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Enhanced Long-term Reduction of High-level Au(III) with the Presence of NO3− in a H2-based Membrane Biofilm Reactor
Water Research ( IF 11.4 ) Pub Date : 2024-12-19 , DOI: 10.1016/j.watres.2024.123013 Min Long, Jie Cheng, Chen Zhou, Bruce E. Rittmann
Water Research ( IF 11.4 ) Pub Date : 2024-12-19 , DOI: 10.1016/j.watres.2024.123013 Min Long, Jie Cheng, Chen Zhou, Bruce E. Rittmann
Increased mining and ore processing of gold (Au) are leading to waters contaminated with Au(III) ions, and a common co-contaminant is nitrate (NO3−). Here, we demonstrate that a hydrogen (H2)-based membrane biofilm reactor (MBfR) enabled synergistic co-reductions of NO3− to N2 and Au(III) to elemental Au° for over 250 days of continuous operation. Au(III) was reduced to Au0 nanoparticles (Au0NPs) that were retained within the biofilm's extracellular polymeric substances. NO3− and Au(III) were > 95% reduced at steady state for a wide range of influent conditions: NO3−-N at 1 or 4 mM; Au(III) at 100, 200, or 500 mg/L. Metal-tolerant denitrifiers Azonexus, Pannoibacter, Thermomonas, and Cupriavidus were enriched, as were genes encoding metal reductases. The rate of Au(III) reduction was positively correlated with the abundance of NO3− and NO2− reductases, which supports the role of these reductases in Au(III) reduction. Remarkably, the Au(III)-reduction efficiency remained above 90% in the highly acidic condition, despite NO2− accumulation due to incomplete NO3− reduction; thus, the microbial community was resilient against environmental perturbation. By providing a mechanistic basis for Au recovery using the MBfR, this study establishes the MBfR as a promising and sustainable technology for treating wastewaters containing valuable metals, such as gold, in coordination with microbial denitrification.
中文翻译:
在 H2 基膜生物膜反应器中存在 NO3− 的情况下,增强高水平 Au(III) 的长期还原
金 (Au) 的开采和矿石加工的增加导致水被 Au(III) 离子污染,常见的共污染物是硝酸盐 (NO3−)。在这里,我们证明了基于氢 (H2) 的膜生物膜反应器 (MBfR) 能够在超过 250 天的连续运行中将 NO3− 协同还原为 N2,将 Au(III) 协同还原为元素 Au°。Au(III) 被还原为 Au0 纳米颗粒 (Au0NPs),这些纳米颗粒保留在生物膜的细胞外聚合物物质中。在多种进水条件下,NO3− 和 Au(III) 在稳态下降低 > 95%:1 或 4 mM 时 NO3−-N;Au(III) 在 100、200 或 500 mg/L 时富集。金属耐性反氮化剂 Azonexus、Pannoibacter、Thermomonas 和 Cupriavidus 富集,编码金属还原酶的基因也是如此。Au(III) 还原速率与 NO3− 和 NO2− 还原酶的丰度呈正相关,这支持这些还原酶在 Au(III) 还原中的作用。值得注意的是,在高酸性条件下,尽管由于 NO3− 还原不完全导致 NO2− 积累,但 Au(III) 还原效率保持在 90% 以上;因此,微生物群落对环境扰动具有弹性。通过使用 MBfR 为金回收提供机理基础,本研究将 MBfR 确立为一种有前途且可持续的技术,用于与微生物反氮化协同处理含有有价金属(如金)的废水。
更新日期:2024-12-19
中文翻译:
在 H2 基膜生物膜反应器中存在 NO3− 的情况下,增强高水平 Au(III) 的长期还原
金 (Au) 的开采和矿石加工的增加导致水被 Au(III) 离子污染,常见的共污染物是硝酸盐 (NO3−)。在这里,我们证明了基于氢 (H2) 的膜生物膜反应器 (MBfR) 能够在超过 250 天的连续运行中将 NO3− 协同还原为 N2,将 Au(III) 协同还原为元素 Au°。Au(III) 被还原为 Au0 纳米颗粒 (Au0NPs),这些纳米颗粒保留在生物膜的细胞外聚合物物质中。在多种进水条件下,NO3− 和 Au(III) 在稳态下降低 > 95%:1 或 4 mM 时 NO3−-N;Au(III) 在 100、200 或 500 mg/L 时富集。金属耐性反氮化剂 Azonexus、Pannoibacter、Thermomonas 和 Cupriavidus 富集,编码金属还原酶的基因也是如此。Au(III) 还原速率与 NO3− 和 NO2− 还原酶的丰度呈正相关,这支持这些还原酶在 Au(III) 还原中的作用。值得注意的是,在高酸性条件下,尽管由于 NO3− 还原不完全导致 NO2− 积累,但 Au(III) 还原效率保持在 90% 以上;因此,微生物群落对环境扰动具有弹性。通过使用 MBfR 为金回收提供机理基础,本研究将 MBfR 确立为一种有前途且可持续的技术,用于与微生物反氮化协同处理含有有价金属(如金)的废水。