微生物法處理鉻污染技術(shù)研究國內(nèi)外文獻(xiàn)綜述1.1微生物法的概述微生物法主要的研究對象由真菌和細(xì)菌組成，其中因為細(xì)菌為原核生物，分裂方式為二分裂制，具有生長周期快，對營養(yǎng)物質(zhì)需求低和對復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)能力佳等特性。因此細(xì)菌是相對更理想的微生物法處理六價鉻的工程物種。在上世紀(jì)80年代，細(xì)菌被發(fā)現(xiàn)具有六價鉻的還原能力后，在近30年的時間里，細(xì)菌與六價鉻的相互關(guān)系逐漸被揭示。進(jìn)一步地，學(xué)者們試圖將其應(yīng)用在實際的六價鉻污染處理上。時至今日，盡管利用微生物處理六價鉻污染已經(jīng)展現(xiàn)了許多顯著的優(yōu)點(diǎn)，但是仍然存在一些嚴(yán)峻的問題阻礙微生物法的應(yīng)用，其中產(chǎn)物的穩(wěn)定性和細(xì)菌的處理效率是至關(guān)重要的挑戰(zhàn)。表1-1部分Cr(VI)還原細(xì)菌名稱及其還原所需的條件[30]Table1-1PartialCr(VI)reductionbacterianamesandconditionsrequiredforreduction菌株名稱Cr(VI)還原所需的條件Bacillussubtilis異養(yǎng)菌，好氧，30°C，pH中性Bacilluscereus異養(yǎng)菌，好氧，37°C，pH7.0-9.0Shewanellaalga異養(yǎng)菌，兼性厭氧，23°C，pH中性Escherichiacoli異養(yǎng)菌，好氧，37°C，pH中性O(shè)chrobactrumanthropi異養(yǎng)菌，好氧，37°C，pH7.0Acidithiobacillusferrooxidans自養(yǎng)菌，好氧，30°C，pH4.0Gluconacetobacterhansenii異養(yǎng)菌，好氧，37°C，pH中性Achromobactersp．異養(yǎng)菌，好氧，30°C，pH8.5-10.5大量的細(xì)菌被發(fā)現(xiàn)具有六價鉻的還原能力。這些菌株通常為異養(yǎng)菌，在好氧、pH6.0~8.0和30~37°C的條件下進(jìn)行反應(yīng)，少部分細(xì)菌在厭氧或pH大于9.0或小于6.0，再或者在更極端的溫度進(jìn)行六價鉻的處理[30]。近年來，為了解決產(chǎn)物不穩(wěn)定、處理效率低的問題，更多的研究關(guān)注于細(xì)菌處理六價鉻的內(nèi)在機(jī)制并試圖調(diào)控這一過程?？偟膩碚f，細(xì)菌處理六價鉻的過程分為兩個階段：（1）微生物的鉻還原；（2）微生物的鉻還原產(chǎn)物。1.2微生物的鉻還原在微生物的六價鉻還原過程中，根據(jù)還原機(jī)理不同，可以被分為兩類，間接還原途徑和直接還原途徑。間接還原途徑是指細(xì)菌在代謝的過程中，產(chǎn)生的還原性代謝物通過化學(xué)還原將六價鉻還原為三價鉻。最早的報道是在1981年，Smillie等人發(fā)現(xiàn)了細(xì)菌產(chǎn)生的硫化氫實現(xiàn)了將六價鉻還原[31]。在硫酸鹽還原菌的厭氧代謝過程中，通過硫酸鹽代謝生成了S2-，進(jìn)而再進(jìn)行六價鉻的還原反應(yīng)[30]。