基于MICP的水体重金属微生物修复技术研究进展

随着采矿业和工业化的发展，水体的重金属污染成了亟需解决的环境问题。近年来通过微生物矿化修复重金属污染的方法受到较多的关注，其中以微生物诱导碳酸盐沉淀技术（MICP）为代表的生物矿化得到了广泛的研究。该文综述了MICP相关的尿素水解、氨基酸氨化、反硝化、硫酸盐还原、甲烷氧化和光合作用等6种代谢过程，及其在铅、铜、锌、镉、铬、铀和锶等常见重金属元素生物矿化中的研究进展，并分析了重金属浓度、尿素浓度、钙源及其浓度、p H值、温度和生物矿物形态等对MICP的影响。分析认为优化MICP工艺参数、筛选对重金属高耐受的MICP微生物，有利于提高重金属去除率，是该领域的发展方向。     

生物矿化在重金属污染治理领域的研究进展

生物矿化通过生物代谢影响金属及类金属物质的形态分布,进而改变金属及类金属物质的生物有效性及毒性,在环境污染治理领域成为研究热点.文献计量学结果显示,2007—2017年生物矿化研究以微生物为主要对象,在纳米颗粒物和矿区修复等方面形成热点,并在环境学、生物学、化学和工程学等领域形成交叉学科.结合典型矿化菌与重金属间的矿化关联规律和微界面反应对微生物矿化中重金属的钝化机制进行归纳:①依据矿化菌与矿化产物的关联性对矿化菌进行分类,从碳酸盐、铁锰氧化物、硫化物和磷酸盐4类矿化产物角度汇总了碳酸盐矿化菌、铁锰氧化菌、硫酸盐还原菌及磷酸盐溶解菌的代表微生物;②矿化菌通过诱导矿化的方式固定重金属离子,其中碳酸盐矿化菌、硫酸盐还原菌及磷酸盐溶解菌可以直接促进金属矿物的形成,铁锰氧化菌生成的矿物间接吸附金属离子;③微生物矿化是由外及内的过程,细胞壁及胞外多聚物具有丰富基团,在矿化初期提供吸附和成核位点,原生质体也可以提供矿化场所,在矿化中后期继续固定游离离子.但是,由于微生物复杂的细胞结构及独特的生理习性,矿化过程的微界面反应机制研究尚显不足,需要利用生物学、矿物学、环境科学等领域的先进技术进一步的探索;同时也应开展宏观生态水平的生物矿化研究,并结合实际问题完善生物矿化在环境污染治理中的理论,为重金属污染地区的治理提供新的思路和技术.      

碳酸盐矿化菌对模拟放射性Sr2+的成矿作用

选取碳酸盐矿化菌进行培养,利用其在代谢过程中分泌的尿素酶分解尿素产生CO₃2-,从而将游离态的放射性Sr2+转化为稳定态SrCO₃. 通过能谱分析(EDS)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)和傅里叶变换红外光谱(FT-IR)对沉淀产物进行分析,并计算核素固结率. 结果表明:微生物诱导沉积的沉淀为大小混杂、表面多孔的SrCO₃晶体颗粒,并相互黏结形成不规则的团聚体;c(Sr2+)、ρ(尿素)及培养时间等对SrCO₃晶体形貌产生影响;菌体本身作为成核位点参与了碳酸盐矿化菌诱导Sr2+的矿化过程. 当c(Sr2+)为0.05 mol/L、ρ(尿素)为30 g/L、pH为8.0并在30 ℃下培养72 h时,生成较大的微生物矿化物团聚体,对Sr2+固结率可达98.32%,可实现放射性核素稳定化处置.      

碳酸盐矿化菌固结Pb2+的生物矿化

为了研究碳酸盐矿化菌在修复重金属污染过程中的生物矿化作用及其在不同污染体系下对生物矿化的影响,以从南京栖霞山土壤中筛选出的一株耐受Pb的碳酸盐矿化菌株——Bacillus cereus Pb₂₁为研究对象,选用葡萄糖作为底物,采用扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射(XRD)等分析测试手段对其矿化产物进行表征.结果表明:碳酸盐矿化菌可以利用2%葡萄糖底物诱导下的酶化作用将游离态Pb2+转变为稳定态PbCO₃,从而达到修复环境中Pb2+污染的目的.不同污染体系下的生物矿化分析结果显示,随着pH的升高,矿化产物的平均粒径也在变大,由pH为3时的约24 μm增至pH为9时的99 μm.而且,当环境溶液为中性或碱性(pH为7、9)时,矿物生成的速度较快,结晶较好,Pb2+的固结率达到90%以上;而当pH较低(pH为3、5)时,晶体不易成核生长,Pb2+的固结率低于60%.ρ(Pb2+)对Pb2+固结率的影响差异较小,几乎都在90%以上,但是其对矿化产物结构形态的影响较大,随着ρ(Pb2+)的增加,矿化产物的形态越清晰,对微生物矿化固结重金属形成矿化产物也越有利.      

