生物炭固定化微生物技術(shù)在去除水中污染物的應(yīng)用研究進(jìn)展

張?zhí)?，肖嘉慧，胡鳳潔

華南理工大學(xué)環(huán)境與能源學(xué)院，廣東 廣州 510006

中國實行人口計劃生育之前，人口爆發(fā)增長，隨著人口增長、城市化和工業(yè)化的快速發(fā)展，水環(huán)境污染與水資源短缺已成為人們?nèi)找骊P(guān)注的問題。造成水污染的原因包括生活污水、工業(yè)廢水、農(nóng)業(yè)尾水排放等方面，對生態(tài)環(huán)境與人類健康構(gòu)成了嚴(yán)重威脅（陳永焦，2010）。研發(fā)水污染控制技術(shù)，從源頭上解決水污染問題是目前面臨的主要任務(wù)。生物炭吸附和固定化微生物技術(shù)被認(rèn)為是兩種可行的、成本效益高、生態(tài)友好的水污染治理技術(shù)。

生物炭源于亞馬遜河流域的terra preta黑土，土壤中的有機(jī)物在缺氧環(huán)境中悶燒產(chǎn)生的碳使土壤變黑（Marris，2006）。因此，厭氧或缺氧的條件下，木質(zhì)原料、農(nóng)業(yè)秸稈等廢棄的原材料經(jīng)一定的高溫裂解獲得的富含碳的固體材料，具有比表面積大、孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)、芳香化程度高等特點(diǎn)（Frankel et al.，2016；程揚(yáng)等，2018）。生物炭的制備方法多種多樣，包括常規(guī)碳化或緩慢熱解、快速熱解、快速碳化和氣化（Manyà，2012）。生物炭可作為一種生物燃料，是僅次于煤炭和石油燃料的第三大一次能源，也可作為農(nóng)業(yè)土壤改良劑，提高土壤養(yǎng)分保持和持水的能力，改善土壤環(huán)境，并將碳儲存在土壤中，從而減少溫室氣體（GHG）的排放（Akolgo et al.，2018）。在催化方面，生物炭表面的官能團(tuán)顯示出催化性能，其中含—SO3H基團(tuán)的生物炭是一種廣泛應(yīng)用于各種化學(xué)反應(yīng)的非金屬催化劑（Liu et al.，2015）。此外，生物炭也是一種具有良好吸附性的吸附劑，在去除水中污染物的方面有許多研究（Tan et al.，2015），如去除水中重金屬（王向前等，2016）、有機(jī)染料、酚類物質(zhì)（張娛等，2019）、硝酸鹽和抗生素（徐家伊等，2019）等污染物。

固定化微生物技術(shù)始于1959年，是以樹脂作為載體吸附固定大腸桿菌（Escherichia coli）（Hattori et al.，1959）。固定化微生物技術(shù)是一種利用物理或化學(xué)手段將游離微生物限定在特定區(qū)域內(nèi)、使微生物高度密集且保持較高的生物活性、能反復(fù)使用的新型生物工程技術(shù)。固定的微生物最常見的是真菌或細(xì)菌（Girijan et al.，2019）。固定化微生物技術(shù)現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于水環(huán)境的治理，在重金屬的去除、有機(jī)污染物的降解和生物脫氮等方面有大量的研究，也取得了重大進(jìn)展（黃真真等，2015）。

在1967年，Parkhurst et al.（1967）發(fā)現(xiàn)在炭床內(nèi)的微生物有利于降低有機(jī)物含量，這首次肯定了微生物在活性炭上生長的有利性。之后，含炭材料經(jīng)常被用作降解有機(jī)污染物的微生物固定化載體，其中，生物炭作為一種新型載體接種微生物進(jìn)行固定化在最近幾年興起，并應(yīng)用于廢水處理。本文將回顧和分析已發(fā)表的關(guān)于生物炭固定化微生物技術(shù)應(yīng)用于去除水中污染物的研究。內(nèi)容主要包括：（1）介紹固定化方法、固定化載體以及生物炭作為載體在固定化微生物技術(shù)中的應(yīng)用；（2）生物炭固定化微生物技術(shù)在去除水中污染物的應(yīng)用及其作用機(jī)制和影響因素；（3）對生物炭固定化微生物技術(shù)的未來研究提出問題并進(jìn)行了展望。

