產脲酶微生物誘導碳酸鹽沉淀修復重金屬污染的研究進展

朱辰播,劉子雯,查小玲,賀志剛*

(1.蘇州市常熟環境監測站,江蘇 蘇州 215000;2.蘇州逸凡特環境修復有限公司,江蘇 蘇州 215000)

近年,隨著我國工業水平的突飛猛進,生態系統中的重金屬污染不斷增加,并帶來潛在的生態風險[1]。工業(如油漆、化肥、紡織、電鍍等)產生的廢水富含重金屬離子,如果未經過妥善處置,這些難降解的重金屬將在水體和土壤中積累,并通過食物鏈在生物體內富集。重金屬會導致嚴重的疾病,包括骨骼損傷、貧血、神經損傷等[2]。當前,去除環境中重金屬的方法主要有材料吸附法、微生物修復法、植物修復法、化學沉淀法、離子交換法以及膜分離法等。

微生物誘導碳酸鹽沉淀修復重金屬污染是近年重金屬污染修復領域的新方向,其中較為常用的是產脲酶微生物(例如BacillusmegateriumSS3、Bacilluslicheniformis、Pseudomonascalcis、Sporosarcinapasteurii和Myxococcusxanthus等)代謝產生脲酶,從而分解尿素生成NH4+和CO32-,通過共沉淀的形式將金屬離子沉淀到方解石晶體中,從而實現金屬離子的固定化[3]。李成杰[4]報道了產脲酶微生物對含有鈣(Ca)和鎘(Cd)溶液中Cd2+的去除率高達95.96%。楊子陸[5]在產脲酶微生物固定化Cd的研究中發現pH值為7、8和9時,生長良好的菌株對Cd2+離子的固化率均達到了90%以上。如圖1所示,產脲酶微生物通過產生脲酶從而水解尿素、提高環境pH值、產生CO32-、菌體表面的負電荷吸引溶液中陽離子、以菌體為中心生成CaCO3沉淀和形成方解石晶體等途徑誘導碳酸鹽沉淀[6]。Qiao等[7]利用產脲酶微生物修復Cd、銅(Cu)、鋅(Zn)和鎳(Ni)復合重金屬污染時發現菌體對不同種類重金屬元素的去除機理不同,Cd的去除依賴于細菌生命活動,產脲酶微生物對環境中160 mg·L-1Cd的去除效率高達96.1%。李萌等[8]利用土壤中分離出來的菌種分別對Cd、Cu、Ni、鉛(Pb)等溶液進行固化實驗,其中Pb和Cd的固定化效率超過98%。通過實驗發現產脲酶微生物對鉛的固定主要分為非生物沉淀,生物沉淀和生物吸附過程,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胞數量的影響[9]。

圖1 產脲酶微生物誘導碳酸鹽沉淀固定化環境中重金屬的機理示意圖

現有研究表明,產脲酶微生物誘導碳酸鹽沉淀固定穩定化環境中的效率較高(表1),但在工程應用上存在一些局限。例如,利用產脲酶的微生物水解尿素,過量的NH4+產生和積累使廢水中氮素含量超標[10];高濃度的重金屬會抑制產生脲酶的微生物的活性,從而降低重金屬的去除率[11]。產脲酶微生物誘導碳酸鹽沉淀修復環境重金屬污染的研究國內外剛剛起步。因此,本文總結了產脲酶微生物誘導碳酸鹽沉淀固定穩定化環境中不同重金屬的效率,闡述了重金屬固定穩定化的機制,討論了產脲酶微生物誘導碳酸鹽沉淀固定穩定化重金屬技術應用的局限性,以期為后續研究提供理論支持。

表1 部分產脲酶微生物去除環境中重金屬的效率[12]

表1(續)

1 產脲酶微生物固定穩定化環境中Cd的研究進展

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

圖2 產脲酶微生物固定穩定化環境中Cd的機理示意圖[19]

