腐殖质和典型矿物强化微生物呼吸去除污染物的研究进展

蒋其涛,汤晴岚,吴 曲,夏 霆,陈 丹,武海霞,肖智兴

(南京工业大学 城市建设学院,江苏 南京 211800)

环境微生物修复是利用环境中的土著微生物或人工投加微生物的方式实现环境中污染物的去除[1-2]。相比于物理、化学修复法,微生物修复成本低、污染物去除彻底、无二次污染[1]。微生物修复的实施主要依赖于向环境或生物处理设施中投加微生物的呼吸作用所需的电子供体或电子受体。传统使用的电子供体有工业糖浆、植物油、乳酸等发酵型物质,电子受体有O2、硝酸盐、硫酸盐等。为了确保修复效果,在实际的修复过程中通常需要添加过量的电子供体或电子受体,其残留可能会导致二次污染,后处理又会增加修复成本[3]。近年来,一些“绿色材料”(锰矿石、零价铁等)由于成本低、二次污染风险小等优点[4-6],被认为在替代传统电子供体或电子受体强化微生物呼吸去除污染物方面具有一定的潜力,已成为环境修复领域研究的热点。

本文选取腐殖质、硫铁矿、锰矿石和磁铁矿等作为典型的“绿色材料”,整理和探讨近年来这些材料在强化微生物呼吸去除污染物方面的研究情况,并进行总结和展望,以期为环境污染绿色修复提供新的思路。

1 腐殖质强化微生物呼吸去除污染物

腐殖质是一种天然高分子有机物,含有羧基、羟基、醌基等,且广泛分布于土壤、水生环境以及沉积物中[7-8],根据在不同酸碱度下溶解性的差异,分为富里酸(在任何pH条件下可溶)、腐殖酸(pH>2时可溶)和胡敏素(在任何pH条件下都不可溶)[8]。胡敏素在自然界中非常稳定,特别是在厌氧条件下,很难被微生物降解。

Lovley等[9]在1996年首次提出微生物可以利用腐殖质呼吸,发现两种微生物Geobactermetallireducens和Shewanellaalga在厌氧条件下能分别利用乙酸和乳酸作为电子供体还原腐殖酸(购自国际腐殖质协会(IHSS))。进一步的研究[10-11]表明醌基是腐殖酸接受和传递电子的功能组分,但腐殖酸中的有机硫组分、有机氮组分以及金属铁的电子传递作用仍不可忽视。腐殖质被证实可以作为微生物的电子供体和电子受体(图1),有效地去除土壤和水环境中的有机污染物(如农药、苯系物等)及重金属(如Cr(Ⅵ)、As(Ⅴ)等)。

图1 腐殖质作为微生物电子供体或电子受体去除污染物的原理

1.1 还原态的腐殖质作为电子供体强化污染物的微生物呼吸转化

自Lovley课题组发现腐殖酸可以作为电子受体促进微生物的厌氧呼吸作用以来[9],被还原的腐殖酸和富里酸也常作为电子供体进而促进微生物呼吸去除污染物[12-14]。Castro等[12]研究发现在厌氧条件下腐殖酸的模式化合物蒽醌-2, 6-二磺酸盐(AQDS)能加速Shewanellaputrefaciens和废弃矿区来源的混合菌还原Fe(Ⅲ),AQDS的存在使生物还原速率大大提高。Mohamed 等[13]研究发现,还原后的亚热带森林景观土壤源的腐殖酸(利用NaOH和HCl提取)能够作为电子供体促进ShewanellaoneidensisMR-1对Cr(Ⅵ)的还原。Qiao等[14]采用HF和NaOH溶剂从泥炭中提取腐殖酸、富里酸和胡敏素,这3种腐殖质组分被还原后都可以作为电子供体促进微生物还原As(Ⅴ)(图1),主要的功能微生物包括Azoarcus、Anaeromyxobacter、Pseudomonas和Geobacter。另外,还原态腐殖质还可作为厌氧微生物的电子供体,以富马酸及硝酸盐作为电子受体进行呼吸。Lovley等[15]发现一些微生物(如Geobactermetallireducens、Geobactersulphurreducens、Geothrixfermentans、Shewanellaalga、Wolinellasuccinogenes等)能够以还原态腐殖酸的模式化合物蒽氢醌-2,6-二磺酸盐作为电子供体,以富马酸为电子受体生长。Van Trump等[16]发现在农田土壤环境中存在的硝酸盐还原微生物(Alphaproteobacteria、Betaproteobacteria和Gammaproteobacteria)可以利用蒽氢醌-2,6-二磺酸盐作为电子供体促进微生物还原硝酸盐。

