安徽农业大学资源与环境学院，IHM食品营养与健康联合研究中心，合肥，230036，中国

摘要

二甲苯胺的广泛使用导致土壤和水生环境受到污染。生物降解是消除二甲苯胺的主要方法；然而，其实际应用往往受到低存活率和环境压力下降解活性不稳定的限制。虽然固定化技术显示出克服这些挑战的潜力，但其在中和二甲苯胺生物修复中的效果仍缺乏充分研究。在本研究中，一种高效的二甲苯胺降解菌——Sphingobium sp. A2被固定在海藻酸钠载体中，形成了SA-A2珠粒。扫描电子显微镜和傅里叶变换红外光谱的表征证实了其具有均匀的蜂窝状多孔结构，并且细菌细胞成功封装在载体中，细胞与载体之间存在明显的物理和化学相互作用。与自由细胞相比，固定化的SA-A2对极端条件（42°C、pH 5.0和3% NaCl）的耐受性显著增强，降解效率分别提高了约23%、25%和15%。在工业废水的生物强化过程中，SA-A2在第三周期的去除效率达到了85.3%，远高于自由细胞（48.4%），最大降解速率为1.15 mg/L/h。土壤生物强化实验表明，固定化的SA-A2在18天内完全降解了10 mg/kg的二甲苯胺，半衰期为4.8天。此外，固定化珠粒表现出优异的可重复使用性，在四个循环后仍保持超过98%的降解效率，并且在20天后仍保留了50%以上的活性。本研究为二甲苯胺污染环境的生物修复提供了一种有效的生物强化策略。

引言

二甲苯胺是一种属于苯氧羧酸类的选择性除草剂，主要用于控制玉米、小麦、大豆和棉花等作物中的年度和多年生阔叶杂草（Behrens等人，2007年；Zhang等人，2024b年）。其除草机制是通过破坏植物内的激素平衡，导致杂草异常生长并最终死亡（Behrens等人，2007年）。自2015年起，随着孟山都公司抗二甲苯胺大豆和棉花的全球推广，二甲苯胺的年使用量持续增加，从2015年的13,000吨增加到2017年的30,000吨（Li等人，2018年）。由于抗二甲苯胺作物的广泛种植，美国在2014年至2019年间二甲苯胺的使用量增加了600%（Johnson和Baucom，2022年）。二甲苯胺化学性质稳定，易溶于水（25°C时溶解度为6.5 g/L），其大规模和长期的应用导致土壤和水生环境中持续残留。在美国和加拿大的地表水中检测到的二甲苯胺浓度分别为60至310 ng/L和16-176 ng/L（Ensminger等人，2012年；Glozier等人，2011年）。据报道，二甲苯胺在土壤中的半衰期为10至30天，施用后其残留物可检测到长达80天（Clegg等人，2001年）。二甲苯胺具有中等挥发性，可能挥发到附近的非目标植物上，对某些作物造成药害（Johnson和Baucom，2022年；Riter等人，2021年）。研究表明，二甲苯胺可引起两栖动物的肝肾损伤并干扰其正常的内分泌分泌（Attademo等人，2021年）；此外，它还可能干扰人类淋巴细胞的生理姐妹染色单体交换（González等人，2006年）。二甲苯胺显著改变了根际微生物群落结构并破坏了根际微生物的代谢功能（Shao等人，2025年）。因此，从环境中消除二甲苯胺残留物变得至关重要。

微生物生物修复技术利用微生物的代谢活动来降解或转化环境污染物，近年来因其环保性和成本效益而受到广泛关注（Wang等人，2023年；Yin等人，2025年）。先前的研究表明，多种除草剂降解菌，包括降解乙酰氯的Cupidesulfovibrio sp. SRB-5、降解普罗米特林的Leucobacter sp. JW-1和降解2,4-D的Cupriavidus gilardii T-1，在除草剂污染土壤的生物强化中表现出显著效果（Liu等人，2017年，2022年；Wu等人，2017年）。然而，在生物强化过程中，自由细菌经常面临环境压力和本土微生物的竞争，这降低了它们的污染物去除效率（Liu等人，2018年；Partovinia和Rasekh，2018年；Stelting等人，2014年）。固定化微生物修复技术被开发出来以克服这些限制；该技术通过物理或化学方法将微生物限制在载体中，从而形成密集且高活性的联合体，可以用于连续的污染物降解（Dong等人，2025年；Li等人，2022年；Wu等人，2022年）。细胞被捕获、吸附或交联在有机基质（如海藻酸钠（SA）和聚乙烯醇（PVA）中，或无机载体（如活性炭和陶瓷）上，所得到的生物催化剂可用于水性和土壤基质中的污染物去除（Schommer等人，2024年；Wang等人，2023年；Wu等人，2022年；Zou等人，2025年）。与使用自由细胞的传统修复方法相比，固定化的降解菌细胞对环境压力的耐受性和抵抗力增强，减轻了本土微生物的竞争压力（Liu等人，2018年；Partovinia和Rasekh，2018年；Schommer等人，2024年；Wu等人，2022年；Zhang等人，2020年）。例如，使用聚乙烯醇（PVA）和海藻酸钠（SA）固定化后，Leucobacter sp. JW-1对温度、pH和盐度的耐受性得到提高，其降解普罗米特林的能力也显著增强（Liu等人，2018年）。此外，大多数固定化的降解菌在去除石油烃污染物方面表现出更高的能力（Partovinia和Rasekh，2018年）。

