JHM专栏｜北京林业大学李敏团队：解磷菌和异化铁还原菌厌氧互营体系诱导次生成矿固定镉的研究

李敏团队环境人Environmentor

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第一作者：赵欣博士

通讯作者：李敏教授

通讯单位：北京林业大学环境科学与工程学院

论文DOI：10.1016/j.jhazmat.2022.130702

图片摘要

成果简介

近日，北京林业大学李敏教授研究团队在Journal of Hazardous Materials上发表了题为“Anaerobic syntrophic system composed of phosphate solubilizing bacteria and dissimilatory iron reducing bacteria induces cadmium immobilization via secondary mineralization”的研究论文。本研究成功构建了解磷菌和异化铁还原菌厌氧互营体系，通过诱导次生成矿实现了对沉积物中重金属镉的有效固定，研究结果为河道沉积物中重金属的固定提供了新的思路。

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生物诱导矿化是修复沉积物中镉(Cd)污染的一种有前景的方法，但含重金属的次生矿物稳定性差是限制该方法发展的瓶颈。磷酸盐的存在可以促进更稳定次生矿物的形成，为Cd的固定指明了新的方向。本研究建立了由解磷菌(PSB)和异化铁还原菌(DIRB)组成的新型厌氧互营体系，并探究了该体系中Cd的固定效果和机制。结果表明，在DIRB:PSB (V:V) = 3:1，互营菌投加量为5%的条件下，掺杂入次生矿物中的结合态Cd约占总Cd的60%。在初始pH为5~9的范围内，碱性环境有利于Cd的固定，而随着初始Cd浓度从0.1 mmol/L增加到0.3 mmol/L时，次生矿物中结合态Cd从62%降低到56%。此外，XRD、XPS、穆斯堡尔谱等表征结果表明，互营体系中形成了掺杂有Cd的羟基磷灰石(Cd-HAP)和羟基磷酸铁(Fe3(PO4)2(OH)3)等次生矿物，羟基磷酸铁为蓝铁石的氧化产物。解磷菌和异化铁还原菌互营体系的建立为沉积物中Cd的固定提供了一种有前景的生物修复技术，并且可以避免添加含磷物料可能带来的潜在风险。

引言

镉是一种生物蓄积性强、毒性持久的重金属。沉积物中镉污染严重，威胁到人类身体健康，已成为当前环境领域关注的热点问题。生物修复技术因其成本低、绿色环保等优点，被广泛应用于沉积物镉污染修复。异化铁还原菌是一种典型的金属还原菌，广泛分布在沉积物、地下水及深层土壤中，能够在胞外实现电子传递，使固态铁氧化物接受电子发生还原反应。异化铁还原菌可以通过微生物胞外吸附作用固定镉，同时镉也可以通过铁氧化物的结构重组或共沉淀作用掺杂到次生铁矿中。此外，Fe(II)浓度、电子供体、电子受体、阴离子等因素均可影响异化铁还原过程，其中，磷酸盐是影响异化铁还原诱导次生成矿的重要因素之一，它不但可以影响次生矿物的种类，提高矿物稳定性，还可以促进或抑制铁还原的反应速率。已有研究提出磷酸盐可以影响铁还原产生的次生矿物，进而促进重金属镉的固定。然而，沉积物中虽然富含磷，但是其中绝大部分为难溶性磷酸盐，因此，我们通过使用解磷菌促进沉积物中难溶性磷得到释放，间接促进更为稳定的次生矿物的形成。但是，目前关于解磷菌和异化铁还原菌之间的相互作用还不明确，需要进一步探究。

图文导读

解磷菌和异化铁还原菌互营体系的构建。

图1：DIRB、PSB和DIRB+PSB互营体系中pH(a)、Fe2+浓度(b)、PO43-浓度(c)随时间的变化以及第35天时乙酸含量(d)。在PSB+DIRB互营体系中培养35天的样品的TEM图(e)。5 %代表细菌与培养基的体积比。

单独的异化铁还原菌无法以葡萄糖为电子供体还原水铁矿，解磷菌可以利用葡萄糖，但不能还原水铁矿。在以葡萄糖为碳源、水铁矿为电子受体的解磷菌和异化铁还原菌互营体系中，异化铁还原菌可以利用解磷菌分解代谢葡萄糖生成的乙酸生长，发生异化铁还原反应，将三价铁还原为二价铁，进而与磷酸根发生反应生成次生矿物，促进镉的固定。TEM图显示杆状的解磷菌和异化铁还原菌附着在矿物的表面，其中异化铁还原菌有鞭毛生成，这是因为电子供体是不溶性的水铁矿。DIRB和PSB可以在培养基中共同生长，互营体系成功建立。与单一微生物相比，互营体系的构建解决了营养物质的利用问题，拓宽了应用范围，因此该互营体系可以更广泛地应用于沉积物中重金属的固定。

不同条件对互营体系固定镉效果的影响。

图2：培养120天后，DIRB:PSB(V:V)(a)、微生物投加量(b)和葡萄糖投加量(c)对互营体系中Cd形态的影响。

图3：培养120 d后，初始Cd浓度(a)和初始pH(b)对互营体系中Cd形态的影响。

研究对比了单独异化铁还原菌、单独解磷菌和六个不同比例的两种混合菌对镉的固定效果，当DIRB:PSB (V:V) = 3:1时，经过120天的反应，其对镉固定效果最好，结合态Cd的比例占64%。对四个梯度的互营菌投加量进行实验探究，发现互营菌用量为5%时，结合态Cd的比例最高。互营体系中葡萄糖含量为5 g/L时，可以满足两种菌的生长需求。在反应过程中，碱性条件有利于Cd的固定，初始Cd的浓度越低（≤0.3mmol/L），越有利于结合态Cd的形成。

