土壤-水环境中苯砷酸类化合物修复研究进展

朱濛 ，程楠楠，杨如意 ，周守标 ，张菊琴，张梦云

1. 安徽师范大学生态与环境学院，安徽 芜湖 241002；2. 安徽省水土污染治理与修复工程实验室，安徽 芜湖 241002

砷是自然界中广泛存在的一种类金属元素，主要以无机砷氧化物的形式存在，对人、畜具有致癌、致畸和致突变效应（Bissen et al.，2003）。砷元素的毒性大小随化合物形态不同而变化。早期研究普遍认为，有机砷的毒性较无机砷低，因而针对苯砷酸类化合物的研究较为缺乏（Fu et al.，2016）。近年来，人为活动导致环境中苯砷酸类化合物的含量不断增加（Huang et al.，2011）。一方面，苯砷酸类化合物被广泛用于农业生产。洛克沙胂（Roxarsone，ROX）和阿散酸（p-Arsanilic acid，p-AsA）（表1）是常用的有机胂饲料添加剂，使用后会随畜禽粪便排出，造成土壤-水环境的砷污染（Mangalgiri et al.，2015）。目前，已经在养殖场周边的土壤和地表水中检测到ROX和p-AsA（Liu et al.，2013）。另一方面，苯砷酸类化合物还被应用于军事。在世界大战期间，大量含砷化学武器被使用，并在战后采用陆地和深海填埋的方式进行处置，导致含砷毒剂进入环境。目前，已经在中国（周黎明等，2008）、日本（Hanaoka et al.，2005）和德国（Daus et al.，2008）的化学武器埋藏区及其周边的土壤、地下水中检测到二苯砷酸（Diphenylarsinic acid，DPAA）和苯砷酸（Phenylarsonic acid，PAA）（表1）。研究表明，DPAA和PAA具有较强的细胞毒性与基因毒性（Kroening et al.，2008），而ROX和p-AsA虽本身属低毒类，但能在环境中降解为毒性更强的无机砷（Liu et al.，2015），对生物及人类健康带来威胁。因而，近年来苯砷酸类化合物的污染问题引起了各国政府和学术界的广泛关注。

关于停止使用含砷饲料添加剂和化学武器已经在国际上达成共识。欧盟早在 1998年就宣布禁止使用含砷饲料添加剂，2004年美国最大的家禽生产商——泰森公司宣布停用含砷添加剂，中国也于2019年起停止经营、使用ROX及p-AsA的原料药/制剂；1997年禁止化学武器组织在荷兰海牙成立，同年《关于禁止发展、生产、储存和使用化学武器及销毁此种武器的公约》生效，在之后的20年里，全球化学武器销毁取得了积极进展。虽然含砷饲料添加剂和化学武器已被禁止生产/使用、甚至销毁，但如何去除遗留的苯砷酸类化合物仍是不可回避的问题。研究发现，含砷饲料添加剂的使用和含砷化学武器的泄露都会导致周边土壤总砷含量的超标，有的甚至高达几千mg·kg-1（奚功芳等，2014；周黎明等，2007），而苯砷酸类化合物占总砷的比例高达30%（张超，2008），并能通过“土壤-植物-人体”（Arao et al.，2009）等途径威胁人类健康。因此，加强对苯砷酸类化合物修复技术及机理的研究对于控制土壤砷污染、保障食品安全和人体健康都具有重要的理论与实践意义。

表1 4种苯砷酸类化合物的基本性质Table 1 The basic properties of four types of phenyl arsonic acid compounds

前期我们综述了DPAA的分析方法、来源、污染现状及污染的修复（朱濛等，2018），本文将研究对象进一步拓展到含砷饲料添加剂和化学武器残留的4种苯砷酸类化合物，综述了其主要修复技术——吸附、（光）化学氧化和微生物降解的最新研究进展，以期为土壤-水环境中苯砷酸类化合物的污染控制提供参考。

1 吸附法

吸附法具有成本低廉、操作简单等优点，是去除水溶液中苯砷酸类化合物的有效方法。目前常用的吸附材料有金属氧化物、纳米材料和金属有机骨架材料（Metal-organic frameworks，MOFs）。表 2归纳了上述吸附材料对水溶液中p-AsA、ROX、DPAA和PAA的吸附效率及主要吸附机制。