1 固定化技術(shù)及生物炭在固定化技術(shù)中的應(yīng)用

1.1 微生物固定化方法及其應(yīng)用

與酶的固定化方法一樣，迄今為止沒有理想且通用的固定化所有類型微生物的方法。必須針對特定的細(xì)胞、產(chǎn)物性質(zhì)，選擇合適的固定化方法。固定化微生物技術(shù)可分為三類：吸附法、交聯(lián)法和包埋法（居乃琥，2011）409，其中用的最多的方法為吸附法和包埋法。

吸附法又稱載體結(jié)合法，是通過物理吸附、化學(xué)或離子結(jié)合等方法，將微生物吸附固定于非水溶性載體。生物載體與微生物的粘附可能有兩種方式，一種是與細(xì)菌細(xì)胞之間的物理吸附作用，二種是與細(xì)菌細(xì)胞外分泌物之間的交聯(lián)粘附作用。Wang et al.（2015）從石油污染海水中篩選出具有石油降解性能的ODB-1、ODB-2和ODB-3 3個菌株，隨后將細(xì)菌固定在3種生物載體（膨脹石墨、膨脹珍珠巖和竹炭）上。研究發(fā)現(xiàn) ODB-1通過胞外多糖與生物載體具有較強(qiáng)的結(jié)合作用，而 ODB-2和ODB-3則通過直接物理吸附作用與生物載體結(jié)合。在培養(yǎng)6 d后，柴油總?cè)コ蔬_(dá)85%以上。Deng et al.（2016）研究了用氫氧化鈉和過氧化氫溶液處理過的花生殼粉吸附固定Mycobacterium gilvum CP13用于芘（PYR）生物修復(fù)，研究發(fā)現(xiàn)即使在50 mg·L?1的高 PYR濃度下，改性花生殼粉固定化細(xì)菌也能顯著提高PYR的生物降解率。

包埋法主要是通過將目標(biāo)微生物包埋在具有多孔結(jié)構(gòu)載體的內(nèi)部中或利用一些高分子有機(jī)物在形成凝膠狀態(tài)時將微生物包埋在其內(nèi)部進(jìn)行固定化。其中，采用海藻酸鈣固定化微生物是一種常用的包埋法，當(dāng)海藻酸鈉懸液與Ca2+接觸時，兩者之間發(fā)生離子性交聯(lián)而形成高聚物的網(wǎng)架，其中60%的水和微生物細(xì)胞便被海藻酸鈣凝膠所包圍。Wang et al.（2019）使用海藻酸鈣固定化土著菌和外源菌進(jìn)行了三環(huán)（菲）和四環(huán)多環(huán)芳烴（熒蒽）的生物降解研究。并且研究發(fā)現(xiàn)，在沉積物漿態(tài)反應(yīng)器中，固定化土著菌對三環(huán)和四環(huán)多環(huán)芳烴的去除率分別為63.16%和56.94%，均高于固定化外源菌的去除率。Ting et al.（2013）研究海藻酸鈉固定化EM菌對金屬的去除，結(jié)果發(fā)現(xiàn)固定化EM菌和未固定 EM 菌的海藻酸鈉珠有相似的金屬去除效果，這表明海藻酸鈉是生物吸附劑中的核心基質(zhì)。

交聯(lián)法是通過物理或化學(xué)的方式，利用雙功能或多功能試劑，使得微生物的細(xì)胞膜與載體表面基團(tuán)發(fā)生反應(yīng)而交聯(lián)固定，通過共價鍵形成穩(wěn)定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的一種方式。其中，最常用的交聯(lián)劑是戊二醛，它很易與伯胺發(fā)生縮合反應(yīng)形成Schiff堿（居乃琥，2011）409。鄭建永等（2017）利用聚乙烯亞胺/戊二醛交聯(lián)法固定化重組酯酶大腸桿菌 E.coli BL21細(xì)胞，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)孜餄舛葹?00 mmol·L?1時，固定化細(xì)胞重復(fù)使用 15批次后，其相對酶活仍能保留在80%以上。但是，交聯(lián)劑對于微生物的活性有著很大的損傷，且一般價格較高，因此在大多情況下與吸附法和包埋法結(jié)合使用。

