產(chǎn)脲酶微生物誘導(dǎo)碳酸鹽沉淀修復(fù)重金屬污染的研究進(jìn)展

朱辰播,劉子雯,查小玲,賀志剛*

(1.蘇州市常熟環(huán)境監(jiān)測(cè)站,江蘇 蘇州 215000;2.蘇州逸凡特環(huán)境修復(fù)有限公司,江蘇 蘇州 215000)

近年,隨著我國(guó)工業(yè)水平的突飛猛進(jìn),生態(tài)系統(tǒng)中的重金屬污染不斷增加,并帶來(lái)潛在的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)[1]。工業(yè)(如油漆、化肥、紡織、電鍍等)產(chǎn)生的廢水富含重金屬離子,如果未經(jīng)過(guò)妥善處置,這些難降解的重金屬將在水體和土壤中積累,并通過(guò)食物鏈在生物體內(nèi)富集。重金屬會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的疾病,包括骨骼損傷、貧血、神經(jīng)損傷等[2]。當(dāng)前,去除環(huán)境中重金屬的方法主要有材料吸附法、微生物修復(fù)法、植物修復(fù)法、化學(xué)沉淀法、離子交換法以及膜分離法等。

微生物誘導(dǎo)碳酸鹽沉淀修復(fù)重金屬污染是近年重金屬污染修復(fù)領(lǐng)域的新方向,其中較為常用的是產(chǎn)脲酶微生物(例如BacillusmegateriumSS3、Bacilluslicheniformis、Pseudomonascalcis、Sporosarcinapasteurii和Myxococcusxanthus等)代謝產(chǎn)生脲酶,從而分解尿素生成NH4+和CO32-,通過(guò)共沉淀的形式將金屬離子沉淀到方解石晶體中,從而實(shí)現(xiàn)金屬離子的固定化[3]。李成杰[4]報(bào)道了產(chǎn)脲酶微生物對(duì)含有鈣(Ca)和鎘(Cd)溶液中Cd2+的去除率高達(dá)95.96%。楊子陸[5]在產(chǎn)脲酶微生物固定化Cd的研究中發(fā)現(xiàn)pH值為7、8和9時(shí),生長(zhǎng)良好的菌株對(duì)Cd2+離子的固化率均達(dá)到了90%以上。如圖1所示,產(chǎn)脲酶微生物通過(guò)產(chǎn)生脲酶從而水解尿素、提高環(huán)境pH值、產(chǎn)生CO32-、菌體表面的負(fù)電荷吸引溶液中陽(yáng)離子、以菌體為中心生成CaCO3沉淀和形成方解石晶體等途徑誘導(dǎo)碳酸鹽沉淀[6]。Qiao等[7]利用產(chǎn)脲酶微生物修復(fù)Cd、銅(Cu)、鋅(Zn)和鎳(Ni)復(fù)合重金屬污染時(shí)發(fā)現(xiàn)菌體對(duì)不同種類(lèi)重金屬元素的去除機(jī)理不同,Cd的去除依賴(lài)于細(xì)菌生命活動(dòng),產(chǎn)脲酶微生物對(duì)環(huán)境中160 mg·L-1Cd的去除效率高達(dá)96.1%。李萌等[8]利用土壤中分離出來(lái)的菌種分別對(duì)Cd、Cu、Ni、鉛(Pb)等溶液進(jìn)行固化實(shí)驗(yàn),其中Pb和Cd的固定化效率超過(guò)98%。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)脲酶微生物對(duì)鉛的固定主要分為非生物沉淀,生物沉淀和生物吸附過(guò)程,非生物沉淀受鈣源和初始Pb濃度的影響,生物沉淀的效率取決于尿素的溶解效率,生物吸附效果在很大程度上受活細(xì)胞數(shù)量的影響[9]。

