零價鐵與微生物耦合修復地下水的研究進展

袁夢姣,王曉慧,趙 芳,辛 佳,2,3*（.中國海洋大學環(huán)境科學與工程學院,山東 青島 26600；2.海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點實驗室,山東 青島 26600；3.山東省海洋環(huán)境地質工程重點實驗室,山東 青島 26600）

隨著城鎮(zhèn)化和工業(yè)化的發(fā)展,大量的無機和有機污染物（例如重金屬、硝酸鹽、氯代烴等）由于處理不當進入地下水環(huán)境,超過地下水的環(huán)境承載力,從而造成嚴重的地下水污染問題.這些有毒有害的物質通過物質循環(huán)進入生態(tài)系統(tǒng)具有極高的健康和生態(tài)風險,因而地下水污染修復問題一直以來受到了廣泛的關注,尋求高效、穩(wěn)定、綠色友好的地下水修復方法成為了研究的焦點.

由于環(huán)境中大量的污染物具有氧化性,所以通過還原過程將污染物進行完全降解或者轉化為無毒形態(tài)是一種重要的修復策略.目前,國內外針對地下水污染原位修復的還原技術主要有兩大類,其一是化學還原技術,以零價鐵（zero-valent iron,ZVI）介導的化學還原技術為代表[1],其二是微生物還原治理技術[2-4],以生物刺激技術最為常用.但是,這兩類技術單獨應用都存在各自的瓶頸問題.具體來說,ZVI與水厭氧腐蝕過程中會造成H2的積累,產生的 H2是該體系的弱電子供體,可導致 ZVI的浪費,加速表面鈍化、材料失活,提高修復成本[5],同時氣體累積可能造成介質堵塞,降低修復效率[6].而原位的厭氧生物修復往往受限于可用的電子供體不足,需要向內注入外源電子供體,而氫氣是一種優(yōu)良的電子供體.近年來,零價鐵與微生物（zero-valent iron and microorganism,ZVI-BIO）耦合技術在地下水修復中備受關注.ZVI-BIO修復技術是指將ZVI通過重力或壓力的作用注入到含水層中或作為滲透性反應墻中的反應活性物質與原位微生物共同作用去除地下水中污染物的過程[7].在 ZVI-BIO耦合體系中,首先,ZVI通過改變水化學條件（例如氧化還原電位（ORP）、pH 值、溶解氧（DO）等）促進厭氧微生物的生長;其次,ZVI腐蝕產生的H2可為微生物提供電子供體,同步緩解ZVI體系中H2的累積堵塞與微生物體系中電子供體不足的問題;最后,微生物的存在通過影響鐵表面鈍化產物的組成進而影響ZVI的反應活性[8-9].以往關于ZVI-BIO體系的綜述主要側重于總結該體系對污染物的降解效果,或者 ZVI和微生物之間的交互作用[10-11],針對 ZVI-BIO體系在地下水修復中的應用總結得不夠系統(tǒng),尤其缺少對ZVI-BIO耦合體系中產物變化的討論.基于此,本文系統(tǒng)綜述了（1）ZVI-BIO體系研究中 ZVI與微生物的來源與特征;（2）ZVI-BIO耦合體系對地下水中不同污染物的去除效能及其內在機制;（3）ZVI與微生物之間的交互作用機制.同時對 ZVI-BIO耦合體系的發(fā)展前景進行了展望.

1 ZVI-BIO體系的功能材料與微生物

1.1 研究中所應用的ZVI類型及特征

1.1.1 ZVI的粒徑 鐵元素廣泛的存在于自然環(huán)境中,占地殼含量的4.75%,僅次于氧、硅、鋁,位于地殼含量的第四位[12].由于其強還原性（Eh0=－0.44V）而被廣泛的應用于地下水修復當中[13-14].目前應用于地下水污染修復中的ZVI按粒徑劃分主要包括顆粒鐵、微米鐵（microscale zero valent iron,mZVI）和納米鐵（nanoscale zero valent iron,nZVI）[15-16].ZVI粒徑的不同不僅會造成其自身物化性質的差異,同時也會對 ZVI-BIO耦合系統(tǒng)中微生物的活性產生不同的影響[17].眾所周知,ZVI的粒徑越小,比表面積越大,相應的反應活性越高;當 ZVI的粒徑由微米級減至納米級時,其比表面積可由 1m2/g增至 20～40m2/g,反應活性提高了10～1000倍以上[18].但是 nZVI在應用中也存在一些不利的方面.例如,nZVI相對于mZVI、顆粒鐵來說更容易團聚,對目標污染物的選擇性較差[16],且具有較高的微生物毒性[19].總的來說,在實際應用中不同粒徑的 ZVI各有利弊,需要根據(jù)實際應用環(huán)境和需求來調控 ZVI的粒徑,以達到最優(yōu)的修復效果.

