胞外聚合物与氧化石墨烯的协同作用增强硫酸盐和铬的还原过程机制                                                  

导读：  

硫酸盐还原菌（SRB）能在厌氧条件下利用有机物或H₂作为电子供体将硫酸盐转化为硫化物，并通过生成的硫化物使金属沉淀。其中胞外聚合物（EPS）是存在于纯种细菌、活性污泥、颗粒污泥及生物膜系统中存在的一类复杂的高分子基质聚合物，在生物法去除重金属废水中有着重要作用。微生物产生的EPS是包围微生物细胞的包膜，其主要成分与微生物的胞内成分相似，主要由腐殖质、核酸、蛋白质和多糖等组成，其浓度会随着环境中有毒物质的增加而增加。EPS可以抵抗环境中的有毒有害物质，减少其对细菌细胞产生的负面影响。在团队的早期研究中发现，将氧化石墨烯（GO）作为引入硫酸盐还原菌培养物，通过硫酸盐还原菌的还原过程将GO还原为还原氧化石墨烯（rGO）。GO作为硫酸盐还原菌的固定材料可增强硫酸盐还原菌对硫酸盐和Cr的去除能力，但其过程机理尚待挖掘。本研究通过比较EPS和rGO材料对硫酸盐和Cr还原过程的影响，探讨EPS中各组分及rGO在硫酸盐还原菌Cr还原过程中的作用机制。  

研究正文内容：  

据早前报道，添加GO可促进硫酸盐还原菌生长，并提高硫酸盐还原菌还原硫酸盐及Cr的活性。针对这一现象，或可有两种假设来解释：第一，rGO可作为电子梭导体，直接增强了硫酸盐和Cr还原过程中的电子传递能力。第二，硫酸盐还原菌的硫酸盐和Cr还原过程中的电子传递可能由胞外聚合物（EPS）介导。GO促进了SRB中EPS的分泌，通过产生更多的EPS进而增强硫酸盐和Cr还原过程中的电子传递能力。  

在游离的BY7细胞和BY-rGO颗粒体系中观察到Cr（III）和Cr（VI）有不同的去除率（图1a）。在起始浓度50 mg / LCr（III）的条件下，加入GO后，总Cr的去除率量从5.56 g Cr / m³·d（0.26 g Cr / kg VSS·d）增加到9.86 g Cr / m³·d（0.47 g Cr/kg VSS·d）。加入GO后，总Cr去除率增加48％，而Cr（VI ）去除率增加90％（图1b）。  

▲ 图1（a）游离BY7细胞和BY-rGO颗粒体系中总Cr浓度的变化。（b）BY-rGO颗粒体系和游离的BY7细胞中的Cr⁶⁺浓度。Cr2p的XPS光谱：BY-rGO颗粒体系中的Cr³⁺（c）和Cr⁶⁺（d）浓度，游离的BY7细胞中的Cr³⁺（e）和Cr⁶⁺（f）浓度。（来源：Elsevier）    

采用FTIR光谱鉴定EPS中的官能团，采用3D-EEM荧光光谱鉴定EPS的化学成分。FTIR和3D-EEM的结果表明，EPS中除了多糖，核酸和蛋白质外，还存在脂质和腐殖质。添加GO和Cr后，EPS中多糖，蛋白质和腐殖质的浓度明显增加。EPS化学结构受GO的影响较小，受到Cr的影响较大。  

▲ 图2游离的BY7细胞和BY-rGO颗粒体系（含或不含Cr6+）中提取的EPS的EEM荧光光谱分析（a,b,c,d）和FTIR光谱（e）（来源：Elsevier）    

通过SEM证实加入GO后，BY-rGO颗粒中EPS的产量增加（见图3b和c）。细菌细胞附着在rGO材料的表面，rGO材料被聚合物包围。添加Cr后，可观察到更多的囊状和线状物质产生（图3d）。  

▲ 图3 游离的BY7细胞（b），BY-rGO颗粒（c）和含Cr的BY-rGO颗粒的扫描电子显微镜照片（d）。（来源：Elsevier）    

去除EPS后，观察到游离的BY7细胞和BY-rGO颗粒体系中硫酸盐和Cr的还原活性降低（图4a和b）。补充EPS后，硫酸盐还原活性提高了2.2倍，Cr⁶⁺的还原率提高了3.4倍（图4c和d）。  

将未处理的EPS、经蛋白酶处理的EPS、经多糖酶处理的EPS、经蛋白酶和多糖酶处理的EPS分别引入到游离的BY7细胞中，以研究各EPS组分对硫酸盐和Cr还原的影响（图4e和f）。结果表明EPS各组分的相对贡献依次为多糖（30％- 50％）>蛋白质（15％-25％）>腐殖酸和核酸（5％-10％）。加入未处理的EPS对硫酸盐和Cr还原活性的增强高于各部分的总和，这表明不同EPS组分在电子转移中可能存在协同作用。  

▲ 图4 BY7游离细胞和BY-rGO颗粒体系中的硫酸盐和Cr⁶⁺的还原活性。（来源：Elsevier）    

去除EPS后，BY-rGO颗粒体系中硫酸盐和Cr还原活性并未得到增强。但在游离的BY7细胞中补充EPS后，硫酸盐还原活性显着提高。因此，证实了BY-rGO颗粒系统中硫酸盐和Cr还原过程的电子转移是由EPS介导的，而不是通过rGO的直接电子转移。  

EPS在BY-rGO复合粒子系统除Cr中起着至关重要的作用，可以归纳为以下两点：首先，EPS增强了细菌对Cr（VI）的抵抗力；其次，EPS参与生成毒性较小的有机Cr（III）络合物，以降低Cr（VI）对Cr（VI）还原酶的抑制作用。因此，EPS在陆地和水生生态系统除硫酸盐和Cr中有潜在的应用，可通过提取的EPS作为增强剂，增强原位细菌修复硫酸盐和Cr的能力。  

参考文献：  

[1] Yan, J., Ye, W.Z., Liang, X.S., Wang, S.J., Xie, J.H., Zhong, K.Q., Bao, M., Yang, J.B., Wen, H.J., Li, S., Chen, Y.H., Gu, J. D., Zhang, H.G., 2020. Enhanced reduction of sulfate and chromium under sulfate-reducing condition by synergism between extracellular polymeric substances and graphene oxide. Environ Res. 183, 109157.  

[2] Yan, J., Yuan, W.H., Liu, J., Ye, W.Z., Lin, J.L., Xie, J.H., Huang, X., Gao, S.S., Xie, J.H., Liu, S.N., Chen, W.Z., Zhang, H.G., 2019. An integrated process of chemical precipitation and sulfate reduction for treatment of flue gas desulphurization wastewater from coal-fired power plant. J. Clean. Prod. 228, 63–72.  

[3] Yan, J., Ye, W.Z., Jian, Z.Y., Xie, J.H., Zhong, K.Q., Wang, S.J., Hu, H.S., Chen, Z.X., Wen, H.J., Zhang, H.G., 2018. Enhanced sulfate and metal removal by reduced graphene oxide self-assembled Enterococcus avium sulfate-reducing bacteria particles. Bioresour. Technol. 266, 447-453.  

作者：阎佳 副教授  

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