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.      

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.     

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.      

金属矿山土壤重金属污染生物修复研究进展

金属矿区及周边土壤重金属污染已成为严重的环境问题之一。重金属污染使土壤质量下降,生态系统退化,同时污染农作物,威胁到人类的健康。目前,修复重金属污染土壤的方法很多,包括物理、化学、生物等方法。其中生物修复法近年来得到了特别的重视,并取得了显著进展。文章全面介绍了目前各种生物修复技术:植物修复、微生物修复以及微生物-植物联合修复,包括修复原理、进展、优缺点等。矿山固体废物和酸性废水导致矿区土壤中富集大量重金属,结合目前生物修复技术及其应用,对金属矿山重金属污染土壤的整体修复提出设想,并进一步指出发展方向:将基因工程引入植物的重金属修复;构建菌根-植物-微生物修复体系,促进土壤重金属污染的生物修复。     

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.      

产脲酶菌株Sporosarcina ureilytica ML-2诱导方解石沉淀矿化Pb（II）、Cd（II）和Cr（VI）研究

微生物诱导方解石沉淀（MICP）作为一种新兴的重金属生物治理技术已逐渐成为研究热点.基于脲酶作为MICP反应的核心驱动力,本研究筛选获得1株拥有致密胞外聚合物,且产脲酶活性和菌体Zeta电位强于产脲酶代表性菌株Sporosarcina pasteurii的MICP功能菌株Sporosarcina ureilytica ML-2.在生物矿化50 mg·L^-1 Pb（II）、Cd（II）和Cr（VI）离子实验中,Cd（II）较Pb（II）和Cr（VI）对菌株ML-2产脲酶代谢活性存在显著性抑制（p<0.01）,实验组仅24 h和48 h即可去除全部的Pb（II）和Cd（II）,而96 h时仅能去除约12.14%的Cr（VI）.生物沉淀SEM形貌显示不同类型重金属可通过影响生物矿化过程无机晶体成核生长方向,从而改变沉淀形貌;EDS表征证实菌株ML-2可通过诱导方解石沉淀有效固定Pb（II）和Cd（II）,而对Cr（VI）无法实现有效固定;FTIR表征则证实羧基、羟基、胺基和烷基等功能基团共同参与重金属的矿化固定.结合天然方解石吸附初始浓度为200 mg·L^-1的Pb（II）、Cd（II）和Cr（VI）离子实验及对应沉淀的XRD图谱,再一次证实Pb（II）以方解石钙位点替代形式被矿化成白铅矿（PbCO₃）,Cd（II）的目标矿化产物菱镉矿（CdCO₃）可能因质量分数过低等原因虽未被检出,但依然实现了高效固定,并再次确认MICP无法有效固定Cr（VI）.最后,MICP矿化固定Pb（II）和Cd（II）污染的过程模型被构建,将为后续的扩大应用提供理论指导.     

土壤重金属污染危害及生物修复技术研究

文章阐明了土壤重金属污染的危害与污染土壤的生物修复技术研究现状扣国外生物修复技术的最新研究内容和方法。系统介绍了重金属污染土壤生物修复的概念、生物修复特点及其机制、类型,重点论述了植物、微生物、动物对重金属污染土壤的修复技术方面的研究进展。最后对生物修复的发展前景进行展望,并在此基础上提出了一些见解和看法,为今后该方面的研究提供参考。     

低浓度铀污染地下水的生物还原矿化修复研究进展

随着核能资源的开发利用,低浓度铀污染地下水引起的环境问题日益突显,如何高效低耗地处理低浓度铀污染地下水成为当今的研究热点。生物还原和生物矿化是修复低浓度铀污染地下水的2种有效方法,而相关研究主要集中在单一机制上,生物还原耦合生物矿化修复低浓度铀污染地下水的研究还缺少系统报道。文章简述了生物还原和生物矿化的机制、参与微生物以及反应产物的稳定性,论述了生物还原耦合生物矿化修复低浓度铀污染地下水的优势、作用机制,同时从微生物和环境因子2个方面总结了耦合机制修复低浓度铀污染地下水的影响因素,提出生物还原耦合生物矿化修复低浓度铀污染地下水的强化方法,并对该技术的应用前景进行了展望。     