表1 零價鐵與微生物耦合體系中零價鐵的特征Table 1 Characteristics of zero-valent iron in the ZVI-BIO coupled system

1.1.2 零價鐵的改性 ZVI,尤其是微細 ZVI顆粒之間存在相互作用力,在地下水中易于團聚,導致ZVI的活性降低;同時當 ZVI進入含水層后與原位微生物直接接觸可能產生毒害作用,不利于ZVI-BIO 體系對污染物的降解.因此,相關研究對nZVI進行了改性與修飾,在提高 nZVI的遷移性和穩(wěn)定性同時通過減少微生物與nZVI的直接接觸降低ZVI的生物毒性[25,30].目前,在ZVI-BIO體系中常用的改性 ZVI主要包括包覆型 ZVI和負載型ZVI[31-32].包覆型 ZVI,主要利用可生物降解的聚合物（例如羧甲基纖維素、聚天冬氨酸等）對ZVI進行改性,能夠增強 ZVI顆粒之間的靜電斥力從而提高ZVI的穩(wěn)定性[33],減少ZVI與微生物的直接接觸,同時為微生物提供電子供體或碳源以刺激微生物的生長與繁殖[25,30,34].Li等[33]研究了表面包覆合成聚合物和天然有機物的nZVI對微生物的毒性,結果表明裸露的nZVI對細胞有明顯的粘附作用,包覆合成聚合物或天然有機物的nZVI對細胞的粘附作用明顯減弱,從而有效地降低 nZVI的生物毒性.負載型ZVI,主要利用低毒性的吸附材料（例如生物碳）作為負載骨架,增強ZVI的分散性,同時通過吸附污染物增強污染物與ZVI之間的電子傳遞[7,34].Oh等[27]研究表明,生物碳的催化與吸附作用促進了 ZVI-BIO體系的厭氧反硝化作用然而,也有人指出改性后的ZVI可能會減少ZVI表面活性位點或阻礙ZVI與污染物之間的電子傳遞[10],進而對修復效果產生負面影響.因此,在實際場地應用前,需通過小試試驗,綜合考慮改性對ZVI遷移性、活性、壽命和生物毒性的影響,為是否在耦合體系中選用改性 ZVI提供依據(jù).

1.2 微生物來源及特征

在實際地下水修復中,往往通過注入 ZVI與原位含水層中的微生物進行耦合以達到去除污染物的目的,基于此,大量的研究普遍采用污染含水層的原位介質、從原位介質中純化出的高效菌種或者和含水層介質具有相似環(huán)境特性的其他介質作為微生物菌源開展研究.

1.2.1 原位微生物 在實際場地應用中,地下水中的微生物會因外來ZVI的刺激作用而強化活性或實現(xiàn)群落構成上的定向演化[35].Kocur等[30]研究表明,ZVI注入原位污染場地后,微生物群落豐度增加了1個數(shù)量級.為模擬真實的地下水生物環(huán)境,許多研究采用了原位污染場地含水層或沉積物中的微生物耦合ZVI進行地下水污染的修復研究,或通過長期觀察 ZVI注入后原位微生物的群落變化情況來證實原位微生物在污染物去除過程中的作用[35-38].吳乃瑾等[39]采用廢棄化工廠氯代烴污染區(qū)的第一含水層中地下水及含水層土壤作為微生物來源用以模擬真實污染場地中 mZVI與微生物耦合去除污染物的過程.Newsome等[40]采用了地下水或沉積物中的微生物來模擬實際應用中鐵納米粒子的加入對原位微生物群落的影響.Koenig等[37]采用了氯代烴污染場地的微生物作為菌種來源,并用目標污染物對微生物進行進一步的富集、馴化.

1.2.2 實驗室高效菌種 污染場地中的微生物由于長期受到污染物的馴化作用,往往具有較高的降解特定污染物的潛能.因此,實驗室研究中常選用從原位環(huán)境中已分離出的高效單菌或混菌來開展研究[41].例如,Rónavári等[17]從具有脫氯活性的厭氧菌群中分離出的脫氯微生物可以以乙酸鹽為電子供體與ZVI耦合實現(xiàn)氯代烴的徹底降解,該混菌中含有豐富的脫氯球菌、硫酸鹽還原菌以及其他各種微生物.Xiu等[42]從具有脫氯活性的產甲烷聯(lián)合體中分離出來的脫氯菌群能夠迅速將三氯乙烯（trichloroethene,TCE）脫氯為乙烯,且將該菌群用于氯代烴污染源區(qū)的生物強化,表現(xiàn)出良好的脫氯效果.

