纳米硫铁的生物合成及其强化电子传递和污染物去除的研究进展

陈雪茹，吴夏芫，陈子璇，崔 衍，潘正勇，白佳莹，周 俊，雍晓雨，谢欣欣，贾红华，韦 萍

(南京工业大学 生物与制药工程学院 生物能源研究所，江苏 南京 211800)

纳米硫铁是一种新型的纳米材料，粒径在100 nm以内，具有催化[1-2]、吸附[3]、导电[4]等性能，作为光催化材料、吸附剂、电极材料等被广泛应用于能源[5]、环保[6]等领域。一些催化活性强的纳米贵金属，如纳米金、纳米银等，已被证实对细胞具有毒害作用[7-8]，生物相容性较差且易对环境产生危害。而纳米硫铁无毒[9-10]，在环境中天然存在，具有很好的生物相容性[11]。在缺氧环境中，铁还原菌和硫酸盐还原菌(sulfate-reducing bacteria，SRB)等微生物通过代谢作用将硫铁矿还原成纳米硫铁，这些纳米硫铁的存在促进了自然界中的氧化还原反应，有助于地下水中的污染物去除[12]。近年来，科学家们也将纳米硫铁应用于环境修复，在污染物去除方面获得了较好的效果[13]。

目前，人工合成纳米硫铁的方法主要有物理法[14-15]、化学法[16]和生物法[17]。物理法主要有高能机械研磨法，将Fe与S或FeS2与Fe的混合粉末机械研磨10 h左右或更长的时间可制得FeS纳米粉末[18-19]；化学法主要有水热合成法、共沉淀法等，其原理是在加热或有沉淀剂存在的条件下，Fe2+和S2-可在溶液中反应生成FeS[20-21]。化学法合成纳米硫铁产量少，成本高，所得产物形状不规则且容易聚集；生物法利用微生物的代谢过程合成纳米硫铁，操作简单，成本低廉，合成条件温和，所得纳米硫铁分散性良好，可均匀附着在微生物表面，近年来已被广泛研究[17]。根据已有报道，生物合成的纳米硫铁主要成分为FeS[6,22]。FeS普遍存在于自然水体、沉积物和土壤等缺氧环境中，可作为某些微生物生长的能源，加强微生物代谢[23]。FeS同时含有Fe(II)和S(-II)两种还原成分，因此纳米FeS具有很强的还原活性、催化活性和吸附性能，其与微生物协同可对卤代有机污染物进行高效脱卤降解[17]。另外，纳米FeS因其金属和半导体属性还具有优良的导电能力和电催化活性[24]，对于电子传递的促进作用也引起了广泛关注。

