产脲酶微生物诱导碳酸盐沉淀修复重金属污染的研究进展

朱辰播,刘子雯,查小玲,贺志刚*

(1.苏州市常熟环境监测站,江苏 苏州 215000;2.苏州逸凡特环境修复有限公司,江苏 苏州 215000)

近年,随着我国工业水平的突飞猛进,生态系统中的重金属污染不断增加,并带来潜在的生态风险[1]。工业(如油漆、化肥、纺织、电镀等)产生的废水富含重金属离子,如果未经过妥善处置,这些难降解的重金属将在水体和土壤中积累,并通过食物链在生物体内富集。重金属会导致严重的疾病,包括骨骼损伤、贫血、神经损伤等[2]。当前,去除环境中重金属的方法主要有材料吸附法、微生物修复法、植物修复法、化学沉淀法、离子交换法以及膜分离法等。

微生物诱导碳酸盐沉淀修复重金属污染是近年重金属污染修复领域的新方向,其中较为常用的是产脲酶微生物(例如BacillusmegateriumSS3、Bacilluslicheniformis、Pseudomonascalcis、Sporosarcinapasteurii和Myxococcusxanthus等)代谢产生脲酶,从而分解尿素生成NH4+和CO32-,通过共沉淀的形式将金属离子沉淀到方解石晶体中,从而实现金属离子的固定化[3]。李成杰[4]报道了产脲酶微生物对含有钙(Ca)和镉(Cd)溶液中Cd2+的去除率高达95.96%。杨子陆[5]在产脲酶微生物固定化Cd的研究中发现pH值为7、8和9时,生长良好的菌株对Cd2+离子的固化率均达到了90%以上。如图1所示,产脲酶微生物通过产生脲酶从而水解尿素、提高环境pH值、产生CO32-、菌体表面的负电荷吸引溶液中阳离子、以菌体为中心生成CaCO3沉淀和形成方解石晶体等途径诱导碳酸盐沉淀[6]。Qiao等[7]利用产脲酶微生物修复Cd、铜(Cu)、锌(Zn)和镍(Ni)复合重金属污染时发现菌体对不同种类重金属元素的去除机理不同,Cd的去除依赖于细菌生命活动,产脲酶微生物对环境中160 mg·L-1Cd的去除效率高达96.1%。李萌等[8]利用土壤中分离出来的菌种分别对Cd、Cu、Ni、铅(Pb)等溶液进行固化实验,其中Pb和Cd的固定化效率超过98%。通过实验发现产脲酶微生物对铅的固定主要分为非生物沉淀,生物沉淀和生物吸附过程,非生物沉淀受钙源和初始Pb浓度的影响,生物沉淀的效率取决于尿素的溶解效率,生物吸附效果在很大程度上受活细胞数量的影响[9]。

图1 产脲酶微生物诱导碳酸盐沉淀固定化环境中重金属的机理示意图

现有研究表明,产脲酶微生物诱导碳酸盐沉淀固定稳定化环境中的效率较高(表1),但在工程应用上存在一些局限。例如,利用产脲酶的微生物水解尿素,过量的NH4+产生和积累使废水中氮素含量超标[10];高浓度的重金属会抑制产生脲酶的微生物的活性,从而降低重金属的去除率[11]。产脲酶微生物诱导碳酸盐沉淀修复环境重金属污染的研究国内外刚刚起步。因此,本文总结了产脲酶微生物诱导碳酸盐沉淀固定稳定化环境中不同重金属的效率,阐述了重金属固定稳定化的机制,讨论了产脲酶微生物诱导碳酸盐沉淀固定稳定化重金属技术应用的局限性,以期为后续研究提供理论支持。

表1 部分产脲酶微生物去除环境中重金属的效率[12]

表1(续)