1.2.3 厭氧活性污泥 厭氧活性污泥具有與地下含水層相似的厭氧環(huán)境,可能含有豐富的與原位群落構成相近的厭氧微生物,且廉價易得.因此大量的研究選擇厭氧活性污泥作為替代性菌源開展實驗室研究.通常采用目標污染物對活性污泥進行馴化以模擬污染場地中的群落組成[43-44],當活性污泥中的混菌經過目標污染物馴化后,能夠降解目標污染物的種群成為優(yōu)勢種群[8,37].Zhong等[45]采用活性污泥作為菌源,在厭氧反應器中進行馴化使鉻還原菌成為優(yōu)勢菌群.

2 ZVI-BIO耦合體系去除污染物的作用效能及影響因素

2.1 耦合體系修復地下水中氯代烴污染

2.1.1 耦合體系對氯代烴的降解機制 氯代脂肪烴（chlorinated aliphatic hydrocarbons,CAHs）,例如TCE、三氯乙烷（trichloroethane,TCA）等作為有機溶劑、電子元件的清洗劑以及重要化工原料已被廣泛的應用于現(xiàn)代工業(yè)中,然而由于過去不當?shù)奶幚硖幹脤е麓罅康?CAHs進入地下水環(huán)境中.ZVI-BIO耦合系統(tǒng)主要有三種途徑降解 CAHs（圖 2）:（1）ZVI作為還原劑與 CAHs發(fā)生氧化還原反應,實現(xiàn)對CAHs的脫氯過程,這是 ZVI降解 CAHs的主要途徑[38,46].（2）微生物可以利用ZVI腐蝕產生的H2或水中簡單的有機物（如乙酸）作為電子供體,與作為電子受體的 CAHs發(fā)生生物氧化還原反應從而實現(xiàn)CAHs的還原脫氯[47],是氯代烴厭氧生物降解的主要途徑.（3）ZVI將 CAHs降解為簡單的中間化合物后,微生物作為后續(xù)的補充手段進一步將污染物完全降解.此外,一些微生物還可以通過共代謝的方式實現(xiàn)對CAHs的降解[38].以典型CAHs三氯乙烷為例,其可分別通過化學路徑和生物路徑進行還原,產物有所不同（圖1）.

圖1 ZVI-BIO體系對三氯乙烷的降解機制[21]Fig.1 The degradation mechanism of CAHs in the ZVI-BIO system[21]

圖2 ZVI-BIO體系對污染物的降解機制Fig.2 The degradation mechanism of pollutants in the ZVI-BIO coupled system

2.1.2 耦合體系中氯代烴的降解效率與產物構成 ZVI-BIO耦合體系對CAHs的降解是生物和化學方法共同作用的結果,且不同階段主導作用機制會發(fā)生交替性變化.在反應初始階段,ZVI與 CAHs的生物毒性作用造成生物降解滯后,此時化學還原是污染物降解的主要途徑.[48-50],隨后微生物活性恢復,將CAHs及其次級產物進一步降解[25].如表2所示,ZVI-BIO對氯代烴的降解效率與速率優(yōu)于單一的微生物體系與 ZVI體系,同時原位污染場地實驗表明,ZVI的注入刺激了原位微生物的生長代謝,促進了CAHs進一步降解[36].但ZVI的注入改變了原有的脫氯路徑,Lampron等[46]研究表明,ZVI-BIO耦合體系中ZVI的加入造成了大量有毒中間體氯乙烯的積累;考慮到 CAHs的中間產物仍具有毒性作用,因此在實際應用中,不僅需要考慮 CAHs的降解效率,同時也需要考慮中間產物的累積與最終降解產物的化學特性.相對于單一的ZVI體系,ZVI-BIO耦合體系對 CAHs的還原更加完全,最終產物中存在更多乙烯、乙烷等非氯代化合物[52],相對于單一的微生物體系,ZVI-BIO耦合體系可以有效縮短 CAHs的降解時間.如表3所示,相關研究進行了ZVI-BIO耦合體系修復氯代烴污染的場地實驗,將 ZVI原位注入污染場地刺激原位微生物的脫氯作用,以實現(xiàn)氯代烴的高效降解,結果表明,ZVI的加入有效的刺激了原位脫氯菌的生長,同時地下水中的氯代烴的降解率達到了90%以上[21,29].