1.2 固定化載體的選擇

任何成功的固定化過程中載體材料都擔(dān)任至關(guān)重要的角色，而合適的載體材料應(yīng)具有良好的穩(wěn)定性、生物相容性和不能干擾生物分子等特點(diǎn)（王里奧等，2004）。目前，有3種主要類型的固定載體材料：有機(jī)聚合物載體、無機(jī)載體和復(fù)合載體（Datta et al.，2013）。

有機(jī)聚合物載體可以分為天然高分子載體和合成有機(jī)高分子載體。天然高分子凝膠載體的特點(diǎn)是無毒，但是它們存在著機(jī)械強(qiáng)度較低、易降解、傳質(zhì)差、壽命短等缺點(diǎn)，例如海藻酸鈉（Sarma et al.，2010）、瓊脂、明膠、纖維素（Chandran et al.，2011）等；合成聚合物凝膠載體一般強(qiáng)度較高，但是會使微生物的活性受到限制，物質(zhì)傳遞效果也較弱，例如聚丙烯酰胺、聚乙烯醇（Liu et al.，2009）、殼聚糖（Jó?wiak et al.，2017）、聚氨酯泡沫等。Li et al.（2019）建立了一種高效、穩(wěn)定的聚氨酯泡沫固定化細(xì)胞（Alcaligenes sp.DN25）體系去除氰化物。結(jié)果發(fā)現(xiàn)固定化細(xì)胞的表觀速率常數(shù)（k）較高，這表明吸附和生物降解的協(xié)同作用顯著提高了氰化物的去除率。王俊峰等（2014）將聚乙烯醇和海藻酸鈉作為包埋劑對Acinetobacter sp.NG3進(jìn)行包埋固定化研究，在最佳處理條件下對抗生素廢水COD去除率達(dá)85%以上。

無機(jī)載體的種類較多，如沸石、陶瓷（Martín et al.，2000）、二氧化硅、玻璃（Castorena et al.，2008）、活性炭（Dash et al.，2008）、木炭等。無機(jī)載體具有利于物質(zhì)輸送的大孔結(jié)構(gòu)、機(jī)械強(qiáng)度大、對微生物無毒性等特性，但是無機(jī)載體對游離菌的吸附能力有限，而且多孔玻璃、多孔陶瓷等需要經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)，存在能耗高、耗原料等缺點(diǎn)。其中，活性炭作為固定化載體能夠吸附高濃度的底物，并逐漸釋放出來供微生物降解，從而起到微生物緩沖作用。Ng et al.（2004）采用活性炭吸附固定微生物的顆粒去除硫化氫（H2S）。研究發(fā)現(xiàn)，固定化細(xì)菌對H2S的去除是物理和化學(xué)吸附以及生物降解的相互作用。Qiao et al.（2010）研究了竹基活性炭固定化Paracoccus sp.KT-5對吡啶的降解性能。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與自由懸浮細(xì)胞相比，固定化細(xì)胞對吡啶降解率效率顯著提高。

復(fù)合載體是有機(jī)載體和無機(jī)載體的復(fù)合而成，它們在性能上得到互補(bǔ)，有助于改善載體適用性（Song et al.，2012）?；钚蕴坷w維是繼粉狀活性炭和粒狀活性炭（GAC）之后的第3種類型的活性炭，它與前兩種相比，不僅具有單位質(zhì)量的吸附容量大的特點(diǎn)，而且吸附和脫附速度都偏快（Ma et al.，2013）。有研究以海藻酸鈣（CA）和活性炭纖維（ACF）為復(fù)合材料設(shè)計了一種新型的復(fù)合基質(zhì)，用于固定Pseudomonas oleovorans DT4來降解四氫呋喃（THF）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)用CA-ACF固定化細(xì)胞在填料床反應(yīng)器中連續(xù)流處理含THF廢水54 d后，THF的去除率達(dá)到90%，這是CA-ACF顆粒的吸附與生物降解協(xié)同作用的結(jié)果（Chen et al.，2013）。