1 产脲酶微生物固定稳定化环境中Cd的研究进展

现有研究表明,产脲酶微生物固定稳定化环境中Cd的机理主要为生物吸附和矿化(图2)。产脲酶微生物的生物吸附过程可分为细胞壁吸附和表面络合,其可利用肽聚糖、脂多糖、磷壁酸和胞外多糖等物质吸附环境中Cd,还可以利用表面蛋白质、多糖、脂类等物质上的官能团(如-COOH、-OH、-CONH2、-NH2和-SH等)络合固定Cd[13]。吴雪姣等[14]研究证实,Lysinibacillussp.分泌的腐殖酸类胞外聚合物可有效吸附溶液中Cd2+,细胞表面的-C=O、-OH和-NH等官能团参与Cd2+的络合,细胞表面出现成分可能为CdCO3(菱镉矿的主要成分,较稳定的镉赋存形态)、CdS和Cd(OH)2的白色矿物颗粒。王继勇等[15]研究指出,产脲酶菌株UR-2对水体中Cd2+(Cd2+质量浓度为100 mg·L-1)的固化率约为70.5%,细菌细胞壁和细胞膜上的蛋白质参与Cd的络合,矿化过程形成的CdCO3以不同粒径的球形颗粒形式包裹细菌细胞壁。Zeng等[16]利用傅里叶红外光谱、拉曼光谱和X射线衍射等技术揭示了产脲酶微生物矿化水中Cd2+的机理,矿化过程涉及从非晶态碳酸钙、球霰石到方解石晶体的变化,而Cd(OH)2可能是Cd矿化的主要形式并非CdCO3。这可能是由于Cd(OH)2的溶度积常数远低于CdCO3,少量的Cd2+可以取代方解石中Ca2+的位点,这与Mugwar和Harbottle[17]利用MINTEQ软件模拟的结果相一致,即产脲酶微生物通过表面沉淀Cd(OH)2和取代方解石中Ca2+的位点矿化环境中Cd。产脲酶微生物矿化土壤中镉的过程与水中不同,产脲酶微生物会先吸附在土壤中SiO2等颗粒上,再以吸附络合的Cd2+和Ca2+作为位点,以共沉淀的方式形成相互掺杂的CdCO3和CaCO3[18]。

图2 产脲酶微生物固定稳定化环境中Cd的机理示意图[19]

2 产脲酶微生物固定稳定化环境中铅的研究进展

现有研究指出,产脲酶微生物代表性菌株Sporosarcina pasteurii对溶液(Pb2+浓度为0.05～5 mol·L-1)中Pb2+的矿化效率高达95%[20]。蔡红等[13]研究表明,MicrobacteriumfoliorumCH6和BacillusthuringiensisN3可以有效降低土壤中可交换态Pb含量约46.3%～58.5%,增加碳酸盐结合态Pb含量约82.4%～94.1%,产脲酶微生物不仅具有优异的快速固定稳定化环境中的Pb的能力,还具有长期矿化Pb的能力。Zeng等[1]研究表明,产脲酶微生物可实现垃圾渗滤液中Pb2+(Pb2+质量浓度为25 mg·L-1)的快速矿化,且连续15 d保持酸性环境(pH值=5.5)仅有1.76%的Pb2+被释放。这种特性可能是由于产脲酶微生物诱导方解石沉淀矿化环境中Pb,Pb2+替代方解石中钙位点以形成白铅矿,微生物长期的生理活动促进方解石晶胞聚集,以维持被矿化固定的Pb2+的长期环境稳定性[21]。Jiang等[9]利用MINTEQ软件模拟了水中Pb的矿化过程(图3),实验开始时溶液中Pb以Pb2+的形式存在,随着溶液中Pb浓度上升(Pb2+浓度由10 mmol·L-1增加至50 mmol·L-1;尿素含量为0),Pb2+的去除率由17.8%降低至8.1%,Pb2+以Pb(OH)2形式沉淀;随着尿素浓度上升,Pb2+的去除率高达97%,Pb2+沉淀转化为PbCO3,中间相处于过渡状态(例如(PbCl)2CO3和Pb3(CO3)2(OH)2)。理论上,在尿素充足的情况下(PbCl)2CO3和Pb3(CO3)2(OH)2均应完全转化为PbCO3。这可能是由于最初形成的非生物沉淀物(PbCl2和Pb(OH)2)可能部分转化为(PbCl)2CO3、Pb3(CO3)2(OH)2和PbCO3,形成外层并封装初始非生物沉淀物,防止其进一步转化。此外,CaCO3外壳还可以使PbCO3免受外界环境pH值变化的影响,维持被矿化固定的Pb2+的长期环境稳定性。

