面对高浓度工业废水生化处理中提升系统稳定性与处理效率的迫切需求，纳米零价铁（nZVI）因反应活性强且具备与微生物协同作用的潜力，在强化厌氧反应方面受到国内外学者广泛关注。近年来，相关研究大多集中于nZVI高剂量直接投加以放大效应，由此获得更显著的污染物去除与微生物代谢增强表现，但这往往忽视了低剂量投加策略的现实意义。相较于高剂量可能带来的微生物抑制效应、材料团聚钝化浪费和累积风险，低剂量nZVI不仅有助于降低使用成本和减轻环境风险，更因其干预强度适中，能够温和调节胞外环境和代谢过程，从而在保障微生物系统稳定性的基础上实现性能提升，同时还具备更高的工艺灵活性和集成适应性。然而，低剂量暴露条件下微生物群落的响应过程复杂而微妙，传统手段如显微观察和微生物多样性分析等，在解析其驱动机制和关键过程方面存在较大局限，导致目前对低剂量nZVI暴露下微生物群落进化模式及功能响应机制仍缺乏深入理解。
针对这一科学问题，张炜铭教授课题组通过整合关键指标、胞外分泌行为及转录响应研究，系统揭示了低剂量nZVI暴露下微生物群落的关键进化步骤及核心驱动要素。研究发现，低剂量nZVI显著提高了2,4-二氯苯酚的去除率，并增强了微生物系统的电子传递能力与代谢活性。在胞外分泌层面，研究引入灰度共矩阵方法对共聚焦显微图像的纹理特征进行定量分析，结果显示低剂量nZVI促进胞外多糖均质分泌，构建了利于铁颗粒捕获与内层扩散的胞外结构，同时通过促进紧密结合层蛋白质分泌提升了铁摄取与利用效率。在分子响应层面，将宏转录组数据与自组织映射网络算法结合应用，识别出在表达模式上具有内在关联性的功能模块，捕捉到低剂量nZVI诱导的铁硫簇结合与氧化还原酶基因簇上调行为，表明其对能量代谢与铁稳态调控机制的积极调节作用。不同于低剂量nZVI的调控作用，高剂量条件下则激活了微生物群落中一系列的修复与适应过程。这些发现表明，低剂量nZVI通过优化胞外分泌网络组分和转录响应过程，赋予微生物群落在特定范围内感知、获取和利用铁元素的优势，从而将铁作为驱动自身代谢过程与功能演化的重要资源。该研究提升了对微生物体系中低剂量nZVI调控机制的认知，也为其协同工业废水微生物处理的实用化发展提供了依据。
该成果以“Mechanisms of low-dose nZVI induced microbial community evolution: extracellular secretion and key transcriptional response”为题发表于《Environmental Science & Technology》, 原文链接https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.5c02362。南京大学环境学院博士生高志宏为第一作者，张炜铭教授为通讯作者。团队硕士生张凌星、博士后薛立静、博士生陈晨、江苏省环境工程技术公司凌虹研究员级高工、团队花铭教授与潘丙才教授为共同作者。研究获国家重点研发计划（2021YFA1201703）、自然科学基金（21925602）和博士后科学基金（2024M751393）资助。