1.3 生物炭作為微生物固定化載體的應(yīng)用

生物炭具有理想固定化載體的許多特性，具有比表面積大、多孔結(jié)構(gòu)、明顯的生物和化學(xué)穩(wěn)定性等特點(diǎn)（Manyà，2012），正逐漸成為一種有前途的微生物固定化的載體材料。從微生物的角度來看，生物炭的孔隙空間和孔表面性質(zhì)是決定其物理棲息地質(zhì)量的主要因素，尤其是孔隙的連通性，其決定了對微生物生命至關(guān)重要的含水、含營養(yǎng)溶液的可及性（Schnee et al.，2016）有大量的研究表明，生物炭相比于其他載體而言更加適宜微生物的生長，它可保持微生物的細(xì)胞活性，從而提高微生物的降解效率，同時生物炭比表面積越大，其固定化的微生物量越多（齊丹等，2016；Schwede et al.，2017；Huang et al.，2020a）。同時，生物炭可作為導(dǎo)電材料可以促進(jìn) DIET（微生物種間直接電子傳遞），從而提高甲烷生成率（Wang et al.，2018）和增強(qiáng)微生物在鐵（0）存在下對硝酸鹽的厭氧生物轉(zhuǎn)化（Oh et al.，2016）。有其他研究發(fā)現(xiàn)，生物炭的比表面積越大，其微生物的活性不一定越強(qiáng)，在兩種生物炭中接種真菌探究其對微生物定殖的潛在影響，相比木材生物炭，芒生物炭具有更大的孔隙和更高的連通性，但卻發(fā)現(xiàn)木材生物炭中分離出的微生物數(shù)量更豐富，增殖速度快，其主要原因在于腐生真菌對木材生物炭有更強(qiáng)烈定殖作用，微生物對木材生物炭的偏好勝過芒生物炭（Schnee et al.，2016）。因此，在固定化微生物技術(shù)中，要根據(jù)微生物的偏好選擇適宜的生物炭作為載體是十分重要的。

直接從生物質(zhì)熱解中獲得的生物炭的表面官能團(tuán)和孔隙率有限，所以在熱處理過程中產(chǎn)生的生物炭通常經(jīng)過改性以調(diào)節(jié)其性質(zhì)。通過氧化、胺化、磺化和復(fù)合調(diào)整表面功能，豐富的官能團(tuán)（如C=O、酚羥基、羧基和氨基）、金屬納米粒子和無機(jī)納米結(jié)構(gòu)都可以引入生物炭表面，來調(diào)節(jié)生物炭的表面功能性和孔隙率，以提高其最終應(yīng)用的適用性（Liu et al.，2015；Xiao et al.，2018）。Li et al.（2017）利用吸附法固定化微生物，通過正交試驗確定最佳固定化參數(shù)。研究發(fā)現(xiàn)，通過MgCl2改性的生物炭的比表面積遠(yuǎn)高于未改性的生物炭，羧基和羥基等官能團(tuán)含量也增多，有利于微生物的快速固定化，提高載體與微生物的結(jié)合強(qiáng)度。

此外，人們越來越關(guān)注使用環(huán)保材料作為支持，而生物炭的低成本和簡單的生產(chǎn)使其比其他固定化載體具有更大的優(yōu)勢（Pandey et al.，2020）。與此同時，生物炭固定化微生物材料可以反復(fù)多次使用，從而節(jié)省成本。生物炭固定化微生物技術(shù)適用于土壤修復(fù)（Zhang et al.，2019；劉玉玲等，2020；Sun et al.，2020；Wahla et al.，2020）、工業(yè)廢水的處理、促進(jìn)生物產(chǎn)氣（Schwede et al.，2017；Wu et al.，2019；Yang et al.，2020）等，這是一項很有潛力的生物技術(shù)。