1.1 金属氧化物

金属氧化物尤其是铁氧化物，原料易于选取、价格低廉且吸附效果好，故将其用于去除苯砷酸类化合物的研究较多。被广泛关注的铁氧化物有水铁矿、针铁矿、赤铁矿和磁赤铁矿（Chabot et al.，2009；Zhu et al.，2019），主要吸附机制包括配位交换、氢键、离子交换和静电引力。其中，通过配位交换作用生成单齿单核（Tanaka et al.，2014）和/或双齿双核（Cao et al.，2019）络合物是主要的吸附机制。铁氧化物对苯砷酸类化合物的吸附受很多因素影响。首先，铁氧化物的结晶度会显著影响砷吸附能力。最近的研究发现，无定型铁氧化物由于比表面积和吸附位点密度高，对DPAA的吸附能力较晶质铁氧化物强（Zhu et al.，2020）。其次，苯砷酸类化合物的取代基也会影响吸附。对比已有研究可以发现，与p-AsA相比，针铁矿对DPAA的吸附能力明显降低（表2）（Chen et al.，2012；Zhu et al.，2019）。这很可能与DPAA苯环取代基数目的增加产生了更强的空间位阻有关（朱濛，2017）。最后，环境条件会改变砷吸附能力。通常，酸性 pH、低浓度 PO43-（Wang et al.，2013）和有机质（Zhu et al.，2016）有利于增强铁氧化物对苯砷酸类化合物的吸附。还有研究比较了 PO43-、SO42-和天然有机物（Natural organic matter，NOM）对针铁矿吸附p-AsA及 ROX的影响。结果显示，抑制程度表现为PO43-＞NOM＞＞SO42-（Chen et al.，2012）。此外，苯砷酸类化合物的砷酸根基团与无机砷之间存在竞争吸附关系（Fu et al.，2016）。未来应关注铁氧化物对苯砷酸类化合物和无机砷复合污染的修复效果。

表2 苯砷酸类化合物的主要吸附材料及其吸附效率和吸附机制Table 2 Main types of adsorbents for phenyl arsonic acid compounds and their adsorption efficiency and mechanisms

除了铁氧化物，氧化铝（Chen et al.，2012）也能通过配位交换作用吸附苯砷酸类化合物，但吸附能力明显降低（表 2），这与其比表面积和表面吸附位点数量低有关。铁/铝氧化物是土壤-水环境中广泛存在的稳定矿物，研究铁/铝氧化物对苯砷酸类化合物吸附的规律，对于深入认识苯砷酸类化合物在土壤-水环境中的迁移转化及污染控制具有重要意义。未来应继续：（1）关注不同结晶程度的铁/铝氧化物对苯砷酸类化合物吸附的差异，开发高效、高选择性的铁/铝氧化物吸附剂；（2）加强天然铁/铝氧化物对苯砷酸类化合物吸附的研究，发挥天然矿物在苯砷酸类化合物去除过程中的优越性。另外，二氧化钛对水溶液中苯砷酸类化合物的吸附也受到学者的关注。二氧化钛对ROX（Lu et al.，2014）、PAA（Zheng et al.，2010）和DPAA（王阿楠等，2014）的吸附能力较弱，这一方面与苯砷酸类化合物的空间位阻效应有关，另一方面与二氧化钛颗粒在水溶液中易于团聚、大大降低了表面羟基的可利用性有关。如何维持水溶液中二氧化钛颗粒的稳定性仍然是当前面临的难题。最近，国外学者开始关注锰的氧化物及其与其他金属的复合氧化物（Joshi et al.，2017a）对苯砷酸类化合物的吸附。与铁、铝和钛的氧化物不同，锰的（复合）氧化物通过固液微界面的氧化还原反应实现了p-AsA的高效去除，上述结果对于苯砷酸类化合物转移转化的研究具有重要指导意义。除了吸附性能，吸附剂的分离也一直是研究者关注的问题。Liu et al.（2020）采用磁性材料——钴铁氧体（CoFe2O4）吸附水溶液中的p-AsA、ROX和PAA，取得了较好的效果（表2）；由于钴铁氧体具有高的饱和磁化强度，容易实现吸附剂的分离。