表2 零價鐵與微生物耦合體系對氯代烴的去除效率Table 2 CAHs removal efficiency in the ZVI-BIO coupled system

表3 零價鐵與微生物耦合體系降解氯代烴的場地應用Table 3 Field application cases of the ZVI-BIO coupled system to remediate CAHs pollution

2.2 耦合體系對重金屬的去除效能

2.2.1 耦合體系對重金屬的去除機制 在工礦業(yè)生產、農業(yè)施肥和再生水回灌等過程中,許多重金屬（例如 Cu、Cr、Zn等）會隨地表徑流下滲進入地下水中,造成地下水中重金屬含量超標,給自然環(huán)境與人體健康造成極大危害.重金屬的毒性不僅與其含量相關,還受到其生物可利用性的影響.ZVI-BIO耦合系統(tǒng)可通過轉變重金屬的價態(tài)或形態(tài)來降低其生物可利用性,進而實現(xiàn)對重金屬污染的修復,將重金屬由毒性較大的價態(tài)轉化為低毒性的價態(tài)或以沉淀、共沉淀的形式將其固定以減少毒性、降低生物可利用性.如圖2所示,ZVI-BIO耦合體系對重金屬的去除機制主要包括:（1）ZVI及其腐蝕產生的二價鐵作為還原劑還原一些重金屬（例如 Cu（II）、Cr（VI）、Cd（II）、Pb（II）等）,并進一步與水中游離的氫氧根結合形成難溶性的沉淀[26,34].（2）ZVI與水或氧反應生成的氫氧根離子和鐵氧化物與重金屬結合形成低溶性或不溶性的沉淀[54-55].（3）微生物可以將ZVI的腐蝕產物轉化為綠繡（Green rusts,GR）、磁鐵礦、針鐵礦等具有一定的吸附能力的活性物質,能夠吸附重金屬并將其包覆在ZVI表面的氧化膜中形成不溶性沉淀[26].（4）微生物（例如產甲烷菌、產乙酸菌、硫酸鹽還原菌（sulfate reducing bacteria,SBR）等）能夠以 H2作為電子供體將重金屬直接還原為低毒性的價態(tài),或者微生物的代謝產物（例如鐵還原菌（iron reducing bacteria,IRB）的還原產物二價鐵）也可將高價態(tài)的重金屬間接還原.同時,一些特殊的微生物,例如SBR,可以將地下水中的硫酸鹽還原為H2S、HS-、S2-等陰離子,并與重金屬離子形成沉淀,此過程稱為生物還原沉淀.（5）微生物細胞內的多肽、蛋白質等能夠與重金屬離子相結合,進而沉淀在細胞內部或通過分泌胞外聚合物（extracellular polymeric substance,EPS）與重金屬螯合從而降低重金屬的毒性,此過程稱為生物吸附.

2.2.2 耦合體系中重金屬的去除效率與產物構成ZVI與微生物的協(xié)同作用增強了ZVI-BIO體系對重金屬的去除率與去除速率,如表 4所示,耦合體系對重金屬的去除效率優(yōu)于單一微生物或 ZVI體系.湯潔等[56]研究了鐵屑與微生物協(xié)同條件下對鉻的去除作用,結果發(fā)現(xiàn)ZVI-BIO體系在18h內對Cr（VI）的去除率達到了100%,單一微生物體系在18h內對Cr（VI）的去除率為60%,30h內去除率為77%,單一的ZVI體系在9h對Cr（VI）的去除率為22%,30h后仍然是28%左右,且ZVI-BIO耦合體系中二價鐵的含量高于 ZVI體系的二價鐵含量.另外,Yin等[33]研究發(fā)現(xiàn)ZVI-BIO耦合體系中,鐵活性礦物（例如綠繡、纖鐵礦等）含量明顯高于單一的 mZVI體系,耦合體系對 Cr（VI）的去除效率是單一 ZVI體系的 4.3倍,且相較于單一 ZVI體系具有更長的使用壽命;說明微生物增強了ZVI的反應活性,從而使ZVI-BIO體系更適用于重金屬的去除.ZVI與微生物之間的交互作用會引起鈍化物和微生物代謝活性的改變,因此造成 ZVI-BIO耦合體系中重金屬的最終含量與形態(tài)相較于單一體系存在差異.大量的研究表明,ZVI-BIO耦合體系對重金屬的去除產物的穩(wěn)定性高于單一體系[14,58-59].Li等[59]發(fā)現(xiàn)ZVI與SBR耦合體系中,SBR產生的硫化物會與重金屬結合形成難溶性沉淀或與鐵腐蝕產物形成硫化鐵沉淀,硫化鐵進一步與重金屬螯合形成穩(wěn)定性更強的沉淀.方一莉等[60]研究表明ZVI-BIO協(xié)同體系中64%的高毒性、可生物利用的易溶態(tài)Cr（VI）轉變?yōu)殂t鐵氧化物和鉻鐵氫氧化物,隨后的鐵礦物轉化過程中嵌入晶相,從而以低毒害、難生物利用的難溶態(tài)沉淀穩(wěn)定在固相中.