2 生物炭固定化微生物在去除水中污染物的應(yīng)用

2.1 生物炭固定化微生物去除水中污染物的作用機(jī)制

廢水中除了重金屬、磷酸鹽、無機(jī)氮等無機(jī)物，還存在持久性和難降解的有機(jī)化合物（Girijan et al.，2019）。近幾年，有大量研究利用生物炭固定化微生物技術(shù)去除水中的污染物，如表 1。通過這些研究發(fā)現(xiàn)，生物炭固定化微生物去除水中污染物具有吸附和生物降解的協(xié)同作用。對于重金屬等無機(jī)物，可能是生物炭的靜電吸引、離子交換、物理吸附、表面絡(luò)合或沉淀等作用，同時被微生物氧化或還原成更低毒性的價態(tài)、沉淀去除以及細(xì)胞內(nèi)積累。對于有機(jī)污染物，可能是生物炭的靜電相互作用、疏水效應(yīng)、氫鍵和孔隙填充等吸附作用，同時通過生物降解，把有機(jī)污染物質(zhì)作為微生物生命活動中的營養(yǎng)物質(zhì)加以吸收利用，從而轉(zhuǎn)化為無害或易于分離的物質(zhì)。本文建立了兩篇文獻(xiàn)中生物炭固定化微生物對污染物去除機(jī)制的模型，污染物分別是無機(jī)物二價鎘（Du et al.，2016）和有機(jī)物4-溴聯(lián)苯醚（Huang et al.，2020a），見圖1。

在表1中可以看出，很多研究采用了農(nóng)業(yè)廢棄物作為制備生物炭的原料，如Du et al.（2016）研究了玉米秸稈生物炭作為載體固定 4-溴聯(lián)苯醚（BDE-3）降解菌Sphingomonas sp.DZ3的吸附能力及其協(xié)同效應(yīng)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)生物炭對菌株有保護(hù)作用并且提高了菌株對高濃度 BDE-3的耐受性，其對BDE-3的最大去除率為93%，而BDE-3的去除主要是生物炭的表面吸附（π-π相互作用）和微生物的吸收及降解。此外，在農(nóng)業(yè)廢棄物中木材和竹材是應(yīng)用最廣泛的。Lou et al.（2019）以壬基酚（NP）為目標(biāo)污染物，選擇具有不同理化性質(zhì)的竹炭（BC）和木炭（WC）作為固定化載體，用來固定由沉積物富集培養(yǎng)出的降解菌（I-BC/I-WC）。研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過8輪長期重復(fù)使用后，I-BC對水中NP的累積去除率和降解率分別為93.95%和41.86%，顯著高于I-WC（69.60%，22.78%）和游離細(xì)胞（64.79%，19.49%），這歸因于 BC 的比表面積（247.33 m2·g?1）遠(yuǎn)大于WC（1.39 m2·g?1），同時 NP的去除是顆粒吸附和生物降解的雙重作用。但值得注意的是，經(jīng)過 8輪反復(fù)使用后，I-BC中剩余的 NP量仍占近50%，可能會回到環(huán)境中導(dǎo)致二次污染，因此后續(xù)的回收問題值得考慮。Zhang et al.（2016）利用細(xì)菌和木屑生物炭相結(jié)合來降解烷烴和多環(huán)芳烴。結(jié)果表明，去除的機(jī)理是主要是生物炭表面吸附、分配和隔離，還有由生物炭上細(xì)胞緊密地聚集形成的生物膜進(jìn)行的生物降解。另外，有研究表明，與農(nóng)業(yè)廢棄物生物炭相比，藻類生物炭具有更高的陽離子交換容量和特定的官能團(tuán)，有利于有機(jī)污染物和重金屬的吸附（Amin et al.，2019）。Huang et al.（2020b）構(gòu)建了一種微生物-藻生物炭復(fù)合材料，以由水華藻在700 ℃下制備的生物炭（DBC-700）為載體固定化P.mirabilis YC801。研究發(fā)現(xiàn)Cr（Ⅵ）的主要去除機(jī)理是生物炭吸附和微生物降解，生物炭表面的各種官能團(tuán)參與了吸附過程，如羧基和酰胺。同時生物炭可以為細(xì)菌提供保護(hù)和定殖作用，并且刺激微生物活性，使得Cr（Ⅵ）在細(xì)菌表面生物還原并在過程中沉淀去除。

