等离子体活化水增强阿尔博兹菌对铜、铬、镍的生物修复作用及其机制研究

《Heliyon》：Effects of plasma-activated water on copper, chromium, and nickel bioremediation by Alborziakermanshahica

本研究针对重金属污染治理难题，探讨了等离子体活化水(PAW)处理对伊朗本土蓝藻Alborzia kermanshahica去除Cu2+、Cr3+和Ni2+效率的增强作用。通过原子吸收光谱、FTIR和GC-MS等技术发现，20分钟PAW处理结合90分钟暴露时间可实现最优金属去除率(Cu2+>Cr3+>Ni2+)，并揭示功能性基团变化与代谢产物调控的双重机制，为绿色修复技术提供新策略。

　　

随着工业快速发展，重金属污染已成为威胁生态系统和人类健康的隐形杀手。铜(Cu²⁺)、铬(Cr³⁺)和镍(Ni²⁺)等金属虽在微量时是生物必需元素，但过量积累会引发从恶心、腹泻到甲状腺功能损伤、肾衰竭甚至癌症的连锁反应。传统物理化学修复方法成本高且易产生二次污染，而蓝藻因其细胞壁带负电特性，能通过生物吸附和生物积累双途径高效富集金属，逐渐成为环境修复的新宠。

伊朗科学家Bahareh Nowruzi团队在《Heliyon》发表的研究中，创新性地将等离子体活化水(PAW)技术与蓝藻修复相结合。他们利用大气等离子体射流装置(ACPJ-17A)生成PAW，探究其对阿尔博兹菌(Alborzia kermanshahica)去除三种重金属的强化效果。研究发现，PAW中产生的活性氮氧物种(RNOS)能激活蓝藻的应激防御系统，并通过改变代谢通路显著提升修复效率。

研究团队主要采用三种关键技术：通过原子吸收光谱定量分析金属去除动力学；利用傅里叶变换红外光谱(FTIR)表征功能性基团与金属的结合机制；结合气相色谱-质谱联用(GC-MS)解析PAW诱导的代谢物变化。所有实验均使用来自伊朗蓝藻培养保藏中心(CCC)的菌株，在严格控制光照、温度和通气条件下进行。

金属去除动力学优化

数据显示PAW处理时间与金属去除率呈正相关，20分钟PAW处理结合90分钟暴露时效果最佳。Cu²⁺去除率最高达278.28 mg/g，显著优于Cr³⁺(209.54 mg/g)和Ni²⁺(179.56 mg/g)。这种差异与金属特性及蓝藻亲和力有关，验证了"金属竞争吸附"现象。

功能性基团响应机制

FTIR光谱显示O-H（羟基）、C=O（羰基）等基团在10分钟PAW处理时达到峰值强度。特别值得注意的是650 cm^-1处金属-氧键振动峰的出现，直接证实了Cu-O、Cr-O和Ni-O键的形成。延长处理至15-20分钟虽降低部分基团强度，但通过激活细胞内转运机制仍维持高效去除。

代谢产物调控规律

GC-MS鉴定出19种挥发性化合物，其中3-甲基丁基酯酸在所有金属处理中显著增加，尤其在15-20分钟PAW组。1,3-二甲基苯（间二甲苯）在Cu²⁺和Cr³⁺处理中持续上升，暗示PAW可能重塑了蓝藻的碳代谢途径。这些代谢物变化为解释生物修复的分子机制提供了新视角。

研究结论强调，PAW处理通过双重路径增强蓝藻修复能力：短期（10分钟内）优化表面吸附位点，长期（15-20分钟）激活细胞内积累机制。虽然酸性环境（pH降至3.2）会质子化部分结合位点，但应激诱导的代谢重编程补偿了吸附能力损失。该技术不仅为重金属污染治理提供经济高效的解决方案，更开创了"物理-生物"协同修复的新范式。未来通过测定ctaA、ureH等基因表达，将能更精确揭示分子调控网络，推动合成生物学在环境修复中的应用。