圖1 產(chǎn)脲酶微生物誘導(dǎo)碳酸鹽沉淀固定化環(huán)境中重金屬的機(jī)理示意圖

現(xiàn)有研究表明,產(chǎn)脲酶微生物誘導(dǎo)碳酸鹽沉淀固定穩(wěn)定化環(huán)境中的效率較高(表1),但在工程應(yīng)用上存在一些局限。例如,利用產(chǎn)脲酶的微生物水解尿素,過(guò)量的NH4+產(chǎn)生和積累使廢水中氮素含量超標(biāo)[10];高濃度的重金屬會(huì)抑制產(chǎn)生脲酶的微生物的活性,從而降低重金屬的去除率[11]。產(chǎn)脲酶微生物誘導(dǎo)碳酸鹽沉淀修復(fù)環(huán)境重金屬污染的研究國(guó)內(nèi)外剛剛起步。因此,本文總結(jié)了產(chǎn)脲酶微生物誘導(dǎo)碳酸鹽沉淀固定穩(wěn)定化環(huán)境中不同重金屬的效率,闡述了重金屬固定穩(wěn)定化的機(jī)制,討論了產(chǎn)脲酶微生物誘導(dǎo)碳酸鹽沉淀固定穩(wěn)定化重金屬技術(shù)應(yīng)用的局限性,以期為后續(xù)研究提供理論支持。

表1 部分產(chǎn)脲酶微生物去除環(huán)境中重金屬的效率[12]

表1(續(xù))

1 產(chǎn)脲酶微生物固定穩(wěn)定化環(huán)境中Cd的研究進(jìn)展

現(xiàn)有研究表明,產(chǎn)脲酶微生物固定穩(wěn)定化環(huán)境中Cd的機(jī)理主要為生物吸附和礦化(圖2)。產(chǎn)脲酶微生物的生物吸附過(guò)程可分為細(xì)胞壁吸附和表面絡(luò)合,其可利用肽聚糖、脂多糖、磷壁酸和胞外多糖等物質(zhì)吸附環(huán)境中Cd,還可以利用表面蛋白質(zhì)、多糖、脂類(lèi)等物質(zhì)上的官能團(tuán)(如-COOH、-OH、-CONH2、-NH2和-SH等)絡(luò)合固定Cd[13]。吳雪姣等[14]研究證實(shí),Lysinibacillussp.分泌的腐殖酸類(lèi)胞外聚合物可有效吸附溶液中Cd2+,細(xì)胞表面的-C=O、-OH和-NH等官能團(tuán)參與Cd2+的絡(luò)合,細(xì)胞表面出現(xiàn)成分可能為CdCO3(菱鎘礦的主要成分,較穩(wěn)定的鎘賦存形態(tài))、CdS和Cd(OH)2的白色礦物顆粒。王繼勇等[15]研究指出,產(chǎn)脲酶菌株UR-2對(duì)水體中Cd2+(Cd2+質(zhì)量濃度為100 mg·L-1)的固化率約為70.5%,細(xì)菌細(xì)胞壁和細(xì)胞膜上的蛋白質(zhì)參與Cd的絡(luò)合,礦化過(guò)程形成的CdCO3以不同粒徑的球形顆粒形式包裹細(xì)菌細(xì)胞壁。Zeng等[16]利用傅里葉紅外光譜、拉曼光譜和X射線衍射等技術(shù)揭示了產(chǎn)脲酶微生物礦化水中Cd2+的機(jī)理,礦化過(guò)程涉及從非晶態(tài)碳酸鈣、球霰石到方解石晶體的變化,而Cd(OH)2可能是Cd礦化的主要形式并非CdCO3。這可能是由于Cd(OH)2的溶度積常數(shù)遠(yuǎn)低于CdCO3,少量的Cd2+可以取代方解石中Ca2+的位點(diǎn),這與Mugwar和Harbottle[17]利用MINTEQ軟件模擬的結(jié)果相一致,即產(chǎn)脲酶微生物通過(guò)表面沉淀Cd(OH)2和取代方解石中Ca2+的位點(diǎn)礦化環(huán)境中Cd。產(chǎn)脲酶微生物礦化土壤中鎘的過(guò)程與水中不同,產(chǎn)脲酶微生物會(huì)先吸附在土壤中SiO2等顆粒上,再以吸附絡(luò)合的Cd2+和Ca2+作為位點(diǎn),以共沉淀的方式形成相互摻雜的CdCO3和CaCO3[18]。

