第一作者：钟超
通讯作者：刘娟
通讯单位：北京大学环境科学与工程学院
论文DOI：https://doi.org/10.1021/acs.est.4c08073
针对目前的水污染现状及常规水处理方法的高能耗、温室气体排放、二次污染严重的问题，本研究利用微生物自身合成/化学合成的闪锌矿在光照条件下产生光电子来驱动硫酸盐还原菌进行代谢活动并进行重金属铅的处理。生物合成闪锌矿具有高效的光电转化效率、良好的生物兼容性及与细胞结合紧密的空间位置使得其与细胞杂合体在高浓度铅离子（100-150 mg/L）和3次循环处理后仍能保持对铅离子较好的去除效果。生物合成闪锌矿能够显著促进细胞进行生物膜合成、提升胞内抗氧化应激酶的活性及调控相关铅离子排出系统编码基因来帮助细胞在高浓度铅离子环境中保持活性。该研究为工业废水微生物处理领域的驱动力/能量来源提供了新的理论和方法。
硫酸盐还原菌（SRB）被广泛运用于含重金属的工业废水的生物处理中。传统处理方法利用有机物如乳酸、甲醇作为SRB的电子供体驱动微生物进行代谢。而有机质的使用容易造成温室气体的排放、降低经济效益、形成活性污泥、种群竞争导致的处理效率低下等问题。因此拓宽SRB可利用电子谱能够促进SRB对于工业废水的处理效率和提升经济效益。
本研究探究了在光照条件下利用生物（Bio-ZnS）和非生物（Abio-ZnS）闪锌矿纳米颗粒的光电子来驱动脱硫弧菌G20（G20）在缺乏有机底物的情况下进行硫酸盐还原活动进而去除铅离子污染。
1. 在光照条件下Abio-ZnS和Bio-ZnS 纳米颗粒都能在不添加有机底物的情况下促进G20细胞硫酸盐还原和能量产生，其中Bio-ZnS组的硫酸盐还原量和ATP合成量是Abio-ZnS的1.6和3.1倍。
2. Bio-ZnS纳米颗粒由于其更宽的带隙、更高的光转换效率、更低的电荷转移电阻和与细胞更近的空间距离，这使得细胞对光电子的摄取更有效，从而促进细胞内电子传递和代谢产能过程；而Abio-ZnS由于与细胞具有一定的空间距离，因此细胞需要进行运动和形成丝状化结构来提高光电子摄取效率，而运动和丝状化过程都需要消耗能量。
3. 最后，光电子输入G20胞内促进菌群硫酸盐的还原、生物膜形成、氧化应激解毒和Pb
2+
排出进而促进G20对高Pb
2+
浓度的抵抗力，从而使得G20能够在缺乏有机底物时利用光电子进行长期和多次循环的Pb
2+
处理。这种方法利用太阳能，减少对有机底物的依赖，降低成本和二氧化碳排放，为在生物修复中利用SRB提供了一种可持续的解决方案。
生物合成闪锌矿由于形成过程中有机小分子的作用导致其内部的缺陷较少，所以生物合成闪锌矿具有更宽的禁带宽度（图1A）、较低的内电阻（图1B）和较负的平带电位（图1C），从而导致生物合成的闪锌矿相比较于化学合成的闪锌矿具有更好的光电转化能力（图1D）。
图1 生物合成/非生物合成闪锌矿光电转化性能表征
生物和非生物合成闪锌矿在光照条件下均能显著促进G20进行硫酸盐还原（不添加有机质），并且显著促进细胞胞内的能量合成（图2）。而在铅锌矿的开采过程中，铅锌矿通常伴生着铁、铜等金属，因此在SRB代谢过程中也会形成铁、铜硫化物。但是铁、铜、铅硫化物由于其较窄的禁带宽度导致其产生光电子的氧化还原电势不足以跨越G20细胞膜被细胞利用，并且其光电子和光空穴容易快速复合不易产生光电子被G20利用，所以铁、铜、铅硫化物在光照条件下并不能促进G20的代谢和能量合成（图2）。
图2 光照/黑暗条件下不同金属硫化物-G20杂合体硫酸盐还原量和胞内ATP水平
由图3的细胞-闪锌矿杂合体的包埋切片的高分辨电镜图发现生物合成的闪锌矿大部分位于细胞的外膜和周质重，而化学合成的闪锌矿由于其在中性环境中带负电和微生物细胞表面的电性一致导致其由于静电排斥作用而远离细胞（图3）。
图3 生物/非生物闪锌矿与G20细胞的空间距离
生物合成闪锌矿由于其较好的光电转化能力和与细胞较近的空间距离（图3）使得其产生的光电子能够更高效地被G20利用，从而促进了胞内与能量合成、呼吸、硫酸盐还原等相关基因的显著上调（图4）。有趣的是，相比较于化学合成组细胞，与趋化性、运动、丝状化相关的基因显著下调，而微生物的运动和丝状化的过程通常需要消耗能量，说明化学合成闪锌矿组的G20细胞为了靠近闪锌矿摄取电子/能量来源会主动调控相关基因来进行运动和形成丝状化结构帮助其摄取闪锌矿产生的光电子，从而导致其胞内的能量水平低于生物合成组细胞。
图4 生物/非生物闪锌矿-G20细胞杂合体光电能输入及其能量利用效率（A和B），转录组与代谢、能量合成相关基因表达（C）和趋化性、运动相关基因表达（D）
