土壤污染修复中活体功能材料的应用研究进展

徐 燕,赵纯骏,娄思雨,彭孜怡,周斌辉,陈 林,黄元培,项沁媛,黄娇芳,4

(1. 华东理工大学 生物工程学院 生物反应器工程国家重点实验室,上海 200237;2. 华东理工大学 材料科学与工程学院,上海 200237;3. 上海市生态环境局 执法总队,上海 200235;4. 华东理工大学 上海生物制造产业省部共建协同创新中心,上海 200237)

土壤参与众多元素循环,是生物圈生态系统中的重要组成部分。根据我国相关部门的土壤普查结果(全国土壤污染状况调查公报),我国土壤环境质量普遍存在问题。土壤污染问题如果不能及时处理,随着时间的推移以及上游产业的拓展,就可能会出现污染加剧、范围扩大等情况[1]。土壤修复是指利用物理、化学和生物的方法吸收、降解和转化土壤中的污染物,使其浓度降低到可接受水平,或者将有毒有害的污染物转化为无害物质。常用的土壤修复技术有很多,大致包括物理吸附、化学催化、微生物修复及植物净化[2-5]等。最初,土壤修复使用物理法和化学法居多,而现在生物法因其绿色环保、可持续的特性应用越来越广泛,其中,将生物系统与优异特性材料杂化相结合的活体功能材料[6]更是成为当前研究的热点。

活体功能材料是合成生物学和材料科学交叉领域的新兴研究方向,它综合了合成生物学和材料科学的工程原理,应用遗传将生命系统重新设计为具有可编程功能的动态响应材料[7]。活体功能材料以活体细胞为结构单体组装材料,使活体细胞本身成为材料的工程化设计工具以及技术设想和实现途径的基本单元,将编程后的工程活细胞组装、裁剪成具有生物系统特性的新型功能材料,它能将活体细胞的自我修复能力、进化能力、重编程能力、自主排列能力、对环境的响应能力、解毒能力、产生和储存能量的能力等融入功能材料[8]。同时,利用高分子材料的互穿网络交叉来固定生物活体,保护其不易受环境侵害[9]。活体功能材料充分结合生物系统的特性和材料的高性能,成为适应环境变化的动态材料[10],在土壤污染等环境修复方面有着显著的优势。因此,本文重点综述近年来活体功能材料在有机合成污染和重金属污染修复方面的研究进展及应用,并展望了未来的研究前景。

1 土壤污染物的物理化学修复

土壤修复的物理方式包括土壤淋洗技术[11]、土壤改良剂[12]和土壤吸附剂[13]等,主要是改变土壤结构使其有利于处理污染物,如,使用超声波(US)[14]破坏整体结构(图1(a)),从而增强土壤中氯代有机物(COCs)的解吸,并且通过活化过硫酸盐(PS)产生更多自由基,来促进污染物的降解[14]。通常,物理方式的操作成本较低、设计简单,但是修复的效率较低。由于化学方法使用化学制剂,易与土壤中的有机物产生氧化还原等反应以达到去除污染物的目的[15],导致该方法存在部分制剂不易完全回收、容易造成二次污染等缺点,难以达到绿色环保的效果。

图1 物理方式在修复中的应用Fig.1 Applications of physical method in remediation

2 土壤污染物的生物修复

生物修复是指利用生物的生命代谢活动来修土壤污染物。相对于物理化学修复而言,生物修复具有绿色环保、不易造成二次污染和生物特异性强等优点,其越来越受到关注。生物修复包括植物修复、动物修复、微生物修复和生物联合修复等方法,在此简要介绍微生物修复和生物联合修复方法。

自然衰减是从环境中去除污染物最重要的生物过程[16]。但是自然修复本身有一定的局限性,它基本依托于该区域生物系统的代谢途径,当某些污染物无法参与代谢或超出代谢极限时,就会限制自然修复的能力。同时,由于生物系统中生物量的限制,修复时间会很长,因此无法达到良好的修复效果。一般来说,通过人工干预的方式,能够提高生物修复的效率,缩短修复所需时间。