微生物诱导碳酸盐沉积介导的Cd2+固定

实验室条件下,研究了碳酸盐矿化菌施氏假单胞菌（Pseudomonas stutzeri）、枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）和巴氏芽孢杆菌（Bacillus pasteurii）的生长对Cd²⁺的耐受性和固定效果,以及羟基磷灰石对3种菌固定Cd²⁺的影响,通过扫描电镜（SEM）、X射线能谱（EDS）、傅里叶红外光谱（FTIR）和X射线衍射（XRD）对碳酸盐矿化菌的诱导矿化产物进行了表征.结果表明,3种菌生长过程中B.pasteurii的脲酶活性最强,是P.stutzeri和B.subtilis脲酶活性的10倍左右,且P.stutzeri,B.subtilis,B.pasteurii产CO₃^2-的最高浓度分别为588.19,661.72,1735.18mg/L,培养体系中pH值均呈现升高的趋势,最高pH值分别为8.23,9.06,9.52;Cd²⁺浓度在0~10mg/L范围内对P.stutzeri的生长影响较小,而当Cd²⁺浓度高于1mg/L时则会抑制B.subtilis和B.pasteurii的生长.初始Cd²⁺浓度为0.5mg/L时,培养120h,P.stutzeri,B.subtilis和B.pasteurii对Cd²⁺的固定去除率分别为96.37%,99.40%,97.57%;加入羟基磷灰石能够提高碳酸盐矿化菌对Cd²⁺的去除率.SEM和EDS结果显示,P.stutzeri和B.subtilis诱导形成的矿化产物多聚集在菌体周围或附着在菌体表面,呈球状或网状结构,表面疏松多孔,B.pasteurii的矿化产物附着在菌体表面,结构致密,呈不规则的球状;FTIR分析表明矿化产物中存在CO₃^2-,结合XRD结果,证实3种菌诱导沉淀矿化产物主要是CaCO₃,而Cd²⁺与Ca²⁺会以同晶置换的方式形成CdCO₃晶体,B.pasteurii在诱导矿化的过程中可将Cd²⁺以Ca_0.67Cd_0.33CO₃共沉淀的方式固定.     

场地重金属污染土壤固化及MICP技术研究进展

冶炼场地土壤重金属污染是亟待解决的重要环境问题.固化修复技术因其修复时间少、成本低、处理效率高已成为污染场地重金属修复的主流技术之一.总结了近10年来有关固化修复场地重金属污染的最新研究进展,从重金属固化修复机制入手,对比分析了不同固化方式[无机材料固化、有机材料固化、机械球磨和微生物诱导碳酸盐成矿（MICP）]的优缺点及其适用范围.随后,根据文献计量学分析所呈现的研究重点及发展趋势,从MICP在重金属修复中的应用、MICP复合材料在污染场地中的应用和MICP技术应用的影响因素这3个方面对微生物诱导碳酸盐沉淀技术固化场地重金属污染的应用前景及限制因素进行了总结和阐述.最后提出了土壤固化研究的前景和挑战,以期为场地土壤固化技术的未来发展提供借鉴参考.     

粉煤灰用于碳捕集、利用及封存的研究进展

总结了国内外粉煤灰用于CO₂捕集、利用和封存的不同技术研究进展,同时对今后的研究和机遇进行了展望.粉煤灰自身可通过直接干式、半干式、湿式和间接方法对CO₂进行矿化捕集封存,在CO₂矿化的同时降低粉煤灰自身重金属的浸出,并且矿化后的粉煤灰因有效降低游离CaO和MgO的含量而更适合于制作混凝土添加剂.粉煤灰也可制成活性炭、沸石和多孔二氧化硅等产品,并对CO₂进行物理吸附捕集,制成产品的类型主要取决于粉煤灰自身的成分组成和理化性质.在CO₂利用方面,粉煤灰除了可拓展建材的利用途径外,还可制作CO₂多种化学工艺所需催化剂或催化剂载体,以及制作新型材料拟薄水铝石等.我国“双碳”目标的提出及燃煤电厂粉煤灰自身的理化特性为粉煤灰提供了一条新的综合利用途径.     