此外，Shi等人也報道在反應(yīng)器中，兩種細(xì)菌聯(lián)合處理鉻的機(jī)制。硫桿菌或者鐵弧菌也可以將零價硫或零價鐵氧化后，分泌揮發(fā)性脂肪酸。揮發(fā)性脂肪酸被作為電子供體被鉻還原細(xì)菌用于還原六價鉻[32]。直接還原途徑是細(xì)菌通過酶的催化或者通過功能蛋白傳遞電子的作用將六價鉻還原為三價鉻。在1987年，Horitsu等人在六價鉻耐受的假單胞菌G-1(PseudomonasambiguaG-l)處理六價鉻的過程中，通過透析提取到NADH依賴的還原酶[33]。在2000年，Woochul等人在大腸桿菌ATCC33456(EscherichiacoliATCC33456)中提取、純化并分析了NADH依賴的六價鉻還原酶[34]。隨后，不同細(xì)菌的還原六價鉻機(jī)制被逐步的揭示，比如大腸桿菌的黃素還原酶系統(tǒng)[35]，硫還原菌株的細(xì)胞色素c和氫化酶系統(tǒng)[36,37]等。不同的菌屬也相繼被證明其還原六價鉻的能力是受到酶介導(dǎo)的過程，如Oceanobacillussp.[38]，Pannonibacterphragmitetussp.[39]，Bacillussp.[40]等。相比間接途徑的化學(xué)還原而言，直接還原途徑的酶介導(dǎo)還原被證明是細(xì)菌還原六價鉻的主要途徑[35]。此外，直接還原途徑的鉻還原細(xì)菌在實際工程中更具有優(yōu)勢，因為其不需要添加其他的輔助物質(zhì)（如硫、鐵）。在2002年，Puzon等人發(fā)現(xiàn)在大腸桿菌提取的還原酶作用下，該體系還原六價鉻后，三價鉻與電子供體絡(luò)合為NAD+-Cr(III)的復(fù)合物[35]。同年，Assfalg等人也報道了細(xì)菌在細(xì)胞色素還原六價鉻的途徑中，三價鉻也與有機(jī)物綁定形成有機(jī)三價鉻的復(fù)合物[41]。這些現(xiàn)象的報道，引起了學(xué)者們對于細(xì)菌還原六價鉻產(chǎn)物的關(guān)注。1.3微生物的鉻還原產(chǎn)物細(xì)菌處理六價鉻后的產(chǎn)物曾經(jīng)被認(rèn)為是氫氧化鉻。直至2005年，這一認(rèn)識被打破。Puzon等人根據(jù)六價鉻在黃素還原體系和細(xì)胞色素c還原體系中，還原產(chǎn)物三價鉻與有機(jī)物絡(luò)合，推測細(xì)菌還原六價鉻的產(chǎn)物并不是氫氧化鉻，并通過吸收光譜和電子順磁共振光度共同表征，將細(xì)菌還原六價鉻后的上清液與硝酸鉻、抗壞血酸鉻、絲氨酸鉻等進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)上清液中的三價鉻與有機(jī)三價鉻化合物相匹配，驗證了細(xì)菌產(chǎn)生的可溶性三價鉻為有機(jī)三價鉻絡(luò)合物[5]。隨后，Cheng等人在人蒼白桿菌(Ochrobactrumanthropi)還原六價鉻后，采用X射線吸收近邊結(jié)構(gòu)(X-rayabsorptionnearedgestructure,XANES)光譜對細(xì)胞碎片進(jìn)行分析，通過對比甘氨酸鉻、醋酸鉻、硫酸鉻和重鉻酸鉀等的XANES譜圖，發(fā)現(xiàn)細(xì)菌內(nèi)含三價鉻的形式與甘氨酸鉻相匹配。進(jìn)一步，通過分別屏蔽細(xì)菌表面的羧基和氨基官能團(tuán)后，觀察人蒼白桿菌去除鉻能力的變化，得到三價鉻通過羧基和氨基官能團(tuán)發(fā)生配位進(jìn)而固定在細(xì)菌表面的結(jié)論[42]。