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。     

微生物诱导碳酸盐沉淀及其在固定重金属领域的应用进展

生物矿化已受到化学、物理、生物、材料、医学、生命及环境等多学科的广泛关注,其中,以尿素为底物的MICP（微生物诱导碳酸盐沉淀）技术是生物矿化领域的研究热点之一.在分析MICP过程中的酶解机理和生物大分子在微生物矿化过程中的作用基础上,通过对重金属离子的矿化产物和碳酸盐矿化菌的成矿因素分析,揭示MICP矿化产物的特征及形成条件.碳酸盐矿化菌主要产生脲酶分解尿素,增加土壤CO₃2-饱和度,其代谢产生的胞外聚合物具有多种功能团组合和键能连接,起着调控生物矿化的作用.MICP技术可用于固定土壤和水体中的Cu、Pb、Zn、Cd、Cr、As等重金属,重金属主要以共沉淀的形式被固定,阴阳离子型重金属以类质同象置换方式分别占据方解石中的CO₃2-位和Ca2+位,从而促使污染土壤中的可交换态重金属向碳酸盐结合态转移.但是,MICP技术主要针对减少重金属的生物可利用性,不能满足以全量来计算的现行土壤环境质量标准,且MICP技术在长期有效性、生物安全性和土壤理化性质等方面存在诸多隐患.因此,由试验条件转向实际应用具有一定挑战.建议寻找更稳定的方法以阻止碳酸盐矿物中的重金属溶出,且有必要将开发高效的土著微生物复合菌剂作为未来MICP研究的方向之一.      

微生物与重金属相互作用过程与机制研究进展

重金属污染对土壤、地下水和农作物等会产生重大影响,并通过生物链危害人体健康.微生物在环境中广泛存在,在矿物分解、元素释放、迁移、沉淀和再富集过程中起着重要作用,进一步发掘对不同重金属具有耐受性的特异性菌株,探究其对重金属的解毒和耐受性的机制,可更好地为微生物用于环境修复工作提供理论依据.综述了微生物与环境中重金属的相互作用过程与机制以及微生物在修复重金属污染中的应用,结果表明:①微生物自身生长过程中产生的大量氨基酸、蛋白质和多肽等物质可与重金属鳌合,促进重金属的溶解和吸附过程.②重金属对微生物产生毒性影响,微生物通过氧化还原、生物矿化和甲基化等作用改变重金属元素的化学形态,降低重金属的毒性.③微生物对重金属的修复效果与重金属的存在形态有关,在实际应用中可先将重金属元素转化为易于被微生物吸附的形态,再利用特异性菌株进行生物修复.④根际微生物对植物吸收重金属起着重要的调控作用,但植物根系分泌物和微生物的新陈代谢产物对重金属形态及生物有效性的协同拮抗作用机制及其微观的界面过程尚未明晰,有待进一步研究.      

淋滤技术去除剩余污泥重金属研究进展

微生物淋滤能够去除剩余污泥中的重金属,并具有成本低、效率高和改善污泥脱水性能等优点,在国内外得到广泛关注。生物淋滤法在硫杆菌等微生物的作用下,将污泥中难溶的金属硫化物氧化成金属硫酸盐溶出;而厌氧酸化淋滤作为新技术,在厌氧酸化阶段通过质子交换和非离子态金属盐溶解使重金属浸出释放,相较于微生物淋滤法无需外加药剂和前处理,具有发展潜力。对包括生物淋滤和厌氧酸化淋滤在内的国内外相关研究进行了归纳,重点介绍了污泥中重金属的存在形态,两种工艺的去除机理以及环境因素对各自淋滤效果的影响,并对淋滤技术在环境污染治理方面的应用前景进行了展望。     

环境中生物氧化锰的形成机制及其与重金属离子的相互作用

微生物参与形成的锰氧化物是环境中一种高活性的锰氧化物.研究表明,锰氧化菌主要通过分泌多铜氧化酶来氧化Mn(Ⅱ)而形成锰氧化物.微生物形成锰氧化物过程的主要初级产物是与δ-MnO₂或与酸性钠水锰矿类似的层状锰酸盐.生物氧化锰是环境中重要的吸附剂、氧化剂和催化剂.通过吸附、氧化作用,生物氧化锰影响着重金属离子在环境中的迁移转化,在重金属元素生物地球化学循环中起重要作用.研究锰氧化物的生物形成过程、生物氧化锰的结构特征及其与重金属离子之间的相互作用,对于了解生物氧化锰在重金属元素生物地球化学循环过程中的作用以及在重金属污染修复中的应用有着重要意义.本文综述了环境中生物氧化锰的形成机制、性质、结构特点及其吸附、氧化重金属离子的机制.     

