综述：铬污染治理：微生物方法、遗传决定因素与技术创新

《Bioresource Technology Reports》：Chromium pollution mitigation: Microbial approaches, genetic determinants, and technological innovations

铬污染治理综述：探讨微生物修复机制与技术创新。传统方法成本高且污染次生，微生物通过酶还原（如ChrR）、吸附及生物沉淀将Cr(VI)转化为低毒Cr(III)，并受pH、红ox电位等环境影响。结合纳米材料、合成生物学及AI技术可提升效率，但需解决环境波动适应性、多金属干扰及规模化应用难题

　　

Sagarkumar Joshi | Nidhi Saxena | Devayani R. Tipre | Noopur R. Goyal

印度古吉拉特邦艾哈迈达巴德古吉拉特大学微生物学与生物技术系，邮编380009

摘要

铬污染，特别是六价铬[Cr(VI)]，由于其毒性、移动性和持久性，对生态系统和人类健康构成了严重的全球性威胁。尽管传统的修复方法可能有效，但它们通常成本高昂且可能产生二次污染。微生物生物修复提供了一种可持续、环保且经济高效的替代方案，该方法利用微生物的代谢能力通过酶促还原、生物吸附、生物积累和生物沉淀来解毒Cr(VI)。本综述综合了目前关于微生物Cr(VI)解毒的研究成果，重点讨论了铬酸还原酶、抗性和还原的遗传决定因素以及环境因素对生物修复效率的影响。文章强调了生物膜介导的解毒作用，并介绍了包括纳米材料、合成生物学、组学平台和人工智能在内的新兴技术的整合，这些技术有助于提高微生物系统的可扩展性和性能。尽管取得了显著进展，但在实际应用和监管方面仍存在挑战，这突显了需要综合遗传学、工艺和工程解决方案的必要性。诸如系统生物学、工程化生物膜和混合生物材料平台等新兴工具显示出克服动力学缓慢、环境变异性和监管限制的巨大潜力。填补这些空白对于实现稳健、可扩展且环境友好的Cr(VI)修复方案至关重要。

引言

铬（Cr）是一种过渡金属，具有高熔点、硬度和出色的耐腐蚀性。铬在自然界中以多种氧化态存在，主要是六价铬[Cr(VI)]和三价铬[Cr(III)]。历史上认为Cr(III)在微量水平上具有生物学意义，尽管其在人体中的必要性仍有争议。Cr(VI)被认为是一种强致癌物质（Zhigalenok等人，2025年）。铬的工业用途涵盖了不锈钢生产、电镀、皮革鞣制、颜料和染料制造、耐火材料以及催化系统，这些应用共同导致了全球对铬的大量需求。

这些多样的应用产生了富含铬的废水和废弃物，如果管理不当，将带来严重的环境和健康风险。受污染地区的土壤中铬含量经常超过50–3000毫克/千克，远高于典型的20–100毫克/千克背景水平（Murthy等人，2023年）。接收未经处理的工业排放物的水体中Cr(VI)浓度常常超过安全阈值。世界卫生组织建议饮用水中的Cr(VI)最大浓度为0.05毫克/升（WHO，2017年），而美国环保署将总铬的允许最大浓度定为0.1毫克/升（MCL）。欧盟也采用了类似的指导方针以减少铬暴露（EU，2018年）。

Cr(VI)的毒理学特性凸显了有效缓解策略的紧迫性。国际癌症研究机构（IARC）将Cr(VI)列为1类致癌物，职业暴露与肺癌风险增加有关（Den Braver-Sewradj等人，2021年）。虽然Cr(III)的毒性较低，但过量积累仍可能导致皮肤反应（Murthy等人，2023年）。因此，铬污染需要技术将Cr(VI)还原为毒性较低的Cr(III)，以确保生态稳定性和符合监管要求。

除了解决这些机制和生态问题外，将实验室验证的微生物和混合修复系统转化为可扩展的、适用于实际应用的工业解决方案变得越来越重要。菌株工程、固定化微生物-材料复合材料和生物反应器技术的快速进展为从基础发现到实际应用奠定了坚实基础，本文正是围绕这一从实验室到工业的转化展开的。

