利用Bacillus sp. TR2菌株制备纳米BioMnOx颗粒以增强对4-氯苯酚的根际修复效果

《Journal of Environmental Management》：Using Bacillus sp. TR2 to form nano-BioMnOx to improve 4-chlorophenol rhizoremediation

　　

魏东林|薛文琪|李绍然|张超凡|张崇军|周丹丹

中国东北地区污染水低碳处理与绿色发展工程研究中心，教育部，东北师范大学，长春，130117，中国

摘要

水生植物及其根际微生物在污染水体修复中起着关键作用。然而，难降解和有毒的有机污染物常常抑制植物和微生物的活性，从而限制了修复效率。引入锰(II)氧化菌（MnOB）能够实现纳米生物锰氧化物（nano-BioMnOx）的原位生成，这些纳米生物锰氧化物可以解毒污染物并增强生物活性。尽管如此，nano-BioMnOx与植物和微生物之间的相互作用机制及其协同效应仍不明确。在本研究中，MnOB Bacillus sp. TR2成功定殖在Iris pseudacorus的根部，形成了富含Mn(III/IV)的稳定Mn斑块，含量增加了39.10%。生成的nano-BioMnOx催化了4-氯酚（4-CP）的氧化环裂解，生成无毒中间体，促进了微生物的酶促降解。结果，在60小时内4-CP的去除率达到58.49%，相比仅依赖植物的对照组提高了1.36倍，并且生物毒性降低了97.17%。纳米生物锰氧化物显著增强了根际功能，表现为MnOB含量增加了15.30倍，同时Mn氧化基因与4-CP降解途径之间存在很强的相关性（R² = 0.95）。此外，根际条件的改善促进了植物生长，叶片长度、根长和叶绿素含量分别增加了16.11%、36.52%和74.67%。这些发现表明，纳米生物锰氧化物加速了污染物的氧化，刺激了微生物代谢，并促进了植物生长。这些综合过程建立了一个自维持的MnOB–植物系统，用于高效修复受污染的水域环境。

引言

植物修复系统依赖水生植物与根际微生物之间的协同作用，以有效去除受污染水中的氮、磷和有机污染物（Dai等人，2022年）。然而，难降解和有毒的有机污染物会破坏微生物群落结构和代谢，引发氧化应激，降低微生物生物量，并抑制植物生长（Yu等人，2022b年），从而降低修复效率。在Pistia stratiotes中，暴露于双酚A（BPA，10 mg/L）会导致总叶绿素含量减少23%，丙二醛水平增加53%，表明其抗氧化防御能力受损（Yadav等人，2025年）。同样，微塑料（1 mg/L）使根部超氧化物歧化酶活性增加了172%，降低了微生物多样性，并将铵氮的去除效率从89%降至73%（Pan等人，2024年）。因此，维持根际微生物群落的稳定性和代谢活性对于保证植物修复效果至关重要。

将功能性细菌引入根际可以提高修复效率。然而，在复杂污染条件下，这些细菌的生态位和长期稳定性常常会受到威胁（Ouyang等人，2024年）。锰(II)氧化菌（MnOB）作为一种替代方案，能够在原位生成纳米生物锰氧化物（nano-BioMnOx）。这些氧化物具有高比表面积、强吸附能力和低结晶性，可作为氧化还原活性电子媒介（Xu等人，2022年）。由于其强大的氧化潜力，150 mg的BioMnOx在5.87小时内将草甘膦浓度从169 mg/L降低到130 mg/L（Yu等人，2023b年）。此外，MnOB衍生的BioMnOx可以富集降解污染物的微生物，并维持根际75%更高的氧气水平（Chen等人，2022年）。然而，实现稳定的BioMnOx生成仍是一个关键挑战。