重金属的生物吸附技术研究

利用生物包括发酵工业的菌丝体废渣或海洋微生物对重金属的吸附作用，来治理重金属造成的污染，其具有原料丰富，成本低，处理效率高等优点，是目前国外研究较多的一种处理重金属污染的方法，本文从生物吸附的概念、机理、吸附剂的性能，以及生物吸附剂的固定化等诸方面进行了综述，同时阐述了生物对重金属吸附技术研究的发展趋势和应用前景。     

微生物在重金属污染土壤修复中的作用研究

重金属污染土壤的修复是环境工程领域重要的研究方向,而利用微生物来修复重金属污染土壤具有很大的发展潜力.文中阐述了微生物在重金属污染土壤修复中的重要性并详细讨论了微生物修复的作用机理.介绍了生物表面活性剂及其生产菌株与化学表面活性剂相比所具有的优点及在修复污染土壤中的作用.总结了植物-微生物联合修复的特点并分析了植物与微生物之间的协同作用机理.为微生物应用于重金属污染土壤的修复提供理论基础与数据参考并对未来研究方向做了展望.     

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.      

土壤重金属污染的生物修复技术

随着城市化和工业化的加速,土壤的重金属污染问题日趋严重。生物修复技术作为一种环境友好型治理措施越来越受到关注,其主体主要包括植物修复、动物修复以及微生物修复。文章首先综述了生物修复土壤重金属污染的机理及其研究进展,其中植物修复包括降解、提取、挥发、根系钝化以及固定等,而微生物修复机理主要包括生物富集、生物吸着以及生物转化;其次分析了生物修复技术的局限性,如超富集植物积累重金属的单一性,植物的生长速度慢、积累效率低、适应性弱,微生物的种间拮抗作用等;最后对其发展前景提出展望,认为通过加强国际交流,重视多学科的交叉应用,以及合理配置人才与资源等措施,有利于突破技术瓶颈,发展出更具应用价值的复合修复技术。     

重金属污染生物恢复技术研究

本文介绍了重金属污染生物恢复技术原理与特点，对重金属污染生物恢复技术类型作了介绍，同时对影响重金属污染生物恢复技术的一些主要因素作了讨论，并对重金属污染生物恢复技术作了评价及预测了该技术发展方向。     

重金属污染生物恢复技术研究

本文介绍了重金属污染生物恢复技术原理与特点，对重金属污染生物恢复技术类型作了介绍，同时对影响重金属污染生物恢复技术的一些主要因素作了讨论，并对重金属污染生物恢复技术作了评价及预测了该技术发展方向。     

入湖口沉积物重金属对微生物群落的影响

重金属因其可蓄积、有毒性、易积累性等固有性质会对河流沉积物中的微生物群落产生较大影响。为了进一步探索南淝河入湖口重金属对微生物群落结构、多样性和功能的影响,找出诊断入湖口沉积物污染的合适的生物指示物,在南淝河入湖口采集了9个位点沉积物样品。结果表明：通过污染负荷指数评价,研究区域的污染状况处于中度污染水平;相比沉积物理化性质,重金属更能解释微生物群落的变化;重金属显著影响微生物群落的结构,金属Zn和Ni的含量与绿弯菌门及分其类水平下脱卤球菌纲显著性负相关,5种金属元素与厌氧绳菌纲也有一致的负相关;此外,重金属显著地影响微生物群落的功能,包括翻译、复制和修复、折叠、分类和降解、转录及核苷酸代谢功能。基于敏感微生物类群的丰度和预测功能,建立了反映和预测沉积物重金属污染状况的生物指示物：脱卤球菌纲、复制功能和修复与翻译功能。研究结果为重金属胁迫下沉积物的生物修复与环境检测提供了参考。     

水体沉积积物重金属生物有效性及评价方法

在研究以重金属为主要污染的水本中，通常把沉积物视为探索环境重金属污染的工具。由于沉积物重金属化学为和生态效应的复杂性，对沉积物中重金属生物有效性的研究是当前学术界的热点研究课题。本文就沉积物中重金属的生物有效性及沉积物质量评价方法作了简要评述。包括沉积物对水生生物的作用机理，孔隙水重金属浓度的估算沉积物质量评价方法，沉积物质基准。     

中国近海水域重金属的生物监测

本文对中国香港近海水域的铜、锌、铁、镉等重金属在纹藤壶(Balanus amph—itrite)、僧帽牡蛎(Saccostrea cucullata)、扁跳钩虾(Platorchestia platensis)体内积累的浓度作了比较分析,在大量的生物监测资料基础上,指出香港水域的重金属浓度在时间和地域上都存在着梯度。生物体内的重金属含量变化反映了香港地区重金属污染的基本特征。     

