从牛粪中分离出的Bacillus pumilus KHP5菌株对Cr6+、Cu2+和Zn2+的生物吸附性能及其耐受性研究（用于生物修复）

重金属生物修复|Bacillus pumilus KHP5|多金属吸附|化学吸附|表面改性

作者：Himalaya Panwar、Swati Rani、Deepa Malik、Kartikey Kumar Gupta

印度北阿坎德邦哈里德瓦尔Gurukula Kangri大学（具有大学地位）植物学与微生物学系，邮编249404

摘要

有色金属冶金工业的污染物排放常常导致周围土壤和水系统的严重重金属污染。为了解决这一问题，研究人员研究了一种从牛粪中分离出的新型菌株——Bacillus pumilus KHP5，探讨其在水溶液中吸附铬（Cr⁶⁺）、铜（Cu²⁺）和锌（Zn²⁺）的能力。该菌株在金属胁迫下表现出显著的适应性，其最低抑制浓度（MIC）顺序为：Cr（1000 mg/L）> Zn（400 mg/L）> Cu（200 mg/L）。生物吸附实验表明，去除效率与吸附能力之间存在正相关关系，其中Zn²⁺的吸附效果最佳（去除率为59.8±1.2%，吸附量为137.15±5.4 mg/g），其次是Cr⁶⁺（56.6±1.3%，吸附量为129.81±5.19 mg/g）和Cu²⁺（44.8±1.2%，吸附量为102.75±4.11 mg/g）。动力学分析显示，这三种金属的吸附过程遵循伪二级模型，表明吸附主要是通过化学吸附实现的。等温线模型分析表明，Langmuir模型能够较好地描述Cr⁶⁺（R² =0.9942）和Zn²⁺（R²=0.9958）的吸附行为，说明吸附为单层吸附；而Cu²⁺的吸附则更适合用Temkin模型（R² =0.9884）来描述，这反映了化学和物理作用共同参与的过程。SEM-EDS和FTIR分析进一步证实了金属结合后细菌表面的微观结构变化及元素沉积现象。总体而言，B. pumilus KHP5对重金属具有很强的耐受性和高效的吸附能力，显示出作为环保生物吸附剂的潜力。本研究还强调了牛粪相关微生物在重金属生物修复中的潜在价值。

引言

全球工业化进程的加快和自然资源的过度开采，尤其是在金属采矿领域，导致了大量重金属污染（Briffa等人，2020年）。铬（Cr）是一种有毒的重金属，广泛应用于皮革鞣制、陶瓷生产、橡胶制造、纺织品染色和电镀等工业过程中（Oladimeji等人，2024年）。然而，含铬废水的不当处理（尤其是六价铬Cr⁶⁺）会因其在环境中的高移动性、持久性和致癌性而带来严重环境风险（Jadhao等人，2025年）。铜（Cu）的主要污染途径是酸性矿井排水（AMD），这种排水会将有毒的Cu²⁺离子释放到水生生态系统中，破坏水生生物和水质（Gomes等人，2022年）。锌（Zn）也是一种常见的重金属，通过采矿、冶炼、镀锌和电池生产等过程释放到环境中（Dagdag等人，2023年）。土壤和水系统中锌浓度的升高会导致生物累积、植物毒性及长期生态损害（Hussain等人，2022年）。不当的废物管理和自然淋溶过程会加剧重金属污染（Haghighizadeh等人，2024年）。这些重金属（如铜、铬和锌）以不溶性和可溶性形式存在于受污染环境中，它们对生物分子具有高亲和力，可能导致严重的健康问题，包括器官损伤和癌症风险增加，从而对生态稳定性和人类健康构成威胁（Tchounwou等人，2012年）。因此，需要采取严格的修复措施来减轻环境和公共健康影响（Jan等人，2015年）。 传统的修复方法（如离子交换和化学沉淀）虽然在某些情况下有效，但往往无法实现永久性解毒，并可能产生有害副产物（Firincă等人，2025年）。相比之下，依靠微生物自然能力的生物修复方法提供了一个有前景的替代方案。微生物，尤其是土壤细菌，能够耐受高浓度的重金属，并通过代谢转化或吸附作用降低其毒性（Patil等人，2024年）。这种环境友好的方法可以在现场或场外进行，并具有广泛的应用灵活性（Kuppusamy等人，2016年）。许多细菌属已被研究用于金属修复，常见的耐金属和具有修复能力的细菌包括：Bacillus cereus（Huang等人，2018年）、Enterobacter cloacae（Kalsoom等人，2023年）、Bacillus altitudinis（Khan等人，2022年）、Bacillus xiamenensis（Mohapatra等人，2019年）、Actinobacter属（Vishwakarma等人，2024年）、Serratia rubidaea（Moula等人，2021年）、Lactobacillus plantarum（Ameen等人，2020年）、Cellulosimicrobium属（Bhati等人，2019年）、Staphylococcus homis（Rahman等人，2019年）、Escherichia coli（Chaudhary等人，2017年）、Micrococcus属（Marzan等人，2017年）、Azotobacter chroococcum（Amer等人，2014年）、Geobacillus thermodenitrificans（Chatterjee等人，2010年）和Staphylococcus capitis（Zahoor和Rehman，2009年）。尽管大多数现有研究集中在对单一重金属具有抗性的细菌菌株上，但受污染的土壤通常含有多种重金属。因此，迫切需要新的微生物来源来开发具有多重抗性的菌株，以用于微生物介导的修复。由于牛粪中含有多种代谢活跃的微生物群落，因此可能成为富含耐金属细菌的丰富来源，可用于重金属污染的控制。本研究探讨了新型牛粪来源菌株Bacillus pumilus KHP5在修复铬、铜和锌重金属方面的潜力。基于文献调查，以往关于Bacillus pumilus的研究主要集中在其对单一重金属的抗性或吸附作用上，而本研究则首次全面研究了其对多种金属（Cr、Cu和Zn）的生物吸附能力，并利用先进分析技术揭示了其吸附机制。通过FE-SEM、EDS和FTIR等技术分析了重金属吸附效果，通过等温线模型探讨了吸附机制。这些发现有助于开发可持续的解决方案，以减轻工业活动对环境的影响，保护生态完整性和人类健康。

