通过将耐酸的硫酸盐还原菌固定在磁性壳聚糖上，增强了对铅(II)和硫酸盐的去除效果

时间：2026年3月7日

来源：Environmental Research

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酸性矿井废水（AMD）中铅离子和硫酸盐的协同高效去除研究。通过合成磁性壳聚糖微球（MCSMs）并固定耐酸硫酸盐还原菌（SRB-1），构建生物材料耦合系统。实验表明该系统对Pb(II)去除率达57.1 mg/g，较单独MCSMs提升182%，硫酸盐去除效率较游离菌提高11%。机理分析揭示液膜扩散、颗粒内扩散和生物还原的多级协同作用，并验证了系统的循环稳定性和工程应用潜力。

张玉阳|李旭|王梓腾|罗凡|张长超|徐钦川|于一阳|杨文革|胡永红

南京工业大学生物技术与制药工程学院，中国江苏省南京市浦珠南路30号，邮编211816

摘要

酸性矿井排水（AMD）的净化效率受到多相过程动力学缓慢的限制，主要原因是微生物的耐酸能力不足、吸附剂容量有限以及生物过程与非生物过程之间的协同作用较弱。为了解决这一问题，通过原位共沉淀法合成了磁性壳聚糖微球（MCSMs）。通过静电吸附将耐酸硫酸盐还原菌SRB-1固定在微球表面，构建了SRB-1@MCSMs耦合系统。在相同的剂量条件下，SRB-1@MCSMs对Pb(II)的去除能力为57.1 mg/g，比单独使用MCSMs高出182%；对SO₄^2-的去除率也高出约11%。颗粒扩散模型表明，SRB-1@MCSMs的去除机制源于液膜扩散、颗粒内部扩散和生物还原的多级协同作用。该模型清晰地揭示了Pb(II)和硫酸盐（SO₄^2-同时去除的动态平衡路径。此外，SRB-1@MCSMs还表现出优异的循环稳定性和储存稳定性。因此，本研究成功建立了一种能够克服AMD处理中动力学限制的生物材料耦合策略。构建的SRB-1@MCSMs实现了重金属和硫酸盐的同时高效去除，揭示了生物还原和传质过程协同驱动污染物转化的内在机制，为AMD的长期稳定处理提供了有前景的工程途径。

引言

酸性矿井排水（AMD）是一种含有重金属离子（如Pb(II)、Cu(II)、Zn(II)）、硫酸盐（SO₄^2-）和强酸性的极端工业废水（Ge等人，2012年）。这种复杂的污染在全球矿区普遍存在，对生态系统和人类健康构成长期威胁（Gogoi等人，2024年；Zhang等人，2022b年）。在各种重金属中，Pb(II)因其显著的神经毒性、生物累积性和即使在极低暴露剂量下的环境持久性而被列为优先污染物（Zhang等人，2026年）。然而，Pb(II)在AMD系统中通常以络合或低溶解度形式存在，使得在强酸条件下使用传统的中和沉淀、膜分离或电化学方法难以有效去除（Gao等人，2014年；Peng等人，2025a年；Peng等人，2025b年；Wang等人，2018年）。

生物方法被认为是AMD中重金属修复的可持续途径，因为它们对环境友好且具有选择性。硫酸盐还原菌（SRB）可以通过异化硫酸盐还原代谢产生硫化物，与重金属离子形成稳定的金属硫化物沉淀物，从而基于溶解度积差异实现选择性去除（Diao等人，2023年）。先前的研究表明，SRB可以高效去除AMD中的多种重金属和硫酸盐（Laroche等人，2023年）。然而，自由状态的SRB在工程应用中容易流失，耐酸能力有限，且难以有效分离成固液两相，严重限制了其实际应用（Hou等人，2024年）。

为了解决上述问题，微生物-材料耦合策略逐渐受到关注。基于生物的吸附剂不仅可作为微生物固定的载体，还能通过表面官能团快速富集重金属，通过吸附和生物矿化实现协同去除（Nie等人，2023年；Shaheen等人，2019年）。在众多天然聚合物中，壳聚糖（CS）因其丰富的氨基和羟基含量、良好的生物相容性以及对Pb(II)的强络合能力而被认为是构建重金属去除系统的理想材料（Kaczorowska和Bozejewicz，2024年；Vosough等人，2024年）。然而，天然壳聚糖在强酸性环境中容易膨胀，缺乏足够的机械强度，限制了其在AMD条件下的直接应用（Ma等人，2018年）。交联、复合和功能化改性已被用于提高壳聚糖的耐酸性和结构稳定性，引入磁性纳米颗粒可进一步赋予其快速分离和回收的能力（Jiang等人，2018b年；Liu等人，2016年；Reddy和Lee，2013年）。尽管如此，关于磁性壳聚糖材料与功能性微生物在酸性条件下的协同效应，尤其是Pb(II)-SO₄^2-共存系统的同时去除行为，仍缺乏系统研究（Perreau和Moran，2022年；Zeng等人，2020年）。

本研究筛选了一种耐酸硫酸盐还原菌（SRB-1），并研究了其形态特征、生长特性和SO₄^2-的还原性能。SRB-1对Pb(II)具有高耐受性，这支持了在本研究中选择Pb(II)作为目标污染物的决定。然后，使用原位共沉淀法制备了具有高吸附能力的可回收磁性壳聚糖微球（MCSMs）。将SRB-1固定在微球表面，构建了SRB-1@MCSMs耦合系统，通过物理吸附和生物矿化的协同作用实现了Pb(II)和SO₄^2-的高效去除（方案1）。全面研究了MCSMs和SRB-1@MCSMs的物理化学特性、去除性能和机制方面。最后，评估了SRB-1@MCSMs在实际废水处理中的应用前景。

部分内容摘录

耐酸硫酸盐还原菌的分离与鉴定

首先，从南京市一家有色金属冶炼厂收集了厌氧活性污泥，并使用改良的Postgate C培养基富集SRB，然后进行梯度耐酸驯化（pH = 7.0、pH = 6.0、pH = 5.0）。随后，从初始pH为5.0的富集液中分离出耐酸SRB-1，并研究了其生长及生理和生化特性。该菌株在35°C的厌氧条件下进行培养。

SRB-1的特性分析

对厌氧活性污泥进行了逐步酸适应处理，并通过高通量测序分析了不同pH条件下富集样品的微生物群落结构。如图1A所示，当pH降至5.0时，Desulfovibrionaceae的相对丰度从约90%下降到50%，但仍为优势菌群，表明富集的微生物群落在酸性条件下仍具有显著的硫酸盐还原潜力。

结论

本研究构建了基于磁性壳聚糖微球和耐酸硫酸盐还原菌耦合的SRB-1@MCSMs系统，用于同时去除AMD中的Pb(II)和SO₄^2-。我们系统阐明了在材料吸附和生物矿化协同作用下的多相去除机制。结果表明，SRB-1@MCSMs可以为微生物在高硫酸盐条件下提供稳定的微环境，有效缓解酸度。

CRediT作者贡献声明

张长超：数据整理。 于一阳：指导。 徐钦川：验证、资源提供。 胡永红：撰写 – 审稿与编辑、指导、资金获取。 杨文革：撰写 – 审稿与编辑、指导。 罗凡：研究。 王梓腾：研究。 李旭：撰写 – 审稿与编辑、方法学设计、概念构建。 张玉阳：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、方法学设计、概念构建。