铁锰氧化物及其复合材料的研究进展

在环境治理修复技术中,铁锰氧化物因其较高比表面积和较强的吸附性能而被广泛应用于环境污染治理领域,近年来铁锰氧化物与沸石、石墨烯、生物炭、硅藻土、陶粒等相结合制备成铁锰氧化物复合材料并应用于环境污染治理领域研究也被相继报道。该文综述了铁锰氧化物及其复合材料的制备方法、应用和展望;总结了其在水污染治理中对去除重金属离子、有机污染物以及磷酸根、硝酸根等其它污染物的应用研究;归纳了其在大气污染防治和土壤修复中的应用研究;综述了其去除环境污染物的机理。认为铁锰氧化物及其复合材料在环境污染治理领域具有广阔的应用前景。     

生物法处理含硫酸盐重金属废水的研究进展

基于硫酸盐还原菌(SRB)的厌氧生物技术是一项处理酸性含硫酸盐重金属废水极具潜力的技术。文章综述了厌氧生物法处理酸性含硫酸盐重金属废水的机理、重金属对生化系统中微生物及胞外聚合物的影响、生物法对硫酸盐和重金属的协同去除,提出了生物法处理该类废水目前还存在的问题及一些建议。     

硫酸盐还原菌在废水厌氧治理中的应用分析

主要研究硫酸盐还原菌在废水厌氧治理中的应用。详细了解了硫酸盐还原菌进行硫酸盐和重金属离子还原的机理,并介绍了重金属离子废水的厌氧处理、有机硫酸盐废水处理、酸性矿山废水的厌氧治理三种硫酸盐还原菌在废水处理中的典型应用,硫酸盐还原菌厌氧治理是一种前景广阔的废水处理方法,对控制废水排放、保护环境有着重要意义。     

混合菌对表层沉积物中重金属形态及生物有效性的影响

采用改进的Tessier连续萃取法对表层沉积物中重金属(内源体系:Fe、Mn、Cu、Zn和Pb;外源体系:掺杂Cu、Zn和Pb后的Fe、Mn、Cu、Zn和Pb)一定时间(45d)内的形态分布进行分析,探讨了混合菌对体系中重金属形态及生物有效性的影响。混合菌的加入促进了沉积物中Fe向可交换态、碳酸盐结合态的转变,Fe的生物有效性显著提高;混合菌的掺杂导致了Mn向稳定态的移动,体系中Mn的各形态除可交换态含量均有所提高,且混合菌可以提高Mn的生物有效性;混合菌的存在增加了内源体系中Zn的铁锰氧化态稳定性,外源体系中混合菌的添加促进了其活化作用,与混合菌前33d降低金属有效性相矛盾;混合菌加入使内源体系中Pb残渣态和外源体系中有机质结合态升高,与混合菌加大Pb的有效性不吻合;混合菌可导致内源体系Cu的铁锰氧化物含量增加和铁锰氧化物态下降、Cu的生物有效性提高,而外源体系中前Cu的碳酸盐结合态上升,混合菌降低了Cu生物有效性。     

沉积物电缆细菌研究进展

目前,在沉积物中发现一种丝状多细胞微生物-电缆细菌,该菌属于变形菌门的脱硫球茎菌科（Desulfobulbaceae）.电缆细菌通过远距离电子传输将沉积物表面的氧还原与深处缺氧层的硫化物氧化电耦合进行完整的氧化还原反应,调节氧分子和硫化物迁移转化.电缆细菌有3种连接方式,表层存在脊段结构进行电子运输,并在富含硫酸盐和季节性周期变化的自然环境中广泛存在.这种新型的多细胞合作方式对沉积物的生物地球化学循环产生显著影响,促进沉积物硫化区铁锰的溶解,并抑制硫和磷等元素的释放.此外,电缆细菌参与硫化物和烃类污染物的降解,为污染沉积物生物修复领域提供新的研究方向.本文对电缆细菌的发现、生理代谢、栖息环境以及生物地球化学循环的影响等研究进行了综述.     

