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利用颗粒污泥从废水中高效回收重金属和硒：谷胱甘肽(GSH)的关键作用
第一作者：Zhanfei He
通讯作者：潘响亮教授
单位：浙江工业大学
链接：https://doi.org/10.1016/j.watres.2024.122826
重金属，包括铜(Cu)、镉(Cd)、铅(Pb)和锌(Zn)，是剧毒和持久性污染物，对环境和健康产生重大影响。且这些元素很难从人体中排出体外，它们往往会在各种器官中积累。在一些工业废水中，重金属阳离子与硒(Se)的阴离子污染物共存，包括亚硒酸盐(SeO32-，Se(IV))和硒酸盐(SeO42-，Se(VI))，使处理过程复杂化。硒是生命中所必需的一种微量元素。其缺乏与多种疾病有关，如克山病、克山贝病和恶性营养不良。然而，过量摄入硒可能是有毒的，可导致一系统问题。重金属和硒共污染的典型例子包括铜湿法冶金和烟气脱硫(FGD)产生的废水。硒通常与铜矿中的硫化物矿物有关，导致铜矿开采和冶炼过程废水中重金属和硒浓度高。煤中也存在重金属和硒。在燃烧过程中，这些元素集中在烟气中，并在FGD过程中进入废水流。煤中的硒主要转化为烟气中的二氧化硒(SeO2)，然后再在石灰浆中水解为亚硒酸盐。因此，必须对这些废水进行处理，以防止环境污染、破坏生态系统以及通过饮用水和食物链对人类健康构成潜在威胁。近期，浙江工业大学潘响亮教授等人在Water Research发表了题为“Efficient recovery of heavy metals and selenium from wastewater using granular sludge: The crucial role of glutathione (GSH)”的研究论文，本研究介绍了一种谷胱甘肽(GSH)增强型颗粒污泥技术，用于从废水中去除和回收重金属和硒。采用该新技术，废水中铜(Cu)、镉(Cd)、硒的去除率达到99.4–99.99%，回收率达到73.2–87.9%。长期反应器运行和短期刺激实验均表明，GSH的存在显著增加了污泥中Cu、Cd和Se的回收。经鉴定为金属硒化物(MSe)，由Cu1.08Se(75.4±1.8%)和CdSe(15.4±1.0%)组成。并且显著丰富GSH相关基因，包括gshA, gshB, 和gor，以及谷胱甘肽还原酶(GorA)。结果表明，GSH介导的离体反应是污泥中MSe合成的主要途径。鉴于GSH在多种微生物中的广泛存在，GSH介导的MSe合成机制很可能发生在被重金属和硒污染的各种环境中。要点一：反应堆运行
GSH的刺激作用。为了研究GSH对污泥中MSe形成的影响，在反应器运行前进行了分批实验。结果表明，亚硒酸盐的加入增加了铜(1.7±0.2~2.6±0.6mg/g SS)和Cd(0.5±0.4~0.4~1.0±0.5mg/g SS)的残留。此外，亚硒酸盐和GSH的加入使这些重金属的残留分数显著增加，Cu达到4.3±0.4mg/g SS，Cd达到3.0 ± 0.5 mg/g SS。值得注意的是，GSH的加入也显著增加了残余硒的含量，从1.0 ± 0.4增加到4.1±0.5mg/g SS。说明GSH可以增强残余硒的形成，在后续实验中鉴定为MSe。这些发现表明GSH在恶臭假单胞菌TS44纯培养中对硒化镉纳米颗粒的合成具有类似的刺激作用。反应器性能。实验表明，R#3的出水Cu明显低于R#1和R#2。在最后阶段(第65-100天)，R#3中的出水Cu浓度为0.03±0.02 mg/L，去除率达到99.9±0.1%。R#3中的出水Cd浓度为0.25±0.13 mg/L，去除率为99.4±0.3%。且R#3的出水Se浓度明显低于R#2，特别是在初始阶段(第1~14天)，R#2的出水Se浓度为1.0~2.2 mg/L，而R#3的出水Se浓度迅速下降至0.2 mg/L以下。这表明GSH能快速刺激污泥从废水中去除亚硒酸盐。