在任何pH条件下都不溶的胡敏素的电子传递能力一直以来都被忽视。直到2010年,Roden等[17]发现沉积物中的固态腐殖质能够作为铁还原菌Geobactersulfurreducens和Shewanellaputrefaciens的电子受体耦合乙酸的氧化,被还原后的腐殖质又可以介导Fe(Ⅲ)的还原。之后,Katayama课题组人员采用HF和NaOH溶剂从稻田土里提取胡敏素,发现胡敏素被还原后能够作为电子供体促进脱氯菌(Dehalobacter、Geobacter、Sulfurospirillum等)还原五氯苯酚和四溴双酚A等[18-22],随后Zhang等[23]及Xiao等[24]将胡敏素固定在电极上或投入生物电化学系统中实现了电子由电极到功能微生物(脱氯菌Dehalobacter和Desulfovibrio,反硝化菌Pseudomonasstutzeri)的介导,促进了五氯苯酚及硝酸盐的微生物还原。Zhang等[21]发现醌基是胡敏素起电子传递作用的主要基团,最近的研究表明胡敏素中的类肽聚糖结构也可能起到关键作用[22],但实际的电子传递机制还有待揭示。

1.2 腐殖质作为最终电子受体强化污染物的微生物呼吸转化

在厌氧条件下,腐殖质除了能为微生物呼吸提供电子,还能作为最终电子受体参与微生物的代谢[25-26]。近年来,一些研究表明腐殖质在有机污染物的生物氧化降解中发挥着重要的作用,腐殖质可以作为最终电子受体,耦合有机污染物(如苯系物[27]、甲烷[28]等)的厌氧氧化(图1)。

腐殖质对微生物的影响机制非常复杂,它不但能够作为电子供体或最终电子受体强化污染物的微生物呼吸转化,还可以增强某些微生物的酶活[32],实际中可能是几种机制共同主导反应的发生。尽管醌基被认为是腐殖质主要的电子传递功能基团,但由于结构复杂,具体的电子传递机制还有待进一步研究。此外,最近有研究表明,Clostridiumsp. HSAI-1可以在厌氧条件下将市售的腐殖酸(Aldrich公司)和硅质泥岩中提取的腐殖酸降解成小分子组分[33]。采用焦磷酸钠溶剂从泥炭中提取的腐殖酸还可以被微生物Ignavibacterium/Melioribacter厌氧降解作为电子供体促进微生物还原Fe(Ⅲ)[34]。然而,到目前为止,胡敏素是否能被厌氧微生物降解尚不清楚。

2 硫铁矿及单质硫强化微生物呼吸去除污染物

近年来,关于单质硫作为电子受体或电子供体强化微生物呼吸去除污染物已有很多研究[35-37],如Zhang等[37]研究发现,利用单质硫作为微生物的电子供体可以去除V(Ⅴ)(V5+),5 d内对V(Ⅴ)去除率达到97.0%。但无论是硫铁矿还是单质硫,大量的研究都集中在它们作为电子供体强化脱氮微生物去除硝酸盐的研究上。

2.1 硫铁矿作为电子供体强化生物反硝化

硝酸盐是地下水中常见的污染物,水中硝酸盐浓度过高不仅破坏生态环境,而且严重影响人类的生命健康[39]。2008年，Schwientek等[40]研究了硫铁矿(电子供体)氧化耦合硝酸盐还原的反应动力学,为地下水环境中生物反硝化耦合硫铁矿氧化提供了新证据,并提出了含水层中的微生物反硝化可能受到硫铁矿含量的影响。随后Torrentó等[39,41]进一步研究发现,硫铁矿作为唯一电子供体,在反硝化菌的存在下,能够实现硝酸盐的还原。目前,已经发现了许多硫杆菌和铁还原菌(如Thiobacillusdenitrificans[41]、Shewanellaoneidensis[42]等)能够利用硫铁矿作为电子供体进行硝酸盐的代谢,其反应见式(1)。

