一种新型的假单胞菌菌株Pseudomonas oryzihabitans FJNU-1能够辅助去除废水中的氨，并富集稀土矿开采场地中的稀土元素

《Process Safety and Environmental Protection》：A novel strain Pseudomonas oryzihabitans FJNU-1 aids ammonia removal and rare earth elements enrichment from wastewater in rare earth mining sites

　　赵雪 | 吴荣豪 | 杨荣婷 | 李凯强 | 陈祖良
福建省污染控制与资源再生重点实验室，福建师范大学环境与资源科学学院，福建福州 350117，中国

**摘要**
由于稀土元素（REE）矿废水含有高浓度的氨氮、强酸性和复杂的成分，其有效处理仍然是一个挑战。在本研究中，从稀土矿土壤中成功分离出本地细菌Pseudomonas oryzihabitans FJNU-1，并将其应用于实际尾矿废水的处理。结果显示，在最佳条件下，该菌株在100%浓度的原始稀土矿废水中实现了23.31 mg NH4+·L?1·h?1的氨去除率，超过了大多数先前报道的微生物的效率。基因测序分析表明，FJNU-1主要通过同化作用去除氨。此外，利用FTIR、EEM荧光光谱、SEM和TEM等表征方法发现，该菌株在受到稀土元素胁迫时会分泌大量的胞外聚合物物质，这些物质有效地固定了稀土元素。XRD结果表明，经过煅烧处理后，富含稀土元素的细胞成功转化为稀土氧化物。总体而言，本研究为同时去除氨氮（NH4+-N）和高效富集稀土元素提供了一种经济且环保的策略。

**引言**
稀土元素（REEs）包括钇和钪，由于其独特的光电特性，在各种清洁能源技术中已成为重要组成部分（Zheng等人，2022年）。面对气候变化的挑战，对稀土元素的需求每年增长约13%（Bishop等人，2024年）。为了满足这一增长的需求，人们开发了多种类型的稀土矿床，其中离子吸附型稀土矿床被认为是最合适的（Huang等人，2021年）。在离子吸附型稀土矿床中，稀土元素主要以离子形式存在，并以水合离子或羟基水合离子的形式吸附在完全或部分风化的粘土矿物层中（CMs-REEs）（Feng等人，2017年）。因此，原位浸出法已成为从这种类型矿床中提取稀土元素的主要方法（Guo等人，2025年）。然而，这种方法需要向土壤或沉积物中注入硫酸铵或碳酸氢铵等化学物质以促进稀土元素的提取（见方程式1）（Huang等人，2021年）。因此，这一过程会产生氮含量较高的废水，尤其是氨氮（NH4+-N）。越来越多的研究记录了矿区严重的氨氮污染问题（Y. C. Zhou等人，2022年；Zhou等人，2023年）。

在中国，稀土矿开采产生的废水量估计每年超过20亿吨，氨氮浓度范围为300至5000 mg·L?1（Huang等人，2009年；Y. C. Zhou等人，2022年）。这种高氨氮含量的废水对当地生态系统和人类健康造成了严重负面影响（Liang等人，2016年）。此外，当受污染饮用水中的氨氮转化为亚硝酸盐氮（NO2?-N）时，还可能产生致癌风险（Feng等人，2017年）。据报道，由于富含氨氮的废水排放，矿区土壤中的氨氮浓度从0–1米深度的45 mg·kg?1增加到3–4米深度的1250 mg·kg?1（Huang等人，2021年）。现场调查显示，原位浸出矿区中残留氨的自然降解时间约为20–30年（Guo等人，2025年）。值得注意的是，矿区附近的持续渗透雨水会形成富含氨的废水，这些废水可能流入周围水体，给稀土废水处理带来巨大挑战，需要延长处理时间。因此，在稀土资源提取过程中，迫切需要建立一种高效的处理方法来处理富含氨氮的废水。

最近，提出了多种处理富含氨氮废水的方法，例如物理化学方法如吸附和氨气脱除或蒸馏（Xu等人，2023年）。然而，这些方法不仅成本高昂，还可能造成二次污染，主要用于紧急环境修复（Feng等人，2017年）。相比之下，生物修复作为一种环保且经济的方法，可以完全消除富含氨氮的废水而不产生二次污染。细菌因其多样性、快速生长能力、适应各种环境条件的能力以及抗金属机制而在生物修复中得到广泛应用（Pal等人，2022年）。当前研究表明，用于处理氨氮的细菌主要包括传统的硝化-反硝化细菌和厌氧氨氧化细菌（Geng等人，2024年）。然而，硝化-反硝化过程需要不同的好氧和厌氧条件，这使得操作过程复杂化。此外，由于矿区环境中硝酸盐（NO3?-N）含量较低，厌氧氨氧化过程中缺乏足够的亚硝酸盐氮积累，阻碍了厌氧氨氧化的启动（Xu等人，2023年）。更重要的是，传统方法存在局限性，盐度胁迫会降低处理效率甚至导致系统崩溃，这在稀土元素存在的情况下给氮的有效去除带来了持续挑战。