微生物诱导碳酸盐沉淀技术强化生物炭固定铅的效果及机理研究

生物炭是一种极具潜力的低碳重金属固定材料,但受固定机理的制约,其长效稳定性往往不能满足实际工程需求.本研究提出通过微生物诱导碳酸盐沉淀(MICP)技术来强化生物炭对铅的固定,以期实现长效稳定.首先,从不同原材料、不同生产温度制备得到的5种农业废弃物生物炭中筛选出铅固定量较大但稳定性较差的水稻秸秆生物炭(700℃制备)(RSB700),其固定的铅成分中酸可溶态占比高达94.0%,具有潜在的环境风险.对固定了铅的RSB700进行MICP处理,试验以巴氏芽孢杆菌为试验菌株,控制尿素浓度为0.5 mol·L^-1,氯化钙设4个浓度梯度(0.05、0.1、0.3和0.5 mol·L^-1).微观和化学分析结果显示,MICP处理后,生物炭表面出现不规则的团簇型碳酸钙晶体(多为方解石,部分为球霰石),铅的稳定性也得到显著提升.氯化钙浓度对强化效果有一定的影响,当其浓度为0.3 mol·L^-1时,可交换态铅和酸可溶态铅占比分别降低约90.0%和92.7%,稳定态铅占比提升约19.6倍.MICP技术的强化机理主要是在生物炭表面形成一层由碳酸钙...     

基于菌藻共生的污水处理与资源化新技术研究进展

基于微藻生物处理技术的菌藻共生培养体系，不仅能实现污水资源化，还可利用菌藻间相互作用增强处理系统的污染物去除能力及藻类生物质回收潜力。菌藻共生体系还可耦合CO₂固定，结合工业烟气中高浓度的CO₂进行微藻培养可同时实现碳减排与降低微藻额外曝气补充CO₂的能耗，符合“碳中和”的发展需求。本文对菌藻共生体系在污水处理及资源化过程的作用机理、相互作用形式及影响因素进行了系统介绍，对菌藻工程在污染物降解、CO₂固定及微藻生物质产品的回收潜力展开综述。研究菌藻间营养交换、信息传递及基因水平的互相适应作用形式，发现选择适宜的共生菌藻组合培养可有效增强污水中污染物去除效果且提高CO₂固定效率。菌藻共生效应对藻类生物组分(蛋白质、脂质和碳水化合物等)积累存在增强效应与选择能力，通过污水类型合理遴选藻种及对应共生菌、调节接种比例与培养条件，可提高工业规模上收获微藻并进一步加工生产生物燃料、医疗保健食品等产品的效率。菌藻共生耦合废水处理、CO₂固定及生物质能回收于一体，有利于构...     

碳酸盐矿化菌的筛选与其吸附和矿化Cd~(2+)的特性

从贵州省毕节市妈姑镇矿区重金属污染的土壤中筛选出5株碳酸盐矿化菌,探究其吸附和矿化Cd~(2+)的特性.从代谢热角度阐明Cd~(2+)与基质(尿素)胁迫下菌活性会降低.实验结果表明,2#菌株对Cd~(2+)耐受能力可达250mg/L.菌株吸附和矿化效率随Cd~(2+)浓度增大而降低.Cd~(2+)初始浓度为10mg/L时,菌龄为4h的菌株对Cd~(2+)矿化效果最佳(45.14%),且矿化效果稳定.该研究表明碳酸盐矿化菌通过诱导沉淀矿化去除Cd~(2+)的效果优于菌体吸附,为碳酸盐矿化菌修复重金属污染提供理论参考和实践指导.     

