氟化物应力调节微生物诱导的钙沉淀:高氨氮和氟化物的协同去除及响应机制

时间:2026年3月7日
来源:Environmental Research

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高效处理光伏废水的新策略,基于耐盐菌株Acinetobacter LX-6的异养硝化-好氧反硝化与生物矿化协同机制,显著去除氟(81.00%)、氨氮(99.33%)、钙(87.78%)和正磷酸盐(87.63%)。低浓度氟(5-25 mg/L)刺激菌株生长及LB-EPS分泌,增强抗逆性;高浓度氟(30 mg/L)破坏抗氧化系统,导致膜通透性增加和代谢抑制。研究揭示了氟毒性对微生物双功能代谢的影响规律,为复合污染废水处理提供新思路。

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Xue Li|Yu Liu|Junfeng Su|Xueyu Shang|Hongyu Wang|Xuan Li
西安建筑科技大学环境与市政工程学院,中国西安 710055

摘要

光伏废水的深度处理是制约其绿色发展的核心环境挑战之一。本研究分离出一种耐盐菌株Acinetobacter LX-6,该菌株具备高效异养硝化-好氧反硝化和生物矿化能力。在最佳培养条件下,氟化物(F-)、氨氮(NH4+-N)、钙(Ca2+)和正磷酸盐(PO43--P)的去除效率分别达到81.00%、99.33%、87.78%和87.63%。增加松散关联的胞外聚合物(LB-EPS)的分泌可能增强菌株LX-6对F-压力的抵抗力,并促进生物矿化过程。在低剂量F-(5-25 mg L-1)的作用下,菌株LX-6表现出积极的生物学效应,从而促进其生长和繁殖。电子转移活性的提高和抗氧化酶活性的增强有助于菌株LX-6保持高代谢活性。在30 mg L-1的F-浓度下,细菌的抗氧化防御系统无法对抗高F-浓度引起的氧化应激,导致细胞膜通透性急剧增加,微生物代谢功能受损,污染物去除效率显著降低。菌株LX-6通过胞外吸附、离子交换和共沉淀作用实现高效的F-去除。这些发现为优化生物废水处理系统以实现深度氟化物去除提供了重要见解。