此外，也有許多研究將改性后的生物炭再作為載體來固定化微生物，而水中污染物的去除主要還是吸附-生物降解的協(xié)同作用，但是改性后的生物炭具有更高的比表面積和更多的官能團(tuán)，從而提高了其吸附能力。Chen et al.（2016）研究采用改性竹炭固定化微生物處理含柴油廢水，結(jié)果發(fā)現(xiàn)改性后的竹炭具有多孔結(jié)構(gòu)、高比表面積、高孔隙率以及適合微生物初始快速定殖等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)處理96 h時，柴油的去除率可達(dá)90%，這是吸附和生物降解相結(jié)合的結(jié)果。Yu et al.（2019）采用堿預(yù)改性和鎂后改性兩種工藝制備改性核桃殼生物炭來固定Pseudomonas stutzeri XL-2，將其用于SBR中銨的降解。結(jié)果表明，改性生物炭固定化微生物對氨氮的去除具有良好的協(xié)同作用，其中改性生物炭釋放出的Mg2+可以提高菌株XL-2的AMO活性，從而促進(jìn) NH4+-N的去除。雖然生物炭固定化技術(shù)在SBR中的處理性能優(yōu)異且穩(wěn)定，但其對操作條件和實際水樣的影響應(yīng)進(jìn)行進(jìn)一步的調(diào)查，并在水處理廠應(yīng)用該技術(shù)來證實其適用性。

在最新的研究中，有一種具有創(chuàng)新性和應(yīng)用前景的新方法，就是將納米材料包覆在生物炭載體上，然后將納米材料/生物炭復(fù)合材料作為載體固定微生物去除水中污染物。Teng et al.（2020）采用將納米零價鐵包覆在生物炭載體上（BC/nZVI），然后將 PVA-SA包含 BC/nZVI復(fù)合固定化溶磷細(xì)菌（PSB），制作成生物微珠去除水中的鉛。其中，溶磷細(xì)菌（PSBs）通過形成不溶性的鉛磷酸鹽化合物，有效地提高鉛的穩(wěn)定性。此外，生物微珠是具有疏水和親水基團(tuán)的兩親性材料，可以通過靜電吸引和離子交換來捕獲Pb2+，羧基、羥基和?；被荘b2+結(jié)合的主要官能團(tuán)。He et al.（2017）制備了Fe3O4/生物炭納米復(fù)合材料負(fù)載光合細(xì)菌（PSB）來處理廢水污染物（COD、NH4+和PO43?）。結(jié)果表明，F(xiàn)e3O4/生物炭具有良好的吸附和光降解性能，PSB以高容量和高穩(wěn)定性地固定在Fe3O4/生物炭上降解有機(jī)物、氨和磷酸鹽，同時鐵離子的存在可以刺激PSB的生長和代謝，PSB可以利用光作為額外的能源，通過光的磷酸化作用分解有機(jī)物，從而提高廢水污染物的去除率。Zhuang et al.（2015）研究了Fe3O4納米顆粒負(fù)載竹炭（Fe3O4/BC），并將其固定喹啉降解菌Streptomyces sp.N01。結(jié)果表明，竹炭作為菌的屏障增強(qiáng)了酶活性，同時Fe3O4納米粒子提高了細(xì)胞的通透性，因此喹啉的降解效率明顯提高。還有研究將磁性納米粒子加入到固定化載體中，制備出一種固定細(xì)菌群落的磁性漂浮生物炭凝膠珠去除多環(huán)芳烴，研究表明凝膠珠可漂浮在水面上，還可以在外部磁場下分離并且回收，以免二次污染。凝膠珠上的含氧和氫的官能團(tuán)對多環(huán)芳烴具有吸附親和力，固定化混合細(xì)菌可以執(zhí)行不同的降解途徑，從而促進(jìn)多環(huán)芳烴的生物降解（Qiao et al.，2020）。

2.2 生物炭固定化微生物對水中污染物去除的影響因素

許多研究發(fā)現(xiàn)，生物炭固定化微生物對水中污染物的去除效率很大程度上取決于環(huán)境因素，包括初始污染物濃度、pH、溫度、接觸時間等，這些因素可以通過抑制降解污染物的微生物生長或者改變生物炭的一些特性來影響去除過程，如表2。