本文中，笔者对近年来有关生物合成纳米硫铁以及生物纳米硫铁对电子传递的促进作用和其用于强化污染物去除的研究现状进行总结，旨在为生物纳米硫铁的应用发展提供参考。

1 生物合成纳米硫铁

1.1 合成纳米硫铁的微生物及影响因素

表1 微生物合成纳米硫铁的相关条件

微生物合成纳米硫铁受微生物生长阶段、温度、pH、反应时间、有机碳源、反应前驱物等的影响，合成的纳米硫铁有一定差别。微生物的生长阶段决定着纳米硫铁的合成效率，稳定期的微生物含量丰富且生物活性高，通常选择这个阶段的微生物进行合成[32-33]。微生物合成纳米硫铁在室温下即可进行，大多数研究中，微生物合成纳米硫铁的温度控制在30～37 ℃[26,34]。pH对微生物的生长以及纳米硫铁的合成都起着重要作用[35]。除了嗜酸菌，大多数微生物适宜在中性环境下生存，通常实验中会添加缓冲剂，如磷酸盐[36]、柠檬酸盐[27]、1,4-哌嗪二乙磺酸[17]等，维持反应体系的pH在7.0左右，为微生物提供良好的生存环境。Zhou等[25]研究了SRB在pH 6.5～8.6范围内对合成纳米硫铁的影响，发现初始pH越低，所得纳米硫铁颗粒越大；实验还发现即使反应初始pH不同，实验过程中体系的pH也会逐渐趋向于中性。Kim等[28]成功从pH 为5.2的酸性矿山废水中筛选出地杆菌和SRB，并利用废水中的铁元素和硫酸盐原位合成纳米硫铁，达到处理废水的目的。微生物合成纳米硫铁的时间从几小时到几天不等，合成速率与微生物种类及前驱物浓度等有关，具体时间需要根据实验过程来判断。反应时间过短，微生物以及前驱物无法完全利用，虽然可得到较小粒径的纳米硫铁，但所得量较少；反应时间过长，纳米颗粒聚集，粒径增大，影响纳米硫铁的性能[25]。此外，电子供体即有机碳源的种类也会影响纳米硫铁的合成。Zhou等[27]分别以乳酸盐和丙酮酸盐作为电子供体，研究其对SRB合成纳米硫铁的影响，结果表明：当丙酮酸盐作为电子供体时，合成纳米硫铁所用时间缩短且所得纳米微晶粒径更小。前驱物中铁源和硫源的比例也会影响生成物种类。铁源过量，在以磷酸盐为缓冲液的体系中，会生成Fe3(PO4)2；硫源过量，多余的S2-会和FeS反应生成Fe3S4[25]。此外，铁硫比还会影响生成纳米硫铁的粒径，在铁源浓度固定时，硫源浓度越高，所得纳米硫铁粒径越大，当硫源浓度仅为铁源浓度一半时，无法生成纳米硫铁[37]。

1.2 微生物利用污染物合成纳米硫铁

生物纳米硫铁的合成一般须额外投加铁源和硫源作为前驱物。近来，研究人员发现微生物可以直接利用污染物中的铁和硫作为前驱物合成纳米硫铁，同时促进污染物降解。Xiao等[26]在萘酚绿B(NGB)中接种S.OneidensisMR-1，利用从NGB中生物还原释放的Fe2+离子和投加的硫代硫酸盐还原进行纳米硫铁原位合成，NGB得到有效降解，此研究对建立金属络合染料持续生物合成纳米硫铁的工艺有一定的启发。之后，Cheng等[31]用一种海洋细菌Pseudoalteromonassp. CF10-13降解NGB，分别以NGB上的铁和磺酸基作为铁源和硫源合成纳米硫铁，结果表明：NGB中高毒性的萘磺酸基团降解为了低毒性的苯甲酰胺，该实验成功地仅以污染物作为前驱物实现了纳米硫铁的合成。利用污染物为前驱物生物合成纳米硫铁的研究已经开展，但更深层次的研究，比如合成机制、合成策略调控、合成后生物纳米硫铁的分离及应用等还需进一步探讨。

1.3 纳米硫铁的生物合成机制

微生物通过自身代谢活动合成纳米硫铁，这一过程精密而复杂，涉及微生物的酶、蛋白质、胞外物质以及氧化还原介体等。不同微生物合成纳米硫铁的机制不同，但主要步骤相似，微生物首先将反应前驱物中的铁源和硫源还原成Fe2+和S2-，随后Fe2+和S2-反应成核，进一步结晶形成纳米硫铁。

生物合成纳米硫铁的过程中，可溶性的铁盐和硫盐作为反应前驱物，可分别通过胞内合成和胞外合成的途径生成纳米硫铁。胞内合成的过程中，铁离子通过Mg或Mn转运系统进入细胞内，并通过位于细胞质中的细胞内酶转化为纳米硫铁[38]。胞内合成的纳米硫铁粒径微小而均匀，但由于合成数量较少，且不利于后期分离，不适宜大型的工业生产。除却少数进入细胞内的Fe3+，绝大多数的Fe3+仍存在于溶液中，被微生物分泌的应激蛋白还原或作为细胞呼吸的电子受体被还原为Fe2+，并与S2-反应生成纳米硫铁，此即为纳米硫铁的胞外合成过程[39]。在实际应用中，如在促进电子传递和强化污染物去除的过程中，大多是胞外合成的纳米硫铁在发挥作用。

图2 SRB以乳酸盐和丙酮酸盐为电子供体合成纳米硫铁的机制[27]Fig.2 Microbial synthesis mechanism of iron sulfide nanoparticles by SRB using lactate and pyruvate as electron donors[27]

图1 S.oneidensis MR-1利用NGB合成 纳米硫铁的机制[26]Fig.1 Microbial synthesis mechanism of iron sulfide nanoparticles by S.oneidensis MR-1 using NGB [26]