活性污泥工艺对重金属的去除及微生物的抵抗机制

活性污泥工艺通常被用于污水厂的污染物降解和有机物稳定，但同时它还能去除重金属，当重金属的浓度需从10—100mg／L处理到＜1mg／L以下时，其更显得有效和经济。许多重金属可被活性污泥去除，去除率取决于操作条件及其物理，化学和生物的影响因子等。活性污泥细菌产生的胞外多聚糖为聚合物提供了吸附源，并在絮疑沉淀中起重要作用。不同的金属和不同的金属价态在多聚糖上的吸收结合位点不同，导致重金属去除率各不相同。在各种不同规模的活性污泥处理单元中，Fe、Cu、Cr、Pb和Zn有较高的去除率，而Ni、Mn相对较低。金属离子的存在能促使基因产生抗金属毒性的酶，对大多数重金属的抵御属于质粒编码系统，抗重金属的微生物在环境核复中将有诱人的应用前景。     

微生物菌粉与菌液矿化固结Zn~(2+)的研究与对比

利用碳酸盐矿化菌在底物诱导下的酶化作用,分解产生碳酸根离子,矿化固结环境(土壤水体)当中的游离重金属离子,减少其危险。文章以Zn2+溶液模拟重金属离子污染体系,研究过程中发现,生产的矿化产物主要是ZnO.5(OH)62(CO)3。分别用菌粉和菌液进行微生物矿化试验,对矿化产物进行底物分解率,SEM,XRD,矿化粒径的对比研究。从对比研究结果看,菌粉复活后,可以达到与菌液基本相同的矿化效果。而菌粉相对于菌液而言,其主要优势在于能长时间储存,产品体积小,运输起来更方便,因此,菌粉具有更广泛的应用性。     

重金属对硫酸盐还原菌影响

含重金属硫酸盐废水是我国工业水污染的突出问题,利用硫酸盐还原菌的生物去除重金属的方法具有投资少、成本低、能耗少、去除率高,没有二次污染等优点而成为研究的热点。文章以混合培混养物作为接种污泥,考察不同浓度的重金属离子(Cu2+、Cd2+、Ni2+、Hg2+)对硫酸盐还原菌(Sulfate reducing bacteria,SRB)的抑制作用。研究表明:10 mg/L的Cu2+、Cd2+和20 mg/L的Hg2+对SRB还原硫酸盐的影响较小,硫酸盐最大去除率可分别达到94.1%、94.6%、91.3%,与空白(93.9%)相近;20 mg/L的Cu2+对SRB的抑制最为强烈,硫酸盐最大还原率仅为48.2%,剩余金属离子(Cd2+、Ni2+、Hg2+)都分别随着浓度的增大而对SRB的抑制作用增强;相同浓度的重金属离子对SRB的抑制顺序为Ni2+>Cu2+>Cd2+>Hg2+,抑制浓度分别为10、20、30、60 mg/L。最后阐述了各个反应器中硫酸盐还原率最大时,(WCOD/WSO42-)与硫酸盐还原率的关系。     

锦州湾沉积物芯样中重金属污染及变化动态

研究了锦州湾海域底质沉积物中重金属（Zn,Pb,Cd,Fe,Mn）的含量分布,并以一个代表性的水平剖面和一个垂直剖面（J06号芯样）分析了重金属含量变化动态。通过回归计算得出几种金属在水平距离上的变化方程;在分析该湾沉积理化环境基础上,探讨了重金属地球化学相的垂向含量变化,Fe、Mn二元素的垂直剖面的成岩演变。认为沉积物中金属元素释放出来而污染上覆海水,最后得出该湾金属的污染程度及环境现状的结论。     

典型重金属离子对厌氧氨氧化脱氮体系的影响研究进展

厌氧氨氧化工艺具有无须外加碳源、产泥量少和能耗低等优势,应用前景较为广阔。但厌氧氨氧化菌对环境条件敏感,阻碍了该工艺的推广应用。重金属离子是影响厌氧氨氧化工艺的重要环境影响因子,且不同种类、价态和浓度的重金属离子造成的影响存在较大差异。选取含氮废水中的4种典型重金属离子（Cu2+、Zn2+、Fe2+和Fe3+）,综述了其对厌氧氨氧化工艺脱氮效能的长短期影响,并从抗性基因和功能基因响应、胞外聚合物生成与微生物群落动态3个方面系统分析了重金属离子作用于厌氧氨氧化微生物菌群的内在机制。旨在全面分析重金属离子对厌氧氨氧化工艺及微生物菌群的影响,为提升厌氧氨氧化生物脱氮效能提供参考依据。     

Limitation of spatial distribution of ammonia-oxidizing microorganisms in the Haihe River, China, by heavy metals