1.2 纳米材料

纳米材料由于具有巨大的比表面积和微界面特征，在苯砷酸类化合物吸附领域受到关注。其中，多壁碳纳米管（Multiwalled carbon nanotubes，MWCTs）通过π-π电子供体-受体作用吸附ROX，但吸附能力较弱（Hu et al.，2012），即使采用铁改性也未能明显提高其吸附能力（Hu et al.，2014）。此外，ROX的解吸未见明显的滞后现象，提示MWCTs应用于 ROX的吸附存在较大的健康风险（Hu et al.，2012）。纳米颗粒易于团聚的特点也会使其在实际应用中受到一定限制，因此有必要采用适当的方法对其进行改性。Fu et al.（2017）研究发现，采用具有三维网状结构的石墨烯/碳纳米管复合气凝胶（Graphene oxide-carbon nanotubes aerogel，GCA）作为载体，能够抑制针铁矿（α-FeOOH）的团聚进而提升其对p-AsA的吸附能力。最近，磁性纳米颗粒由于吸附性能优越和易分离等优点，在苯砷酸类化合物吸附领域受到研究者的青睐。Hu et al.（2017）发现，铁酸锰（MnFe2O4）纳米颗粒通过As-O-Fe/Mn配位作用对p-AsA、ROX表现出较强的吸附能力。Tian et al.（2017）的研究还发现，还原型氧化石墨烯负载四氧化三铁（Reduced graphene oxide supported Fe3O4，Fe3O4@RGO）复合纳米材料对ROX的最大吸附量约为四氧化三铁的3倍（表2），这与前者对ROX的配位和氢键作用更强以及石墨烯对ROX的π-π堆积作用有关。Li et al.（2020）制备的污泥基生物炭负载零价纳米铁（Sludge-based，biochar supported nano zerovalent iron，nZVI@SBC），通过π-π电子供体-受体作用、氢键和As-O-Fe配位作用对ROX表现出很强的吸附能力。上述研究结果提示，根据苯砷酸类化合物的分子结构有针对性地设计有机-无机复合纳米材料是未来的研究趋势之一。

纳米材料对苯砷酸类化合物的吸附易受环境条件的影响。MWCTs对ROX的吸附随pH升高而降低（Hu et al.，2014），主要是因为低pH有利于增强质子化的ROX与MWCTs表面负电荷的静电引力，而高pH会促进ROX解离并增强其溶解度和亲水性，从而降低ROX和MWCTs的静电引力及疏水作用。Tian et al.（2017）研究则发现，Fe3O4@RGO复合纳米材料对ROX的吸附量随pH升高而先增加后降低。究其原因，在于Fe3O4@RGO对 ROX的吸附主要受配位交换、氢键和 π-π堆积作用控制，而非静电引力控制。此外，低浓度的可溶性有机质（Dissolved organic matter，DOM）（＜12 mg·L-1C）对纳米材料吸附苯砷酸类化合物的影响不大（Tian et al.，2017），但离子强度通过影响纳米颗粒的团聚显著改变其吸附性能（Hu et al.，2012），说明采用纳米材料吸附苯砷酸类化合物不宜在高离子强度下操作。

1.3 金属有机骨架材料

MOFs是由芳香多羧酸等多齿有机配体与过渡金属离子组装而成的配位聚合物，由于比表面积大、孔隙率高、结构和功能多样化等优点，被认为在苯砷酸类化合物选择性吸附领域最具应用前景。目前研究的MOFs主要有（1）Zr4+与二羧酸配体构建的三维多孔UiO（University of Osl）材料：UiO-66（Li et al.，2016）、UiO-67（Tian et al.，2018）；（2）稀土金属、镧系金属或过渡金属离子合成的拉瓦锡研究所材料（Materials of Institute Lavoisier，MIL）：MIL-68（Lv et al.，2012）、MIL-101（Sarker et al.，2017）、MIL-100-Fe（Jun et al.，2015）；（3）Zn2+/Co2+与咪唑（衍生物）配位生成的、具有硅铝分子筛结构的沸石咪唑框架材料（Zeolitic imidazolate frameworks，ZIFs）：ZIF-8（Jung et al.，2015）。通常情况下，MOFs通过静电引力和孔隙填充作用吸附有机污染物，由于其孔径较小，尺寸较大的苯砷酸类化合物难以进入孔隙，因而吸附效率不高。通过官能团改性，如引入-OH（Sarker et al.，2017）、-NH2（Lv et al.，2018）或形成缺陷结构（Li et al.，2016）都能有效提高MOFs对苯砷酸类化合物的吸附，主要吸附机制包括氢键（Lv et al.，2018）、π-π堆积（Tian et al.，2018）、配位交换（Jun et al.，2015）和静电引力（Jung et al.，2015）。

