《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Carbon/nitrogen composite induction of extracellular polymeric substances from Desulfovibrio desulfuricans enables Cu2S quantum dot biosynthesis
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郑光文|宋伟峰|杨作义|高彦通|尹倩|宋子恒|涂传英|周克勤|边俊明|彭景峰|张向丹|白晓燕广东省环境催化与健康风险控制重点实验室，广东省教育厅资源综合利用与清洁生产重点实验室，广东工业大学环境科学与工程学院，广州510006，中国摘要微生物产生的胞外聚合物（EPS）不仅能够捕获
郑光文|宋伟峰|杨作义|高彦通|尹倩|宋子恒|涂传英|周克勤|边俊明|彭景峰|张向丹|白晓燕
广东省环境催化与健康风险控制重点实验室，广东省教育厅资源综合利用与清洁生产重点实验室，广东工业大学环境科学与工程学院，广州510006，中国
摘要
微生物产生的胞外聚合物（EPS）不仅能够捕获重金属，还能促进其转化为纳米材料。本研究探讨了C/N(NH??)应力如何影响Desulfovibrio desulfuricans subsp. desulfuricans产生的EPS的组成和功能特性，重点关注Cu(II)的吸附-转化及CuS量子点（QD）的形成。在2C/N(NH??)的诱导下，LB/TB-EPS的产量和Cu(II)的吸附能力均达到最大值，且这种LB/TB-EPS促进了均匀的CuS QDs（6–8nm）的生物合成，这些CuS QDs具有高结晶度和强荧光性。圆二色性分析显示EPS蛋白发生了α到β的结构转变，α-螺旋含量从16.4%降至6.6%，β-折叠含量增加到51.0%。这种构象变化暴露了更多的活性残基（-COOH, -NH?, -OH），增强了Cu(II)的配位，并促进了CuS的成核。3D-EEM、FTIR、XPS、XRD、TEM和BET分析的结果进一步证实，富含β-折叠的TB-EPS为Cu(II)的富集、还原和有序晶体生长提供了丰富的功能基团和微孔结构。这些发现表明，C/NH??诱导的EPS重构增强了Cu(II)的吸附，并推动了其向CuS QDs的转化，为EPS介导的生物矿化和绿色纳米材料的合成提供了机制上的见解。
引言
电镀、冶炼和矿物加工产生的废水中含有铜、砷、锌和锰等离子。铜及其化合物是典型的重金属污染物，对生态系统和人类健康构成严重威胁[1]。过量摄入铜可导致贫血和肝脏损伤，在极端情况下甚至会引起急性中毒[2]；长期暴露于富含铜的环境中还可能损害生殖功能[3]。因此，开发高效、经济且环保的方法来去除水系统中的Cu(II)离子至关重要。目前的修复方法包括化学沉淀、生物吸附和物理方法，其中生物吸附因其简单性、低成本和有效性而被广泛采用[4]。微生物产生的胞外聚合物（EPS）因其卓越的重金属吸附能力而受到越来越多的关注，这主要归因于其丰富的多阴离子功能基团，这些基团能够轻易结合金属离子[5]。根据空间分布和结合状态，EPS通常被分为松散结合的EPS（LB-EPS）和紧密结合的EPS（TB-EPS）[6]。LB-EPS分布在外层，具有松散的结构，负责初始吸附和屏障保护；而TB-EPS内部结构紧密，有助于结构稳定和更深层次的金属结合。
硫酸盐还原菌（SRB）具有厌氧呼吸能力，能将硫酸盐还原为硫化氢，并诱导金属硫化物的沉淀，具有很高的修复潜力[7]。利用这一能力，SRB已被广泛应用于原位沉淀和重金属的回收，从而支持生态恢复[8]。除了产生金属硫化物沉淀物外，SRB还会分泌特定的EPS层，这些EPS层对重金属吸附有显著影响[6]。环境压力或人为干预可以增强EPS的产生，促使研究转向SRB对压力的响应和诱导策略。例如，在Cd(II)压力下，Alcaligenes faecalis会增加其EPS中的蛋白质含量，提高功能基团的吸附能力[9]。然而，SRB对压力非常敏感，在金属毒性作用下往往无法上调EPS的产生。因此，有人提出补充营养物作为辅助SRB的策略[10]。在其他微生物中，碳和氮源在调节EPS方面起着关键作用：葡萄糖或蔗糖能显著提高Chlorella sp.的EPS产量和功能基团含量[11]，而NaNO?则显著促进R. cladophora的EPS产生[12]。最近的研究证实，环境中的C/N比强烈影响SRB的代谢和EPS的形成。例如，Zhang（2022）报告称SRB的生长和修复效率依赖于C/N比[13]，而Song（2021）观察到降低C/N比会减少LB-EPS和TB-EPS的产量和组成[14]。然而，C/N比诱导的EPS生成与其在CuS量子点生物合成中的吸附特性之间的基本关联仍不明确。
