生物礦化在環(huán)境保護方面的應用

鄒良慧

現在多采用沉淀、分離、離子交換樹脂和電化學法等來處理污水中的重金屬，但是這幾種方法不僅需要很高的運行費用，而且工藝復雜，極易導致再次污染。治理重金屬土壤一般使用化學淋洗、電動修復法等，這些方式存在著同樣的問題。為了開發(fā)出更加低成本、簡單工藝的處理技術，科學研究人員逐漸開始研究生物礦化法。

一、什么是生物礦化

生物礦化是一種常見的自然現象，宏觀上講比如骨骼、珊瑚、貝殼等都是生物礦化的產物。現在利用微生物礦化的作用來對重金屬土壤進行重金屬價態(tài)的改變從而減少其毒性是新興的發(fā)展方向，主要利用細菌在代謝過程中產生的鈦酸根或磷酸根來和重金屬離子進行結合，從而降低其他生物的利用率。

生物礦化的機理是十分復雜的，因為其特征之一是它能被自身生物基質所調配，所以依據可支配程度的不同可分成誘導礦化和控制礦化。誘導礦化發(fā)生在細胞的外部，其分泌的胞外聚合物為重金屬離子提供成核位點。控制礦化一般有兩種方式，第一種是細胞主動將陽離子運送到胞外，然后陽離子擴散到有機基質中形成礦物;第二種是通過胞吐的作用，將陽離子送到胞外，然后在有機基質處釋放陽離子，形成礦物。

二、常見礦化物及對環(huán)境改良的作用

（一）細菌

人們關注較多的能夠進行礦化的微生物有脫硫細菌、碳酸鹽礦化菌、鐵細菌和磷酸鹽礦化菌等，這些都是在生活當中分布廣泛并且容易獲得的生物。碳酸鹽礦化菌可以在成長階段產生一種酶，和其周圍的Ca2+、、Cu2+、Ba2+等離子結合，然后以碳酸鹽的形式礦化。磷酸鹽礦化菌可以在誘導下產生酶化作用分解出PO3-4，和環(huán)境里游離的重金屬離子結合。碳酸鹽礦化菌可以分化尿素產生CO2-3，與環(huán)境中的游離重金屬離子結合為穩(wěn)定的碳酸鹽沉淀物，進而減少其對自然資源的傷害，顯示出生物礦化對環(huán)境改良的前景。

（二）真菌

常見的真菌有酵母菌、霉菌、和蕈菌三大類。真菌可以產生大量的胞外聚合物，從而幫助泥土維持其成分構成。酵母菌形態(tài)簡單且是以芽植為主，不論在有氧的環(huán)境還是無氧的環(huán)境中都能夠成活，也能夠在不同的PH值之間生長，對溫度的忍耐度也較高。利用酵母菌進行礦化固結后，這些沉積物在特定的環(huán)境里面能夠保持很好的穩(wěn)定性，這說明酵母菌的處理效果好。

真菌礦化環(huán)境當中的重金屬離子因為不同的機理，過程也不同，但是大部分都是為細胞表面提供可以成核的位點，在細胞的表面形成礦化物。也有少部分控制自己胞內的物質形成礦化物。這對于修復重金屬土壤污染有一定的意義。

（三）藻類

藻類分為褐藻、紅藻和綠藻三種。褐藻是吸附容量最高的，所以被大多數科學家用于研究，特別是馬尾藻屬的研究更多。藻類易于觀察，所以被人們作為判斷水質好壞的指標，并且由于其對于重金屬的去除能力要強于細菌、真菌，又不容易產生二次污染，所以得到很大的關注。藻類通過生物礦化的作用可以對水中的元素進行處理，因此研究藻類對重金屬離子去除的適宜環(huán)境對于水治理有著重大的意義。

（四）動植物

許多無脊椎動物在礦化的過程中，細胞內沉積著高度無序的礦物相，隨后運輸到胞外產生礦化。珊瑚就是最好的例子，它最關鍵的化學成分就是碳酸鈣。植物類發(fā)生礦化的現象也是很普遍的存在，常見的礦化物有草酸鈣、碳酸鈣、二氧化硅。在各種條件下，對于不同種類的重金屬離子的處理都可以發(fā)揮很好的處理效果，但是目前對于治理完重金屬后的植物沒有很好的處置方式。

三、影響生物礦化的因素

生物礦化金屬的程度基本上是受細胞狀況（比如其本身營養(yǎng)供給、生理狀況）、反應條件（比如Ph值、溫度等）、金屬離子的性質這三個方面因素的影響。

（一）細胞本身營養(yǎng)供應水平的影響

營養(yǎng)供應水平的不同會直接影響到細胞礦化的速度，因為胞外聚合物是為金屬離子提供成核位點，所以營養(yǎng)供應的程度不一致會直接關系到礦化產物的處理速率。