在此之后，不同的菌屬在處理六價鉻時，都被發(fā)現(xiàn)三價鉻與有機(jī)絡(luò)合物結(jié)合。Chen等人報道在蠟狀芽孢桿菌處理六價鉻時，X射線吸收近邊結(jié)構(gòu)和傅里葉變化紅外分析的結(jié)果表明三價鉻與細(xì)胞或者上清液中的羧基和氨基官能團(tuán)配位。通過定量分析，三價鉻在上清液、細(xì)胞碎片和細(xì)胞質(zhì)中的結(jié)合率分別是22%、54%和24%[43]。除此之外，嗜水氣單胞菌(Aeromonashydrophila)[44]、枯草芽孢桿菌(Bacillussubtilis)[45]、希爾氏菌(Shewanellaoneidensis)[46]和大洋芽孢桿菌屬(Oceanobacillussp.)[38]等也被報道出上清液中的有機(jī)三價鉻不能被完全去除的情況。圖1-2以甘氨酸為代表的有機(jī)三價鉻配位模型[42]Figure1-2Organo-trivalentchromiumcoordinationmodelrepresentedbyglycine隨著細(xì)菌處理產(chǎn)物被報道是有機(jī)三價鉻而非一直以為的氫氧化鉻后，大量的科學(xué)工作解釋了細(xì)菌傾向于產(chǎn)生有機(jī)三價鉻和可溶性有機(jī)三價鉻的原因。首先，從細(xì)菌自身出發(fā)，三價鉻離子和其羥基化合物對于細(xì)菌的生長有毒害作用，然而有機(jī)三價鉻和氫氧化鉻則對于細(xì)菌的生長幾乎沒有影響。在細(xì)菌處理六價鉻時，有機(jī)三價鉻可以幫助細(xì)菌提高存活率和增加六價鉻的還原能力[47]。其次，從環(huán)境介質(zhì)出發(fā)，細(xì)菌的還原六價鉻過程通常發(fā)生在酸性或中性環(huán)境，有機(jī)物作為底物給細(xì)菌提供電子供體以用于還原六價鉻和維持細(xì)菌自身的活性，這種環(huán)境是利于有機(jī)鉻產(chǎn)生的[44,48]。最后，三價鉻離子與小分子有機(jī)物具有更強(qiáng)的結(jié)合能力。三價鉻的競爭配位實驗表明，具有氨基酸及其衍生物或者多羧基的小分子有機(jī)物與三價鉻的配位能力強(qiáng)于與細(xì)胞碎片的配位能力[42]。因此細(xì)菌在處理六價鉻的過程中，鉻產(chǎn)物傾向于以有機(jī)三價鉻的形式存在。在實際的六價鉻污染處理中，環(huán)境學(xué)家們認(rèn)為最理想的處理方法是將六價鉻還原為三價鉻后，使其形成穩(wěn)定的鉻沉淀物，甚至是進(jìn)一步將鉻恢復(fù)為自然狀態(tài)（如鉻鐵尖晶石等）。在這個過程中，不穩(wěn)定的產(chǎn)物是不被期待的。有機(jī)三價鉻的穩(wěn)定性也被進(jìn)一步地進(jìn)行了調(diào)查?？扇苄杂袡C(jī)三價鉻具有易溶于水體的性質(zhì)，導(dǎo)致其可以隨著水流動而發(fā)生遷移。在土壤中，雖然有機(jī)三價鉻隨著其配體的不同，在土壤中的遷移率也有不同，但總體而言土壤對于其的吸附效果不佳[49]。更詳細(xì)的研究被Cao等人報道，土壤中有機(jī)物含量的增加會減少有機(jī)三價鉻的吸附能力。在土壤中有機(jī)三價鉻和三價鉻離子的吸附和遷移主要受到pH的影響。三價鉻在土壤中吸附量越大，遷移率則較低；反之，則會利于遷移[50]。進(jìn)一步的研究表明，雖然細(xì)菌可以降解蘋果酸、檸檬酸和組氨酸等有機(jī)小分子，但對其相應(yīng)的有機(jī)三價鉻則不能降解，這表明有機(jī)三價鉻難以通過微生物的方法降解[49]。