2.1 植物修复

植物修复主要是通过合理地利用植物的生长特性来富集土壤中的污染物质,从而达到转移或转化污染物修复土壤的目的。在对土壤重金属污染的修复中,植物提取、植物挥发、植物固定和植物过滤等方式较为常见。虽然植物修复的成本低廉,应用价值较高,但修复周期较长,修复范围也有限,还存在植物的后续处理等重要问题[17]。

2.2 动物修复

动物修复主要是利用生活在土壤中的某些动物来进行土壤修复。如蚯蚓,在吞食土壤的同时富集污染物,同时它在土壤中的生活运动可以增加土壤的通气性能,增强重金属的活化能力,促进植物吸收代谢[18]。但是能够用于生物修复的动物物种范围较小,这方面研究成果并不多。

2.3 微生物修复

土壤中生活着大量的微生物。虽然一般污染物被认为是对生物有害的,但是在微生物多样性与自然选择的共同作用下出现了具有污染物抗性的物种。它们多出现在长期污染的地区,对污染土壤的修复具有重要贡献。目前已经发现有多种微生物可以通过细胞表面的多糖、官能团等吸附重金属以及通过离子交换、氧化还原作用等对重金属污染土壤进行修复[19]。如,Truskewycz等[16]阐明了不同微生物群落对石油烃生物修复的贡献。一般认为,在Cr6+的存在下,许多微生物的活性将受到抑制,因为Cr6+有致癌性,当它进入细胞后被维生素C和谷胱甘肽等物质还原,产生H2O2和其他自由基,进而对脂肪、蛋白质和DNA造成损害,特别是Cr3+能够与DNA形成难修复的配合物[20]。但是,Wang等[21]发现,尽管水中的Cd严重抑制了硝化活性污泥的硝化性能,显著影响硝化活性污泥系统的微生物群落结构,但是其中的硝化细菌可以分泌过量蛋白来降低重金属对自身的伤害。此外,Zhang等[22]发现,一些种类的酸杆菌和普朗氏菌可以降低环境中的Cr6+浓度。Sathvika等[23]研究发现,微生物通过两种作用机制(图1)在重金属的生物修复中起着至关重要的作用。这些都说明,微生物可以耐受甚至主动降解环境中的污染物,修复土壤污染。

2.4 生物联合修复

直接使用天然的微生物进行环境修复有很大的局限性,如,力学强度差、微生物难以分离、再生后存在质量损失等。为了克服这些缺点,研究人员利用多种技术,提升生物修复的效果。如,将微生物固定在合适的基质中,以此来提高细胞强度、刚度与金属的去除能力。Sathvika等[23]将曲霉固定在由蒙脱石和纤维素组成的多壁碳纳米管(CNT)基质中(图1),可增强微生物摄取Cr6+的能力。Oliva等[24]发现,通过假单胞菌Pseudomonasadaceae胞外聚合物(EPS)的吸附耦合还原作用,可以将大部分Cr6+还原为Cr3+。基质不仅可以作为固定微生物的框架,同时对吸附金属也有一定的协同作用。Springthorpe等[25]研究发现,希瓦氏菌S.oneidensisMR-1可以与其他氧化还原活性金属有机框架材料(MOFs)配对,以提高Cr吸附能力或修复其他环境污染物的能力。同时,MOFs也能用作其他电活性微生物的底物或作为支持合养共生微生物群的氧化还原介质。由此可以推断,将生物与材料相结合的活体功能材料在土壤污染修复方面应该有广阔的应用前景。