利用活细菌系统合成金属硫化物纳米颗粒的方法受到了越来越多的关注，这种方法为重金属的去除和回收提供了一种环保途径。在这些系统中，硫酸盐可以被硫酸盐还原菌（SRB）或其他微生物生物还原，并在胞外聚合物（EPS）的作用下转化为功能性的金属硫化物量子点（QDs）或纳米颗粒。这种生物矿化过程使有毒金属离子转化为稳定、有价值的纳米材料。例如，Park（2022）报道说，磁趋性细菌Desulfamplus magnetovallimortis（BW-1）能够在精确的生物控制下在其周质中生物合成CuS纳米颗粒[15]。同样，Yang（2025）优化了物理化学参数，合成了具有增强结晶度和酶样活性的SRB模板CuS纳米花簇[16]。其他研究表明，生物衍生的QDs（如来自抗紫外线南极细菌的CdS QDs[17]或由Shewanella oneidensis MR-1合成的CuS纳米颗粒[18]）表现出优异的稳定性和光热性能，而生物模板或适配体修饰的InP/ZnSe/ZnS QDs（QDAPT）则具有选择性的细菌识别能力[19]。EPS介导的QDs在固定重金属的同时，还实现了资源的回收[20]，在生物医学成像和光热应用方面具有额外潜力。尽管最近的研究承认EPS蛋白在金属吸附中的作用，但蛋白质二级结构与纳米颗粒成核之间的机制联系仍不明确。特别是，特定的构象转变（如α到β的变化）如何调节功能基团的暴露、创造成核微环境或稳定生长中的纳米晶体，尚未得到系统研究。微生物系统已成功制备了ZnS、CuS、FeS、PbS和CdS纳米材料[21]、[22]，[23]，但很少有研究探索碳-氮协同诱导策略来调节SRB的LB-EPS和TB-EPS组成，并提高EPS介导的CuS QD生物合成效率。了解EPS内的蛋白质结构调节为微生物生物矿化提供了新的见解，并为优化可持续的QD合成提供了潜在策略。
本研究的主要目标有四个：1）评估优化后的C/N比（C/NH??和C/NO??，浓度分别为100和200mg/L）对细胞生长、EPS组成（尤其是与蛋白质相关的特征）以及Cu(II)吸附能力的影响；2）利用3D-EEM、FTIR和XPS分析，阐明C/N应力如何影响EPS的物理化学性质；3）通过氨基酸定量结合圆二色光谱，确定C/N比引起的EPS氨基酸谱型和蛋白质二级结构的变化；4）研究在不同诱导条件下产生的EPS衍生CuS量子点的生产、光学特性、粒径分布和表面性质。重点研究了由C/N比调节引起的蛋白质构象转变（α-螺旋到β-折叠）如何增强金属配位、提供成核微环境并稳定新生纳米颗粒。总体而言，这些发现阐明了C/N比调节通过增强EPS功能性和CuS QD生物合成效率的结构机制，为加强微生物去除重金属和提高微生物产品的资源利用提供了新的视角。
章节片段
材料
本研究选择的微生物菌株为Desulfovibrio desulfuricans subsp. desulfuricans（D. desulfuricans subsp. desulfuricans），由北京Biobw生物科技有限公司提供。Starkey培养基的pH值被调节至7.00 ± 0.20。将培养基分装到250mL的玻璃锥形瓶中，然后在121°C（103.4 kPa，15psi）下高压灭菌20分钟。由于抗坏血酸的热不稳定性，需将其溶解在无菌水中。
C/N比对D. desulfuricans subsp. desulfuricans EPS的影响
为了诱导应力条件，使用HCOONa、NaNO?和(NH?)?SO?作为底物，将D. desulfuricans subsp. desulfuricans暴露于0、5、15、25、35和50的C/N比下。所得EPS分别标记为1C/NO3-LB-EPS、1C/NH4+LB-EPS、2C/NO3-LB-EPS、2C/NH4+LB-EPS、1C/NO3-TB-EPS、1C/NH4+TB-EPS、2C/NO3-TB-EPS、2C/NH4+TB-EPS，对照组分别标记为ControlLB-EPS和ControlTB-EPS》。上标“1”和“2”代表氮浓度分别为100mg/L和200mg/L。
结论
本研究表明，铵源的C/N应力有效调节了Desulfovibrio desulfuricans产生的EPS的组成和结构特性，从而增强了Cu(II)的配位，并促进了Cu?S量子点（QDs）的高效生物合成。在2C/NH??条件下，EPS的产生和Cu(II)的平衡吸附量均显著增加，其中TB-EPS的增强效果最为明显。光谱分析（3D-EEM、FTIR、XPS）显示，铵应力丰富了EPS的相关成分。
CRediT作者贡献声明
郑光文：负责撰写初稿、软件使用、实验研究及正式分析。宋伟峰：负责撰写、审稿与编辑、项目监督及资金争取。
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