此外，有機(jī)三價鉻還具有再氧化性，既在自然條件下會逐漸發(fā)生氧化還原反應(yīng)，使低毒的三價鉻變成高毒的六價鉻[51]。因此，有機(jī)三價鉻作為六價鉻污染治理的終產(chǎn)物會帶來潛在的風(fēng)險，威脅到人類和生態(tài)的安全。總而言之，細(xì)菌還原六價鉻后，還原產(chǎn)物三價鉻主要以兩種形式存在。第一，三價鉻與有機(jī)小分子結(jié)合游離在胞外的環(huán)境中，不能隨著細(xì)胞從環(huán)境中分離而分離（游離的有機(jī)三價鉻）；第二，三價鉻與細(xì)胞結(jié)合在細(xì)胞表面或者胞內(nèi)，可以隨著細(xì)菌從環(huán)境中分離而分離（固定的有機(jī)三價鉻），這一過程被認(rèn)為是細(xì)菌的鉻固定化。游離的三價鉻被證明具有遷移性，再氧化性和難以被生物再降解。在細(xì)胞內(nèi)固定的鉻也存在潛在的風(fēng)險，這部分的鉻可能因為細(xì)胞死亡破碎后，重新釋放到環(huán)境中。因此，有機(jī)三價鉻的潛在風(fēng)險是微生物法處理六價鉻的瓶頸問題。1.4解決瓶頸問題的探索為了解決微生物法的瓶頸問題，科學(xué)工作者們從不同的方向著手研究，大致可以分為3類方法。(1)對有機(jī)三價鉻進(jìn)行進(jìn)一步處理；Cheng等人以甘氨酸鉻作為有機(jī)三價鉻的簡單模型，發(fā)現(xiàn)其經(jīng)過200攝氏度下處理7天或者250攝氏度下處理1天，可以轉(zhuǎn)化為長10-20納米，寬3-5納米的三價鉻礦物（圭羥鉻礦/三方羥鉻礦）。由于鉻與更復(fù)雜的有機(jī)化合物結(jié)合的原因，細(xì)菌產(chǎn)生的有機(jī)三價鉻需要在250攝氏度下反應(yīng)9天才可以轉(zhuǎn)化為圭羥鉻礦/三方羥鉻礦[52]。對細(xì)菌處理產(chǎn)物進(jìn)一步加工的方法盡管可以有效的解決有機(jī)三價鉻不穩(wěn)定的問題，但遺憾的是其需要的能量與成本較高。(2)探索細(xì)菌與其他物質(zhì)的協(xié)同作用；Zhang等人嘗試在不動桿菌屬(Acinetobactersp.)還原六價鉻的過程中，加入醌/氧化石墨烯復(fù)合物作為輔助劑。細(xì)菌在這種輔助劑的協(xié)同作用下，由純細(xì)菌組在120小時還原約30%的六價鉻激增至細(xì)菌混合輔助劑組在16小時還原近100%的六價鉻?？傘t的去除能力也隨著輔助劑的刺激得到激增，細(xì)菌混合輔助劑組在18小時去除了上清液中幾乎100%的總鉻[53]。盡管輔助劑的加入極大的刺激了細(xì)菌六價鉻還原和三價鉻固定的能力，但是在三價鉻產(chǎn)物的證明上依然缺乏穩(wěn)定性的驗證。且輔助劑的合成需要較昂貴的成本，這也是實際應(yīng)用中需要考慮的問題。(3)從細(xì)菌自身出發(fā)，探索調(diào)節(jié)鉻產(chǎn)物的方法。常見的調(diào)節(jié)方法是通過改變環(huán)境介質(zhì)實現(xiàn)對細(xì)菌代謝過程的調(diào)控。Cheng等人發(fā)現(xiàn)人蒼白桿菌被發(fā)現(xiàn)在存在有機(jī)物的介質(zhì)環(huán)境下，細(xì)菌產(chǎn)生更多的可溶性有機(jī)鉻，而在純水中鉻的固定率幾乎可以達(dá)到100%[42]。