含鉻污水的生物修復技術研究現(xiàn)狀及展望

安秋穎，郭璐露，黃澤波，陳紫桂，趙 苒

（廈門大學分子疫苗學和分子診斷學國家重點實驗室，廈門大學公共衛(wèi)生學院，福建廈門 361102）

環(huán)境中的Cr（Ⅵ）主要源于金屬制品、冶金、皮革制造、電鍍、木品保藏和染料生產(chǎn)等行業(yè)的污水排放〔1-2〕。根據(jù)中國環(huán)境監(jiān)測總站發(fā)布的《2020 中國海洋生態(tài)環(huán)境狀況公報》可知，我國2019 年工業(yè)污水中Cr（Ⅵ）排放量達489.9 kg。這些含Cr（Ⅵ）污水排入環(huán)境，嚴重污染周邊水源和土壤。

Cr（Ⅵ）具有高水溶性，可在自然界中長期存在〔3〕，即便是低濃度的Cr（Ⅵ）也可通過生物富集和生物放大作用對人類健康產(chǎn)生威脅〔4〕。由于Cr（Ⅵ）具有較高的致突變性、致癌性和致畸性〔5〕，國際癌癥研究機構（IARC）和聯(lián)合國世界衛(wèi)生組織（WHO）已將其列為一類致癌物。可見，含Cr（Ⅵ）污水已嚴重威脅生態(tài)環(huán)境和公眾健康，高效處理含Cr（Ⅵ）污水已成為世界環(huán)境科學領域亟待解決的問題。

目前，污水中的Cr（Ⅵ）主要通過物理化學方法被轉化為Cr（Ⅲ）后，形成溶解度較低的Cr（OH）3沉淀〔6〕而被去除。但該過程處理程序復雜、成本高、效率低，且容易導致二次污染〔3〕。生物修復技術是指利用植物、動物和微生物，通過吸收、降解、轉化等途徑減少水體中污染物的環(huán)境污染治理技術。因經(jīng)濟、無二次污染、修復效率高、過程安全等優(yōu)點，生物修復技術在處理含Cr（Ⅵ）污水方面展示出巨大潛力。筆者就現(xiàn)有含Cr（Ⅵ）污水生物修復技術進行歸納總結，詳細地分類闡述了其作用機制、反應機理，進一步分析了不同修復技術的優(yōu)缺點及其應用潛力，并指出未來該領域可能的發(fā)展方向。

1 微生物還原

Cr（Ⅵ）的微生物還原是指微生物通過氧化還原反應將Cr（Ⅵ）還原為Cr（Ⅲ）。目前，已經(jīng)有大量具有Cr（Ⅵ）還原能力的菌株被篩選出來，部分代表性菌種如表1所示。根據(jù)細菌還原機理的不同，可將其大致分為3 類，即鉻還原菌（Chromium reducing bacteria，CRB）、硫酸鹽還原菌（Sulfate-reducing bacteria，SRB）和鐵還原菌（Iron reducing bacteria，IRB）。

1.1 鉻還原菌

在好氧環(huán)境下，CRB 主要通過ChrR 和YieF 兩種還原酶將Cr（Ⅵ）還原為Cr（Ⅲ）。這些酶通常存在于大腸桿菌（Escherichiɑ）、假單胞菌（Pseudomonɑs）、芽孢桿菌（Bɑcillus）和腸桿菌（Enterobɑcter）中〔20〕。ChrR 和YieF 的氨基酸衍生序列中均具有NADH_dh2 蛋白家族的特征序列，這些氨基酸可能參與黃素單核苷酸（FMN）的結合，使得CRB 能夠利用NAD（P）H 作為電子受體將Cr（Ⅵ）還原為Cr（Ⅲ）〔7〕。

在厭氧環(huán)境下，CRB 則主要通過細胞色素c，以Cr（Ⅵ）作為終端電子受體還原鉻酸鹽。細胞色素c通過電子傳遞系統(tǒng)催化電子沿著呼吸鏈穿梭，以Cr（Ⅵ）作為電子受體從而將其還原為Cr（Ⅲ），并在菌體表面形成不溶性鉻酸鹽沉淀〔21〕。無氧條件下，在呼吸鏈中可作為Cr（Ⅵ）電子供體的物質種類很多，包括碳水化合物、脂肪、氫、NAD（P）H 和其他內源性電子儲備物質，如泛醌、細胞色素、金屬離子、生物素等。其中以葡萄糖作為電子供體的還原反應見式（1），以醋酸作為電子供體的反應見式（2）〔22-23〕。