表4 零價鐵與微生物耦合體系對重金屬的去除效率Table 4 Heavy metals removal efficiency in the ZVI-BIO coupled system

2.3 耦合體系對硝酸鹽的去除效能

2.3.1 耦合體系對硝酸鹽的去除機制 由于工業(yè)廢水、生活污水的排放以及農業(yè)中含氮肥料的過量使用,導致地下水硝酸鹽濃度持續(xù)增加,使得眾多地區(qū)存在地下水硝酸鹽超標的問題;硝酸鹽在人體內經硝酸鹽還原酶作用生成亞硝酸鹽,亞硝酸鹽與多種癌癥有關,并增加了嬰兒高鐵血紅蛋白血癥等疾病的風險.ZVI-BIO耦合體系對硝酸鹽的轉化機制主要如下[61-62]:首先,ZVI對硝酸鹽的還原作用,具體可用式（1）～式（3）來描述,其中銨根（NH4+）為 ZVI的主要還原產物[31];其次,反硝化細菌通過一系列的還原酶將硝酸鹽（NO3-）和亞硝酸鹽（NO2-）還原為氣態(tài)氮氧化物和氮氣（N2）的過程,根據(jù)碳源的不同可分為自養(yǎng)反硝化和異養(yǎng)反硝化[2,63],其反應式見式（5）～式（6）;另外,ZVI與水反應生成氫氣可作為氫自養(yǎng)反硝化菌的電子供體,從而彌補了地下水中電子供體的不足[15],促進了微生物的反硝化作用,其反應見式（4）～式（5）.

2.3.2 耦合體系中硝酸鹽的去除效率與產物構成 相關研究表明,在不存在電子供體的情況下,微生物幾乎不能還原硝酸鹽[64],這成為硝酸鹽污染生物修復的屏障.而ZVI能夠快速、高效地還原硝酸鹽,但ZVI去除硝酸鹽的主要產物為氨氮,容易造成二次污染同時會對微生物產生毒害作用[65].ZVIBIO耦合體系可在一定程度上緩解以上單一系統(tǒng)中存在的問題.如表5所示,ZVI-BIO耦合體系對硝酸鹽的去除效率高于單一體系[15,64],在保證耦合體系去除效率的前提下,往往需要調控外在條件的改變以減少耦合體系中氨氮的產生.Till等[62]認為耦合體系中存在生物與化學反應的動力學競爭,ZVI的活性越高越不利于微生物反硝化的進行,進而造成大量氨氮的產生.ZVI-BIO耦合體系對硝酸鹽的去除存在適應階段與對數(shù)階段[15],反應初期的化學還原可能是 ZVI的生物毒性抑制了污染物的生物降解[63,66-67],或者是微生物的存在促進了ZVI與水之間的反應,阻礙了ZVI與硝酸鹽之間的電子傳遞,從而減少了氨氮的生成[31].An等[66]研究了耦合系統(tǒng)對硝酸鹽的去除,結果發(fā)現(xiàn)在反應前 4d,近 53%的硝酸鹽被去除,大部分被還原成氨氮,而這一時期生物量未見明顯的增加,表明非生物還原是這一時期硝酸鹽去除的主要機制,4d后生物量明顯增加,且在硝酸鹽去除過程中未見大量的氨氮生成,這可能是因為氫自養(yǎng)反硝化細菌吸附在 ZVI表面或改變ZVI表面的鈍化產物構成阻礙了ZVI與硝酸鹽之間的電子轉移.