3 活体功能材料用于土壤修复

3.1 活体功能材料的优势

杂化材料是继单组分材料、复合材料和梯度功能材料之后的第四代材料,是一种均匀的多相混合材料,有机相和无机相的微区尺寸均在纳米尺度,甚至达到分子水平量级[26-27]。这种微观量级的均匀混合效应使杂化材料弥补了单一材料性能上的不足,兼具多类材料的优点,甚至产生新的性能,高效应用于结构、信息、生物及特种工程等领域[28]。活体功能材料作为一种新型杂化材料,同时含有响应功能的活细胞和支架作用的聚合物基质[29],它借助合成生物学理念,应用人工基因调控工具等来设计生物系统,并将定制改造的生物系统与人造材料相连接,以改造后的生命系统作为活体功能材料铸造厂[30],由简单的原材料经自组装作用调整为遵循预先编程的基因线路驱动并调控细胞基因动态表达,能够精确控制生产复杂的材料。活体功能材料在发挥材料原有功能的同时,还拥有自我修复以及感知和响应环境刺激的能力,它能够在环境变化时做出适当的反应以修改材料[31],特别是与生物活体交互连接的基质材料可发挥固定支撑和提高系统整体力学强度的作用,以增强杂化材料抵抗恶劣环境的能力。由此可见,活体功能材料既具有活细胞自适应的新特性,又保留了人造材料的理想功能[32],兼具生命的动态特征和材料的优越性能[9]。尤其是,它的外形可定制,可以根据需求进行3D打印[6],还具有传统材料不具备的优势,如可自我修复、可再生和重塑、可进化性和环境响应性等[33]。这些优势特性可通过分布式、自下而上自主组装、环境可持续的方式有目的地被构建在活体功能材料中[34]。

3.2 活体功能材料的应用

3.2.1 有机化合物污染修复方面的应用与发展

活体功能材料在处理有机污染物方面具有明显的优势,因为它由活体细胞与特定的材料相结合,使其对有机污染物的降解效果优于各部分独立使用的效果。此时,活性功能材料以菌株的形式固定在特定材料载体或生物被膜系统上,利用生物被膜的吸附能力以及作为氧化还原介质,促进有机污染物降解,相关应用主要集中在水体有机物污染的修复方面,但在土壤方面的研究和应用较少[35]。

常见的活体功能材料是将可降解污染物的微生物(如细菌、真菌等)固定在特定材料载体上,其中载体起到保护菌株、提高菌株适应性和吸附环境中的污染物等作用,而菌株对吸附的污染物进行降解。这种材料对污染物的生物降解和环境修复表现出比传统修复方法更强的适应性,在有机污染物降解领域有着广泛应用[36-39]。Liu等[38]选择Rhodococcussp.T3-1、Delftiasp.T3-6和Sphingobiumsp.MEA3-1构建混合菌群T3,用海藻酸钠(SA)和壳聚糖(CTS)来包埋T3构建活体复合材料(SA-CTS-T3),验证其对乙草胺的降解能力,结果发现：SA-CTS-T3的乙草胺去除率为97.81%,而无菌株负载的SA-CTS的降解效率仅为19.21%(图2(a))。Naeimi等[39]将3株具有苯降解能力的菌株固定在CaO2纳米粒子上,并用于地下水的生物修复,第1天将3种选定的菌株注入R1至R3反应器中,后续每7 d重复注射,在70 d内监测指标以对比菌株的生物增强作用对苯去除的影响,结果发现：与对照组(R4)相比,生物增强的苯去除率提高约40%(图2(b)),该系统可用于修复石油烃污染地下水的现场应用,同时也为苯污染的土壤进行原位生物修复提供了一种新思路。

图2 微生物固定及材料改性对去除有机污染物的影响Fig.2 Effects of microbia fixation and material modification on revnoval of organic polllutant