氧化木糖无色杆菌(Achromobacte rxylosoxidans)LAX2对Cu、Pb和Cd复合污染土壤的生物矿化修复研究

我国土壤重金属复合污染较为突出,是目前亟待解决的土壤环境问题之一.本文研究了一株氧化木糖无色杆菌LAX2对Cu、Pb和Cd共存体系的生物矿化作用及其复合污染土壤的矿化修复作用.结果表明,菌株LAX2的发酵液、无菌发酵液和菌体细胞对3种重金属的去除能力大小顺序均为Pb~(2+)Cd~(2+)Cu~(2+).X-射线衍射、扫描电镜、红外光谱和能谱分析表明,3种重金属共存时菌株LAX2发酵液可诱导形成PbCO_3和CdCO_3晶体,而Cu不能单独成矿,混合矿物晶体呈长杆状.菌株LAX2发酵液能够明显降低黑钙土和白浆土中Cu、Pb和Cd的有效态含量,矿化修复30 d后,黑钙土中Cu、Pb、Cd的有效态含量分别降低了48.0%、71.4%、62.8%,白浆土中Cu、Pb、Cd的有效态含量分别降低了42.0%、63.2%、53.6%;碳酸盐结合态和铁锰氧化物结合态含量明显增加,可交换态和有机物结合态含量明显降低.矿化修复后的土壤中重金属的浸出毒性随修复时间的增长而降低,黑钙土中Cu、Pb、Cd浸出量分别降低了90.3%、93.2%、92.8%,白浆土中Cu、Pb、Cd浸出量分别降低了82.5%、86.1%、84.3%.以上结果说明,菌株LAX2可通过碳酸盐矿化作用固定土壤中的复合重金属,且在相同条件下对黑钙土的修复效果好于白浆土.     

Environmental investigation of bio-modification of steel slag through microbially induced carbonate precipitation

Steel slag (SS) is one of byproduct of steel manufacture industry. The environmental concerns of SS may limit their re-use in different applications. The goal of this study was to investigate the leaching behavior of metals from SS before and after treated by microbially induced carbonate precipitation (MICP). Toxicity characteristic leaching procedure, synthetic precipitation leaching procedure and water leaching tests were performed to evaluate the leaching behavior of major elements (Fe, Mg and Ca) and trace elements (Ba, Cu and Mn) in three scenarios. The concentrations of leaching metals increased with the content of SS. After it reached the peak concentration, the leaching concentration decreased with the content of SS. The leachability of all elements concerned in this study was below 0.5%. The carbonate generated from the MICP process contributed to the low leachability of metals. After bio-modified by MICP process, the leaching concentrations of Ba from TCLP, SPLP and WLT tests were below 2.0 mg/L, which was the limit in drinking water regulated by U.S. EPA. The concentrations of Cu leached out from MICP-treated SS-sand samples were below 1.3 mg/L which is the limit regulated by national secondary drinking water. Compared with the regulations of U.S.EPA and Mississippi Department of Environment Quality (MDEQ), MICP-treated samples were classified as non-hazardous materials with respects to the leaching of metals. Meanwhile, maximum contaminant limits regulated by U.S.EPA states that MICP-treated SS are eco-friendly materials that can be reused as construction materials.     

碳酸盐岩风化和成土过程的重金属迁移富集机理初探及环境风险评价

为了探究碳酸盐岩在风化和成土过程中重金属元素迁移规律及重金属的富集机理,本次研究以贵州省都匀市及其周边地区寒武纪地层出露的碳酸盐岩风化剖面为研究对象,采用碳酸盐岩酸不溶物的提取试验研究重金属在基岩中的赋存特征,并结合质量平衡法探索重金属的迁移特征,初步讨论了土壤中重金属的富集机制及其环境影响.研究结果表明:碳酸盐岩风化...     

贵州百花湖沉积物重金属稳定性及潜在生态风险性研究

为研究贵州高原河道深水湖泊百花湖的重金属污染状况,以该湖泊10个采样点的表层沉积物为研究对象,测定了Hg、Cd、As、Pb、Cu、Zn、Cr7种重金属的含量,并对其中5种重金属(Cd、Pb、Cu、Zn、Cr)的存在形态和稳定性进行了研究.结果表明,Cu、Zn、Cr在百花湖沉积物中各形态的平均含量变化趋势为:残渣态>有机结合态>铁锰氧化物结合态>碳酸盐结合态>可交换态,Cd为残渣态>可交换态>有机结合态>铁锰氧化物结合态>碳酸盐结合态,Pb为残渣态>铁锰氧化物结合态>有机结合态>碳酸盐结合态>可交换态,几种重金属平均浓度均在临界效应浓度值和必然效应浓度值之间.Cd、Pb、Cu、Zn和Cr5种重金属元素稳定度变化范围依次为:6%～35%、8%～23%、8%～11%、8%～18%、2%～14%,稳定性依次为:Cr>Zn>Cu>Cd=Pb,这些元素基本处于稳定-中等稳定状态.最后,分别以1990年贵州省土壤重金属背景平均值和本次采样周边土壤背景值为基本值,对百花湖沉积物进行生态风险性评价.结果发现,百花湖已经处于中等-很强水平的生态危害程度,说明百花湖水体可能已受到重金属的严重污染,但其稳定性可能推迟或减弱其有效生态危害性,但仍有必要加强该湖泊水体中重金属的监测工作.     