表5 零價鐵與微生物耦合體系對硝酸鹽的去除效率Table 5 Nitrate removal efficiency in the ZVI-BIO coupled system

2.4 耦合系統(tǒng)對污染物去除效率的影響因素

先前的研究表明,很多因素都會對 ZVI-BIO體系的降解效率產生影響,例如污染物的類型、ZVI的粒徑和濃度、微生物所需的碳源、pH值、溫度、地下水中共存的有機物和無機物等[69].關于影響ZVI-BIO耦合體系的降解效率的各個因素,此前已有論文詳細介紹了單個影響因子的影響規(guī)律[11,49],因此本文僅從材料本身與環(huán)境因素兩個方面進行概要性總結,并對此前未被提及的其他影響因素（例如微生物含量）進行補充.

2.4.1 材料自身特性的影響 在 ZVI-BIO體系中,ZVI自身的參數(shù)特征和微生物的變化都會對該體系的降解效率起著關鍵性的作用.ZVI的粒徑和濃度是ZVI-BIO體系的重要影響因素.一方面,nZVI相對于 mZVI和顆粒鐵來說比表面積較大,活性位點多,腐蝕速率高[10,70].另一方面,ZVI的粒徑越小,濃度越高,毒性越大[26,43]進而影響耦合體系對污染物的降解效率[71].Kumar等[72]研究發(fā)現(xiàn)當nZVI的濃度高于0.5g/L時,SBR的活性受到了抑制.Yin等[43]研究表明當ZVI的濃度在1～3mg/L時,隨著ZVI濃度的增加,耦合系統(tǒng)的去除效率逐漸增加.因此,選擇合適的ZVI粒徑與濃度會提高ZVI-BIO體系對污染物的去除效率.

微生物的濃度（生物量）也會對ZVI-BIO耦合系統(tǒng)產生一定的影響.一方面,生物量的大小影響微生物對污染物吸附的能力[27];另一方面,生物量的增多會增強微生物對污染物的還原去除作用,但是過多的微生物可能會吸附在 ZVI表面,從而阻礙了污染物與ZVI之間的電子傳遞,減少ZVI表面的活性位點[15].An等[66]研究表明在OD422為0.009～0.026時生物量的增加會使反硝化細菌對硝酸鹽的競爭增強從而減少了氨氮的生成,但生物量過多會受限于電子供體的不足而減慢微生物的生長.

2.4.2 環(huán)境因子的影響 對 ZVI-BIO體系可產生影響的環(huán)境因子主要包括pH值、DO、溫度、有機物、無機物等,其影響主要體現(xiàn)在幾個方面:（1）影響微生物的生長與繁殖,pH值、溫度是影響微生物活性的重要因素,過高或過低的溫度、pH值都不利于微生物的生長與繁殖,進而影響微生物對污染物的降解效率[43,73].Yin等[43]研究表明,當ZVI-BIO耦合系統(tǒng)的pH值從6降到5時污染物的去除率隨之降低,這可能是較低的 pH 值抑制了微生物的活性.而地下水中部分有機物的存在,例如腐殖酸、富里酸等能夠為微生物的生長提供碳源與電子供體從而促進微生物對污染物的去除.（2）影響 ZVI的腐蝕程度與活性位點.例如,有機物、無機物能吸附在 ZVI表面從而阻礙其與污染物之間的電子傳遞,或與 ZVI腐蝕產物結合改變其構成從而影響修復效率.此外,研究發(fā)現(xiàn)腐殖酸能夠與ZVI腐蝕產物發(fā)生螯合作用形成復雜的產物從而阻礙ZVI與目標污染物的反應,降低污染物去除效率.高濃度的硝酸鹽會與氧化鐵絡合形成鈍化層阻礙污染物與ZVI之間的電子傳遞,從而影響污染物的降解效率[49,74].地下水并不是嚴格的厭氧環(huán)境,溶解氧的存在可能會加速 ZVI的腐蝕從而影響污染物的非生物降解,同時,在耦合體系中,溶解氧作為微生物的電子供體可以被微生物迅速利用,從而減緩了DO對零價鐵腐蝕的影響[43].（3）與目標污染物競爭電子供體.地下水中存在許多其它電子受體,例如硝酸鹽、硫酸鹽、碳酸鹽等,會與污染物競爭電子供體,從而影響目標污染物的降解效率.Barnes等[47]發(fā)現(xiàn)在濃度為1200mg/L的硫酸鹽存在時,硫酸鹽還原菌利用電子供體的能力強于脫氯菌,從而會優(yōu)先降解硫酸鹽,從而降低污染物的去除效率.