圖2 產(chǎn)脲酶微生物固定穩(wěn)定化環(huán)境中Cd的機(jī)理示意圖[19]

2 產(chǎn)脲酶微生物固定穩(wěn)定化環(huán)境中鉛的研究進(jìn)展

現(xiàn)有研究指出,產(chǎn)脲酶微生物代表性菌株Sporosarcina pasteurii對(duì)溶液(Pb2+濃度為0.05～5 mol·L-1)中Pb2+的礦化效率高達(dá)95%[20]。蔡紅等[13]研究表明,MicrobacteriumfoliorumCH6和BacillusthuringiensisN3可以有效降低土壤中可交換態(tài)Pb含量約46.3%～58.5%,增加碳酸鹽結(jié)合態(tài)Pb含量約82.4%～94.1%,產(chǎn)脲酶微生物不僅具有優(yōu)異的快速固定穩(wěn)定化環(huán)境中的Pb的能力,還具有長(zhǎng)期礦化Pb的能力。Zeng等[1]研究表明,產(chǎn)脲酶微生物可實(shí)現(xiàn)垃圾滲濾液中Pb2+(Pb2+質(zhì)量濃度為25 mg·L-1)的快速礦化,且連續(xù)15 d保持酸性環(huán)境(pH值=5.5)僅有1.76%的Pb2+被釋放。這種特性可能是由于產(chǎn)脲酶微生物誘導(dǎo)方解石沉淀礦化環(huán)境中Pb,Pb2+替代方解石中鈣位點(diǎn)以形成白鉛礦,微生物長(zhǎng)期的生理活動(dòng)促進(jìn)方解石晶胞聚集,以維持被礦化固定的Pb2+的長(zhǎng)期環(huán)境穩(wěn)定性[21]。Jiang等[9]利用MINTEQ軟件模擬了水中Pb的礦化過(guò)程(圖3),實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)溶液中Pb以Pb2+的形式存在,隨著溶液中Pb濃度上升(Pb2+濃度由10 mmol·L-1增加至50 mmol·L-1;尿素含量為0),Pb2+的去除率由17.8%降低至8.1%,Pb2+以Pb(OH)2形式沉淀;隨著尿素濃度上升,Pb2+的去除率高達(dá)97%,Pb2+沉淀轉(zhuǎn)化為PbCO3,中間相處于過(guò)渡狀態(tài)(例如(PbCl)2CO3和Pb3(CO3)2(OH)2)。理論上,在尿素充足的情況下(PbCl)2CO3和Pb3(CO3)2(OH)2均應(yīng)完全轉(zhuǎn)化為PbCO3。這可能是由于最初形成的非生物沉淀物(PbCl2和Pb(OH)2)可能部分轉(zhuǎn)化為(PbCl)2CO3、Pb3(CO3)2(OH)2和PbCO3,形成外層并封裝初始非生物沉淀物,防止其進(jìn)一步轉(zhuǎn)化。此外,CaCO3外殼還可以使PbCO3免受外界環(huán)境pH值變化的影響,維持被礦化固定的Pb2+的長(zhǎng)期環(huán)境穩(wěn)定性。