pH是影响MOFs吸附苯砷酸类化合物的关键因素。一般情况下，UiO（Tian et al.，2018）、MIL（Jun et al.，2015）和 ZIF（Jung et al.，2015）对p-AsA的吸附都表现为高pH条件下明显降低。UiO-66对ROX的吸附也表现出同样规律（Li et al.，2016），这与高pH条件下p-AsA/ROX阴离子与吸附剂表面负电荷的静电斥力增强有关。但有研究发现，pH过高/过低时，UiO-67-NH2（Tian et al.，2018）和MIL-101-OH（Sarker et al.，2017）对p-AsA 仍表现出较强的吸附能力，提示静电引力对吸附的贡献不大。与pH相比，离子强度（＜20 mmol·L-1）（Jung et al.，2015）和 DOM（＜16 mg·L-1C）（Tian et al.，2018）对MOFs吸附的影响不大。

总体而言，上述3类材料都是苯砷酸类化合物的有效吸附剂，但吸附效果受材料自身的性质和环境条件的影响存在一定差异。目前对苯砷酸类化合物吸附的研究多关注吸附动力学、吸附容量及其影响因素，对吸附热力学还缺乏认识，对多种环境因素共同作用下吸附剂吸附容量的变化尚不清楚，对环境水体（地表水、地下水）中苯砷酸化合物去除效果的研究有待加强。

2 （光）化学氧化法

与吸附法不同，（光）化学氧化可以实现将苯砷酸类化合物降解为小分子有机物，甚至是无机砷，真正实现污染物的分解。表3总结了降解苯砷酸类化合物的主要（光）化学氧化方法。

2.1 化学氧化法

芬顿试剂（Fe2+/H2O2）最早被用于去除水溶液中的PAA（尤立娟等，2011）。随后，Nakajima et al.（2015）的研究发现，在175—200 ℃条件下仅添加H2O2也能将PAA彻底降解为无机砷。近来，采用化学氧化法去除水溶液中p-AsA的研究较多。芬顿试剂（Xie et al.，2016a）、类芬顿试剂（Fe3+/H2O2）（Zhao et al.，2020）、MnO2（Joshi et al.，2017a）、水钠锰矿（δ-MnO2）（Wang et al.，2015）、高铁酸盐（Fan et al.，2018）、KMnO4（Xie et al.，2019）和 O3（Czaplicka et al.，2014）都被证实能有效氧化p-AsA，并将其降解为无机砷，但生成的无机砷仍需进一步处置。为此，有学者提出利用芬顿试剂（Lv et al.，2020）或高铁酸盐（Fan et al.，2018）氧化生成的铁（氢）氧化物原位吸附无机砷，或在化学氧化后投加铁盐的 KMnO4氧化-Fe3+沉淀法（Xie et al.，2019），为彻底去除水溶液中的苯砷酸类化合物提供了方法依据。本人的前期研究还发现，芬顿试剂能有效氧化土壤中的DPAA并将其降解为无机砷（朱濛等，2015）；而无机砷的超积累植物——蜈蚣草（Pteris vittata）可以在经芬顿试剂氧化后的土壤上生长（周廷等，2011），提示芬顿氧化-蜈蚣草提取很可能是去除土壤中DPAA的有效方法。

2.2 光化学氧化法

利用光辐射去除苯砷酸类化合物是当前的研究热点。苯砷酸类化合物的光化学氧化方法包括光降解、光激发氧化和光催化氧化，本文仅介绍研究较多的光降解和光催化氧化去除苯砷酸类化合物的研究进展。