在最后阶段，R#2和R#3的出水Se浓度分别为0.005±0.002和0.004±0.002 mg/L，去除率分别达到99.992±0.003%和99.994±0.003%。污泥中元素的形成。与R#1相比，R#2污泥中的残余Cu从18.5±0.7增加到57.5±2.3 mg/L，残余Cd从10.7±0.6增加到45.2±1.8 mg/L。其中，R#3污泥中Cu、Cd和Se的残渣率最高，分别达到76.8±1.6、57.5±5.3和129.7±10.6 mg/L。它们分别占污泥中这些元素的88.1±0.3%、73.9±0.2%和75.7±2.5%。这些结果表明，亚硒酸盐的存在增加了污泥中重金属的残留分数，而GSH的加入进一步增加了重金属和硒的残留分数。![]()
图1：GSH对短期培养后污泥中Cu (a)、Cd (b)和Se (c)物种形成的影响。将厌氧颗粒污泥的接种量培养6天，并对所得污泥进行分析。灰色条中的百分比表示残余分数的相对含量。
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图2：出水中Cu (a)、Cd (c)和Se (e)的浓度以及最终污泥中Cu (b)、Cd (d)和Se (f)的形成。R#2中供应了亚硒酸矿，R#3中同时添加了亚硒酸盐和GSH。左图中的插图显示了污水质量的箱形图，各反应器之间存在显著差异。*、**、***的显著性标签分别对应于<0.05、<0.01、<0.001。
要点二：污泥的化学特征
对R#3的最终污泥进行取样，Cu 2p谱由2p1/2和2p3/2的双态拟合，分离度为19.9 eV(自旋轨道分裂)，面积比为1:2。Cu 2p3/2和Cd 3d5/2的特征峰分别位于932.09和404.98 eV，分别对应于CuSe和CdSe的特征峰。采用3d3/2和3d5/2对Cd双态进行拟合，分离度为0.86 eV，面积比为2:3。此外，Se 3d5/2分别在54.99和54.11 eV处观察到两个峰，分别归属于Se (0)和Se(-II)。Se (0)和Se(-II)的3d5/2峰的面积比为1:6.83，其实验结果与上述一致。XRD测定了污泥渣种Se的矿物组成。污泥残留物中存在大量的衍射峰，均可归因于Cu2-xSe和CdSe(用红色箭头标记，PDF#08-0459)。几乎没有检测到任何其他相的峰，这表明残渣中MSe的纯度较高。值得注意的是，没有检测到与CuS、Cu2S或CdS对应的XRD峰。这可能是因为当硒物种存在时，重金属倾向于形成金属硒化物，而不是硫化物。这可能是由于金属硒化物在水中的溶解度较低所致。CuSe和CdSe的溶解度产物常数(Ksp)分别为7.94×10-49和6.31×10-36，CuS和CdS的溶解度产物常数分别为6.3×10-36和8.0×10-27。综上所述，污泥残渣主要由MSe组成，包括Cu2-xSe和CdSe，几乎没有其他矿物杂质。![]()
图3: Cu 2p (a)和Se 3d (b)的XPS光谱，污泥残渣(c)的XRD谱图，以及R#3最终污泥的透射电镜图像。在XRD图(c)中，蓝色和红色箭头分别表示Cu2-xSe和CdSe的衍射峰。在TEM图像(d)中，黑色箭头表示细胞周围的金属硒化物纳米颗粒(MSe NPs)，白色箭头表示EDX分析的点。扩大了点#3(p#3)周围的区域，以更清晰地显示MSe NPs。
要点三：GSH的刺激机制