(1)

2.2 单质硫作为电子供体强化生物反硝化

单质硫广泛存在于自然环境中,化合价为零价,既具有氧化性又具有还原性。在微生物去除污染物的过程中,单质硫常作为电子供体参与微生物的呼吸[46]。除了上述所说硫铁矿生物反硝化,有关单质硫驱动的反硝化研究也颇多,其原理与硫铁矿反硝化相似。不过,硫铁矿矿物在反应过程中可能会释放有毒金属物质,对微生物活性造成影响,处理成本也相应提高[46]。Sahinkaya等[47]发现,利用单质硫作为电子供体,在混合菌(包括自养菌和异养菌)的作用下,能够同步实现硝酸盐和Cr(Ⅵ)的去除。Ju等[48]研究利用单质硫作为不溶性电子供体进行硝酸盐生物还原的可行性,发现在微生物的作用下单质硫被氧化为硫酸盐,而硝酸盐则被还原去除。Qiu等[49]研究了添加有机电子供体对硫自养反硝化的影响,发现有机电子供体的添加极大地促进了硫自养反硝化的速率,可能的原因是有机物的添加促进了硫还原菌的活性,形成的多硫化物增强了硫的生物可利用性,该反应器运行的最优碳氮质量比为0.25∶1～0.50∶1。

3 锰矿石强化微生物呼吸去除污染物

Mn是自然界中常见的变价金属元素,几乎所有矿石中都含有Mn。自然界中的Mn主要呈Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ价态[55]。锰矿石除了能够通过物理化学反应(吸附、配位等)去除污染物外,还可以作为微生物的电子受体强化污染物的降解。自然界中,Mn的生物地球化学循环过程主要包括Mn的生物还原和Mn的生物氧化,固态Mn还原的胞外电子传递机制包括纳米导线、直接接触以及电子穿梭体等,具体如图2所示[56]。

图2 微生物还原锰矿石的胞外电子传递机制[56]

3.1 锰矿石作为最终电子受体强化污染物的微生物转化

自然界中,Mn的还原过程通常是指锰还原微生物在厌氧条件下利用高价锰氧化物(一般为Ⅳ价)作为最终电子受体氧化降解污染物的过程[56-57]。锰还原微生物一般为革兰氏阴性菌,广泛存在于自然界中[56]。关于该反应过程,早期人们认为Mn(Ⅳ)还原为Mn(Ⅱ)的过程为一步反应(式(2))[15,58];随后又有研究表明[59],该过程分为两步反应,Mn(Ⅳ)先还原为Mn(Ⅲ)再还原为Mn(Ⅱ)。

2MnCO3+2H2O

(2)

Lovley等[60]发现,在沉积环境中Geobacter可以利用Fe(Ⅲ)或Mn(Ⅳ)作为电子受体,完全氧化小分子脂肪酸等。Nickel等[61]在富含有机碳的海洋沉积物中发现了Fe(Ⅲ)和Mn(Ⅳ)异化还原现象,不同季节条件下,Fe(Ⅲ)或Mn(Ⅳ)异化还原的效果各有不同。这些研究为了解锰循环和碳循环间的关联提供了重要依据。Langenhoff等[62]发现在沉积物中,厌氧条件下存在甲苯氧化耦合Mn(Ⅳ)还原的反应,证明固体氧化锰作为电子受体强化甲苯生物降解的可能性。Liu等[63]发现利用氯化锰和高锰酸钾人工合成的Mn(Ⅳ)可作为最终电子受体强化生物降解咖啡因和萘普生,去除率分别达到96.0%和31.0%。翟俊等[57]研究人工湿地对有机污染物双氯酚酸的降解,发现在厌氧或缺氧条件下GeobactermetallireducensGS-15能利用锰矿石作为电子受体去除双氯酚酸,去除率大约是无菌对照组的2倍。