引言

目前,光伏行业废水的深度处理是制约其绿色发展的核心环境挑战之一。这类废水成分复杂,含有氟化物(F-)、正磷酸盐(PO43--P)和氨氮(NH4+-N)等污染物,形成了难以处理的复合污染系统(Huang et al., 2017)。由于半导体制造过程中大量使用盐类,这类废水通常具有高盐度特征(Fang et al., 2025)。目前,物理化学方法如钙盐沉淀被广泛用于F-和PO43--P的去除,但在实际应用中面临多种技术挑战。过量添加钙(Ca2+)不仅无法将F-浓度降至15 mg L-1以下,从而无法满足国家排放标准,还会使出水中的Ca2+浓度升高至152-220 mg L-1(Cui et al., 2025; Zhou et al., 2022)。
残留的F-具有高流动性、强毒性和显著的生物毒性。即使在低浓度下,也能穿透微生物细胞,引发氧化应激和DNA损伤,最终导致细胞凋亡(Barbier et al., 2010)。过量的Ca2+会直接改变水生环境的盐度,对海洋生物的生存产生不利影响(Zhou et al., 2025)。此外,这种处理方法的PO43--P去除效率不稳定,残留浓度在5-66 mg L-1之间波动(Sim et al., 2023)。不符合标准的PO43--P排放会严重破坏水生生态系统,危及水生生物的健康(Rathi & Kumar, 2023)。更严重的是,传统的钙盐沉淀方法几乎无法去除溶解的NH4+-N,导致其在废水中持续存在(NH4+浓度高达100-200 mg L-1)(Gao et al., 2024)。F-、Ca2+和PO43--P的共存形成了新的环境风险。过高的盐度还会破坏微生物细胞的渗透压平衡,导致细胞脱水和失活(He et al., 2024)。因此,开发一种能够同时去除物理化学预处理后盐水中多种污染物的新技术已成为该领域亟需突破的关键瓶颈。
为了克服上述物理化学技术在处理复杂污染物方面的局限性,研究能够协同去除多种污染物的绿色高效生物技术已成为研究前沿。近期研究深入探讨了微生物诱导的钙沉淀(MICP)技术在稳定F-方面的潜力。具备异养硝化-好氧反硝化(HNAD)能力的细菌在去除氨氮过程中可以产生碱度和碳酸盐(CO32-),这些细菌利用胞外聚合物(EPS)作为成核位点,有助于将F-、Ca2+和PO43--P稳定为生物矿物形式(Wang et al., 2024b; Wang et al., 2021)。基于HNAD/MICP的生物技术为光伏废水的深度处理提供了有前景的替代方案。
尽管F-是各种工业废水中的常见有毒污染物,但在基于HNAD/MICP的生物技术过程中的影响研究有限。研究表明,在MICP微生物固定化系统中,Pseudomonas sp. WZ39对F-的抑制浓度为3 mg L-1(Wang et al., 2022)。在MICP系统的固定化生物膜反应器中,反硝化细菌在F-浓度为1-5 mg L-1范围内实现了高效的反硝化和F-去除(Zhang et al., 2022a)。此外,有报告指出F-的毒性在不同微生物群体中存在差异,其生物毒性会影响微生物的同步反硝化和F-去除效率(Ochoa-Herrera et al., 2009)。然而,目前的研究主要集中在MICP作用下胞外矿化F-的矿化成核机制上(Wang et al., 2021)。关于微生物在F-压力下的潜在响应机制以及微生物F-稳定策略的研究仍然有限,特别是在MICP/HNAD过程中(Wang & Wu, 2025)。
本研究分离并培养了一种具有HNAD和MICP能力的耐盐菌株LX-6。(i)分析菌株LX-6的生理特性和动力学性质;(ii)研究菌株LX-6在不同F-压力下的生长情况,并确定影响F-通过MICP固定的因素;(iii)揭示菌株LX-6在低浓度F-暴露下的响应机制和高浓度F-暴露下的抑制机制。

节选

菌株LX-6的分离与鉴定

该菌株是从中国陕西省安康市的一个养殖场获得的猪粪中分离出来的。首先将粪便接种到富集培养基中,并在150 rpm的条件下进行好氧培养。当NH4+-N的去除率超过90%后,将10 mL的细菌悬浮液转移到另外100 mL的新鲜HNAD培养基中继续培养。这一过程重复进行了两个月。之后,对富集的细菌培养物进行了...

菌株LX-6的分离与鉴定

从HNAD琼脂平板上获得了三种具有独特菌落形态的菌株,并在新鲜HNAD培养基中评估了它们的反硝化、耐盐性和生物矿化能力。选择最有效的菌株LX-6进行进一步研究。对其形态和遗传特征进行了分析。在HNAD琼脂平板上,LX-6菌落呈现乳白色,圆形形态,边缘光滑均匀(图S1)。系统发育分析...

结论

本研究分离出一种耐盐菌株Acinetobacter LX-6,该菌株具有高效的HNAD和生物矿化活性。通过动力学分析,研究了不同碳源、C/N比、盐度水平和F-浓度对微生物HNAD和生物矿化性能的影响,阐明了菌株LX-6对不同F-浓度压力的潜在响应机制。这种非线性抑制模式表现为一种“ hormesis”效应:在低...

CRediT作者贡献声明

Xuan Li:软件验证、数据管理。 Hongyu Wang:软件、数据管理。 Xueyu Shang:数据可视化、验证、研究。 Junfeng Su:研究指导、方法论设计、概念构思。 Yu Liu:研究指导、方法论设计、概念构思。 Xue Li:撰写——审稿与编辑、初稿撰写、研究。

未引用参考文献

APHA, 2012; Feng et al., 2023; Ma et al., 2025b.

利益冲突声明

☒ 作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金(NSFC:编号52270167和52170049)、国家重点研发计划(编号2022YFC3203605)以及陕西省重点科技创新团队(2023-CX-TD-32)的支持。作者感谢西安建筑科技大学仪器分析中心的Fang Song在SEM分析方面提供的宝贵帮助。

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