1.4 生物纳米硫铁的基本特性

纳米硫铁是一种黑色物质，极易被氧化，从合成到保存都需要严格的厌氧条件[25]。用微生物合成的纳米硫铁可通过离心的方式分离获得，在对合成的纳米硫铁粉末进行表征或应用之前，可用乙醇洗涤除去细胞残体，或直接灭菌；微生物合成的纳米硫铁在除氧的液体中可保存一个月左右，粉末的保存则需要严格的厌氧条件，一般将其置于厌氧袋在低温环境下进行短期保存[27,37]。

微生物代谢反应过程复杂，生物合成法所得纳米硫铁通常不是单一的FeS，而是多种硫铁的复合物，还包含FeS2、FeSn和S0等物质，可用通式Fe1+xS表达。Kato等[30]用新鲜水稻田的土壤作为菌种来源合成纳米硫铁，所得黑色纳米物质中铁硫含量比例接近1∶ 1，用X线荧光光谱对其进行元素分析，可以确定其中含有亚铁离子和硫离子，但X线衍射分析表明：其中没有与硫铁矿物相对应的特征峰，说明所得纳米硫铁为混合物。Jiang等[22]用ShewanellaPV-4胞外合成纳米硫铁，所得黑色产物中Fe和S的原子比为1.1∶ 1，虽无法确定合成纳米硫铁的准确化学结构，但可以分析出其中Fe2+和S2-的存在。粒径会影响纳米硫铁去除重金属的能力，粒径越小，纳米硫铁还原重金属能力越强，40 nm的纳米硫铁除铬效率为90 nm纳米硫铁的1.5倍[37]。纳米硫铁的强还原性使其可以作为除氧剂，防止地下水中已被还原为UO2的U(IV)再度被溶解氧氧化为U(VI)[41]。Watson等[42-43]通过SRB利用废水合成生物纳米硫铁，发现其具有良好的吸附性能，可与SRB共同作用将废水中的重金属去除到非常低的水平。

纳米硫铁这些特性使其可以作为良好的吸附剂和还原剂应用于污染物去除的领域，但易氧化导致其收集与保存过程较为困难，须进一步研究防止纳米硫铁氧化的方法，降低其收集与保存过程的难度以及成本，并实现纳米硫铁在有氧环境中的应用。

2 生物纳米硫铁强化电子传递

自然界中，细菌之间通过种间电子传递进行交流，完成自身代谢，但细菌之间直接接触进行电子传递效率较低，纳米导线的发现让人们对于微生物的直接种间电子传递有了新的认识。Malvankar等[44]证明了Geobactersulfurreducens的纳米导线具有类似于金属的导电性，可显著提高细菌之间的电子传导能力，同时他们指出：人为添加纳米导线类似物可增加微生物的电子转移能力[45]。纳米硫铁具有良好的导电性，纳米级的粒径使其可以均匀分布在细胞表面及溶液中，故可作为纳米导线类似物增加细胞间的电子传递能力。已经证明：用从深海分离出的S.loihicaPV-4合成纳米硫铁后，构成微生物和纳米硫铁复合电子传导网络，相较于仅有微生物的对照组产生的电流提高了两个数量级[46]。Kondo等[23]研究了纳米硫铁对S.oneidensisMR-1远距离胞外电子转移的影响，发现随着纳米硫铁的合成，微生物呼吸电流比对照组提高了16倍左右，该发现解释了在富含硫的缺氧环境中可进行远距离胞外电子传递的微生物物种数量增多的现象。近年来，有研究报道：在MFC阳极利用希瓦氏菌原位合成纳米硫铁，随着纳米硫铁的生成，电流在100 min内从9 pA增至500 pA，从而证实了纳米硫铁对MFC产电能力的促进作用[22]。当以SRB作为MFC产电微生物时，最初认为是其代谢硫酸盐产生的硫单质促进了阳极电子传递。然而，近期研究发现Fe2+的存在也是促进电子传递的重要机制，体系中有Fe2+时，MFC电流比不存在Fe2+时提高了两倍，证明硫铁共同介导的机制可进一步促进MFC产电[47]。这些研究都表明：生物纳米硫铁可作为良好的纳米导线类似物促进生物电化学系统(bioelectrochemical system,BES)中的电子传递。此外，生物纳米硫铁还可通过“桥梁”作用促进不同菌种之间的电子互营共生。Kato等[30]研究了单独添加铁源、硫源以及同时添加铁源硫源时水稻秸秆的产甲烷能力，结果表明：同时添加铁源和硫源时，地杆菌还原生成的Fe2+和SRB还原生成的S2-反应生成纳米硫铁，促进了与甲烷菌的种间电子传递，从而提高了产甲烷速率，其机制见图3。

