中山大学仇荣亮、王诗忠团队WR / Microbiome等系列成果：重金属污染的源头原位防控，道法自然？

成果简介

矿山排水是全球矿区及其周边水土环境铅、镉和砷等重（类）金属污染的主要来源之一。如何基于自然的解决方案实现水体重（类）金属的源头、同步且原位修复是减缓水土环境重（类）金属污染的关键策略及难题。近年来，中山大学环境科学与工程学院仇荣亮教授和王诗忠教授团队在多金属矿山排水中率先发现并定义了一类可同步固定重（类）金属的水生生物结皮（ biological aqua crust ， BAC ），该成果以 “Biological aqua crust mitigates metal(loid) pollution and the underlying immobilization mechanisms” 为题发表于水环境领域权威期刊 Water Research （ 2021, 190: 116736 ）。近日，研究团队进一步发现 光合 / 固氮生物膜可通过调控 营养输入和重（类）金属环境行为等过程增强 水生结皮 对重（类）金属的生物修复，相关成果也以 “Novel biological aqua crust enhances in situ metal(loid) bioremediation driven by phototrophic/diazotrophic biofilm” 为题发表在环境微生物领域权威期刊 Microbiome （ 2023, 11: 110 ） 。

引言

研究成果一

原创定义了水生生物结皮并厘清其固定重(类)金属的潜在机制

（ Water Research , 2021, 190, 116736）

为了验证以上假设，研究团队对矿山排水中的结皮状团聚体进行了详细表征。发现其在矿山排水中常呈现黄绿色的多孔海绵状结构，且具有较大的 BET 比表面积（图 1 ）。这类团聚体可大量富集 Cd （ 0.26-0.60 g kg ^-1 ）， Pb （ 0.52-0.66 g kg ^-1 ）和 As （ 10.4-24.3 g kg ^-1 ）等多种金属，且其所固定的金属 98% 以上以较稳定的非 EDTA 提取态存在。考虑到其因生境差异及具有极强 Cd （ 0.60 g·kg ^-1 ）、 As （ 24.3 g·kg ^-1 ）等重（类）金属富集能力而明显区别于现有研究体系的生物土壤结皮、蓝藻席或生物膜，研究团队也因此尝试将其定义为水生生物结皮（ biological aqua crust ， BAC ）。进一步研究发现， BAC 中广泛分布的粘土矿物和有机质（ 2.0-2.7 wt.% ）的吸附作用是其固定金属阳离子的主要机制，而 FeOOH 等铁锰氧化物的吸附和共沉淀作用则很可能是 BAC 固定砷等重（类）金属的主要途径（图 2 ）。不仅如此，在 BAC 分布的区域，矿山排水中重（类）金属离子浓度会明显降低，这在较大程度上可能归因于 BAC 对水中金属离子的富集作用。此研究提出了一项基于自然解决方案的有效去除水体重（类）金属的新策略 。

光养生物膜的环境生态功能对于改善矿山生态系统中镉砷等重（类）金属的生物修复至关重要。为了进一步了解水生生物结皮中优势微生物群落组成、赋存形式和潜在功能，研究团队通过生物信息学等分析手段 获得了 109 个近完整的 MAGs （完整度 ≥ 90 ％，潜在污染度≤ 5 ％）。研究 发现水生生物结皮中的微生物主要以光养 / 固氮生物膜的形式赋存，其中的优势菌群主要属于细鞘丝藻科（ leppolylybyaceae ）和噬纤维素菌目（ Cytophagales ）（图 3 ）。这些优势菌群具有大量与胞外肽酶、碳水化合物活性酶等 EPS 分泌，以及 OmpR 、 CRP 和 LuxS 等生物膜形成相关的功能基因，进而可通过调控碳氮养分输入和金属地球化学行为等过程增强水生生物结皮对多金属污染水体中重（类）金属的生物修复能力（图 4 ） 。

图 3 BAC 中微生物群落组成和优势 MAGs 的系统发育树

图 4 高金属贫营养水体中生物膜驱动 BAC 固定重金属的潜在机制