将能产生物被膜的微生物作为活体材料,与可降解污染物的菌株结合,制备活体功能材料也是重要研究方向之一。生物被膜是由微生物细胞群落及其产生的细胞外聚合物(EPS)物质构成,通常在土壤表层或内部形成沉积物,为微生物细胞提供更高的耐受性,保护微生物细胞免受污染物侵害并支持生物修复过程[40],具有出色的适应性、吸附和固定能力,可作为生物修复污染物的材料。Catania等[41]利用聚乳酸和聚己内酯等合成生物聚合物,固定可降解烃类有机物的γ变形菌和放线菌来制备生物被膜,结果发现：这些生物被膜在10 d内表现出对溢出油的完全吸附和66%的降解效果。Liu等[38]选择黏菌(M.xanthusDK1622)作为活体材料,通过生物被膜固定混合菌群T3构建成复合材料,结果发现：该复合材料对乙草胺的最大降解率为96.62%,而自由混合菌株T3在类似条件下对乙草胺的降解率为82.85%,表明黏菌生物被膜介导的固定化可以有效增强混合菌株T3对污染物的降解能力。同时发现,以生物被膜为载体材料,结合微生物构建的活体功能材料,具有较好的降解能力、稳定性和可重复使用性[38,40-43],可用在有机物污染修复方面。

另外,一些研究通过对材料进行一定程度的修饰改造,以加强其与生物相互作用的性能[44-46]。Sun等[45]研究了2种生物过滤器(BF)原始海绵型BF1和改性海绵型BF2去除苯、甲苯、乙苯和二甲苯(BTEX)的性能(图2(c)),结果发现：总去除效率和CO2启动后BF2的增量分别为61%和8.04 mg/kg,而 BF1的是51%和5.38 mg/kg;进一步分析的结果表明,改性的聚氨酯(PU)海绵显著提高了生物被膜中微生物的生长、活性和黏附强度,改善了微生物群落。可见,改性材料可以增强生物过滤器中生物被膜的形成和挥发性有机污染物去除,有大规模应用的前景。

新兴的光催化材料-微生物杂化(PMH)系统可以将光催化材料与微生物紧密耦合,再利用光催化材料高效、广谱的光捕获能力和微生物酶催化的专一性,在处理环境污染方面具有巨大的潜力。PMH系统产生的光生电子在厌氧条件下可以还原分解具有氧化性质的有机污染物[47]。PMH系统在处理环境污染方面已经显示了巨大的潜力[48-49]。Xiao等[48]将电化学活性细菌S.oneidensisMR-1与光催化剂Ag3PO4耦合,构建了一个PMH系统,利用该系统在厌氧情况下还原分解对氯苯酚取得了较好的效果。Liu等[50]利用密度泛函理论计算的结果进一步证实了生物光电还原降解体系中对氯苯酚的厌氧光还原降解的电子传递机制。由此可见,PMH系统作为一种新型的生物修复手段,具有绿色和可持续性,为厌氧光分解氧化有机污染物提供了有前途的替代方案。

3.2.2 重金属污染修复方面的应用

有毒的重金属污染被认为是最严重的环境问题之一,在微生物修复重金属污染时通常使用天然存在的微生物,如假单胞菌属[51]、气单胞菌属[52]、红球菌属[53]、克雷伯氏菌属[54]和芽孢杆菌属[55]等。活体功能材料可以在最大限度保持生物修复优势的同时,克服微生物修复强度低、工程量小等缺点,成为环境修复方面具有重要潜在应用价值的研究方向。对重金属修复的活体功能材料主要包括特定材料和生物被膜活体材料两类。MOFs、生物炭及细胞纤维素(BC)等特定材料在重金属修复应用方面较为常见。

无机纳米材料的相关研究较少,仅有生物硅纳米材料、碳纳米管的应用研究。El-Saadony等[61]研究发现,添加生物硅纳米颗粒可有效提高在重金属盐渍土壤中生长的普通豆类植株的抗逆性。Sathvika等[23]发现,在多壁碳纳米管中固定原核生物(根瘤菌)和真核生物(酿酒酵母)也能有效吸附Cr6+。此外,Gulzar等[62]发现,将纳米颗粒(NP)与促进植物生长的根际细菌(PGPR)结合起来,可提高植物修复土壤重金属的效率。