部分菌種在好氧和厭氧環(huán)境下均表現(xiàn)出對Cr（Ⅵ）的還原能力〔23〕，如熒光假單胞菌LB300（Pseudomonɑs fluorescens LB300）、無色菌（Achromobɑcter）、二歧假單胞菌（Pseudomonɑs ɑmbiguɑ）、普羅維登斯菌（Providenciɑ）、布魯氏菌（Brucellɑ）、芽孢桿菌（Bɑcillus）等。

事實上，雖然CRB 還原Cr（Ⅵ）的機制各不相同，但都依托于胞內具有還原功能的酶或胞外聚合物進行氧化還原反應。發(fā)生氧化還原反應時會消耗大量質子，導致本底pH 升高，從而有利于Cr（OH）3沉淀的形成。其還原機制可總結為式（3）〔22〕。

1.2 鐵還原菌和硫酸鹽還原菌

上述的CRB 通過酶促反應或功能蛋白傳遞電子直接還原Cr（Ⅵ），而IRB 和SRB 則分別通過產(chǎn)生的代謝副產(chǎn)物Fe（Ⅱ）和H2S 間接還原Cr（Ⅵ），且二者還原速度為CRB 的100 倍〔22〕。

IRB 主要為希瓦氏菌（Shewɑnellɑ），其中Shewɑnellɑ oneidensis MR-1 的還原效率最為突出〔24〕，菌株將體系中Fe（Ⅲ）還原為Fe（Ⅱ），然后Fe（Ⅱ）再將Cr（Ⅵ）還原為Cr（Ⅲ）。SRB 主要為脫硫弧菌和假單胞菌等，其主要在無氧的情況下還原Cr（Ⅵ）〔25〕。在希爾登伯勒普通脫硫弧菌（Desulfovibrio vulgɑris Hildenborough）中，存在著具有還原Cr（Ⅵ）能力的氫化酶［Fe］、［NiFe］、［NiFeSe］，其中［Fe］的還原效率最高，約為細胞色素的10 倍〔26〕；而施氏假單胞菌KC（Pseudomonɑs stutzeri KC）則是以吡啶-2，6-二硫代羧酸作為硫酸鹽轉運體，先消耗硫酸鹽生成HS-，再通過HS-將Cr（Ⅵ）還原為CrS3或Cr（OH）3沉淀〔27〕。

2 微生物吸附

微生物吸附是金屬離子通過與羧基、羥基、巰基、酚醛、胞外聚合物間的相互作用而吸附在微生物表面的現(xiàn)象〔28〕。該過程不依賴于微生物的生物代謝，是一個被動的過程，故無需考慮微生物的活性狀態(tài)〔29〕。因此，微生物吸附劑在工業(yè)污水處理中有廣闊的應用前景。目前，真菌、細菌、酵母和微藻類均表現(xiàn)出了吸附Cr（Ⅵ）的能力。

真菌對Cr（Ⅵ）有較高的耐受能力，因此成為主要的Cr（Ⅵ）微生物吸附劑。例如念珠菌（Cɑndidɑ sp.）、擬青酶菌（Pɑecilomyces lilɑcinus）、曲霉菌（Aspergillus sp.）、根 霉 菌（Rhizopusɑr rhizus）、青 霉 菌（Penicillium sp.）等均對Cr（Ⅵ）有顯著的吸附性〔28〕。S. VAJPAI 等〔14〕通 過SEM-EDX、TEM-EDX 檢 測 發(fā)現(xiàn)黃曲霉菌（Aspergillus flɑvus）可吸附Cr（Ⅵ）于菌絲表面并在胞質內蓄積，經(jīng)FTIR 結果證實其參與吸附的主要成分為胺、氫氧化物、磷脂、羧基、蛋白質和碳水化合物等，類似的結果也出現(xiàn)在其他真菌中〔13，30〕。

