山科大薛建良、根特大学吴镝ACS ES&T Engg.：提高微生物电解池中硫酸盐的还原效率——重金属浓度等对硫酸盐废水处理的影响

硫酸盐废水对生态环境和人体健康造成了越来越大的影响，已经被欧洲（2006/115EC）和美国环境保护署纳入需要建立排放阈值的污染物清单中。因此，亟需一种高效稳定且经济实用的硫酸盐废水的处理方法。微生物电解池（MEC）由于其原位能量转换和同步污染去除的优势，正在成为各种高强度废水处理的一种有吸引力的技术。然而，随着工业化和全球化的发展，废水中往往不单单含有硫酸盐，还含有重金属污染物，如各种矿山废水及冶金废水等。重金属离子会影响微生物细胞参与呼吸作用的酶、自由基防御等生理过程，可能会影响MEC生物阴极生物膜的活性，因此也会对MEC的性能造成重要的影响。在之前学者的研究中发现，相同的金属浓度既可以促进也可以抑制生物膜的形成，这表明除了废水质量以外，其他的因素，如微环境，也会影响生物膜形成和MEC性能。流体动力学混合条件是MEC中的关键微环境因素之一，不仅会引起生物膜的结构变化，还会影响生物电化学系统内的电子转移。

为了检验MEC在受废水质量和微环境因素影响下处理含硫酸盐废水方面的效果，本研究选择了不同的金属浓度和混合条件作为关键变量。首先，在不同浓度（0-80 mg/）的Cu ²⁺ 存在下，测量了完全混合MEC（CM-MEC）和非混合MEC(NM-MEC)下的硫酸盐还原效率和关键功能基因。随后，考虑微生物活性、群落组成、电化学性能和微生物对重金属的防御，系统分析了不同Cu ²⁺ 浓度对CM-MEC处理含硫酸盐废水的影响。本研究加深了对MEC在不同微环境条件下废水处理有效性的理解，为未来系统配置的优化提供了有价值的见解。

图1.（a）不同操作阶段的硫酸盐还原效率；NM-MEC（b）和CM-MEC（c）在操作周期不同时间的硫酸盐还原效率；（d）NM-MEC和CM-MEC不同操作阶段硫酸盐还原效率的一阶动力学拟合。

与NM-MEC相比，CM-MEC具有更优的硫酸盐还原效能和更快的硫酸盐还原速率（图1）。尤其是在高金属浓度条件下，动态条件下运行的MEC具有更快的反应速率和抵抗能力。

从功能基因的角度对其原因进行分析。首先，在硫酸盐还原相关功能基因方面。使用宏基因组测序数据，通过与KEGG数据库进行一级分类比对，确定了不同代谢途径中各种样本的功能注释。硫酸盐还原过程主要涉及同化和异化还原途径，每种途径都由不同的功能基因调节。与这些途径相关的基因通过能量代谢下的三级分类（第二级）进行鉴定，并计算了它们的相对丰度，如图2所示。在NM-MEC中，某些硫酸盐还原功能基因（aprA、sat、sir、csyH）的相对丰度高于CM-MEC，用于处理含0 mg L-1 Cu ²⁺ 浓度的硫酸盐废水。然而，在混合条件下和低Cu ²⁺ 浓度下，CM-MEC中aprA、aprB、sat、cysD、cysN和sir等基因的相对丰度高于NM-MEC。在处理高浓度金属废水时，CM-MEC中aprA、sat、cysD、sir和csyH的相对丰度分别为0.0284%、0.0213%、0.0278%、0.0353%和0.0324%；在NM-MEC中，这些值分别为0.0148%、0.0111%、0.004%、0.0181%和0.249%，表明在混合条件下，与同化硫酸盐还原和异化硫酸盐还原相关的功能基因的相对丰度更丰富。

图2. NM-MEC和CM-MEC不同操作阶段硫酸盐还原功能基因的相对丰度。

其次，在电子传递相关功能基因方面（图3）。在CM-MEC中，与NM-MEC相比，运行阶段III的菌毛相对丰度增加得更多，这表明混合条件促进了菌毛功能基因的富集和表达。此外，在混合条件下，C型细胞色素的相对丰度随着Cu ²⁺ 浓度的增加呈持续增加趋势，而在NM-MEC中，它呈先增加后减少的趋势）。这可能是由于硫酸盐还原产生的S ^2- 与废水中的Cu ²⁺ 在细胞外膜上结合产生CuS，CuS具有良好的导电性和电催化性能，促进了C型细胞色素的分泌。在NM-MEC中，该系统对金属毒性的抵抗力较弱，Cu ²⁺ 首先与C型细胞色素中的巯基结合，使蛋白质失活，从而影响电子转移能力。

图3. 与电子转移相关的功能基因的相对丰度（a）细胞内电子转移；NM-MEC和CM-MEC不同手术阶段的细胞外电子传递（b）菌毛和（c）c型细胞色素相关功能基因。

之后以CM-MEC为研究目标，从细胞活性，微生物群落结构、对金属的防御能力等进行了系统性分析。本文涉及三种主要的微生物对重金属的防御机制（图4）。首先，细胞有外部沉淀，这意味着硫酸盐还原产生的硫离子和铜离子转化为不溶性硫化铜等，从而分离铜离子并降低其对细胞的毒性。

其次，铜离子的输运和流出。过量的铜通过铜转运蛋白（如copA、copC等）从细胞质运输到细胞的周质空间，以及使用微生物特异性胞吐泵（cusA、cusB和cusC等）将铜离子主动运输到细胞外，以减少细胞内铜的积累。第三，铜耐受性增强。特定的耐受基因（如pcoABCDRS等）增强了微生物对铜离子的防御。

图4. 铜抗性基因的总体相对丰度（a）；不同铜抗性基因的相对丰度（b）；同源蛋白质功能基因的相对丰度（c）。