综述：利用生物炭支持的固定化微生物系统修复多环芳烃（PAHs）和重金属共污染的沉积物：综述

《Journal of Water Process Engineering》：Remediation of PAHs and heavy metals co-contaminated sediments by biochar-supported immobilized microbial systems: A review

PAHs-HMs共污染沉积物的生物炭-微生物固定化联合修复机制研究，综述了2010-2025年间PAHs与重金属协同毒性对微生物膜系统及代谢途径的影响，重点解析生物炭通过多孔结构稳定微生物群落、表面官能团吸附重金属（如Pb2?、Cd2?）降低生物有效性、EPSs屏障保护及 quinone电子传递系统提升污染物降解效率的协同作用机制，探讨了该技术解决微生物定殖抑制、氧化应激及电子传递瓶颈的创新路径，提出工程菌定向筛选与生物炭材料优化配方的未来研究方向。

　　在当今环境科学领域，污染物的复合污染问题正成为研究的热点之一。其中，多环芳烃（PAHs）和重金属（HMs）的共存污染尤为引人关注，因为它们不仅具有长期的环境影响，还可能对生态系统和人类健康构成严重威胁。本文旨在对PAHs和HMs共污染的现状、生物炭辅助微生物固定化技术及其在环境修复中的应用进行系统性的回顾与分析，为未来的研究和实际应用提供理论指导和实践路径。

PAHs是一类具有多个苯环结构的有机化合物，常见于工业排放、交通尾气以及煤炭燃烧等过程中。它们具有较强的疏水性和低水溶性，因此容易吸附在沉积物中并长期存在。这种特性使得PAHs在环境中难以被自然过程降解，从而增加了其对生态系统的潜在危害。另一方面，重金属如铅、镉、铬等，通常来源于采矿、冶炼、化工生产等人类活动，它们同样具有高毒性，并且在沉积物中表现出较强的吸附能力。当这两种污染物同时存在于沉积物中时，其协同毒性效应将显著增强，导致微生物群落功能受到破坏，从而影响环境修复的效率。

由于PAHs和HMs的协同毒性效应，传统的环境修复技术往往难以有效应对这种复合污染问题。例如，物理化学方法虽然在某些情况下能够快速去除污染物，但其操作过程可能对环境造成二次污染，并且成本较高。相比之下，生物修复技术因其环境友好性和可持续性，逐渐成为研究的重点。然而，实际应用中仍然面临诸多挑战，如污染物的共毒效应、极端气候条件的影响以及原生微生物的竞争排除等，这些因素都可能限制修复微生物的生长和代谢活性，进而影响修复效果。

在此背景下，生物炭辅助微生物固定化技术应运而生，成为解决PAHs-HMs复合污染的有效手段之一。生物炭作为一种由有机材料高温热解制备的多孔碳材料，具有较大的比表面积和丰富的官能团，使其在吸附污染物和促进微生物生长方面表现出色。研究表明，生物炭能够有效吸附重金属离子，降低其生物可利用性，从而减少对微生物的毒性影响。此外，生物炭的表面特性还可以调节微生物细胞内的氧化还原平衡，提高其对污染物的耐受能力。更重要的是，生物炭还能作为电子传递媒介，促进微生物在降解污染物过程中的电子转移效率，特别是在厌氧条件下，生物炭能够增强电活性细菌（如Geobacter spp.）的活性，使其能够将PAHs降解过程中产生的电子传递给重金属，从而将其还原为毒性较低的形式。

在实际应用中，生物炭辅助微生物固定化技术展现出显著的优势。首先，它能够提供一个稳定的微环境，促进微生物的生长和定殖。生物炭的多孔结构可以作为微生物的载体，为其提供附着点和营养物质，增强其在复杂污染环境中的生存能力。其次，生物炭的表面官能团能够与重金属离子形成稳定的络合物，从而降低其在水体中的迁移能力，减少对周围生态系统的扩散风险。此外，生物炭还能通过调节微生物的代谢活动，提高其对污染物的降解效率。例如，在重金属胁迫下，生物炭能够增强微生物的抗氧化能力，减少氧化应激对细胞的损害，从而提高其对复合污染的适应性。