3 零價鐵與微生物耦合體系的內在交互作用機制

ZVI-BIO耦合體系對于污染物的降解效率普遍高于單一的微生物系統(tǒng)和 ZVI系統(tǒng),但是耦合體系的去除效率并不是簡單的疊加關系,而是相互作用的結果[8].ZVI與微生物之間的交互作用能夠有效的解決ZVI表面鈍化層和微生物缺少電子供體的問題,但同時也會以某些方式彼此抑制.因此,了解 ZVI與微生物之間的交互作用機制有助于準確評價ZVI-BIO系統(tǒng)在實際過程中的可行性.ZVI與微生物的交互作用如圖3所示.

圖3 零價鐵與微生物之間的交互作用Fig.3 Interaction between zero-valent iron and microorganisms

3.1 零價鐵對微生物作用的促進機制

3.1.1 零價鐵改變了水化學條件 ZVI-BIO耦合系統(tǒng)中ZVI可以通過改變pH值、ORP等水化學條件從而為微生物提供更有利的環(huán)境來增強微生物自身的生長活性以及群落多樣性[14,47].Zhang等[14]對比了單一微生物系統(tǒng)與ZVI-BIO系統(tǒng)中ORP的變化,ZVI的存在消耗了水中的DO、降低了水中的ORP,從而為 SBR生長和硫酸鹽還原活性的增強創(chuàng)造了更有利的厭氧環(huán)境.

3.1.2 零價鐵為微生物提供電子供體 ZVI可通過直接或間接的方式為微生物提供電子供體以促進微生物對污染物的降解.首先,ZVI可以為微生物提供電子供體從而促進微生物的生長與繁殖[47,75-76].1987年首次證明了 ZVI在微生物利用二氧化碳產甲烷的過程中可作為微生物的電子供體[77].其次,ZVI可以與水反應產生 H2供微生物利用[66,78],1998年Till等[62]通過自制連頸瓶實驗證明了ZVI產生的H2可以作為氫自養(yǎng)反硝化菌的電子供體來促進反硝化菌對硝酸鹽的去除.但是ZVI腐蝕產生H2的量可能會影響微生物的群落結構,這是因為不同的微生物有不同的氫閾值,當ZVI的濃度為1g/L時,雖然抑制了脫氯菌的生長但是卻大大促進了產甲烷菌的生長,可能是由于ZVI腐蝕產生了大量的H2達到了產甲烷菌的氫閾值,從而更適合產甲烷菌的生長.此外,ZVI腐蝕產生的Fe2+也可以作為微生物的電子供體,研究表明,Fe2+與微生物的耦合體系在 14d內可將 80%的硝酸鹽還原,而單一的 Fe2+系統(tǒng)并沒有觀察到硝酸鹽的還原,表明 Fe2+可以作為微生物還原硝酸鹽的電子供體[64].

3.1.3 零價鐵降低了污染物的生物毒性 地下水中污染物大多數(shù)會對微生物產生很大的毒害作用,在ZVI-BIO耦合體系中,通過ZVI對污染物的化學還原可以快速去除一部分污染物,從而降低污染物對微生物的毒性作用,縮短微生物的適應期以強化微生物對污染物的降解作用;另外,ZVI腐蝕產生Fe2+、鐵氧化物也可以通過絮凝、沉淀、還原的作用去除污染物從而減輕污染物對微生物的毒害作用[79].

3.2 零價鐵對微生物作用的抑制機制

ZVI對微生物的不利影響主要是源于其對微生物的細胞毒害作用.ZVI與微生物直接接觸會破壞微生物細胞膜結構,使細胞膜通透性增加,外部離子進入細胞內造成 DNA和蛋白質的損害[80-82];同時ZVI的加入生成的內源性活性氧引起細胞的氧化應激反應,使細胞蛋白質和核酸變性后造成細胞失活[83].相關研究采用掃描電鏡和透射電鏡對細胞形態(tài)進行分析,結果表明經過nZVI處理的微生物細胞表面黏附的大量表面粗糙多孔的 ZVI顆粒,且細胞分裂明顯,說明 ZVI破壞了細胞膜結構,從而導致細胞失活[80].但是,ZVI對微生物的抑制作用是階段性的,在耦合體系中,前期因為 ZVI的毒性作用會抑制微生物的生長,但隨著ZVI逐漸鈍化在ZVI表面形成鈍化膜,其生物毒性逐漸減弱后微生物可以恢復其活性[63].