刺激和抑制实验。在刺激实验中表明，三种硫醇均显著提高了污泥中残留的Cu、Cd、Se以及Se0的生成率。其中，GSH的刺激作用最强，其次是Cys，其次是TG。因此，硫醇可以刺激污泥中MSe和Se0的合成。在抑制实验中，两种抑制剂均显著降低了Cys对MSe合成的刺激作用，但没有降低GSH的刺激作用。这说明GSH是MSe合成的直接刺激物，而Cys可能通过转化为GSH间接刺激这一过程。这些发现进一步证实了GSH在污泥中MSe合成中的关键作用。并且两种抑制剂均不能降低Cys对Se0合成的刺激作用。这可能是因为Cys可以直接促进Se0的合成，而不需要事先转化为GSH。体外酶反应。实验组产生黑色MSe和红色Se0，分别提供GSH、GorA和NADPH。反应产物呈深黑-红色，说明以黑色MSe为主，红色Se0较少。在缺乏GSH、GorA或NADPH的对照组中，没有合成黑色MSe和红色Se0。这说明GSH、GorA和NADPH在系统中MSe和Se0的合成过程中都起了关键作用。此外，对重金属的形态进行了分析。实验组中，Cu转化为79.1±0.9%，Cd转化为38.2±3.5%，进一步证明了Cu比Cd更容易合成成硒化物。![]()
图4：不同刺激和抑制条件下残留的Cu (a)、Cd (b)、Se (c)以及元素Se0 (d)的合成速率。XRD分析表明，残留物主要以金属硒化物的形式存在。条形图上的标签a、b、c、d和e表示有显著性差异(p值<为0.05)。
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图5：Cu (a)、Cd (b)和Se (c)的形成和体外酶学分析中的实验照片(d)。
要点四：功能基因和差异表达
分析结果显示，932个基因显著上调，1638个基因显著下调，2483个基因无显著变化。编码参与GSH合成的酶gshA和谷胱甘肽合酶(GshB)的gshA和gshB基因均显著上调。GSH的微生物合成、再循环和降解途径如图6c所示。最初，GshA催化由l-谷氨酸(Glu)和l-半胱氨酸(Cys)合成γ-谷氨酰半胱氨酸(Glu-Cys)。随后，GshB催化由Glu-Cys和l-甘氨酸(Gly)合成GSH。实验组中关键基因gshA和gshB均显著上调。与GSH降解相关的基因，如gst和ggt，也显著上调，这可能是对GSH水平升高的一种反应。gor和chaC基因的表达无显著性差异。GorA由基因gor编码，负责将GSSG还原为GSH。上述宏基因组学和宏转录组学数据进一步证实了GSH在污泥内Se代谢中的关键作用。![]()
图6：所有基因(a)的表达量，关键基因(b)的丰度和表达量，以及GSH (c)的代谢途径，右方方形显示了差异基因表达。橙色、蓝色和灰色分别代表上调、下调，且无显著变化。方块中星号（*）的显著性标记表示该基因表达显著上调或下调。
添加GSH的方法显著提高了颗粒污泥对废水中重金属和亚硒酸盐的去除率，Cu为99.9±0.1%，Cd为99.4±0.3%，Se为99.99±0.00%。此外，在最终的R#3污泥中，GSH将Cu的残余分数提高到88.1±0.3%，Cd提高到73.9±0.2%，Se提高到75.7±2.5%。残留的Cu、Cd和Se主要存在于Cu2-xSe(Cu1.08Se，75.4±1.8%)和CdSe(15.4±1.0%)的MSe形式中。刺激和抑制实验表明，GSH在MSe的形成中起着关键作用。宏基因组学和宏转录组学分析以及体外酶学分析进一步证明，Delftia是污泥中最活跃的亚硒酸盐还原剂，而GSH介导的离体反应是MSe合成的主要途径。考虑到GSH是各种微生物中最丰富的硫醇，这种机制可能在重金属和硒共存的不同环境中广泛存在。从最终污泥中提取生物合成的MSe，废水的元素回收率达到73.2–87.9%。GSH增强颗粒污泥技术在废水中铜、镉、硒的处理和回收等方面表现出了显著的性能。然而，仍需要广泛的研究来实现实际的工程应用。Efficient recovery of heavy metals and selenium from wastewater using granular sludge: The crucial role of glutathione (GSH)
https://doi.org/10.1016/j.watres.2024.122826
整理：王敏杰
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