光降解能够有效降低水溶液、地下水、畜禽粪便渗滤液和土壤淋洗液中苯砷酸类化合物的浓度，主要降解产物有无机砷、苯胺、硝基苯、苯醌、苯酚（Tyutereva et al.，2019；Zhu et al.，2014）、PAA（Wang et al.，2016a）和羟基化苯砷酸（Zheng et al.，2010）（表 3）。光降解路径是重要的研究内容，已经报道的苯砷酸类化合物的光降解路径包括：（1）激发三重态污染物分子参与的直接光解（Xu et al.，2018）；（2）单线态氧（1O2）或羟基自由基（·OH）参与的自敏化光解（Li et al.，2016）。最近，Tyutereva et al.（2019）还发现，p-AsA通过单光子电离生成水合电子和苯胺基阳离子自由基，进而发生直接光解。环境因子对苯砷酸类化合物光降解的影响是另一个重要的研究内容，温度、pH、溶解氧（Dissolved oxygen，DO）、共存离子和NOM均在研究范围之内。一般认为，升高温度（Li et al.，2016）和pH有利于p-AsA的光降解。高pH促进p-AsA光降解的机制包括：（1）促进p-AsA解离，导致更多亲电子的活性氧物质攻击带负电荷的p-AsA（Zhu et al.，2014）；（2）延长As-C键距离，使As-C键更易断裂（Xu et al.，2018）。值得注意的是，pH过高/过低都不利于DPAA的光降解，这与不同pH条件下DPAA的解离形式不同，导致其吸收光谱发生变化有关（Wang et al.，2016a）。DO也是影响苯砷酸类化合物光降解效率的重要因素。DO对苯砷酸类化合物的光降解具有促进/抑制的双重作用，一方面DO通过参与1O2的生成，促进污染物的自敏化光解（Xie et al.，2016b）；另一方面DO作为激发态污染物的猝灭剂，抑制其发生直接光解（王阿楠，2014）。当直接光解的贡献更大时，苯砷酸类化合物的光降解效率表现为通 N2大于通O2（Xu et al.，2018）。此外，NH4+（Li et al.，2016）、HCO3-（Xie et al.，2016b）、SO42-和 PO43-（Wang et al.，2016a）对苯砷酸类化合物光降解的影响不大，但 NO3-、Cl-和 NOM 对光降解的影响表现为低浓度促进/无影响、高浓度抑制的规律。其中，高浓度的NO3-、Cl-和NOM主要通过猝灭自由基、吸收光量子（Bednar et al.，2003；Li et al.，2016）或抑制激发态污染物分子的产生（Wang et al.，2016a）等途径抑制光降解。鉴于自然水体组分复杂多样，未来应考虑复合环境因子对苯砷酸类化合物光降解的影响，开展综合性的研究。

表3 苯砷酸类化合物的（光）化学氧化效率与降解产物Table 3 The (photo) chemical oxidation efficiency and degradation products for phenyl arsonic acid compounds

续表3 苯砷酸类化合物的（光）化学氧化效率与降解产物Continued Table 3 The (photo) chemical oxidation efficiency and degradation products for phenyl arsonic acid compounds

光催化氧化也能有效去除环境中的苯砷酸类化合物，目前使用的光催化剂主要有TiO2（Miranda et al.，2016）、ZnO（Acuna et al.，2017）、CuO-Fe3O4（Sun et al.，2018）、维生素 B2衍生物（Meng et al.，2019）和α-FeOOH@GCA（Su et al.，2019）等。其中，TiO2凭借其强大的催化能力和便利的反应条件，成为目前的研究重点。UV/TiO2光催化能够快速、有效地降解水溶液中的p-AsA、ROX（Zheng et al.，2014）、DPAA（王阿楠等，2014）和 PAA（Zheng et al.，2010），主要降解终产物是无机砷。苯砷酸类化合物的 UV/TiO2光催化反应历程已经达成共识，主要分为 3个阶段：（1）苯砷酸类化合物在TiO2表面的吸附；（2）TiO2在吸收UV光后生成电子/空穴对，继而发生催化反应生成·OH；（3）·OH进攻 As-C键导致苯砷酸类化合物释放出无机砷（Zheng et al.，2014）。TiO2光催化效率易受环境因子的影响。研究表明，低pH有利于TiO2对苯砷酸类化合物的吸附和进一步的光反应（Zheng et al.，2010）。离子强度则通过影响纳米TiO2颗粒的稳定性进而影响其光催化效率（王阿楠等，2014）。此外，增加DO浓度有利于TiO2光催化，这一方面与DO促进了·OH等活性氧物质的生成有关，另一方面与更多光生电子被DO捕获，降低了TiO2表面电子/空穴对的复合有关（Zheng et al.，2014）。最近，TiO2光催化技术应用于土壤中 DPAA的去除也取得了一定进展，其光催化效率主要受土层厚度和水分含量的限制（Wang et al.，2016b），采用异位泥浆法代替原位光解法能够显著提高修复效率（王阿楠等，2015）。