3.2 Mn的生物氧化与污染物去除

生物氧化锰是水生和陆生环境中活跃的矿物之一,在Mn的生物地球化学循环中起着重要作用[64]。Mn的生物氧化即Mn(Ⅱ)作为电子供体被微生物氧化生成高价Mn(Ⅲ、Ⅳ)的过程。这类微生物主要是一些真菌和细菌(包括PseudomonaspuditaMnB1、PseudomonasfluorescensGB-1、LeptothrixdiscophoraSS-1和SS-6等[6])。目前，生物氧化锰主要用作催化剂或吸附剂去除环境中的有机污染物或重金属[65],如被LeptothrixdiscophoraSS-1氧化生成的生物氧化锰对Pb(Ⅱ)有很好的吸附作用[6]。Xie等[64]将真菌(Pleosporalessp. Y-5)氧化锰用于活化过氧单硫酸盐(PMS)去除双酚A。与以往利用Co2+/PMS或Co3O4/PMS均相催化系统降解污染物相比,真菌氧化锰不会产生二次污染。此外还发现经过400 ℃煅烧后的真菌氧化锰比未煅烧的真菌氧化锰具有更高的双酚A去除率,30 min就可以完全去除双酚A,总有机碳(TOC)去除率达到97.0%。Du等[66]利用Pseudomonassp. F2制成生物铁锰氧化物(由Mn(Ⅱ)、Mn(Ⅲ)、Mn(Ⅳ)和γ-Fe2O3组成),结果表明制成的生物铁锰氧化物对氧氟沙星的催化降解活性是化学合成的铁锰氧化物的2倍。

4 磁铁矿及零价铁强化微生物呼吸去除污染物

4.1 磁铁矿加速微生物种间电子传递强化污染物的去除

磁铁矿的主要成分为Fe3O4,是一种混合价态的铁氧化物,晶体呈八面体、十二面体。1995年，Kostka等[70]就发现Shewanellaputrefaciens可以利用甲酸或乳酸作为电子供体还原磁铁矿。随后Byrne等[71]发现了光营养Fe(Ⅱ)氧化细菌RhodopseudomonaspalustrisTIE-1能利用光能氧化磁铁矿纳米颗粒。目前,很多学者研究利用磁铁矿加速微生物种间的直接电子传递(DIET),实现有机污染物的去除。微生物种间直接电子传递是一种不需要借助扩散性能量载体的微生物间的电子传递方式,这种电子传递方式分为3类:① 直接接触;② 电子穿梭体介导;③ 导电性物质介导。这种直接电子传递区别于传统的种间H2/甲酸转移,且比种间H2/甲酸转移更高效,具体见表1和2[72-75]。

表1 微生物种间电子传递机制分类[72-75]

表2 微生物种间直接电子传递作用方式[72-75]

Zhuang等[76]以苯甲酸为模型污染物,研究了在硫酸盐还原条件下,磁铁矿在海洋沉积物中促进芳香族化合物降解的能力，通过对珠江口沉积物进行厌氧培养发现：磁铁矿(20 mmol/L Fe原子)的加入使得苯甲酸盐去除率提高了81.8%;随着磁铁矿浓度(5、10和20 mmol/L)的增加,苯甲酸盐降解速率逐步加快,其原因可能是磁铁矿加速了微生物种间的DIET过程；Bacteroidetes和Desulfobulbaceae是起主要作用的微生物。此外,磁铁矿介导的微生物种间直接电子传递是微生物甲烷代谢的一种重要机制。Ye等[77]研究了微米磁铁矿(<5 μm)和纳米磁铁矿(50～100 nm)对石油污染土壤中菲(一种含三个苯环的稠环芳烃,分子式C14H10)降解的影响，结果表明：在富集的培养物中,菲的完全降解需要菲降解菌与产甲烷菌的协同作用；微米磁铁矿和纳米磁铁矿的加入使菲的去除率分别提高约25.9%和26.0%,甲烷的产率分别提高了21.5%和20.1%；添加微米磁铁矿和纳米磁铁矿可能提高了富集培养物中的DIET速率。