本研究的目标如下：

• 从牛粪中分离并鉴定一种具有多重抗性（对Cr⁶⁺、Cu²⁺和Zn²⁺）的Bacillus pumilus菌株KHP5。
• 在受控实验室条件下评估B. pumilus KHP5对六价铬（Cr⁶⁺）、铜（Cu²⁺和锌（Zn²⁺）离子的吸附效率。
• 通过等温线模型（Langmuir、Freundlich和Temkin）阐明吸附机制，并利用FE-SEM、EDS和FTIR分析确认金属与细胞表面的相互作用。

采样区域和样本收集

样本取自印度北阿坎德邦哈里德瓦尔地区的Jagjeetpur（坐标29.917792831040078, 78.1310614177784）。选择本地牛种Bos indicus，在无菌采样袋中收集牛粪样本（使用HI培养基）。样本在24小时内被送至实验室进行分析。

从牛粪中分离细菌

将10克牛粪样品悬浮在90毫升无菌生理盐水中（浓度0.85% w/v），在30°C下用振荡器以150 rpm的速度振荡2小时，随后进行十倍系列稀释。

筛选和选择具有重金属抗性的细菌菌株

牛粪富含有机物和多种微生物，这些微生物具有不同的生理和代谢特性，可能包括对重金属的抗性。对29株牛粪细菌进行初步筛选后，仅选出了7株能够在50 mg/L浓度的铜（Cu²⁺）、铬（Cr⁶⁺和锌（Zn²⁺）条件下生长的菌株。这些菌株同时具有多重抗性，表明...

结论

从牛粪中分离出的Bacillus pumilus KHP5菌株表现出同时对多种重金属（铬（Cr⁶⁺、锌（Zn²⁺和铜（Cu²⁺））的修复能力，这一能力通过FTIR、FESEM、EDX和等温线模型得到了验证，这些方法揭示了不同的金属特异性结合机制和吸附行为，体现了该菌株的多功能性和稳健性。这种多重金属解毒潜力在当前研究中尤为显著...

作者贡献声明

Kartikey Kumar Gupta：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、监督、资源提供、方法论设计、概念构建。 Swati Rani：软件使用、资源提供、数据分析。 Deepa Malik：软件使用、资源提供、数据分析。 Himalaya Panwar：初稿撰写、数据可视化、结果验证、软件应用、实验设计、数据分析。

未引用参考文献

Abdel-Ghani和El-Chaghaby，2014年；Abo-Amer等人，2014年；Clarridge，2004年；Clinical and Laboratory Standards Institute，2013年；Gillieatt和Coleman，2024年；Jan等人，2015年；Ma，2024年；Mathews和Turner，2006年；Hasr Moradi Kargar和Hadizadeh Shirazi，2020年；Chakraborty等人，2021年。

数据可用性声明

本研究中获得的Bacillus pumilus KHP5菌株的16S rRNA基因序列已存入NCBI GenBank数据库，登录号为PP998478.1，可访问地址为：https://www.ncbi.nlm.nih.gov/nuccore/PP998478.1。所有支持本研究结果的相关原始数据均包含在补充材料中。

资助情况

本研究未获得任何公共、商业或非营利机构的资助。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。