3.3 微生物對零價鐵作用的促進機制

ZVI表面腐蝕產物的產生是影響ZVI活性的關鍵原因,腐蝕產物的產生會影響 ZVI與污染物之間的電子轉移,從而影響ZVI的反應活性.在ZVI-BIO系統(tǒng)中,一些微生物的存在能夠清除 ZVI表面的腐蝕產物恢復零價鐵的活性中心[13,84],進而提高了耦合系統(tǒng)對污染物的降解效率,延長 ZVI的使用壽命[84].Gerlach等[85]研究表明,鐵還原菌能夠將 ZVI表面的 Fe3+還原為Fe2+,破壞 ZVI表面的鈍化層,提供了更多的活性位點促進 ZVI對污染物的降解,其還原產物 Fe2+能夠進一步用于污染物的降解[84].此外,微生物可以改變 ZVI表面鈍化產物的構成,誘導ZVI腐蝕產生高活性礦物（例如綠繡、纖鐵礦、磁鐵礦等）來吸附降解污染物[86],據(jù)報道,綠繡中含有75%的 Fe2+化合物,且比其溶解性的 Fe2+更具反應性[45].Yin等[26]研究表明ZVI-BIO體系中ZVI表面產生了活性較高的礦物質,這些物質能夠吸附并還原Cr（VI）,同時提高了污染物與 ZVI之間的電子傳遞.最后,在微生物新陳代謝過程中會產生大量的酸性物質降低體系的pH值,使ZVI表面氧化膜溶解,從而恢復ZVI的反應活性.

3.4 微生物對零價鐵作用的抑制機制

微生物對ZVI的抑制作用主要是微生物阻礙了ZVI與污染物之間的電子轉移.首先,在ZVI-BIO耦合體系中,微生物吸附在ZVI表面減少了ZVI表面的活性位點,阻礙了污染物與 ZVI之間的電子轉移[13].其次,一些微生物的存在可能會加劇ZVI表面的鈍化,改變ZVI表面鈍化產物的構成,誘導ZVI腐蝕產生非晶態(tài)鐵氧化物,從而影響 ZVI與污染物之間的電子傳遞[26,63,74],降低 ZVI的反應活性.Honetschl?gerová等[13]研究了IRB對nZVI去除TCE的影響,結果發(fā)現(xiàn)在 ZVI-BIO耦合體系中產生了低溶性或不溶性的FeOOH阻礙了污染物與ZVI之間的電子轉移,降低了ZVI對TCE的去除率.An等[63]研究表明單一 ZVI系統(tǒng),鈍化產物主要由 Fe3O4和Fe2O3組成,而在微生物的存在下,其鈍化產物轉變?yōu)榉蔷B(tài)的 FeOOH,鈍化產物的改變影響了硝酸鹽與 ZVI之間的電子轉移,從而抑制了硝酸鹽的化學還原.

4 結語

雖然 ZVI-BIO耦合技術在地下水修復方面具有很大的潛力,但仍存在一些問題與挑戰(zhàn)需要進一步研究.

（1）大多數(shù)研究表明ZVI的粒徑、濃度、含量等特征參數(shù)可以影響 ZVI-BIO耦合系統(tǒng)的降解效率,但是關于如何通過調控注入ZVI的相關參數(shù)來定向激發(fā)原位生物過程的研究尚少,因此,今后研究中應加強通過調控注入 ZVI的特征參數(shù)（粒徑、濃度、含量、修飾與改性）來定向優(yōu)化ZVI-BIO耦合系統(tǒng)修復效率的相關研究.

（2）地下水系統(tǒng)是一個復雜的環(huán)境,往往存在著多種有機或無機組分,其中某些共存的電子受體（例如硝酸鹽、硫酸鹽等）會與污染物競爭電子,從而影響污染物的去除效率,因此,在研究中需要關注這些共存電子受體對目標污染物的電子競爭問題,以期提高耦合系統(tǒng)的去除效率.

（3）ZVI-BIO耦合體系對污染物的去除效能不是生物-非生物作用的簡單疊加,而是相互影響的結果.但是目前針對耦合體系強化去除污染物的內在機制尚未形成統(tǒng)一的認識.為了從微觀上闡釋耦合體系強化修復的內在原理和從理論上指導耦合體系的自驅動激發(fā)過程,需要精確診斷和深入解析地下含水層中ZVI和微生物之間交互驅動的關鍵作用過程.

（4）目前,在針對ZVI-BIO耦合體系修復效果進行評估和優(yōu)化時,多是以污染物的去除效率與去除速率作為關鍵指標,而忽略了該環(huán)境下可能產生的所有產物構成及其引發(fā)的環(huán)境效應.因此,在研究中需要關注不同條件下耦合體系對污染物去除的產物差異以及產物的環(huán)境效應.