锰氧化物可以通过物理和生物途径生成。化学方法诱导形成的Mn斑块在去除磺胺甲噁唑（114.16 μg/L）过程中可能导致过量的Mn²⁺释放（高达300 mg/L），去除效率为59.85%（Jia等人，2023年）。相比之下，生物氧化的速度比非生物氧化快10³–10⁵倍，为锰循环提供了更可持续的途径（Liang等人，2021年）。在自然系统中，水生植物根系可以形成占根干重10%的Mn斑块，厚度可达17 μm（Wang等人，2021年）。这些发现表明，MnOB的预接菌可能促进原位 BioMnOx的生成并减少Mn²⁺的释放。然而，大多数关于MnOB介导的BioMnOx的研究集中在水和废水处理系统（Wang等人，2019年）或土壤重金属固定（Tang等人，2020年；Wei等人，2021年）上。MnOB在水生植物根际原位形成稳定nano-BioMnOx以增强难降解有机污染物降解的能力仍不清楚。尽管Wang等人（2019年）证明BioMnOx在移动床生物膜反应器中对4-氯酚（4-CP）表现出串联纳米酶活性，但MnOB、nano-BioMnOx和根际植物根系之间的协同作用仍需进一步探索。此外，nano-BioMnOx如何促进污染物氧化、富集微生物功能基因以及增强植物抗逆性机制尚待阐明。

本研究评估了MnOB衍生的nano-BioMnOx增强植物-微生物系统根际修复效果的潜力。Bacillus sp. TR2因其高定殖效率和强锰(II)氧化能力（图S1a和S1b）被选为代表性MnOB菌株。Iris pseudacorus是一种具有较强的抗逆性和修复潜力的水生植物（Yadav等人，2023年），被用作模式物种。选择4-CP作为目标污染物，这是一种难降解且有毒的有机污染物，具有低生物降解性和高生态风险（Marwani和Bakhsh，2017年）。研究了nano-BioMnOx的生成与特性、4-CP的降解途径以及出水生物毒性。此外，还分析了微生物群落动态、功能基因富集、抗氧化酶活性和植物生理反应，以阐明其作用机制。本研究提出了一种新型且可持续的MnOB介导的根际修复策略，用于高效去除受污染水环境中的难降解有机污染物。

章节片段

水生植物和MnOB菌株的来源

MnOB菌株是从中国吉林省长春市采集的湿地土壤中分离得到的。在改良的Peptone Yeast Extract Citrate Medium（PYCM）（m/V = 10%，v/v = 10%）培养基中（使用ZWYR-20102C振荡器，上海志成），在30°C和160 rpm条件下培养，经过三次48小时的连续传代富集了锰氧化菌群。随后通过三次固体培养进一步纯化了该菌群

Bacillus sp. TR2高效生成纳米生物锰氧化物

Bacillus sp. TR2从土壤中分离出来，其锰(II)氧化速率为0.03 mg/(L·h)（图S1b）。TR2衍生的nano-BioMnOx含有31.81%的Mn(IV)，Mn(III)/Mn(IV)比为1.88（图1a和b）。这一数值比其他MnOB菌株产生的BioMnOx（Li等人，2024年；Zhong等人，2023年）高出约19.75%。具体而言，TR2衍生的nano-BioMnOx中的Mn(IV)含量（31.81%）与Pseudomonas putida MnB1的Mn(IV)含量（29.98%）相当，但略高

结论

Bacillus sp. TR2和Iris pseudacorus形成了一个根际耦合系统，该系统中的微生物和植物功能紧密整合，实现了高效的4-CP根际修复。本研究的一个关键创新是原位生成了纳米生物锰氧化物。微生物的锰(II)氧化与植物根际微环境相互作用，形成了一个自维持的催化界面。这一界面促进了污染物的氧化，富集了降解微生物，并减轻了植物的

魏东林：撰写——原始草稿、可视化、方法论、实验研究、数据分析。薛文琪：实验研究、数据管理。李绍然：方法论、数据分析。张超凡：方法论、实验研究。张崇军：撰写——原始草稿、指导、概念构建。周丹丹：撰写——审稿与编辑、资金获取、概念构建。

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。

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号52230003）和吉林省科技厅（项目编号20210203003SF）的支持。