（二）溫度和PH值的影響

在不同溫度和PH值環(huán)境下，細胞表層的化學狀況是不一樣的，對于金屬吸附位點和金屬離子的作用也是不一樣的，會直接關系到水解、吸附或無極配體的絡合反應、氧化還原反應等。一般情形下如果PH值太低，對于游離重金屬離子的吸附效率會下降，因為大量的水和氫離子會占據大量的吸附位點。還有一種解釋就是在強酸環(huán)境下，酶受到影響會失去活性。利用碳酸鹽礦化菌來治理土壤污染，主要就是利用其產生的酶來瓦解尿素得到碳酸根，然后與泥土中游離的重金屬離子固化，對其進行修整。溫度過高或者過低都不利于生物礦化，但是在一定的范圍內溫度對細胞礦化的影響沒有Ph值的影響那么明顯。

（三）離子共存的影響

在目前的研究當中大多都是對某一金屬離子而不是多種離子，因為當存在多種離子時，生物礦化的研究就會變得更加復雜，其中就會牽扯到不同離子的反應優(yōu)先級的問題或者是不同溶液下反應的問題。但是研究多種離子的問題是必要的，在實際的土壤污染當中都會存在一些較為復雜的重金屬離子成分。同樣水中也存在很多復雜的成分，海水的污染造成了海水利用受到嚴重阻礙，就比如曬鹽后的高濃度鹽水，如果直接排入生態(tài)環(huán)境當中會產生非常慘重的后果。因為海水成分復雜，含有多種金屬陽離子和陰離子。

四、生物礦化法在環(huán)境治理中的應用

（一）水處理

加拿大B.V.SORBEX公司用微藻和大型藻類生產出系列產品用于重金屬的處理，這種處理劑在一系列PH值下都表現出良好的去除效果。Li等將微藻細胞固定于反應器中用于Co的去除，對于Co的去除率達到94.5%。但是處理的重金屬都被轉移到微藻體內，如果事后對于這些藻類的處理不當，將會造成二次污染。中國的濟南市建立了三座水處理站，其中西濼河處理站采用了活性濾料生物濾池，利用活性濾料生物和水解酸電池結合，將水過濾水解酸化從而增加其的生化機能。他們將濾池分為DN池和CN池，分別有著不同種類的菌種。當污水經過活性濾料過濾以后會產生一種會剝落的膜，然后再經過水解酸，經由這樣的工程出水的標準達到一級A標準，每年減少許多外排的COD1496.5t、BOD766.5T、SS912.5t、氨氮127.25t和總磷21.9t。江西有一家企業(yè)專門從事生產200億孢子/克解淀粉芽孢桿菌可濕性粉劑，投產后污水排放總量約60m3/d。在進水COD、BOD5、SS的質量濃度分別為12000mg/L、4000mg/L、500mg/L時，出水分別為85mg/L、15mg/L、60mg/L，平均去除率分別為99.3%、99.6%、88.0%，出水水質穩(wěn)定并滿足GB8978-1996中的一級標準的條件。

（二）土壤修復中的應用

土壤修復關鍵是利用碳酸鹽礦化菌來穩(wěn)固土壤里游離的重金屬離子，將其和尿素混合進行分解產生碳酸根來穩(wěn)固重金屬離子使其不再游離。南京某礦區(qū)周圍就采用這種方式進行處理實驗，實驗表明游離的重金屬離子明顯減少，As的去除率高達83%，Pb、Cd、Zn和Cu的去處理分別是71%、51%、50%和74%。運用植物修復法的美國賓夕尼亞州怕莫頓一處鋅礦污染區(qū)，該店去表面土壤中的Cd濃度達到364-1300mg/Kg之高，Pb濃度為1200-6475mg/Kg和Zn濃度為1.3×104-3.5×104mg/Kg，這些數值表明該地區(qū)處于高度污染地區(qū)。采用植物修復的方法對該地區(qū)的污染地區(qū)4.86×106㎡的場地進行了植被重建，在十年過后，這個重建地區(qū)已經有70%以上的地區(qū)被植物覆蓋。蜈蚣草對于坤元素有很強的吸收能力和轉運能力，它的上部就可以累計坤元素達到22.6g/Kg。湖南省郴州市有著地球上首個坤超富集的植被修復基地，僅僅只在第一年就治理了10%左右的土地。雖然目前擁有此種土地治理的先進技術，但是依舊需要大量的現場試驗。

五、生物礦物法在環(huán)境治理過程中的問題及展望

就目前世界對生物礦化的研究已經在實驗階段有著大量的案例，但現實中使用生物礦化技術修復重金屬污染的實例報道太少了。生物礦化隸屬于多個領域，需要研究微生物學、物理學等科目背景。生物礦化應用到實際當中還需要很長一段時間的研究，因為重金屬離子污染成分復雜，不單單只有一種，而且還需要考慮不同的生活環(huán)境對生物礦化的影響，最后就要考慮技術成本的各種問題。研究能同時去除多種重金屬污染，擁有廣譜礦化能力的礦化劑，馴化培養(yǎng)針對某一特定金屬離子的微生物，這些都是我們所期待的和未來研究關注的對象。

六、結語

現在的重金屬處理方式或多或少地都會擁有其他的問題存在，生物礦化法的出現為人們對于環(huán)境的修復和治理有著重大的意義。科學家們都朝著相同的方向進行研究和努力，也希望在平時的生活中要正確地處理含有重金屬的物質，共同保護我們賴以生存的環(huán)境。（作者單位：惠州方舟檢測技術有限公司）