最近的研究成功分离出了异养氨同化（HAA）细菌，包括Vibrio sp. Y1–5、Psychrobacter aquimaris A4N01和Pseudomonas putida Y-9，这些细菌通过将氨氮转化为生物量氮有效地去除氨氮，展示了氮利用的可行方法（Huang等人，2019年；Li等人，2017年；Zhang等人，2021年）。与传统方法相比，氨同化方法更为经济，因为它在一个反应器内完成，缩短了氮去除路径（Carneiro Fidélis Silva等人，2019年）。一些研究表明，在赣州稀土矿，传统硝化-反硝化过程产生的碳排放量为58419.49 kgCO2·d?1，而厌氧氨氧化过程产生的碳排放量为94.62 kgCO2·d?1（Zhou等人，2024年）。值得注意的是，氨同化对环境的影响较小，因为它不产生与反硝化相关的中间产物或温室气体，使其成为从水体中去除氨氮的更经济可靠的方法。然而，许多研究将氨去除过程归因于异养硝化作用，往往忽视了氨同化的显著作用。

根据以往的研究，大多数用于处理稀土废水的微生物都是从驯化微生物中获得的，这些微生物需要较长时间才能适应并有效处理高氨氮浓度的稀土废水（Guo等人，2025年）。因此，从实际稀土矿中分离出的本地微生物可能更适合用于稀土废水的生物修复。然而，关于使用从稀土矿中筛选出的微生物进行氨管理的研究较少。此外，大多数现有研究使用的是实验室模拟的废水，忽略了实际稀土废水污染的复杂性。这种忽视包括环境因素对转录调控的影响，这可能导致微生物方法的实际效果与实验室结果有很大差异。此外，过去的研究主要集中在氮转化上，而忽略了稀土元素在真实水体中的存在价值。基于这些发现，本研究旨在解决三个关键问题：（1）分离出一种具有高氨氮抗性的新型本地HAA细菌；（2）全面分析该细菌在实际稀土废水中的生长行为；（3）研究该菌株的金属抗性和氨去除机制。

为了解决这些不足，本研究探讨了各种水质参数对FJNU-1菌株氨去除效率的影响。通过基因组测序分析了稀土元素引起的胁迫条件下的氨氮去除机制。使用生物扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）检查了处理前后细菌的表面形态和内部结构。利用FTIR和三维荧光激发-发射矩阵（3D-EEM）分析了该菌株胞外分泌物对细胞的保护作用。最后，选择稀土氧化物作为微生物底物，以实现低碳经济。因此，本研究的进展为氨处理技术和稀土元素在稀土废水中的富集提供了生物学基础和理论支持，有效克服了传统方法的局限性。研究结果为经济且环保的稀土废水处理方法带来了希望。

**试剂和细菌培养基**
试剂的详细信息见文本S1。根据以往的研究（Zhang等人，2022年），准备了最小盐培养基（MSM）和Luria-Bertani（LB）培养基。MSM每升超纯水中含有NH4SO4（2.0 g）、MgSO4·7H2O（0.2 g）、CaCl2·2H2O（0.01 g）、FeSO4·7H2O（0.001 g）、Na2HPO4·12H2O（1.5 g）和KH2PO4（1.5 g）。通过向稀土矿废水添加相应的碳源和磷酸盐，配制了矿废水培养基（MWM）。

**FJNU-1菌株的鉴定**
本研究中使用的本地细菌是从稀土矿土壤样本中分离出来的，表现出较强的生长能力和有效的稀土废水处理能力。该菌株的菌落呈黄色、圆形，形成有光泽且不透明的菌落，表面光滑，边缘规则。SEM观察显示，这些菌落为不动的细长杆状，直径约为505 nm，长度约为1500 nm，符合其特征。

**结论**
本研究从稀土矿采集的土壤样本中分离出本地细菌，并鉴定为Pseudomonas oryzihabitans，命名为Pseudomonas oryzihabitans FJNU-1。该菌株表现出从稀土矿废水中有效去除高浓度氨的能力。单因素实验表明，当柠檬酸作为唯一碳源时，FJNU-1表现出强劲的细胞生长能力，氨氮去除效率达到69.6%。确定了最佳碳氮比（C/N）和pH值。

**作者贡献声明**
赵雪：撰写——原始草案、方法学、研究、数据管理。
杨荣婷：项目管理、方法学、研究。
吴荣豪：研究、数据管理。
陈祖良：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取、概念构思。
李凯强：监督、资源提供、方法学。

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。

**致谢**
本研究得到了中国福建师范大学创新团队培养计划（Y0720409B06）和人才建设基金会（编号Z0210509）的财政支持。