总体而言，（光）化学氧化法具有反应速度快、耗时短和能够有效破坏苯环结构等优点，在处理苯砷酸类化合物污染的工程应用上具有广阔的前景。但（光）化学氧化法还存在投加的试剂成本高、生成毒性更大的副产物和破坏土壤理化性质等缺点，这些都会在一定程度上限制其推广应用。另外，目前的研究还停留在试验阶段，未见工程应用的实际报道。

3 微生物降解法

与吸附和（光）化学方法相比，微生物降解是一种更为廉价和无二次污染的方法。对于苯砷酸类化合物污染的原位修复更具潜力和竞争力。但微生物降解对苯砷酸类化合物具有选择性，目前的研究主要针对ROX，其次是DPAA，对p-AsA和PAA的研究几乎为空白。

3.1 降解苯砷酸类化合物的微生物

自Garbarino et al.（2003）发现厌氧堆肥能够促进ROX快速降解为无机砷，有关ROX微生物降解的研究逐渐增多。Stolz et al.（2007）率先从沉积物中分离出梭状菌（Clostridium），在厌氧条件下能够将ROX降解为无机砷。随后，Fisher et al.（2008）从沉积物中分离出嗜碱菌（Alkaliphilus），在添加碳源的情况下可以实现ROX降解为无机砷。最近，α-变形菌（Alphaproteobacteria）、厚壁菌（Firmicutes）（Guzmán-Fierro et al.，2015）、肠杆菌（Enterobacter）（Huang et al.，2019）和希瓦氏菌（Shewanella）（Chen et al.，2016）也被证实能够降解ROX，且大多数是从畜禽粪便、土壤或沉积物中分离出来的。除了ROX，目前国内外也发现了一些能够降解DPAA的微生物。日本学者筛选出了几株能够以DPAA作为唯一碳源的菌株，包括粘着剑菌（Ensifer adhaerens）L2406、L2413（Harada et al.，2010）和不动盖球菌（Kytococcus sedentarius）NK0508（Nakamiya et al.，2007）。最近，宋芳等（2017）以紫金牛叶杆菌（Phyllobacterium myrsinacearum）RC6b为出发菌株，通过化学诱变获得了3株能够以DPAA为唯一碳源的诱变菌株，将该菌株接入土壤开展DPAA的微域修复试验，也获得了较高的去除率（＞52%）（宋芳，2017）。表 4汇总了目前文献报道的能够降解苯砷酸类化合物的微生物及其降解效果。

3.2 微生物降解的代谢途径与降解机制

ROX的微生物降解是从硝基还原开始的，硝基还原为氨基后生成3-氨基-4-羟基苯砷酸（3-amino-4-hydroxyphenylarsonic acid，HAPA）（Cortinas et al.，2006；Huang，2014）。多数研究认为，芳环裂解对于As-C键断裂和HAPA矿化起着非常重要的作用（Guzmán-Fierro et al.，2015；Huang et al.，2019），且芳环裂解是在硝基还原（Shi et al.，2014）或硝基和HAPA(V)都发生还原（Chen et al.，2018）之后进行的。个别研究则提示，芳环裂解很可能是在其经过羟基化之后发生的（Chovanec et al.，2010）。另外，HAPA 还能发生乙酰化生成 3-(乙酰氨基)-4-羟基苯砷酸（N-acetyl-4-hydroxyphenylarsonic acid，N-AHPAA）（Huang et al.，2019）。Han et al.（2017）进一步探究了ROX在微生物细胞内/外的还原过程，发现腐败希瓦氏菌Shewanella putrefaciensCN32对硝基的还原发生在细胞外，而HAPA(V)还原和As-C键断裂发生在细胞内。此外，希瓦氏菌（Guzmán-Fierro et al.，2015）、梭状菌（Stolz et al.，2007）和嗜碱菌（Fisher et al.，2008）都已被证实能够利用ROX作为厌氧呼吸的终端电子受体。在研究了相关代谢途径的基础上，科研工作者对ROX降解过程中涉及的蛋白质和基因也做了一些工作。Thomas et al.（2014）鉴定出了嗜碱菌Alkaliphilus oremlandiiOhILAs降解ROX过程中涉及的816种蛋白质。Han et al.（2017）发现，外膜色素蛋白 MtrC和UndA是硝基还原过程中的关键蛋白，敲除mtrC和undA基因明显抑制了ROX转化为HAPA。还有研究发现，醛铁氧化蛋白氧化还原酶（Chovanec et al.，2010）和其他多种钼酶（Thomas et al.，2014）在 ROX的硝基还原和羟基化过程中发挥了重要作用。与ROX不同，DPAA的微生物降解是从苯环的羟基化开始的，单加氧酶将 1个氧原子加入DPAA形成单羟基化DPAA并导致开环（Harada et al.，2010），生成的 PAA 进一步开环释放出无机砷（Nakamiya et al.，2007）。与 ROX相比，DPAA微生物降解的研究明显滞后，对其降解涉及到的关键酶和基因还有待深入研究。