The Haihe River is characterized by high ammonia pollution. Therefore, it is necessary to determine how environmental factors, such as heavy metals in the river limit the spatial distribution of ammonia-oxidizing microorganisms. In this study, the relationships between five heavy metals and ammonia-oxidizing microorganisms were studied. The results showed that under high ammonia, low oxygen and high concentrations of suspended particles, ammonia-oxidizing bacteria(AOB) ranged from 101:3 to 104:8 gene copies/mL and ammonia-oxidizing archaea(AOA) ranged from 102:7 to 104:9 gene copies/mL. The average metal concentrations in water were 23.57(Cr), 21.58(Ni), 65.09(Cu), 622.03(Zn) and 10.16(As) μg/L, with those of Zn, Cu and Cr being higher than the US EPA criteria. Scatter plots of microbial abundance and metals indicated that both AOA and AOB were limited by heavy metals, but in different ways. As had an inhibitory effect on AOB, while Ni and Zn promoted AOA, and the other metals investigated showed no significant correlation with microbial abundance. Overall, our results indicated that the effects of heavy metals on ammonia-oxidizing microorganisms in water are complex, and that the final effect is determined by the physiological role of each element in the microorganisms, as well as environmental conditions such as complexation of organic matter, not simply the total metal concentration.     

再生水灌水水平对土壤重金属及致病菌分布的影响

为了探讨再生水不同灌水水平对土壤重金属、活性微生物和典型环境致病菌分布的影响,采用室内土柱灌水实验,研究再生水、自来水不同灌水水平对土壤重金属Cd、Pb、Cu、Zn和土壤细菌、真菌、大肠菌群、大肠埃希氏菌分布的影响.结果表明：相同灌水水平下,与自来水灌溉处理相比,再生水灌溉处理下土壤重金属含量略有提高,但仍远低于《土壤环境质量标准》[GB15618-1995]限值,因此短期再生水灌溉不会造成土壤重金属污染;再生水不同灌水水平对比分析表明,充分灌溉相比非充分灌溉提高了表层土壤Cd、Pb含量,Cu、Zn含量无明显差异.此外,相同灌水水平下,再生水灌溉相比自来水显著提高了表层土壤细菌总数和大肠菌群、大肠埃希氏菌数量,对土壤真菌总数影响不大;再生水不同灌水水平对比分析表明,充分灌溉相比非充分灌溉显著提高了表层土壤细菌和真菌总数及大肠菌群、大肠埃希氏菌数量.土壤重金属与土壤活性微生物及典型环境致病菌之间的相关性分析表明,土壤Cd、Pb、Zn含量与土壤细菌、真菌总数及大肠菌群、大肠埃希氏菌数量之间呈正相关性,推断较低含量重金属对土壤活性微生物及典型致病菌的生长繁殖存在一定程度上的刺激作用.因此,再生水灌溉促进了土壤活性微生物的繁衍,并且在一定程度上增加了土壤重金属和环境致病菌的污染风险;合理控制再生水灌水水平可以有效阻控土壤重金属和致病菌含量.     

植物促生菌在重金属生物修复中的作用机制及应用

重金属污染是导致生态和环境退化的主要因素之一.土壤重金属污染会降低土壤质量、农作物产量和品质,甚至威胁人类健康.因此,优化土壤重金属污染治理措施,对于农业高产优质可持续具有重要意义.诸多国内外学者在重金属污染植物修复方面开展了大量研究,但由于受土壤和气候环境条件的影响,其修复效率受到制约.微生物与植物的协同修复被认为是环境胁迫条件下提高重金属污染修复效率的一种有效手段.耐重金属的植物促生细菌（PGPB）不仅可以促进植物生长,提高对生物胁迫（如病原菌）和非生物胁迫（如干旱、高盐、极端温度和重金属等）的抗性,还可以改变土壤中重金属的生物利用度和毒性,从而提高植物对重金属的修复效率.系统地梳理了耐重金属的PGPB在促进植物生长,增强植物抗逆性和影响重金属生物利用度方面的作用机制,并进一步综述了近年来国内外关于PGPB在生态修复中的应用和研究进展.     

高价离子还原菌还原机理及研究进展

高价离子还原菌普遍存在于自然环境中,它们在环境的原位修复中起着非常重要的作用。本文主要介绍了三种典型的高价离子还原菌：异化Fe（III）还原菌（IRB）、硝酸盐还原菌及硫酸盐还原菌（SRB）,分别以Fe3＋、N03-和SO4^2-为电子受体,以有机物作为电子供体,在将高价离子还原的同时,达到对污染环境的修复作用。文章综述了此类细菌的特性、作用机理、影响因素以及在国内外实际中的应用,分析了异化Fe（III）还原菌、硝酸盐还原菌及硫酸盐还原菌的异同点,并对该类细菌在环境污染治理中的发展趋势进行了评述。