而Chen等人在蠟狀芽孢桿菌的研究中則發(fā)現(xiàn)，更富有營養(yǎng)的LB培養(yǎng)基對比低營養(yǎng)的葡萄糖，盡管豐富的營養(yǎng)有利于細(xì)菌還原六價鉻，但是鉻的固定率則會降低很多（LB下僅有約25%的鉻固定率，葡萄糖下則有約80%的鉻固定率）[43]。盡管通過調(diào)節(jié)環(huán)境介質(zhì)中的有機(jī)物含量可以達(dá)到更高的固定率，但這種方法對于鉻產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性并沒有發(fā)生改變。Kim等人報道了在六價鉻和四價碲離子共存的條件下，希爾氏菌可以將六價鉻還原為三價鉻后，將三價鉻轉(zhuǎn)化為無定形的鉻碲納米顆粒。這一發(fā)現(xiàn)突破了細(xì)菌還原六價鉻后產(chǎn)物為有機(jī)三價鉻的認(rèn)識。但是由于碲對細(xì)菌的毒害作用，由無碲組在240小時約60%的六價鉻還原率減少為有碲組240小時僅有約30%六價鉻被還原。由于細(xì)菌六價鉻還原能力的減弱和碲元素的稀有限制了這一方法的推廣。考慮到自然界中，鉻通常以鉻尖晶的結(jié)構(gòu)(AB2O4)穩(wěn)定存在于自然界中以及得到鉻碲共存體系的啟發(fā)，推測細(xì)菌的鉻礦化發(fā)生在更復(fù)雜的環(huán)境中，如一種或者兩種離子與鉻離子共存的環(huán)境中。此外，在探索細(xì)菌鉻礦化的可能性過程中，菌種的選擇也是至關(guān)重要的。圖1-3醌/氧化石墨烯復(fù)合物輔助不動桿菌屬處理六價鉻機(jī)理圖[53]Figure1-3MechanismdiagramofAcinetobacterwithquinone/grapheneoxidecomplextotreathexavalentchromium參考文獻(xiàn)[1]劉榮香.復(fù)合吸附劑對地下水Cr（ⅵ）吸附性能研究[D]中國地質(zhì)大學(xué)(北京),2012.[2]鄧紅艷.某工廠廠區(qū)土壤鉻污染及其微生物修復(fù)研究[D]重慶大學(xué),2016.[3]蘇本勛，劉霞，陳晨，PaulT.Robinson，肖燕，周美夫，白洋，IbrahimUysal，張鵬飛.蛇綠巖鉻鐵礦成礦新模型:流體不混溶作用[J].中國科學(xué):地球科學(xué),2021,51(02):250-260.[4]KamenetskyVS,CrawfordAJ,MeffreS.FactorsControllingChemistryofMagmaticSpinel:AnEmpiricalStudyofAssociatedOlivine,Cr-spinelandMeltInclusionsFromPrimitiveRocks[J].JournalofPetrology.2001,42(4):655-671.[5]PuzonGJ,RobertsAG,KramerDM,XunL.FormationofSolubleOrgano?Chromium(III)ComplexesafterChromateReductioninthePresenceofCellularOrganics[J].EnvironmentalScience&Technology.2005,39(8):2811-2817.[6]李成梁，孟菁華，任杰，馬琦琦.鉻渣處理方法研究現(xiàn)狀[J].環(huán)境工程,2015,33(04):112-115.[7]袁文輝，王成彥，徐志峰.電鍍污泥中鉻銅等多金屬資源化利用[J].江蘇理工