3.3 微生物降解的影响因素

厌氧微生物对 ROX的降解研究较多。在厌氧堆肥（Stolz et al.，2007）、硫酸盐还原和产甲烷（Cortinas et al.，2006）条件下ROX都能迅速转化为HAPA，添加电子供体（如H2、葡萄糖或乳酸）还能进一步提高转化速率，但HAPA在厌氧条件下存留时间长，经过几百天才能基本降解为无机砷（Cortinas et al.，2006），适当提高温度和含水率都能有效促进无机砷的释放（Garbarino et al.，2003）。与其他厌氧微生物相比，希瓦氏菌对 ROX降解的研究较多。希瓦氏菌能够利用乳酸盐作为电子供体将ROX还原为HAPA（Han et al.，2017），增加Fe(Ⅲ)和乳酸盐浓度还能分别促进 ROX转化为 HAPA（Chen et al.，2016）及无机砷的释放（Chen et al.，2018）。作为一种重要的铁还原菌和胞外呼吸菌，希瓦氏菌在砷元素生物地球化学循环和有机污染修复中的重要作用受到广泛关注。从目前的结果看，希瓦氏菌对苯砷酸类化合物的降解势必会影响其在环境中的转化与归趋，加强这方面的研究将有助于阐明砷元素的生物地球化学循环过程，同时为制定更好的生物修复方案提供科学依据。

表4 分离的能够降解苯砷酸类化合物的微生物及其降解效率与产物Table 4 Examples of microorganisms that degrade phenyl arsonic acid compounds and their removal efficiency and degradation products

4 未来研究展望

含砷饲料添加剂的使用和含砷化学武器的泄露造成的砷污染已经引起了各国政府、监管当局及学术界的普遍关注和高度重视。在最近的20年里，世界范围内都在致力于限制含砷饲料添加剂的生产和加强含砷化学武器的销毁，但从目前报道的农业土壤、污染区土壤及地下水中苯砷酸类化合物的污染情况来看，苯砷酸类化合物对人体健康和生态环境的威胁仍然存在，继续加强污染修复机理的研究及修复技术的发展刻不容缓。未来应加强以下几个方面的研究：

（1）深化认识吸附机制，开发高效吸附材料。借助表面化学的研究手段及量子化学计算技术，深入研究吸附的表面化学过程与能量变化，从吸附热力学角度深化认识吸附机制；开发天然材料和生物材料，加强复合材料和改性材料的研究，从机理和商业化等多方面开展工作。

（2）探明（光）化学反应机理，提高技术的竞争性。目前对（光）化学反应机理的认识还处于间接验证和推测阶段，未来应更多从活性中间体的角度，深化对反应机理与规律的认识；加强对现有氧化剂/催化剂的改性，发展（光）化学耦合微生物降解的处理技术，加强光降解产物的二次矿化，从处理效率和经济成本上提升技术的竞争性。

（3）提高微生物降解效率，开展多水平机制研究。继续筛选苯砷酸类化合物的高效降解菌株，通过遗传工程和联合修复等途径提高降解效率，加强铁还原菌和胞外呼吸菌对苯砷酸类化合物降解的研究。多途径、多渠道提高修复效率；从基因组学和蛋白质组学等方面进行系统研究，在细胞、分子和基因水平揭示微生物降解机制，为微生物及其联合修复技术的发展提供理论支撑。