圖3 產(chǎn)脲酶微生物礦化環(huán)境中鉛的多層結(jié)構(gòu)示意圖

3 產(chǎn)脲酶微生物固定穩(wěn)定化環(huán)境中其他重金屬的研究進(jìn)展

鉻(Cr)在環(huán)境中以Cr3+和Cr6+的形式賦存,Cr3+更易與環(huán)境中的胺和磷酸鹽形成配合物,而Cr6+因其高遷移性和高毒性更易被動(dòng)植物吸收并產(chǎn)生毒害。因此,環(huán)境中Cr污染修復(fù)的突破口是將Cr6+轉(zhuǎn)變?yōu)镃r3+。Zhao等[22]研究發(fā)現(xiàn)了產(chǎn)脲酶微生物固定穩(wěn)定化環(huán)境中Cr的還原-礦化協(xié)同機(jī)制(圖4),耐Cr產(chǎn)脲酶微生物BacillusstrainT124可以利用還原酶將Cr6+轉(zhuǎn)變?yōu)镃r3+,并同時(shí)Cr3+替代CaCO3中的Ca2+以Ca-Cr共沉淀(Ca10Cr6O24(CO3))。產(chǎn)脲酶微生物固定穩(wěn)定化環(huán)境中砷(As)的效果較差且機(jī)制尚不清楚,其可能是通過(guò)促進(jìn)CaCO3轉(zhuǎn)化為羥基磷灰石并摻雜砷酸鹽這一途徑完成對(duì)環(huán)境中As的礦化[23]。Qiao等[7]研究指出,產(chǎn)脲酶微生物去除水中Cu的效率僅為75.10%,而Cd去除率高達(dá)96.18%,這可能是由于Cu2+和Cd2+的離子半徑不同而成核位點(diǎn)不同,Cu2+的去除更依賴(lài)環(huán)境pH值的提高。產(chǎn)脲酶微生物BacilluscereusNS4可以將土壤中可溶態(tài)Ni的含量由400 mg·kg-1降低至38 mg·kg-1,碳酸鹽形態(tài)的Ni的含量顯著增加,土壤中大量的Ni以NiCO3的形式賦存[24]。此外,尿素水解過(guò)程中產(chǎn)生的NH4+不僅可能與Ni(OH)2沉淀物反應(yīng)生成鎳胺絡(luò)合物,還會(huì)提高土壤pH值以促進(jìn)可溶性Ni向其他形態(tài)轉(zhuǎn)變。

圖4 產(chǎn)脲酶微生物Bacillus strain T124固定穩(wěn)定化環(huán)境中 Cr的還原-礦化機(jī)制示意圖

4 結(jié)論與展望

綜上,產(chǎn)脲酶微生物誘導(dǎo)碳酸鹽沉淀可以有效固定穩(wěn)定化環(huán)境中重金屬離子,是一種有前途的、可持續(xù)的重金屬污染環(huán)境修復(fù)技術(shù)。產(chǎn)脲酶微生物通過(guò)利用肽聚糖、脂多糖、磷壁酸和胞外多糖等物質(zhì)吸附重金屬離子、借助細(xì)胞表面的-COOH、-OH、-CONH2、-NH2和-SH等官能團(tuán)絡(luò)合重金屬離子和誘導(dǎo)方解石沉淀、白鉛礦沉淀、Ca-Cr共沉淀和羥基磷酸石轉(zhuǎn)化礦化固定重金屬離子等途徑達(dá)到修復(fù)重金屬污染環(huán)境的目的。但產(chǎn)脲酶微生物在重金屬污染環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域的應(yīng)用因NH4+過(guò)量積累、微生物在復(fù)合污染環(huán)境下活性受抑制、尿素分解速度快導(dǎo)致反應(yīng)持續(xù)時(shí)間短等問(wèn)題受限。今后的研究應(yīng)考慮改變環(huán)境溫度、溶解氧含量和pH值以促進(jìn)多余的NH4+以NH3的形式逸散;在接種產(chǎn)脲酶微生物的同時(shí)引入脫氮功能微生物或利用基因工程將NH4+降解功能基因片段接入產(chǎn)脲酶微生物中以實(shí)現(xiàn)環(huán)境中多余的NH4+的脫除;使用固定化微生物技術(shù)和生物炭、沸石等材料負(fù)載產(chǎn)脲酶微生物以提高產(chǎn)脲酶微生物的抗逆性和多種污染物復(fù)合污染下的活性;深入研究產(chǎn)脲酶微生物誘導(dǎo)碳酸鹽沉淀反應(yīng)速率的控制和尿素的緩釋技術(shù)以達(dá)到長(zhǎng)期礦化環(huán)境中重金屬離子的目的;重視微生物誘導(dǎo)碳酸鹽沉淀這一過(guò)程對(duì)重金屬污染土壤理化性質(zhì)和結(jié)構(gòu)的積極作用,以期同時(shí)實(shí)現(xiàn)重金屬污染土壤安全利用和改良。