表2 生物炭固定化微生物去除污染物的環(huán)境影響因素分析Table 2 Analysis of environmental influencing factors for the removal of pollutants by biochar immobilized microorganisms

一般來說，污染物的去除能力隨著其初始濃度的增加而迅速提高。然而，當(dāng)初始濃度超過一定限值時，細(xì)菌生長受到一定程度的抑制，導(dǎo)致生物吸附達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)；同時，對于污染物幾乎沒有多余的結(jié)合位點(diǎn)，而此時細(xì)菌細(xì)胞開始死亡，導(dǎo)致總生物吸附量和去除效率的降低，這些觀察揭示了生物吸附是與細(xì)胞數(shù)量及其代謝活動密切相關(guān)（Huang et al.，2020a）。因此，合適的初始污染物濃度更有利于污染物的去除，過高的初始濃度可能會抑制微生物的去除污染物的能力。但是，生物炭對污染物的吸附可使其在短時間內(nèi)降低，同時降低了游離氨對微生物的毒性作用，提高了微生物的代謝活性（Yu et al.，2019）。因此，與游離的微生物相比，生物炭固定化微生物在不同初始污染物濃度下都表現(xiàn)出更強(qiáng)的去除效果（Chen et al.，2016）。Liu et al.（2012）研究發(fā)現(xiàn)低初始硝酸鹽濃度有利于硝酸鹽的去除，隨著硝酸鹽初始濃度從100 mg·L?1增加到300 mg·L?1，固定化細(xì)胞的反硝化作用從99.2%下降到30.6%。

pH可影響微生物代謝過程，如生長和細(xì)胞膜運(yùn)輸（Lin et al.，2010）以及溶液電離的可能性，顯著影響污染物的化學(xué)形態(tài)和生物炭固定化制備的顆粒的表面活性位點(diǎn)（Teng et al.，2020）。更重要的是，pH會改變生物炭的表面官能團(tuán)（主要是含氧基團(tuán)）的行為，比如在低pH下，生物炭上的大多數(shù)官能團(tuán)被質(zhì)子化并以正電荷形式存在，對于pH

溫度對污染物去除的影響與微生物的代謝有關(guān)，微生物都有最適宜的生長代謝溫度，較高的溫度對微生物的活性有負(fù)面影響，會導(dǎo)致細(xì)胞微生物活性的降低，這是由于氧溶解度的降低（Lin et al.，2010）。同時，有許多研究對生物炭吸附污染物的過程進(jìn)行了熱力學(xué)參數(shù)得計算，依據(jù) ΔG°<0和ΔH°>0的結(jié)果證明生物炭吸附是一個自發(fā)和吸熱的過程，并且吸附容量隨著溫度的升高而增加（Du et al.，2016；Youngwilai et al.，2020）。在 Liu et al.（2012）研究中，反硝化效率最高出現(xiàn)在溫度為35 ℃時，當(dāng)溫度從20 ℃上升到35 ℃時，固定化細(xì)胞的脫氮效率從67.5%增加到99.5%；而當(dāng)溫度達(dá)到 40 ℃時，使用固定化細(xì)胞的反硝化效率略微下降到90.3%。溫度對于有些污染物的去除影響并不是很顯著，但也有隨溫度升高而升高的趨勢（Teng et al.，2020）。而在納米材料的應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)與生物炭固定化細(xì)胞相比，F(xiàn)e3O4/生物炭的復(fù)合材料固定化細(xì)胞能夠耐受更高的溫度（>35 ℃），當(dāng)溫度達(dá)到45 ℃時，F(xiàn)e3O4/BC固定化細(xì)胞對喹啉的去除率下降至93.5%，但仍高于BC固定化細(xì)胞的82.4%（Zhuang et al.，2015）。