2 產脲酶微生物固定穩定化環境中鉛的研究進展

現有研究指出,產脲酶微生物代表性菌株Sporosarcina pasteurii對溶液(Pb2+濃度為0.05～5 mol·L-1)中Pb2+的礦化效率高達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Pb含量約46.3%～58.5%,增加碳酸鹽結合態Pb含量約82.4%～94.1%,產脲酶微生物不僅具有優異的快速固定穩定化環境中的Pb的能力,還具有長期礦化Pb的能力。Zeng等[1]研究表明,產脲酶微生物可實現垃圾滲濾液中Pb2+(Pb2+質量濃度為25 mg·L-1)的快速礦化,且連續15 d保持酸性環境(pH值=5.5)僅有1.76%的Pb2+被釋放。這種特性可能是由于產脲酶微生物誘導方解石沉淀礦化環境中Pb,Pb2+替代方解石中鈣位點以形成白鉛礦,微生物長期的生理活動促進方解石晶胞聚集,以維持被礦化固定的Pb2+的長期環境穩定性[21]。Jiang等[9]利用MINTEQ軟件模擬了水中Pb的礦化過程(圖3),實驗開始時溶液中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97%,Pb2+沉淀轉化為PbCO3,中間相處于過渡狀態(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均應完全轉化為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,防止其進一步轉化。此外,CaCO3外殼還可以使PbCO3免受外界環境pH值變化的影響,維持被礦化固定的Pb2+的長期環境穩定性。

圖3 產脲酶微生物礦化環境中鉛的多層結構示意圖

3 產脲酶微生物固定穩定化環境中其他重金屬的研究進展

鉻(Cr)在環境中以Cr3+和Cr6+的形式賦存,Cr3+更易與環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植物吸收并產生毒害。因此,環境中Cr污染修復的突破口是將Cr6+轉變為Cr3+。Zhao等[22]研究發現了產脲酶微生物固定穩定化環境中Cr的還原-礦化協同機制(圖4),耐Cr產脲酶微生物BacillusstrainT124可以利用還原酶將Cr6+轉變為Cr3+,并同時Cr3+替代CaCO3中的Ca2+以Ca-Cr共沉淀(Ca10Cr6O24(CO3))。產脲酶微生物固定穩定化環境中砷(As)的效果較差且機制尚不清楚,其可能是通過促進CaCO3轉化為羥基磷灰石并摻雜砷酸鹽這一途徑完成對環境中As的礦化[23]。Qiao等[7]研究指出,產脲酶微生物去除水中Cu的效率僅為75.10%,而Cd去除率高達96.18%,這可能是由于Cu2+和Cd2+的離子半徑不同而成核位點不同,Cu2+的去除更依賴環境pH值的提高。產脲酶微生物BacilluscereusNS4可以將土壤中可溶態Ni的含量由400 mg·kg-1降低至38 mg·kg-1,碳酸鹽形態的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,尿素水解過程中產生的NH4+不僅可能與Ni(OH)2沉淀物反應生成鎳胺絡合物,還會提高土壤pH值以促進可溶性Ni向其他形態轉變。

圖4 產脲酶微生物Bacillus strain T124固定穩定化環境中 Cr的還原-礦化機制示意圖

4 結論與展望

綜上,產脲酶微生物誘導碳酸鹽沉淀可以有效固定穩定化環境中重金屬離子,是一種有前途的、可持續的重金屬污染環境修復技術。產脲酶微生物通過利用肽聚糖、脂多糖、磷壁酸和胞外多糖等物質吸附重金屬離子、借助細胞表面的-COOH、-OH、-CONH2、-NH2和-SH等官能團絡合重金屬離子和誘導方解石沉淀、白鉛礦沉淀、Ca-Cr共沉淀和羥基磷酸石轉化礦化固定重金屬離子等途徑達到修復重金屬污染環境的目的。但產脲酶微生物在重金屬污染環境修復領域的應用因NH4+過量積累、微生物在復合污染環境下活性受抑制、尿素分解速度快導致反應持續時間短等問題受限。今后的研究應考慮改變環境溫度、溶解氧含量和pH值以促進多余的NH4+以NH3的形式逸散;在接種產脲酶微生物的同時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脲酶微生物中以實現環境中多余的NH4+的脫除;使用固定化微生物技術和生物炭、沸石等材料負載產脲酶微生物以提高產脲酶微生物的抗逆性和多種污染物復合污染下的活性;深入研究產脲酶微生物誘導碳酸鹽沉淀反應速率的控制和尿素的緩釋技術以達到長期礦化環境中重金屬離子的目的;重視微生物誘導碳酸鹽沉淀這一過程對重金屬污染土壤理化性質和結構的積極作用,以期同時實現重金屬污染土壤安全利用和改良。