生物质材料中常见的有生物炭和细菌纤维素两类。生物炭与降解重金属的微生物组成的复合材料为提高环境中重金属的生物修复效率提供了新思路[63-66]。生物炭是一种多孔的富碳化学物质,比土壤更适合微生物生长,有助于微生物的生长繁殖[65]。Weng 等[67]发现,生物炭可以作为缓释肥料,为土壤中微生物和植物的生长带来长期益处。Wang等[65]研究了来自玉米秸秆和猪粪的2种生物炭,以此作为突变型枯草芽孢杆菌(B38)的载体用于重金属污染土壤修复,结果发现：枯草芽孢杆菌与生物炭结合后,重金属被固定到复合材料上,使土壤中和植物中重金属含量下降,提高了莴苣的可食用量(图3(b)中SPB)。Wu等[66]以新型植物生长促进菌(PGPR)菌株SNB6固定在生物炭上形成多功能生化材料(BCM),再将其与香根草结合形成BC-PGPR系统(图3(c)),结果发现,在高度污染土壤中,应用BCM可有效增加乙酸可萃取的Cd以及Cd的积累量。因为生物炭的来源广泛,比纳米材料价格更为低廉,与微生物结合能进一步增强重金属的吸附效果,所以生物炭是一种低成本、有效的重金属修复材料。

细菌纤维素(BC)由D-葡萄糖分子组成,具有良好的力学强度、高持水能力,还可捕获金属离子。基于这些性质,BC可以与微生物结合形成活体功能材料的研究成果较多。如,Xiao等[68]通过将快速生长的蓝细菌SynechococcuselongatusUTEX 2973注入产生BC的杆菌Komagataeibactersucrofermentans培养基中获得活体材料BC/S.elongatus(BC/SE),结果发现：与纯BC相比,BC/SE球体具有优异的吸附性能,对Cu的最大吸附容量为156.25 mg/g。由生物炭、BC等生物质材料载体形成的活体功能材料,不仅对重金属具有较好吸附能力,还具有绿色、低成本等优点。未来此类材料的开发应用将成为重金属修复的热点之一。

生物被膜在有毒重金属的生物修复方面具有广阔的应用前景[69-72],因为细菌生物被膜能够通过各种抗性机制来抵抗高浓度重金属的影响,同时生物被膜内包裹的微生物能将有毒金属固定、吸附,再通过生物转化机制将其降解为毒性较低的状态,从而有效地消除污染环境中的有毒金属离子,甚至生物被膜的形成受到重金属的正向诱导。Dey等[69]用1 mmol/L的Cr、Mg和Ni诱导Arthrobactersp. SUK 1205在玻璃微珠上形成生物被膜,以此来去除0.5 mmol/L的Cr6+,结果发现：Cr诱导的生物被膜孵育4 d后可去除所有Cr6+,而Mg和Ni诱导的生物被膜的去除效率较低;同时发现,在孵育早期Cr6+去除效率较高,后期逐渐降低(图4(a))。同样, Xing等[72]发现：试验组Ⅱ黏土矿物蒙脱石和重金属的组合对黏质沙雷氏菌S14(SerratiamarcescensS14)生物被膜发育的促进作用显著高于黏土矿物或单独的Cd2+,该生物被膜可用于除去土壤中的重金属Cr;S14在蒙脱石和污染物Cd2+的作用下,生物被膜量增多且更稳定,对Cr有较好的吸附作用(图4(b))。Wu等[71]采用狭叶菌株AcremoniumKR21-2和微塑料颗粒共培养,研究在其表面定植的生物被膜对Cr6+、Cd2+等重金属污染物的吸附效果,结果发现：细菌在微塑料颗粒上生成了较厚的生物被膜层(图4(c)),与单一的微塑料颗粒相比,附着生物被膜的微塑料颗粒对重金属元素的吸附效果显著提升,同时在pH为8.0的环境中,因颗粒表面带负电荷,Cr6+与其表面官能团之间的氧化还原反应增强了对重金属的吸附能力。可见,因为生物被膜具有吸附重金属、促进微生物生长等优点,所以该类活体功能材料在修复因重金属引起的污染方面具有独特的优势。

图4 生物被膜在重金属污染物修复中的应用Fig.4 Application of biofilm in the remediation of heavy metal pollutants