然而，尽管生物炭辅助微生物固定化技术在理论上具有诸多优势，其实际应用仍然面临一些挑战。例如，生物炭的制备方法和原材料选择对最终产品的性能具有重要影响。不同来源的生物炭可能具有不同的理化性质，如比表面积、孔隙结构、表面官能团等，这些因素都会影响其在环境修复中的表现。因此，如何优化生物炭的制备工艺，使其更适配特定的污染环境，是当前研究的一个重要方向。此外，生物炭与微生物之间的相互作用机制也需要进一步深入研究。虽然已有研究表明生物炭能够促进微生物的生长和活性，但其具体作用机制，如生物炭如何影响微生物的基因表达、代谢途径等，仍有待明确。

除了生物炭本身的特性，其在实际应用中还受到环境条件的影响。例如，pH值、温度、氧化还原电位等环境因素都会影响生物炭的吸附能力和微生物的活性。因此，在设计生物炭辅助微生物固定化系统时，需要充分考虑这些环境变量，并通过实验优化其组合方式。此外，生物炭的长期稳定性也是一个值得关注的问题。在自然环境中，生物炭可能会发生降解或与其他物质发生反应，从而影响其在环境修复中的持续作用。因此，如何提高生物炭的耐久性和环境适应性，是未来研究的重要课题。

与此同时，生态风险评估也是生物炭辅助微生物固定化技术应用过程中不可或缺的一环。虽然微生物修复技术在一定程度上能够改善污染环境，但其引入可能带来一定的生态风险。例如，过量的微生物引入可能会导致对原生微生物群落的排挤，影响生态系统的稳定性。此外，微生物在降解污染物的过程中可能会产生一些副产物，这些副产物是否会对环境造成新的污染，也需要进行充分的评估。因此，在推广生物炭辅助微生物固定化技术之前，必须进行全面的生态风险评估，确保其在实际应用中的安全性和可持续性。

本文对近年来关于PAHs-HMs共污染的研究进行了系统性的回顾，总结了生物炭辅助微生物固定化技术的最新进展。通过对文献的整理和分析，本文不仅揭示了PAHs和HMs在沉积物中的污染现状，还探讨了生物炭在污染物吸附、降解以及微生物调控中的作用机制。此外，本文还评估了生物炭在减少协同毒性方面的潜力，并提出了未来研究的方向和应用前景。随着对复合污染问题认识的不断深入，生物炭辅助微生物固定化技术有望成为一种高效、环保的环境修复手段，为解决全球范围内的沉积物污染问题提供新的思路和方法。

在实际应用中，生物炭辅助微生物固定化技术的推广还需要克服一些技术和经济上的障碍。例如，生物炭的制备成本、运输和储存条件等，都可能影响其在实际工程中的应用。因此，如何降低生物炭的生产成本，并提高其在不同环境条件下的适用性，是当前研究的一个重点。此外，生物炭与微生物的协同作用还需要进一步优化，以提高其在复杂污染环境中的修复效率。例如，可以通过调整生物炭的表面化学性质或引入特定的微生物菌株，来增强其对污染物的吸附和降解能力。

综上所述，生物炭辅助微生物固定化技术为解决PAHs-HMs共污染问题提供了一种可行的解决方案。通过结合生物炭的物理化学特性与微生物的生物降解能力，该技术能够实现对污染物的高效去除，同时减少对环境的二次污染。然而，要充分发挥该技术的优势，还需要进一步研究其作用机制、优化制备工艺，并进行系统的生态风险评估。未来的研究应更加注重理论与实践的结合，推动该技术在不同环境条件下的应用，为实现可持续的环境修复提供科学依据和技术支持。