大部分的研究表明，隨著時間的延長，生物炭固定化微生物對污染物的去除率都會趨于平衡（Chen et al.，2016；唐美珍等，2017）。固定化微生物的吸附過程主要在于生物炭的吸附，可分為吸附極快階段、快階段和慢階段。在吸附初期，固定化微生物對Pb2+的吸附速率較快，但隨時間的延長逐漸達(dá)到平衡，在120 min后基本達(dá)到平衡狀態(tài)，固定化微生物的吸附位點(diǎn)趨于飽和（張杰等，2019）。Huang et al.（2020b）研究在不同培養(yǎng)時間下，對鉻(Ⅵ)生物還原性能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)經(jīng)過42小時的培養(yǎng)后，生物炭固定化微生物就已經(jīng)實現(xiàn)了100%的還原效率，其中84.8%的總鉻被固定在顆粒中/顆粒上，而只有 15.2%的鉻(Ⅲ)留在溶液中。但是在有的研究發(fā)現(xiàn)，生物吸附過程會出現(xiàn)復(fù)雜的時間依賴性，隨著時間的推移，生物吸附過程會發(fā)生變化，其復(fù)雜性很高。例如在Huang et al.（2020a）研究發(fā)現(xiàn)，總的生物吸附能力隨著時間的推移而增加，但是途中會有兩次強(qiáng)烈的增加直至平衡，這是因為在初始階段，一些金屬離子迅速附著在固定或懸浮的細(xì)胞表面，而主動轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)入細(xì)胞需要時間，可能會導(dǎo)致平衡延遲。

利用生物炭固定化微生物技術(shù)制備出生物顆粒，其使用的劑量對污染物去除效率有顯著影響。一般來說，污染物的去除率會隨著使用劑量的增加而提高，因為活性位點(diǎn)總量的隨著使用劑量的增加而增多（Tan et al.，2015）。在使用不同劑量（1.0、1.5、2.0 g）情況下，更高的劑量產(chǎn)生更高的去除效率（Youngwilai et al.，2020）。同樣，在Teng et al.（2020）研究結(jié)果表明，Pb2+去除率隨著劑量的增加而增加，當(dāng)投加量為5%（50 mL培養(yǎng)基中含2.5 g生物珠）時，Pb2+去除率就已經(jīng)達(dá)到80%以上，而為了考慮經(jīng)濟(jì)成本，控制生物珠的用量在5%。

除了以上的環(huán)境因素，還有使用不同的生物炭粒徑、不同生物炭的種類、固定時生物炭和菌的不同比例等影響因素，而大部分研究對這些因素探討的比較少，并且污染物去除的影響效果會根據(jù)不同的實驗有所不同，同時考慮操作時的其他各種因素選擇不同，因此具體的結(jié)果得具體實驗去探究。

3 結(jié)論與展望

生物炭被認(rèn)為是一種很有前途的微生物固定化載體材料，生物炭固定化微生物具有吸附和生物降解的雙重功能，能大大提高水環(huán)境中污染物的效率；而去除污染物的具體機(jī)理還需更深一步研究，同時確定生物炭固定化微生物系統(tǒng)中污染物的吸附量和降解量以及解吸量，弄清污染物的分布于去向是十分必要的。另外，生物炭固定化微生物技術(shù)在實驗室中得到了廣泛研究，并逐漸應(yīng)用于廢水處理中，但實際應(yīng)用中還存在一些問題：

（1）大部分實驗都為短期實驗，對于長期試驗特別少，因此固定化微生物長期應(yīng)用于實際廢水中的處理效果無法估計。

（2）實驗室固定化微生物技術(shù)應(yīng)用研究只針對去除特定污染物，而在廢水處理中污染物成分復(fù)雜，通常為復(fù)合污染物。

（3）對于不同污染物去除的生物炭種類和固定化的微生物種類也不同，需要尋找最佳的生物炭和高效的菌種或混合微生物（包括藻類），同時開發(fā)新型復(fù)合載體。

（4）目前固定化的方法多種多樣，根據(jù)廢水的實際情況選擇合理經(jīng)濟(jì)的固定化方法或復(fù)合固定化方法，同時還需不斷地改善和尋找高效的、易產(chǎn)業(yè)化的固定化方法。

（5）生物炭固定化微生物去除污染物主要在于生物炭的吸附，若不能回收處理，易造成二次污染，特別是重金屬、類金屬和多環(huán)芳烴等有害物質(zhì)。

盡管生物炭固定化微生物技術(shù)去除水中污染物的研究越來越多，但仍存在許多研究空白和不確定性，因此在未來還需要更多更深入的調(diào)查與研究。