图3 产脲酶微生物矿化环境中铅的多层结构示意图

3 产脲酶微生物固定稳定化环境中其他重金属的研究进展

铬(Cr)在环境中以Cr3+和Cr6+的形式赋存,Cr3+更易与环境中的胺和磷酸盐形成配合物,而Cr6+因其高迁移性和高毒性更易被动植物吸收并产生毒害。因此,环境中Cr污染修复的突破口是将Cr6+转变为Cr3+。Zhao等[22]研究发现了产脲酶微生物固定稳定化环境中Cr的还原-矿化协同机制(图4),耐Cr产脲酶微生物BacillusstrainT124可以利用还原酶将Cr6+转变为Cr3+,并同时Cr3+替代CaCO3中的Ca2+以Ca-Cr共沉淀(Ca10Cr6O24(CO3))。产脲酶微生物固定稳定化环境中砷(As)的效果较差且机制尚不清楚,其可能是通过促进CaCO3转化为羟基磷灰石并掺杂砷酸盐这一途径完成对环境中As的矿化[23]。Qiao等[7]研究指出,产脲酶微生物去除水中Cu的效率仅为75.10%,而Cd去除率高达96.18%,这可能是由于Cu2+和Cd2+的离子半径不同而成核位点不同,Cu2+的去除更依赖环境pH值的提高。产脲酶微生物BacilluscereusNS4可以将土壤中可溶态Ni的含量由400 mg·kg-1降低至38 mg·kg-1,碳酸盐形态的Ni的含量显著增加,土壤中大量的Ni以NiCO3的形式赋存[24]。此外,尿素水解过程中产生的NH4+不仅可能与Ni(OH)2沉淀物反应生成镍胺络合物,还会提高土壤pH值以促进可溶性Ni向其他形态转变。

图4 产脲酶微生物Bacillus strain T124固定稳定化环境中 Cr的还原-矿化机制示意图

4 结论与展望

综上,产脲酶微生物诱导碳酸盐沉淀可以有效固定稳定化环境中重金属离子,是一种有前途的、可持续的重金属污染环境修复技术。产脲酶微生物通过利用肽聚糖、脂多糖、磷壁酸和胞外多糖等物质吸附重金属离子、借助细胞表面的-COOH、-OH、-CONH2、-NH2和-SH等官能团络合重金属离子和诱导方解石沉淀、白铅矿沉淀、Ca-Cr共沉淀和羟基磷酸石转化矿化固定重金属离子等途径达到修复重金属污染环境的目的。但产脲酶微生物在重金属污染环境修复领域的应用因NH4+过量积累、微生物在复合污染环境下活性受抑制、尿素分解速度快导致反应持续时间短等问题受限。今后的研究应考虑改变环境温度、溶解氧含量和pH值以促进多余的NH4+以NH3的形式逸散;在接种产脲酶微生物的同时引入脱氮功能微生物或利用基因工程将NH4+降解功能基因片段接入产脲酶微生物中以实现环境中多余的NH4+的脱除;使用固定化微生物技术和生物炭、沸石等材料负载产脲酶微生物以提高产脲酶微生物的抗逆性和多种污染物复合污染下的活性;深入研究产脲酶微生物诱导碳酸盐沉淀反应速率的控制和尿素的缓释技术以达到长期矿化环境中重金属离子的目的;重视微生物诱导碳酸盐沉淀这一过程对重金属污染土壤理化性质和结构的积极作用,以期同时实现重金属污染土壤安全利用和改良。