除真菌外，細菌和酵母也可以吸附Cr（Ⅵ）。相對于真菌，細菌有更快的生長速度，酵母則對營養(yǎng)物質的需求更低。黏節(jié)桿菌（Arthrobɑcter viscosus）、枯草芽孢桿菌（Bɑcillus subtilis）及中型假絲酵母（Cɑndidɑ intermediɑ）、畢赤酵母（Pichiɑ guilliermondii）和異常威克漢姆酵母（Wickerhɑmomyces ɑnomɑlus）均被證實對Cr（Ⅵ）具有吸附能力〔31-32〕。通過FTIR 分析顯示，細菌的細胞膜表面有羧基、烷烴、酰胺、胺、羥基、磷酸鹽、磺酸鹽、羰基、咪唑、磷酸二酯等多種成分，它們是肽聚糖、脂多糖等大分子的組成部分〔33〕。在革蘭氏陰性菌中，脂多糖層下有一層薄薄的肽聚糖，這兩層均參與Cr（Ⅵ）的吸附，而革蘭氏陽性菌細胞膜上只有一層厚厚的肽聚糖〔34〕。經(jīng)SEM-EDX和FTIR檢測發(fā)現(xiàn)，細菌吸附Cr（Ⅵ）后，其表面分子組成會發(fā)生變化，引起細胞的聚集，并促進細胞外表面脂多糖的分泌，這可能源于細菌對Cr（Ⅵ）的自我防御機制〔12〕。相對于細菌的表面結構，酵母的“三明治”結構具有較大的比表面積，能夠通過靜電黏附、氧化還原和配位螯合等方式捕獲并結合具有活性位點的Cr（Ⅵ）。Baoyan HE 等〔17〕通過AFM 圖像發(fā)現(xiàn)酵母在吸附Cr（Ⅵ）后菌體聚集形成網(wǎng)狀結構，經(jīng)FTIR 檢測其表面有—ОН、N—H、С—Н、C—C、C—O、C—N、C==O、O==C—N、C—O—S 和PO2-等化學鍵或化學基團，表明主要由碳水化合物、蛋白質、磷脂、甲殼素等成分參與酵母對Cr（Ⅵ）的吸附〔16〕。

關于藻類吸附Cr（Ⅵ）的研究較少，主要集中在小球藻（Chlorellɑ）、斜生柵藻（Scenedesmus）、聚孢子藻（Synechocystis）和螺旋藻（Spirulinɑ）上〔35-36〕。J.JAAFARI等〔37〕發(fā)現(xiàn)，通過優(yōu)化工藝參數(shù)，Chlorellɑ 可有效吸附97.8%的Cr（Ⅵ）。王巖等〔19〕在Cr（Ⅵ）溶液中培養(yǎng)綠藻，其在酸性條件下，180 min內可以去除92.10%的Cr（Ⅵ）。Y.A.R.LEBRON 等〔38〕通過SEM-EDX 檢測發(fā)現(xiàn)藻類呈均勻光滑的球形或楔形，經(jīng)H3PO4和ZnCl2等化學修飾劑修飾后，其表面變得更加粗糙多孔，在增加其吸附面積的同時，還會增加其表面碳水化合物、脂類和蛋白質的含量，從而增強其對Cr（Ⅵ）的吸附性。ATR-FTIR測定顯示，藻類表面主要存在羥基、羧基、胺基、酰胺基和木質素等，其中羧基和木質素在藻類吸附中起到關鍵作用，這就使得藻類可以首先通過細胞外多糖、羧基、羥基、硫酸鹽和磷酸基將Cr（Ⅵ）吸附于細胞壁上，然后通過細胞膜的主動運輸使Cr（Ⅵ）與蛋白質和其他細胞內成分結合，其反應的主要機制見式（4）～（6）〔18〕。

微生物吸附處理含Cr（Ⅵ）污水的主要優(yōu)勢是經(jīng)濟、方便和便于回收Cr（Ⅵ）。吸附Cr（Ⅵ）的主要官能團均存在于微生物的細胞壁，微生物對Cr（Ⅵ）的抗性不是必要條件，因此無需考慮Cr（Ⅵ）濃度對微生物存活率的影響。但該技術在商業(yè)化應用時，需要配套相應的生物反應器及其處理工藝，以解決生物修復劑運輸不便和需單獨培養(yǎng)等問題。

