近日，福建师范大学陈祖亮教授团队在Journal of Hazardous Materials上发表了题为“Recovery of Y(III) from wastewater by Pseudomonas psychrotolerans isolated from a mine soil”的研究论文。本研究成功从富含钇的矿山土壤中分离出一株可用于从稀土采矿废水中回收钇(Y(III))的Pseudomonas psychrotolerans，通过各种表征技术揭示了吸附的主要机理，为稀土废水中稀土元素的选择性回收提供了一种有潜力的绿色、环保和可持续的微生物方法。
微生物技术被认为是环境友好型技术，在从采矿废水中回收稀土元素(REEs)方面具有巨大潜力，但由于缺乏高效的生物吸附剂，其应用一直受到限制。本研究利用从富含钇的矿山土壤中分离出的一株Pseudomonas psychrotolerans（P. psychrotolerans），应用于从稀土采矿废水中回收稀土元素钇(Y(III))。通过表征技术表明，P. psychrotoleran主要通过含氧官能团的络合作用和静电作用吸附Y(III)。经过连续五次吸附/解吸循环后，仍能保持较高的吸附效率(>99.9%)，这表明P. psychrotolerans具有很高的重复利用率。在实际稀土采矿废水中，P. psychrotolerans吸附Y(III)的效率有所下降(34.4%)，对其他REEs仍有选择性(≤ 18.4%)。这项研究为从稀土废水中选择性回收REEs提供了一种绿色、环保和可持续的微生物方法。
稀土元素(REEs)因其独特的物理和化学特性，被广泛应用于多个领域的创新应用中。含REERs废水的排放不仅造成资源浪费，还可能对生态系统和人类健康产生重大影响。目前有许多方法去除或回收废水中的REEs，其中生物吸附因为吸附剂材料丰富、可重复使用性好、成本低且环保，被认为是回收REEs最有前景的实用方法之一。在现有的各种生物吸附剂中，细菌因具有良好的重金属积累能力和较大的表面积，被认为是最有回收REEs潜力的生物吸附剂。但利用细菌从稀土采矿废水中回收REEs作为潜在REEs来源的具体研究却很有限，值得进一步研究。因此，本研究假设P. psychrotolerans具有从稀土采矿废水中有效回收Y(III)等REEs的潜力，探究了该菌株在水溶液中对Y(III)的吸附效率，并利用各种先进的表征技术研究了吸附机理，并评估了其实际应用潜力。
为了研究高浓度的Y(III)是否会影响P. psychrotolerans的生长并进而影响其去除效率，通过实验测定了该菌株在不添加Y(III)和添加 50 mg/L Y(III)条件下的生长曲线和去除效率。发现P. psychrotolerans的生长速度快，繁殖能力强，即使培养基中含有较高浓度的Y(III)，也不会影响菌株的生长，并且该菌株能高效去除Y(III)。
在3D-EEM图谱(图2A)的IV和V区发现了两个分别归因于多糖和腐殖质的荧光峰，这些物质主要来自EPS。暴露于Y(III)后(图2B)，位于I、II和III区的荧光峰强度明显增强，这表明Y(III)的存在刺激了来自EPS的酪氨酸、色氨酸和黄原酸盐类物质的合成和分泌。结合EPS在24小时内对Y(III)的去除效率(图2C)，证实了EPS在生物吸附过程中的重要作用。
分析FTIR结果发现(图2D)，除1060 cm-1处的峰强度略有增加外，其余峰的强度都略有减弱。1650 cm-1处的单峰是由酰胺I吸收带中C=O键的伸缩振动引起的，表明C=O键与Y(III)离子配位。1400 cm-1处的吸收峰对应于-COO部分中C=O的对称伸展，其强度降低表明相应官能团与Y(III)桥接。1060 cm-1处的峰值来自多糖的-C-O-H变形振动，该峰值的增强说明Y(III)的存在刺激菌株分泌了更多的EPS。总之，各种峰值的存在和强度变化表明，P. psychrotolerans的表面官能团参与了Y(III)的吸附。
反应后的XPS全扫描图谱(图3A)包含与Y 3d轨道相关的特征峰，表明细菌表面成功吸附了Y(III)。在C 1s光谱(图3B)中，C-O-C的和O-C=O官能团对应的峰值减小，证实多糖和蛋白质与Y(III)的络合。O 1s光谱(图3C)中C=O峰的强度减弱，表明Y和O发生了螯合作用。N 1s中相关峰面积的减小表明含氮官能团参与了Y(III)的吸附(图3D)。P 2p光谱(图4E)中峰面积的增加是由于生物吸附Y(III)过程中磷酸盐的积累。暴露于Y(III)后，在Y 3d光谱中观察到的对应于Y 3d3/2和Y 3d5/2处的杂化轨道，证实Y(III)被吸附到了P. psychrotolerans表面。
综合上述表征结果和实验分析，提出P. psychrotolerans吸附Y(III)的机理。FTIR和XPS分析均表明，P. psychrotolerans表面含有大量能有效地与Y(III)形成表面络合物的含氧官能团。3D-EEM结果表明EPS含有丰富的多糖和蛋白质，其参与并促进了Y(III)的吸附。研究结果表明，P. psychrotolerans对Y(III)的生物吸附过程涉及与含氧官能团的络合作用。
理想的吸附剂应具有良好的解吸和再生潜力，以确保生物吸附过程的可持续性。当使用柠檬酸钠(C6H5Na3O7)作为洗脱剂时，48小时后的解吸效率达到73.6%(图4A)。经过5个完整的循环后，P. psychrotolerans的吸附效率仍然高达99.9%，而解吸效率仅从83.5%下降到68.6%(图4B)，表明该菌株具有良好的可重复使用性。
还在实际稀土采矿废水中研究了该技术的实际应用潜力(图4C)。12 h后，废水中的去除效率并没有明显提高。一方面是由于酸性环境使含氧官能团的质子化并抑制了细菌的生长；另一方面是由于废水中的其他离子会与Y(III)竞争有限的吸附位点，从而限制了Y(III)的去除效率。相对分布系数(Kd)结果表明P. psychrotolerans对Y(III)具有更强的亲和力。这与REEs的离子半径有关，离子半径较小的重REEs会优先被吸附。此外，官能团类型也会影响吸附偏好。轻REEs的吸附以磷酸基团为主，重REEs的吸附主要由羧基配位。这表明P. psychrotolerans上的官能团主要以羧基为主，从而优先吸附Y(III)。总之，P. psychrotolerans在去除稀土采矿废水中的REEs方面表现出了巨大的潜力。
本研究成功地利用从富钇稀土矿土壤(中国福州)中分离出的一株P. psychrotolerans吸附Y(III)。P.psycrotolerans主要通过含氧官能团的络合作用和静电作用吸附Y(III)。柠檬酸钠是最有效的解吸剂，解吸效率高达82.4%。即使经过五个吸附-解吸循环，也能获得很高的Y(III)吸附效率(99.9%)。应用于稀土采矿废水的结果表明，P. psycrotolerans对重稀土元素具有很高的选择性，这表明即使在复杂的混合物中，这种材料在资源回收和水净化方面也具有实际应用的潜力。因此，这项工作为从稀土废水中选择性回收REEs提供了一种潜在的新型绿色生物吸附剂。
