FGD废水中天然厌氧硒氧阴离子还原菌的特征研究

ABSTRACT
生物处理是去除燃煤电厂脱硫(FGD)废水中硒氧阴离子的有效方法。本研究首次系统鉴定了FGD废水中天然存在的厌氧硒氧阴离子还原菌(SeRB)，通过选择性培养基培养结合16S和宏基因组测序技术，揭示了优势菌群的分类学特征和代谢潜能。

FGD微生物群落具有独特的分类学特征
厌氧条件下的FGD废水微生物群落以Peptostreptococcales-Tissierellales(55%)和Acetobacterium(24%)为主，16S拷贝数仅为7.4×10¹ copies/mL。通过建立含20 mM硒氧阴离子的最小盐培养基(MSM)，成功富集出两类功能迥异的微生物群落：以Mesobacillus(相对丰度80%)和Anaerosolibacter(61%)为主的硒酸盐(SeO₄^2?)还原菌群，以及以Tepidibacillus(99.8%)为主导的亚硒酸盐(SeO₃^2?)还原菌群。

硒氧阴离子还原的动力学特征
硒酸盐还原呈现典型的两步转化：TR-2代次实现98%的SeO₄^2?去除并生成10.8 mM SeO₃^2?，而亚硒酸盐还原菌在TR-1代次达到95.1%的去除率。值得注意的是，随着传代进行，尽管Tepidibacillus的丰度持续增加，其亚硒酸盐还原效率却显著下降，推测与微生物群落多样性丧失导致的代谢物交换受阻有关。

宏基因组组装揭示关键代谢基因
从TR-2和TR-4代次中获得的三个高质量宏基因组组装基因组(MAGs)分别注释为Mesobacillus(与M. selenatarsenatis ANI 91%)、Anaerosolibacter(与A. carboniphilus ANI 81%)和Tepidibacillus(与T. decaturensis ANI 98%)。基因功能分析发现：

• 膜结合硒酸盐还原酶(SrdABC)存在于所有MAGs，提示广谱硒酸盐还原能力
• Tepidibacillus特有的周质硝酸盐还原酶(NapAB)和亚硒酸盐还原酶(SrrAB)证实其双功能还原潜能
• Mesobacillus携带的硝酸盐还原酶(NarGH)和Anaerosolibacter特有的富马酸还原酶(FccA)为新型硒代谢通路提供线索

生物硒颗粒的物理化学特性
扫描电镜(SEM)显示生成的Se⁰颗粒呈纳米球状，硒酸盐还原菌产物平均粒径300 nm，亚硒酸盐还原菌产物400 nm。单颗粒电感耦合等离子体飞行时间质谱(spICP-TOFMS)证实颗粒主要成分为纯元素硒，X射线衍射(XRD)显示其同时存在无定形和六方晶体结构。值得注意的是，随着传代进行，颗粒纯度显著提升，表明FGD废水可作为高品质硒资源的潜在来源。

未解的生物学谜题
尽管SEM观察到疑似胞内硒颗粒的微生物结构，但Se⁰的形成位点仍不明确。周质空间(10-50 nm)与观测到的微米级颗粒间的尺寸差异，暗示可能存在尚未发现的硒转运机制。这一发现为后续研究提供了重要方向，通过调控菌群结构和反应条件，可能实现硒颗粒尺寸的精准控制，这对水处理工艺优化和纳米材料应用具有双重意义。

本研究首次系统解析了FGD废水厌氧SeRB的群落结构和功能基因，不仅为满足EPA排放标准(16 μg/L)提供了生物强化策略，更开辟了从工业废水中回收高附加值硒材料的新途径。特别是发现的Anaerosolibacter属硒还原功能，以及Tepidibacillus对亚硒酸盐的独特代谢能力，为环境微生物资源库增添了重要内容。

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