细胞外聚合物物质(EPS)是由微生物(细菌、真菌和藻类)生物合成的高分子混合聚合物,主要由蛋白质、多糖和核酸组成。在土壤环境中,EPS不仅可通过稳定细胞膜和减少化学暴露,为微生物提供保护[73],而且可以影响土壤颗粒的聚集沉积以及土壤矿物质的溶解,为土壤微生物的生存提供理想的环境,在重金属污染土壤修复中有较好的潜力[74]。Li等[75]研究发现,细菌和它们产生的胞外聚合物都可以与重金属相互作用。EPS不仅可以保护细菌产生的生物被膜,还可以与重金属阳离子(如Zn2+、Cu2+)结合,在土壤中形成胞外聚合物金属配合物[76]。同时,土壤中的胞外多糖有助于细菌抵御环境压力,如重金属引起的压力[77]。不同类型的EPS对于重金属离子的吸附情况也不同,Li等[78]研究发现,松散结合的EPS含有较多的能释放氢原子的官能团,可以通过离子交换更好地吸附Pb2+。尤其是,EPS可以与生物被膜共同存在[72,76,79],在重金属污染修复时,EPS与生物被膜共同作用。

图5 胶浸磁性生物炭混合矿化菌株促进污染物的去除[81]Fig.5 Mixing of magnetic biochar and mineralized strains promote removing of polltant[81]

4 结论与展望

土壤是地球上最宝贵的自然资源,也是农业可持续发展的基础,修复污染土壤的重要性不言而喻。目前,对土壤中重金属与有机污染物的修复方法(物理吸附、化学修复和生物修复等)各有优劣。活体功能材料将改造的生物活体与性能优越的人造材料相结合,在土壤修复中具有广阔的应用前景。常见的活体功能材料是将可降解污染物的微生物(如细菌、真菌等)固定在特定材料载体上,对污染物生物降解和环境修复表现出比传统修复方法更强的适应性。在修复土壤中的有机和重金属污染物时,利用相应材料与生物细胞相结合,使微生物细胞具有更高的耐受性,保护微生物细胞免受污染物的侵害并强化生物修复过程,获得更加出色的适应性、吸附和固定能力。这些材料可以是生物被膜,也可以是特殊的MOFs,或是生物炭、细胞纤维素等生物质材料。

目前研究较多的是使用单一菌种配合有机或无机载体对污染物进行吸附与降解,但实际污染环境相当复杂,要实现环境污染物的高效修复,需要将多学科交叉知识相融合开发各类复合材料以及多种微生物或微生物菌群协同的综合方案。一是研发具有多种生理特性和功能的可降解污染物的复合菌剂,实现在不同环境状态下或对多种污染物均可以发挥修复作用。二是进一步深入研究污染物降解机制。目前对厌氧或兼性厌氧菌的研究尚不足,可利用生物学和蛋白组学技术以促进污染物降解过程中的功能基因和关键酶结构功能的研究。三是开发新型微生物污染物修复处理工艺及设备。微生物污染物修复处理的工艺及设备对提高微生物降解苯系物的效率至关重要,工艺及设备的改进能够更好地将微生物处理技术落实到实际应用中。四是加大活体功能材料的载体材料的研究。微生物对相应污染物的吸附与降解受到其载体材料的影响,合适的载体材料可以提升微生物对相应污染物的吸附与降解效果。五是开发与微生物技术相配合的联合修复技术,如物理-生物、化学-生物修复技术等。六是降低污染物修复的成本,将研究成果转化为在实际污染治理中可以应用的产品。七是利用合成生物学手段设计构建具有特殊污染物降解基因回路的工程菌,充分发挥菌种与材料的物理化学特性,同时对有潜力的载体材料进行修饰与改造,开发高效且经济的工程活体功能材料。八是在设计工程菌时必须考虑其生物安全性,必要时在工程菌中加入相关的自杀基因控制回路或设计营养缺陷型菌株等方式,以保证其不会对生态环境造成新的风险。