铬（Cr）污染是一个重大的环境问题，既来自自然来源也来自人类活动。铬通过铬铁矿的风化进入土壤，释放出有毒的六价铬[Cr(VI)]，而人类活动是主要污染源（Tumolo等人，2020年）。不同行业的铬排放特性、铬的形态和操作条件各不相同，这些因素直接影响生物修复方法的适用性（表1）。铬化合物用于皮革鞣制、镀铬、不锈钢生产、颜料和木材防腐（Ebrahim等人，2025年）。制革厂、电镀厂和采矿业的废弃物会污染土壤和水体中的Cr(VI)（Oladimeji等人，2024年）。虽然全球淡水中的铬平均浓度为7微克/升，但某些地区的浓度更高（Jin等人，2025年）。印度因铬铁矿开采和皮革工业而面临严重的铬污染问题。工业区附近的地下水Cr(VI)浓度高达33.8毫克/升，超过了安全饮用水限值。印度南部的一些制革区，大多数井中的Cr(VI)浓度超过了WHO规定的0.05毫克/升标准，影响了272平方公里的地下水（Karunanidhi等人，2021年）。像坎普尔和韦洛尔这样的城市因制革厂废弃物的倾倒而受到铬污染，导致Cr(VI)渗入水源。这种有毒且致癌的污染对健康构成严重威胁（Prasad等人，2021年）。专家强调需要改进废物管理和法规来应对铬污染（Xing等人，2025年）。

鉴于铬污染的持续性，修复工作是一项重要的环境优先事项。传统方法包括化学还原、沉淀、离子交换和吸附技术。这些方法虽然有效，但通常成本高昂、能耗高，并会产生需要谨慎处理的二次废物。生物修复作为一种有前景的替代方案出现，它利用微生物将Cr(VI)还原为Cr(III)（Deepa等人，2025年）。细菌、真菌和藻类拥有能够将Cr(VI)还原为不溶性Cr(III)的酶系统，从而有助于从环境中去除铬（Dubey等人，2024年）。例如Pseudomonas、Bacillus和Arthrobacter等菌株可以通过铬酸还原酶酶还原Cr(VI）（Zveushe等人，2025年）。生物修复的优势包括特异性、低化学试剂需求以及原位处理能力（Kumar和Singh Saini，2024年）。研究表明Bacillus firmus能有效生物转化Cr(VI)，降低其在废水中的生物可利用性（Pragatisheel等人，2025年）。在铬污染地区，微生物联合体能够耐受并降低高浓度的Cr(VI）（Kuanar等人，2022a）。使用Brassica juncea（L.）（Kafle等人，2022年）、Vetiveria zizanioides（Masinire等人，2021年）、Phragmites australis（Ranieri等人，2016年）、Helianthus annuus（Qureshi等人，2024年）和Typha angustifolia（Martínez-Martínez等人，2023年）等超积累植物进行植物修复，在与根际细菌结合使用时效果更佳。

全球铬污染问题与工业增长和不良的环境管理有关。铬含量的升高对生态系统和健康构成威胁，需要监管监督和修复措施。本综述总结了各种铬修复策略及其实施情况。表2提供了各种铬修复方法的全面比较。

Cr(III)与Cr(VI)：性质、移动性和稳定性

铬以两种主要的氧化态存在——Cr(III)和Cr(VI)。决定这两种状态的因素包括pH值、分散性、对流、吸附和氧化还原条件，这些因素影响其在土壤中的移动性、生物可利用性和毒性。用于皮革工业的Cr(III)在土壤颗粒中形成稳定的八面体复合物，使其不易移动且毒性较低（López-Luna等人，2009年）。人为造成的铬污染从工业排放到环境有一个连续的过程

铬修复

铬生物修复是一种环境可持续且经济高效的方法，利用生物系统来解毒威胁生态系统健康的危险六价铬物种。已有多种方法被应用于有效的铬修复，包括物理方法（吸附、混凝、膜分离和纳米过滤器）、化学方法（氧化-还原反应）和生物微生物（Yan等人，2023年）。

微生物修复策略

微生物对Cr(VI)的解毒并非通过单一途径实现，而是通过多种功能不同的策略共同作用，其主导地位取决于环境背景和系统复杂性（如图2所示）。目前，由于其诸多优势，微生物生物修复方法正逐渐取代传统修复方法。其优点包括操作速度快、成本低、准备简单、效率高且无有害副产物