3 生物纳米硫铁去除强化污染物

3.1 生物纳米硫铁去除重金属

图3 生物纳米硫铁促进不同微生物之间电子互营共生的机制[30]Fig.3 Mechanism of biosynthetic iron sulfide nanoparticles promoting electric syntrophy among different microorganisms[30]

目前，有关纳米硫铁去除污染物的报道主要集中于废水处理方面，尤其对废水中重金属的去除研究较多。Liu等[48]用SRB和AcidiphiliumcryputumJF-5在石灰石表面合成一层纳米FeS，与单独的石灰石相比，其对砷的吸附效率从6.64 mg/g提高到187 mg/g。此外，纳米硫铁可以作为电子源或氧清除剂，抑制UO2再氧化，使地下水中的可溶性U(VI)得以有效固化去除[49]。生物法合成纳米硫铁以后，微生物仍然保持活性状态，此时的生物纳米硫铁复合材料结合了微生物与纳米硫铁的双重特性，纳米硫铁能有效降低重金属等有毒物质对微生物的毒害作用，使细胞在高浓度重金属废水中仍可保持较好活性，因此复合物能耐受高浓度重金属废水[34]。在谢翼飞等[6]的研究中，用SRB合成生物纳米硫铁复合材料处理高浓度含铬废水，与传统膜生物法相比，前者剩余污泥量少，出水化学需氧量(COD)低，且pH适应范围广，铬耐受浓度高，证明生物纳米硫铁复合材料与传统生物处理法相比更具有优势；并且在处理完含铬废水后，SRB仍具有活性，能以反应产物Fe3+和S单质为电子受体重新生成纳米硫铁，为生物纳米硫铁复合材料持续处理含铬废水提供了可能[34]。

3.2 生物纳米硫铁降解有机物

生物纳米硫铁降解废水中有机物的研究相对较少，目前国内外仅发现一篇相关报道。Huo等[17]用S.putrefaciensCN32合成纳米FeS同时降解CCl4，发现生物纳米FeS合成后降解效率提高了8倍，且灭菌后的生物FeS比化学合成的FeS脱氯速率快了5倍，进一步验证了生物合成的纳米硫铁在环境修复中的优势。同时他们还指出：生物纳米硫铁的良好脱氯性能是由于其具有较高的铁硫比以及较多的二硫化物，且分散性更好，不易团聚。生物纳米硫铁的还原性和吸附性使其在处理废水中的有机污染物方面拥有独特的优势，将纳米硫铁应用于BES，结合纳米硫铁与BES的双重优势处理难降解的有机污染物将具有广阔的应用前景，但目前这方面的研究近乎空白，需要进行更广更深层次的研究。

4 结论

生物纳米硫铁作为一种新型还原剂、催化剂、吸附剂等，在促进电子传递和提高污染物去除方面具有广阔的应用前景，但目前生物纳米硫铁合成及应用的研究仍处于起步阶段，合成纳米硫铁的微生物种类较少，缺乏对可控合成的深入探索依然是当下亟须解决的问题。在利用污染物作为前驱物合成纳米硫铁方面，因大部分污染物具有毒性，如金属络合染料和重金属废水，会对微生物的活性产生抑制，还需进一步优化合成条件，提高合成效率。BES是集电子传递和污染物去除为一体的功能系统，目前生物纳米硫铁在BES中的应用主要针对提高其电子传递的能力，对污染物去除的影响研究较少，但根据纳米硫铁在BES以及传统的生物处理技术中的应用，可以预见将纳米硫铁应用于BES去除污染物的广阔前景。因此，如何利用生物纳米硫铁在BES中同时强化电子传递及污染物去除可能是推动BES应用化进程的一个重要方向。