3 復合生物修復

3.1 植物-微生物聯(lián)用

植物修復可利用植物和根系微生物清除Cr（Ⅵ），阻止含鉻污水中Cr（Ⅵ）遷移到地下水或食物鏈中，是一種比較新的技術，也被稱為“綠色修復”〔39-40〕技術。目前發(fā)現(xiàn)符合要求的模式物種種類繁多，據(jù)報道，狼尾草、折臂草、蘆葦、菹草、李氏禾、雷公藤、刺蕁麻、油菜、印度芥菜和玉米等植物已納入實驗室盆栽實驗〔41-43〕。雖然較細菌等其他微生物而言，植物修復可以通過根系吸收Cr（Ⅵ），并在地表以上的器官中積累100～1 000倍濃度的Cr（Ⅵ），但依舊無法避免其生長周期長的限制〔44〕。植物生長促進菌（Plant-growth promoting bacteria，PGPB）可以通過改變植物的根系結構促進植物的生長，提高植物對Cr（Ⅵ）的吸收能力，降低Cr（Ⅵ）對植物的毒性，同時植物也會分泌碳水化合物、氨基酸、黃酮類化合物等來刺激PGPB，使其活性提高10～100倍，這使得植物修復應用的潛力大大提高〔45-46〕。因此，植物-微生物聯(lián)用來提高植物修復效率的修復技術受到越來越多的關注。

植物-微生物聯(lián)合修復相比傳統(tǒng)修復技術的優(yōu)勢在于其具有較好的成本效益、舒適性和大規(guī)模的適用性，并且可以保持生物群的完整。但目前這項技術并未投入應用，依然處在實驗室研究狀態(tài)。

3.2 納米材料-微生物聯(lián)用

納米材料因其體積小、溶解度好、比表面積大、表面成分豐富而成為環(huán)境修復的理想候選材料〔47〕。但單一運用納米材料處理含Cr（Ⅵ）污水面臨著材料回收困難、易被氧化，存在二次污染，具有生物毒性等諸多問題，因此將微生物與納米材料結合修復污染的概念被提出〔48〕。K.V.G.RAVIKUMAR 等〔49〕將納米零價鐵（nZVI）復合膜和SRB相結合，在厭氧條件下最高可去除65.19%的Cr（Ⅵ）。微生物雖然對Cr（Ⅵ）有良好的吸附和還原能力，但在高濃度Cr（Ⅵ）環(huán)境中活性受到抑制，因此可以先利用納米材料良好的吸附能力降低水體中的Cr（Ⅵ）濃度，從而保證微生物的存活，進一步提升其去除Cr（Ⅵ）的能力。納米材料-微生物聯(lián)用技術已經(jīng)處于發(fā)展階段，未來具有一定的應用前景。

4 結語

生物修復技術具有經(jīng)濟、無二次污染、修復效率高、過程安全且便于操作等諸多優(yōu)勢，已成為處理含Cr（Ⅵ）污水領域的研究熱點?，F(xiàn)今生物修復技術理論研究已趨于完善，未來的研究重心將會逐漸向實際應用方面轉移，可能的發(fā)展方向包括：

（1）開展基礎研究。探究生物修復菌株功能基因及相關蛋白，進一步為生物修復Cr（Ⅵ）的機制研究和提高生物修復技術對Cr（Ⅵ）的處理能力提供理論基礎。

（2）開展優(yōu)化實驗。探究生物所需營養(yǎng)物質及其必要元素，并優(yōu)化其理化參數(shù)，尋找合適的培養(yǎng)溶劑，使其在投入應用后能夠維持正常的生長并達到最佳修復治理條件。

（3）開展應用研究。構建高效表達功能蛋白的工程菌株，或提取胞外聚合物直接應用，或將多種生物修復技術聯(lián)合應用，高效處理含Cr（Ⅵ）污水。

（4）開展工藝研究。對生物修復反應器及其處理工藝進行研究，保證生物在可以達到處理效果的前提下也能與現(xiàn)有污水處理工藝良好結合，最大限度地降低運營成本。

（5）開展安全評價。對生物進行安全性評價，避免其本身或代謝產(chǎn)物對生態(tài)環(huán)境及人群健康產(chǎn)生危害。