细胞酶：I类与II类铬酸还原酶（ChrR）酶、DNA修复酶和胞外还原酶

微生物铬酸还原酶的功能多样性影响解毒效率、生态安全性和技术适用性。I类酶如ChrR和YieF能够以最小的活性氧生成将Cr(VI)直接还原为Cr(III)，使其适用于农业土壤和湿地等敏感环境（Ackerley等人，2004年；Li等人，2021年）。II类还原酶通过顺序电子转移将Cr(VI)还原为Cr(V)/Cr(IV)

pH值

pH值对Cr(VI)的生物修复至关重要，因为它影响铬的形态、酶活性和细胞表面电荷。一项针对Bacillus wiedmannii菌株的研究表明，在pH 7和8时，约70%的Cr(VI)被还原为Cr(III)，此时Cr(VI)浓度为200微克/毫升（Adhikary等人，2025年）。另一项研究发现，B. paramycoides S48菌株的铬酸还原酶（BparChR）在pH 6至11之间具有100%的酶活性（在pH 4–5或12时无活性）

工程菌株和合成生物学

基因工程的进步为定制微生物遗传物质以执行特定功能提供了新的途径，从而造福人类。规律间隔短回文重复序列（CRISPR）技术允许修改铬酸还原基因，从而增强微生物的金属结合能力（Sahoo等人，2022年）。经过工程改造的E. coli菌株MT2A和MT3能够表达高金属结合能力的金属硫蛋白（MT）或多组氨酸蛋白，表现出高效的铬吸收和去除能力

纳米线介导的还原

如今，由于纳米材料具有高表面积、高反应性和环保特性，越来越多地被用于重金属的吸附。各种材料被用来增强这些纳米材料的吸附或反应能力，包括吸附剂（如活性炭）、金属离子（如银）和聚合物（如壳聚糖）。在各种纳米材料中，超长纳米线（NWs）因其在重金属去除方面的优势而受到青睐

工业应用和专利菌株

借助组学、纳米技术和人工智能的进步，最近的相关专利活动反映了工业界对专门用于六价铬[Cr(VI]修复的微生物剂的日益关注。从实验室研究到应用技术的进展在表7中得到了体现。

当前铬还原策略的挑战和局限性

微生物铬修复受到多种相互关联的障碍限制，需要技术和生态创新：

1. i.
   在波动的环境条件下，微生物的还原效率会下降，包括pH值、温度、氧化还原电位的变化以及混合金属污染，这些因素都会影响酶活性和Cr(VI)/Cr(III)的形态。这些变化会干扰还原酶的功能和电子供体的可用性，导致现场修复效果不稳定。
2. ii.

未来展望

微生物Cr(VI)修复的进步将依赖于下一代生物技术、生态学见解和监管协调。CRISPR辅助工程、多组学优化和合成微生物联合体有望提高铬还原效率，而固定化催化剂和基于生物膜的反应器等创新将解决规模扩展问题。人工智能驱动的工具将优化微生物选择和过程控制，前提是它们满足新兴的透明度和

结论

通过整合工业限制、微生物机制、遗传控制和转化准备度，本综述将铬生物修复重新定义为一种系统级工程挑战，而不仅仅是一个孤立的生物现象。微生物修复通过酶促、生物吸附和代谢驱动的方式将Cr(VI)还原为Cr(III)，为传统的物理化学方法提供了可持续的补充。多组学、合成生物学和人工智能驱动的最新进展

CRediT作者贡献声明

Sagarkumar Joshi：可视化、方法论、数据整理、概念化、初稿撰写。Nidhi Saxena：数据整理、审稿与编辑。Devayani R. Tipre：验证、监督、审稿与编辑。Noopur R. Goyal：可视化、监督、项目管理、概念化、审稿与编辑。

未引用的参考文献

Gan等人，2018年

Guo等人，2021年

Prabhakaran等人，2019年

Sevak等人，2023年

Sultan等人，2012年

Thatoi等人，2014年

Timiri Shanmugam等人，2022年

Zahid等人，2023年

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。