滩涂土壤淋洗过程中盐分变化及其对重金属的影响

通过对滩涂土壤的淋洗实验,对在不同脱盐阶段,土壤孔隙水的盐分离子与土壤中各重金属含量及各重金属不同形态的含量进行监测与分析.结果表明,不同脱盐阶段的土壤孔隙水,淋洗后较淋洗前各盐分离子的下降率分别为：Na^＋80.3%、K^＋73.5%、Mg^2＋86.6%、Ca^2＋90%、Cl^-81.8%、SO4^2-98.2%...     

水热-碳酸钠法稳定化医疗废物焚烧炉飞灰中重金属的研究

研究了水热-碳酸钠法对医疗废物焚烧炉飞灰中重金属的稳定化效果及稳定化机制.结果表明,在水热条件下,碳酸钠能有效地降低飞灰中重金属的渗滤毒性,并且飞灰经水热处理后产生的废水中重金属的浓度也较低,避免了二次污染.原始飞灰中7种重金属的渗滤毒性为:Cd1.97mg/L,Cr1.56mg/L,Cu2.56mg/L,Mn17.30mg/L,Ni1.65mg/L,Pb1.56mg/L和Zn189.00mg/L,选择最佳工况对飞灰进行水热处理后(碳酸钠/干灰投加量:5/20,反应时间:8h,液固比:10/1),重金属渗滤毒性大为降低,Cd、Cr、Cu、Mn、Ni、Pb渗滤浓度均小于0.02mg/L,Zn的渗滤浓度为0.05mg/L,符合国家标准GB5085.3-2007,水热反应后废水重金属浓度均低于0.8mg/L.水热反应后飞灰重金属渗滤毒性和反应产生废水中重金属浓度均随着反应时间的延长而降低.反应时间的延长有利于硅铝酸盐的结晶与老化,使重金属在硅铝酸盐晶体中位置发生迁移,形成重金属稳定性很强的结构.重金属稳定化机制主要是由于硅铝酸盐胶体形成,结晶、老化过程中对重金属离子共沉淀与吸附作用.     

西南典型碳酸盐岩高地质背景区农田重金属化学形态、影响因素及回归模型

土壤重金属化学形态是决定重金属生物活性和生物毒性的重要因素,是科学评价西南碳酸盐岩高地质背景区土壤重金属生态风险的关键.为了探明碳酸盐岩高地质背景区土壤重金属化学形态分布情况,选择贵州省典型碳酸盐岩分布区,以第二次全国土壤普查图斑为采样单元,在农田中采集土壤表层样品309件,利用改进的Tessier七步顺序提取法,分析了As、Cd、Cu、Hg、Ni、Pb和Zn等7种重金属的水溶态（F1）、离子交换态（F2）、碳酸盐结合态（F3）、弱有机结合态（F4）、铁锰氧化物结合态（F5）、强有机结合态（F6）和残渣态（F7）这7种化学形态.结果发现,土壤中重金属As、Cu、Hg、Ni、Pb和Zn残渣态比例均超过50%,有效组分（F1~F3）比例均小于5%,潜在生物有效组分（F4~F6）比例低于45%,活性较低,生态风险不高.Cd的有效组分和潜在生物有效组分占比分别为55.49%和29.37%,远高于其他重金属,基于土壤重金属形态的生态风险远小于基于土壤总量的生态风险.逐步回归方程可以有效建立Cd、Cu和Pb生物有效组分与影响因素之间的关系.重金属全量和pH值是影响碳酸盐岩高地质背景区土壤重金属化学形态的重要因子,受研究区长期土法炼锌活动和碳酸盐岩风化成土过程中重金属元素倾向于在残渣态中富集的影响,土壤有机质（OM）和氧化物含量对土壤重金属化学形态影响相对较小.     

城市土壤和地表灰尘重金属污染研究进展与展望

随着城市化和工业化的不断推进,城市土壤和地表灰尘重金属污染日趋严重,对城市环境和人类健康构成威胁,已成为国内外城市环境研究的热点问题.从重金属污染水平及其时空特征、污染源解析方法、生态和健康风险这3个主要方面,对国内外城市土壤和地表灰尘重金属研究成果进行了梳理和归纳.分析了当前研究存在的不足,并对未来研究进行了展望,即研究土壤和地表灰尘重金属在不同条件下的相互影响机制,通过丰富验证方法加强重金属来源解析模型结果的可靠性研究,加强来源驱动下重金属化学形态差异和地表灰尘短期累积污染过程的研究,完善暴露参数并深入探究重金属的化学形态对其生态和健康风险的影响,以提高风险预测水平.