Deciphering retention effect of extracellular polymeric substances to typical heavy metals and their interaction with key inner enzymes of Candidatus Kuenenia

化学 重金属 胞外聚合物 细胞外 钥匙(锁) 细菌 生物化学 环境化学 生物物理学 生物 生态学 生物膜 遗传学
作者
Yuhang He,Zhicheng Jiang,Ming Zeng,Shenbin Cao,Xiaohui Yu,Nan Wu
出处
期刊:Journal of Hazardous Materials [Elsevier]
卷期号:477: 135367-135367
标识
DOI:10.1016/j.jhazmat.2024.135367
摘要

This study employed spectroscopy, metagenomics, and molecular simulation to investigate the inhibitory effects of Cd(II) and Cu(II) on the anammox system, examining both intracellular and extracellular effects. At concentrations of 5 mg/L, Cd(II) and Cu(II) significantly reduced nitrogen removal efficiency by 41.46 % and 62.03 %, respectively. Additionally, elevated metal concentrations were correlated with decreased extracellular polymeric substances (EPS), thereby reducing their capacity to absorb heavy metals, particularly Cu(II), which decreased from 76.47 % to 14.67 %. Spectral analysis revealed alterations in the secondary structures of EPS induced by Cd(II) and Cu(II), decreasing the ratio of extracellular protein α-helix to (β-sheet + random coil), which resulted in looser extracellular protein configurations. The results of the metagenomics study showed that the abundance of Candidatus Kuenenia and its genes encoding nitrogen removal-related enzymes was reduced. The abundance of hzs-γ was reduced by 35.09 % at a concentration of 5 mg/L Cu(II). Conversely, genes associated with metal efflux enzymes, like czcR, increased by 54.86 % at 2 mg/L Cd(II). Molecular docking revealed robust bindings of Cd(II) to HZS-α (-342.299 ± 218.165 kJ/mol) and Cu(II) to HZS-γ (-880.934 ± 55.526 kJ/mol). This study elucidated the inhibitory mechanisms of Cd(II) and Cu(II) on the anammox system, providing insights into the resistance of anammox bacteria to heavy metals.
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