在实际工程应用中,厌氧条件下磁铁矿可能会被铁还原菌还原产生溶解态的Fe(Ⅱ),使得利用磁铁矿的污染物生物降解受到限制(溶解后的磁铁矿会发生流失和产生二次污染)。为解决这一问题,Yang等[78]分别在厌氧活性污泥(AS)系统和上流式微好氧活性污泥反应器中添加磁铁矿,结果发现在微好氧条件下富集的Geobacter混合菌对COD、三溴酚(TBP)和甲烷的去除率分别比AS系统高14.3%、16.7%和27.2%,微好氧条件减少了磁铁矿中Fe(Ⅱ)的溶出,维持了系统中的磁铁矿浓度。另外,Ma等[79]将亚微米磁铁矿颗粒添加到序批间歇式活性污泥系统(SBR)中,构建Fe3O4/SBR系统,该系统在减轻磁铁矿溶解的同时,也能有效去除TBP。Ma等[79]分析表明：Fe3O4/SBR系统中溶解的Fe(Ⅱ)会被Magnetospirillum氧化和积累,从而解决了溶解后铁矿流失和二次污染问题;此外Geobacter在Fe3O4/SBR系统中富集,使得系统内细胞色素c的含量增加,加速了电子传递。

4.2 零价铁作为电子供体强化微生物呼吸去除污染物

零价铁又叫单质铁(ZVI),是一种化学性质活泼的金属,具有较强的还原能力。零价铁可以参与微生物反应,作为直接或间接的电子供体(Fe(Ⅱ)/H2)强化微生物去除重金属、硝酸盐等。Ayala-Parra等[80]通过柱实验利用市售ZVI作为唯一电子供体，驱动厌氧颗粒污泥对硫酸盐的还原,还原后的产物能够固定酸矿废水中的重金属,ZVI的腐蚀还提供了碱度从而中和废水的pH。Son等[81]在间歇式反应器和柱反应器中考察了ZVI(铸铁屑)存在下高氯酸盐微生物的还原作用,研究发现：在间歇式反应器中添加ZVI,使得微生物在无其他外加电子供体的条件下去除65.0 mg/L的高氯酸盐，在20 d内实现超过90.0%的高氯酸盐的去除。Lu等[82]在模拟地下水中，研究铁还原单菌Enterobactersp.CC76与ZVI在厌氧条件下生物反硝化去除硝酸盐的效果,发现Enterobactersp.CC76可以利用ZVI氧化形成的Fe(Ⅱ)作为电子供体去除硝酸盐。之后,Zhang等[83]研究了添加市售ZVI对混合菌厌氧脱氮的影响,结果发现：在有ZVI添加的情况下,硝酸盐的去除仅用了3 d,同时还原中间产物(亚硝酸盐)的积累量也低于只有微生物的条件,微生物可能直接利用ZVI或者ZVI腐蚀产生的Fe(Ⅱ)/H2作为电子供体,Methyloteneraspp.、Alcaligeneseutrophus、Pseudomonasspp.可能是起主要作用的脱氮功能微生物。Dykstra和Pavlostathis[84]将市售ZVI应用于生物电化学阴极强化废气中CO2向甲烷的高值化转化,加入1和2 g/L ZVI使得甲烷的产量分别增加了2.8和2.9倍;除了ZVI腐蚀产氢促进了耗氢产甲烷菌的活性之外,ZVI腐蚀形成的产物还可以作为电子媒介体促进阴极的电子传递,并且有更多的Proteobacteria在阴极富集。Dai等[85]通过加入废铁屑加速电子传递效率，提高了人工湿地微生物燃料电池对COD去除的能力,Proteobacteria被大量富集。