互营体系次生矿物对镉的固定机理研究。

图4：通过Visual MINTEQ软件模拟不同pH下的次生矿物浓度(a)和120 d后有、无Cd的互营体系中形成的次生矿物的XRD图(b)。

使用Visual MINTEQ软件模拟不同pH值下产生的次生矿物的含量，主要有羟基磷灰石和蓝铁石。120天后，互营体系达到稳定，体系的pH值稳定在5.5和6之间，在这个范围内，羟基磷灰石含量比蓝铁石含量多。为了进一步分析在有镉和无镉条件下互营体系反应产生的次生矿物的类型，对次生矿物进行了XRD分析。无镉条件下互营体系诱导生成的次生矿物主要是羟基磷灰石(HAP)和羟基磷酸铁(Fe3(PO4)2(OH)3)，有镉条件下的次生矿物主要是掺杂有镉的羟基磷灰石（Cd-HAP）和羟基磷酸铁。因为随着体系中镉浓度的增加，羟基磷灰石的主峰从31.70°转移到31.76°，说明有镉掺杂入羟基磷灰石。羟基磷酸铁是蓝铁石的氧化产物，这是由于破坏性取样造成的。

图5：互营体系培养120天后次生矿物羟基磷灰石(a)和羟基磷酸铁(b)的SEM图以及Fe、P、Cd组合(1)和单独(2，3，4)的EDS图。

SEM结果显示，次生矿物中存在球形的掺杂有镉的羟基磷灰石和片状的羟基磷酸铁。羟基磷灰石可以掺入各种过渡金属，在互营体系中生成的羟基磷灰石不仅掺入了Fe2+，还掺入了Cd2+。EDS-MAPPING显示片状次生矿物的Fe/P原子比为1.5，结合XRD图谱，表明该次生矿物为羟基磷酸铁，并且Cd集中在羟基磷酸铁矿物区域，说明羟基磷酸铁对Cd有固定作用。

图6：培养120天后，在有Cd和无Cd的互营体系中形成的次生矿物的FT-IR(a)和Raman(b)图谱。

FT-IR和Raman图谱表明，次生矿物的磷酸根特征峰、微生物细胞上的C-N、-OH特征峰、铁氧化物的Fe-O特征峰等多个官能团的强度或位置都发生了变化，表明含镉条件下，互营体系中的微生物、羟基磷灰石和羟基磷酸铁均对镉有固定作用。

图7：培养120天后，含镉和不含镉互营体系中生成的次生矿物的XPS (P 2p(a), O1s(b), Fe 2p (c))和穆斯堡尔谱(d)。

用XPS分析样品的原子组成，在相同Cd浓度（0.2 mmol/L）下，互营体系生成的次生矿物中Cd原子数在阳离子中占比相对较高，说明互营体系有利于Cd的固定。对XPS进行分峰处理，发现Cd的存在减少了Fe的数量，Cd2+与PO43-和-OH的氧发生作用。穆斯堡尔谱表明，在有Cd和无Cd的互营体系中，反应120天后形成的次生矿物中的铁元素都以Fe3+的形式存在，并没有Fe2+的特征峰被检测出来，这表明体系中次生矿物的Fe2+被氧化为了Fe3+，即蓝铁石被氧化为了羟基磷酸铁，这是由于破坏性取样造成的。

小结

在DIRB和PSB互营体系中，PSB利用葡萄糖产生乙酸，并将难溶性磷转化为可溶性磷，而DIRB利用PSB产生的乙酸作为电子供体，将Fe3+还原为Fe2+，还原溶解的Fe2+与解离的PO43-反应形成更稳定的次生矿物。在DIRB:PSB(V:V)=3:1、互营菌投加量为5%的条件下，结合态Cd占比高。在pH值为5~9的范围内，碱性环境有利于Cd的固定。随着初始Cd浓度从0.1 mmol/L增加到0.3 mmol/L，结合态Cd占比下降。互营体系中原始矿物发生溶解后重组，形成了掺杂有镉的次生矿物，可以通过吸附和离子交换/共沉淀的方式增强Cd的固定效果。

作者简介

第一作者：赵欣，北京林业大学大学环境科学与工程学院，在读博士研究生，研究方向为生态环境污染机制及修复技术，以第一作者/共同第一作者在Journal of Hazardous Materials以及Journal of Cleaner Production发表论文3篇。

联系方式：zhaoxin1412@163.com。

通讯作者：李敏，北京林业大学大学环境科学与工程学院，教授，博士生导师。主要研究领域为污染生态修复技术、面源污染控制、污染物迁移转化行为、水处理理论与技术等。主持国家重点研发计划课题、国家自然科学基金面上项目、国家水专项课题、人事部留学基金委优秀项目、北京市科技新星计划项目、北京市自然科学基金项目等10余项国家及省部级以上科研课题，参与多项课题。已发表学术论文100余篇，授权发明专利6项。主编专著3部，参编教材及专著2部，编制团体标准及地方标准3项。

联系方式：minli@bjfu.edu.cn。

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