目前，去除二甲苯胺的物理化学方法包括生物炭吸附、光解和高级氧化过程（Askarniya等人，2025年；Sellaoui等人，2023年）。然而，这些方法存在去除不完全、二次污染和成本高等缺点。微生物是环境中去除二甲苯胺的主要贡献者（Liu等人，2021年；Yao等人，2015年；Zhang等人，2024b年）。目前已报道的二甲苯胺降解菌株包括厌氧菌Desulfitobacterium hafniense DCB-2（Studenik等人，2012年）和Moorella thermoacetica ATCC 39073（Naidu和Ragsdale，2001年）；以及好氧菌Sphingobium sp. Ndbn-10（Yao等人，2015年）、Rhizorhabdus dicambivorans（先前称为Sphingomonas sp.）Ndbn-20（Yao等人，2016年）和Stenotrophomonas maltophilia（先前称为Pseudomonas maltophilia）DI-6（Herman等人，2005年）。这些菌株最初通过脱甲基作用降解二甲苯胺，生成3,6-二氯水杨酸。以往的研究主要集中在降解菌株的降解效果以及二甲苯胺降解基因和酶的表征上；迄今为止，已报道的脱甲基酶包括Dmt50、DMO和MTV（Herman等人，2005年；Naidu和Ragsdale，2001年；Yao等人，2016年）。然而，很少有研究关注二甲苯胺降解菌株的生物强化潜力，包括Stenotrophomonas maltophilia DI-6、Sphingobium sp. Ndbn-10和Rhizorhabdus dicambivorans Ndbn-20，或者固定化技术在这些污染场地中的应用。

Sphingobium sp. A2是从一家农药制造厂的活性污泥中分离出来的，该菌株在最小盐培养基（MSM）中培养时能够在24小时内完全降解100 mg/L的二甲苯胺。在本研究中，将这种降解二甲苯胺的菌株A2嵌入海藻酸钠中，形成了固定化珠粒。本研究的目标是：使用扫描电子显微镜观察固定化珠粒的内部结构；通过傅里叶变换红外光谱确定固定化基质与细菌细胞之间的交联模式；比较固定化菌株A2与其自由细胞对环境压力（温度、pH和盐度）的耐受性，并评估它们在处理实际农药废水中的效率；评估固定化珠粒的储存稳定性和可重复使用性；以及评估固定化珠粒在二甲苯胺污染土壤中的生物强化潜力。这些发现增强了我们对生物修复技术的理解，并为二甲苯胺污染环境提供了生物强化策略。

章节片段

化学品、培养基和菌株

二甲苯胺（纯度99%）和海藻酸钠（SA）购自上海Sangon Biotech公司。矿物盐培养基（MSM）和Luria–Bertani（LB）培养基的组成已在前文中报道，并列于表S1中（Ye等人，2025年）。Sphingobium sp. A2已在中国武汉的中国典型培养物保藏中心（CCTCC）注册，登记号为M 20232104，其16S rRNA基因序列已上传至GenBank数据库，注册号为

固定化珠粒的表征

固定化珠粒SA-CK和SA-A2的形态如图2所示。固定化珠粒呈球形，直径约为2-3毫米。SA-CK珠粒无色透明，而SA-A2珠粒因含有菌株A2而呈现黄色（图2A和D）。扫描电子显微镜分析显示，两种类型的珠粒内部均具有蜂窝状结构，这种结构密集且分布均匀

讨论

在本研究中，Sphingobium sp. A2成功地使用海藻酸钠作为载体进行了固定（标记为SA-A2）。通过扫描电子显微镜观察了固定化SA-A2珠粒的内部形态，并系统评估了它们在不同环境条件下的降解效率、可重复使用性、储存稳定性以及在土壤和工业废水中的生物强化潜力。结果表明，固定化的SA-A2表现出更好的耐受性和降解稳定性

结论

本研究通过使用海藻酸钠固定化二甲苯胺降解菌Sphingobium sp. A2，开发出一种高效且可重复使用的生物修复材料（SA-A2）。固定化珠粒具有多孔的内部结构，有利于细菌附着并提供保护。与自由细胞相比，固定化的SA-A2在高温、酸性和盐度条件下的耐受性和降解稳定性显著提高，并且保持了超过98%

CRediT作者贡献声明

周世军：撰写——初稿，正式分析，数据管理。严子硕：撰写——初稿，正式分析，数据管理。张月涵：资源准备，正式分析。张雪梅：软件应用，正式分析，数据管理。戴华国：软件应用，资金筹集。潘丹丹：撰写——审稿与编辑，资金筹集。张兆贤：撰写——审稿与编辑，资金筹集。何健：撰写——审稿与编辑，可视化。刘俊伟：撰写——审稿与编辑，

利益冲突声明

作者声明没有可能影响本文工作的竞争利益或个人关系。

致谢

本研究部分得到了安徽省自然科学基金（2508085MC055和2408085MC064）、高层次人才引进科学研究基金（rc522225）、IHM食品营养与健康联合研究中心研究基金（2024SJY04）以及全国大学生创新创业培训计划（202410364075）的支持。我们非常感谢安徽农业大学的Xing Xia博士在研究中的帮助