纳米零价铁(NZVI)相比于ZVI具有更大的比表面积和反应活性,得到了广泛的研究[86-87]。在促进微生物去除污染物方面：一方面NZVI可以直接将难降解的有机污染物还原成可生物利用的小分子污染物,再由微生物进一步降解；另一方面,与ZVI类似,NZVI腐蚀过程中产生的H2或Fe(Ⅱ)可以作为微生物的电子供体促进微生物还原去除污染物[88]。但是，由于NZVI反应活性太高且颗粒小,因此也容易快速失效和发生聚沉,影响其实际应用效果。另外,纳米颗粒的细胞毒性也一直受到广泛关注。纳米颗粒对微生物细胞的致毒机制主要有两方面：一是直接的物理破坏,损伤细胞膜,从而影响膜的通透性;二是对微生物生化功能的破坏(分子水平),干扰能量传导及交换功能,造成蛋白的破坏等[89]。但当NZVI负载在其他物质上,或者当NZVI被应用在自然环境中时，毒性效应会大大降低,甚至消失。因此,目前关于NZVI负载材料的研究层出不穷,常见的负载材料如羧甲基纤维素钠(CMC)、生物炭等。Kocur等[90]将NZVI(NaBH4还原制备)-CMC直接投入受氯代挥发性有机物(cVOC)污染的场地,21 d的实验发现：大部分高氯代的cVOC逐步转化为低氯代的cVOC,NZVI的直接还原与微生物的还原脱氯是cVOC去除的主要原因；在NZVI-CMC注入之后,Dehalococcoidesspp.的数量增加了一个数量级。Qian等[91]将市售NZVI与生物炭注入受氯代烃污染的地下水中,研究发现：如果直接添加NZVI,三氯乙烯和三氯甲烷在1 d之后就基本被还原了,但2 d之后水中的浓度又会反弹；而NZVI-生物炭处理地下水的效果可持续42 d,生物炭对污染物的吸附及NZVI的还原是处理效果维持的主要原因。

5 结论和展望

除纳米零价铁外,腐殖质、硫铁矿、锰矿石和磁铁矿等是自然界中大量存在的物质,成本低廉且环境友好。另外,腐殖质呼吸及矿物呼吸微生物也广泛分布于自然界中,因此，这些材料在环境微生物修复中具有潜在的应用价值。但由于这些材料大多以固体形态存在,微生物利用能力有限,因此适用于污染物浓度不高的水体、土壤及废气的处理。目前,腐殖质作为电子供体或电子受体实际应用于强化微生物呼吸去除污染物方面还没有文献报道。对于矿石，目前已有一些针对氮磷污染水体的中试规模的应用及示范,比如按一定比例与其他填料混合用作人工湿地、生物滤池和可渗透反应墙的填充介质,但这些应用中，矿石的作用不单是强化微生物呼吸作用,吸附、化学还原或氧化也会同时发生。关于人工合成的纳米零价铁,作为电子供体可以直接投加或作为可渗透反应墙的填充介质用于地下水卤代烃的污染修复,目前在欧美已有实际应用的案例,而国内大多为中试研究,实际应用中需要重点关注的是如何强化纳米零价铁在污染介质中的扩散。总之,尽管这些材料去除有机/无机污染物的潜力及机制已被大量的研究,但大多还停留在实验模拟及中试阶段,仍需要大量的实践探索,从而真正为这些“绿色材料”的工程化应用提供理论依据。

在今后的研究中,以下几个关键问题亟待解决:① 腐殖质和矿物可能在自然环境中吸附一些对微生物代谢有毒害作用的有机污染物或重金属,在微生物氧化还原的过程中又会释放出来,这些物质可能会对微生物的生理活动造成抑制作用,因此了解典型有机污染物和重金属(如As、Pb等)对微生物的毒性作用以及通过实验探究腐殖质和矿物强化微生物去除污染物的投加量或者研究这些材料使用前的预处理方法至关重要。② 锰矿石作为电子供体强化微生物代谢过程及机制尚不清楚,现有的研究证实了溶解态Mn(Ⅱ)的氧化能够促进微生物还原污染物,然而固体锰矿石是否具有相似的微生物作用机制有待进一步研究。③ 当前利用腐殖质和矿物强化微生物呼吸去除污染物的研究大都针对单一污染物,然而污染环境中往往存在多种污染物,共存的其他污染物是否会影响腐殖质和矿物的强化效率以及这种修复方式能否同时去除多种污染物需要更深入的研究。④ 目前对自然环境中能够利用腐殖质和天然矿物的微生物的生理生态功能及其与这些材料之间的电子传递机制的研究还有待进一步加深,这不仅有助于更深入地了解自然界中污染物的生物转化过程,同时也为基于这些材料进行污染微生物修复提供理论基础。⑤ 腐殖质和矿物材料大多为固体,如何提高其生物利用性,如何将这些材料真正应用于实际的微生物修复过程中需要多学科参与,也是今后的研究重点。