研究将生物/非生物合成闪锌矿-G20细胞杂合体运用于含铅废水的处理，发现光照可以显著促进G20对于铅离子的去除（图5），而黑暗条件下铅离子浓度下降小于15%，由对照组的实验可知黑暗条件下铅离子浓度的下降是由于闪锌矿和微生物对铅离子的吸附作用导致的。生物合成组细胞由于其胞内较高的能量水平在较高浓度铅离子（100-150mg/L）和3次循环处理过程中均展现出更好的效果，并且闪锌矿能够显著促进G20细胞进行生物膜合成、抗氧化应激酶的表达来帮助G20细胞应对铅离子的胁迫（图5）。
图5 光照和黑暗条件下生物/非生物闪锌矿-G20细胞杂合体对不同浓度的铅离子及3次循环铅离子处理效果
这项工作报道了一种利用半导体矿物驱动微生物进行重金属处理的方法，本工作从矿物学、光电化学方法对两种不同性质的闪锌矿进行了表征，并利用分子生物学、转录组学、水化学等方法探究了不同类型闪锌矿促进SRB代谢的机制和差异性，最后将其运用于含铅废水中的处理过程。在天然重金属污染的环境中同时也会存在多种硫化物矿物和不同类型的微生物，探究不同半导体矿物和微生物的能量流动过程能够更好地帮助我们利用微生物对污染进行治理。不仅如此，本文所利用的硫酸盐还原菌为嗜中性的，而在天然重金属污染的很多环境中为强酸性如酸性矿山排水（AMD），而这些极端的环境通常有机质含量较低是典型的寡营养环境，所以探究嗜酸性的极端硫酸盐还原菌的胞外电子摄取过程也有利于我们将硫酸盐还原菌-半导体矿物复合体运用于各种类型的废水处理中。该工作为利用天然半导体矿物驱动硫酸盐还原菌代谢去除废水中的重金属提供了可参照的思路和理论依据。
备注: Permissions for reuse of all Figures have been obtained from the
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钟超
博士，就读于北京大学地球与空间科学学院。主要从事天然环境中微生物与矿物界面电子传递过程，寡营养环境中微生物存活机制及对地质环境的影响。以第一作者或者通讯作者身份在
Environmental microbiology
,
Environmental
Science and technology
等期刊上发表SCI论文2篇，发明专利1项。
刘娟
，北京大学环境科学与工程学院“百人计划”特聘研究员、博士生导师，中组部“万人计划”青年拔尖人才、
Geochimica et Cosmochimica Acta
副主编、
Fronteris in Microbiology
客座编辑。主要从事矿物-微生物界面电子传递、铁氧化物矿物生物地球化学行为微观机制的研究，在ES&T、GCA、JACS、PNAS、Nature Reviews Microbiology等杂志上发表SCI论文七十余篇，H指数30。
课题组主页：
http://scholar.pku.edu.cn/juan_liu
个人主页：
https://www.researchgate.net/profile/Juan_Liu9
鲁安怀
，现任北京大学地球与空间科学学院教授、矿物环境功能北京市重点实验室主任。曾担任国际矿物学协会（IMA）主席，现任美国矿物学会Fellow，中国地质学会矿物学专业委员会主任，中国矿物岩石地球化学学会环境矿物学专业委员会主任等。曾主持两轮重大科学前沿领域973项目和1个国家重点研发计划项目及若干国家自然科学基金重点项目等。长期从事矿物学专业研究，在矿物演化、矿物功能材料、矿物环境属性、矿物与微生物交互作用及矿物光电子能量等研究方面取得了系统性创新成果，近年来在海洋生物矿物材料开发应用研究领域取得显著经济效益。第一作者出版专著3部（包括英文1部），发表论文500余篇，其中SCI论文200余篇（包括第一或通讯作者发表
PNAS
1篇，
Nature Communications
3篇，
Science Advances
1篇），并多次被选为亮点成果。曾担任第十一届、第十二届和第十三届全国政协委员，现任民盟北京市委副主委。
Zhong
C, Lu A, Dong H, et al. Photoelectron-promoted metabolism of sulphate-reducing
microorganisms in substrate-depleted environments.
Environ Microbio
. 2024; 26(10):e16683.
文章链接:
https://doi.org/10.1111/1462-2920.16683
Zhong
C, Ren Y, Lu A, Liu J, et al. Photoelectron-Promoted Sulfate Reduction for Heavy
Metal Removal without Organic Carbon Addition.
Environ. Sci. Technol
.2024.
文章链接:
https://doi.org/10.1021/acs.est.4c08073