一株碳酸盐矿化菌的分离鉴定及其对Cu的固定作用

有机肥的大量使用使得菜田土壤重金属含量呈快速的累积趋势,对蔬菜安全生产构成了严重的威胁.本文从长期施加鸡粪猪粪等农家肥的大棚蔬菜根际土壤中筛选出了一株能降解尿素释放碳酸根,进而通过生物矿化作用固结重金属的细菌,系统发育分析和生理生化特征表明该菌株为氧化木糖无色杆菌,将其命名为LAX2.菌株LAX2可在含尿素的培养基中快速生长,所产脲酶的活力可达140 U·m L~(-1),发酵液的pH可达9.06.菌株LAX2可耐受浓度高达115 mg·L~(-1)的铜离子.X-射线衍射分析(XRD)、傅里叶红外光谱分析(FTIR)、扫描电子显微镜(SEM)和能谱(EDS)分析表明菌株LAX2可通过生物矿化作用形成微球形的Cu_2(OH)_2CO_3,其直径可达2μm.菌体细胞吸附、生物矿化和化学沉淀对溶液中Cu~(2+)的去除率分别为93%、85%和72%.菌株LAX2对土壤中有效态Cu的固定作用呈现适应-快速-慢速3个阶段,培养5、10和30 d后土壤有效态Cu的含量分别下降了52.3%、73.7%和87.4%.与菌体细胞吸附和化学沉淀相比,生物矿化作用固定的Cu对短期内的淹水和反复冻融具有很强的抗性作用.以上结果表明菌株LAX2可通过生物成矿作用形成性质较稳定的碳酸铜矿物,在土壤铜污染修复方面具有重要的应用价值.     

土壤剖面重金属污染对微生物群落结构的影响

为探明重金属污染土壤剖面对微生物群落结构和微生物多样性的影响,该文以重金属污染严重区（焦化园区）作为研究区域,选择了焦化园区上下风向及园区内部共3个土壤剖面,对重金属含量、土壤理化性质以及微生物群落结构进行分析测定。结果表明,研究区域中土壤剖面重金属Cr和Zn污染最严重,Cd和Hg污染最小。由于焦化园区重金属含量明显高于周边区域,证明焦化生产对土壤剖面重金属含量产生较大影响。高通量测序结果表明,土壤剖面微生物群落的优势菌种为酸杆菌门,平均含量为27.20%。多样性指数分析结果表明,焦化园区周边微生物多样性随着土壤深度加深而减少。为探究其影响原因,对重金属浓度及土壤理化性质与微生物多样性相关数据进行相关性分析,分析结果可知,重金属和土壤有机质均与微生物多样性有显著相关性,其中重金属Pb是微生物多样性最重要的影响因素。此外,通过冗余分析发现,微生物中酸杆菌门及放线菌门对重金属污染具有较强耐受力。     

微生物诱导碳酸盐沉淀对水体磷的去除作用

由于人类活动的影响,磷的过量排放日益严重,引发水体富营养化,进而导致水质恶化以及水生生态系统失衡,因此,建立有效去除环境水体磷的方法十分重要。微生物诱导碳酸盐沉淀(MICP)作为一类新颖的生物修复技术,已经被广泛应用于水体重金属的去除处理。然而,有关MICP是否适用于水体磷的去除,尚不得而知。该研究评估了利用巴氏芽孢杆菌(Sporosarcina pasteurii)催化尿素水解进行MICP去除不同浓度磷酸根(150～400 mg/L)的效果。实验结果表明,当添加Ca²⁺激发MICP时,溶液中磷酸根可以在2 h内被快速去除,不同初始磷酸根浓度体系(150、300和400 mg/L)的去除率分别可达95.4%、87.72%和72.05%。反应结束后收集生物沉淀并进行矿物学表征。结果显示：在低磷条件下(150和300 mg/L),磷酸根主要以吸附方式被微生物成因方解石从溶液中去除;而在高磷条件下(400 mg/L),磷酸根除了被矿物表面吸附外,还通过生成羟基磷灰石和含磷方解石的共沉淀形式去除。该研究显示MICP是一种可实现水体磷去除和固定的潜在途径。