生物浆料反应器修复潜在有毒元素污染土壤的研究进展：微生物生物浸出机制与固定化策略

《Journal of Xenobiotics》：Advances in Bioslurry Remediation of Potentially Toxic Elements (PTEs) in Polluted Soils

　　

摘要 土壤因潜在有毒元素（potentially toxic elements, PTEs）造成的污染，因其持久性、毒性和生物累积能力，仍是全球面临的重大挑战。尽管生物浆料反应器（bioslurry reactors, BSRs）已被广泛用于有机污染物污染土壤的异位修复，但其在PTEs污染土壤生物修复中的应用却十分有限。BSRs确实能够处理多种受污染土壤，而这些土壤往往不适合采用常规生物处理方式进行修复。BSRs能够实现对混合、曝气和营养条件的控制，从而增强传质、污染物解吸以及微生物-污染物相互作用。此外，多种微生物代谢机制可通过生物浸出（bioleaching）、氧化还原反应、络合作用和产酸作用来 mobilization 或转化PTEs。大量研究已证明BSRs对Cd、Co、Cu、Ni、Zn和As等PTEs具有显著的去除效率。尽管具有上述优势，BSRs的大规模应用仍面临运行成本、反应器设计、能源需求以及需要精确控制理化参数等挑战。微生物固定化、基因工程和在线参数监测等方面的进展，可能成为推动该技术更广泛应用的关键杠杆。本综述首次系统性地探讨了BSRs应用于PTEs污染土壤修复的问题。本文讨论了BSRs的运行原理及微生物生物浸出的机制，重点阐述了BSRs技术的潜力，并指出了充分发挥BSRs作为可持续且经济可行的工具修复PTEs污染土壤所存在的空白与机遇。

1. 引言

土壤污染是一种土地退化形式，主要由超出环境可持续限度的人类活动数量和强度不断增加所致。全球正面临潜在有毒元素（PTEs）造成的土壤污染问题，该问题已引发对人类健康和食品安全的担忧。过去二十年中，PTEs造成的土壤污染已成为土地退化和生物多样性丧失的主要驱动因素，据报道对植物、人类和动物的不良影响分别达到94.7%、77.4%和68.4%。造成严重不良影响的PTEs包括Sb、As、Cd、Cr(VI)、Co、Cu、Pb、Hg、Mo、Ni、Se、Ag、Sn、Tl、V和Zn。这些元素具有持久性、毒性、生物累积性和生物放大性，对生态系统和人类健康构成风险。污染土壤的修复对于恢复污染场地、支持可持续土地利用和确保负责任的环境管理至关重要。物理、化学和生物方法常被使用，其选择取决于修复目标和风险管理需求。原位技术直接在场地处理受污染土壤，而异位方法则涉及挖掘土壤并在专门设施中处理。生物修复是一种特别重要的选择，因为它利用植物和微生物来 mobilization、累积或稳定PTEs。在利用微生物活性的生物修复技术中，生物浸出可通过生物溶解、络合机制或生物氧化作用，促进PTEs从不溶或难溶形态中 mobilization。浆相生物处理或生物浆料反应器（BSRs）在需要快速安全修复时受到青睐，尤其是在不适合常规生物处理条件下。近期关于生物浆料技术的综述主要集中于有机污染物，而过去几年中尚无专门针对BSRs应用于PTEs污染土壤修复的综述发表。本综述除描述BSR技术基本原理及其在PTEs污染土壤中的应用外，还概述了PTEs生物浸出的生化机制，特别关注微生物铁载体（siderophores）作为从污染土壤中提取PTEs的天然浸提剂。此外，还专门讨论了细菌固定化的方法和材料。

2. 潜在有毒元素（PTEs）造成的土壤污染及其修复

PTEs可天然存在于土壤中，也可因人为活动而进入土壤。最具影响的人为活动包括采矿和冶炼、含PTEs废物和污泥处置、化石燃料燃烧、军事行动、电子废物处置、污水灌溉和肥料施用。PTEs在土壤中的归宿和迁移很大程度上取决于其化学形态和 speciation。PTEs的生物可利用部分风险评估的关键指标，受土壤理化及生物条件以及元素性质控制。土壤pH在影响PTE迁移性方面起关键作用；低pH促进PTEs mobilization，而高pH降低阳离子PTEs的可用性但增加阴离子PTEs的可用性。随着时间的推移，已开发出原位和异位技术来 containment、清理或修复PTEs污染土壤。BSR涉及将污染土壤与水（10–40% w/v）和营养物质混合，然后通过机械或气动搅拌促进分散并刺激微生物活性。生物浆料修复整合了多种生物修复方法，与其他生物修复方法的区别在于土壤完全悬浮在水中，从而促进均匀处理。BSRs的一个显著特征是在近均匀的水悬浮液中处理土壤并持续混合，以增强传质、微生物-污染物接触和生物降解速率，从而缩短处理时间。BSRs还允许控制使用不同的电子受体，优化环境参数，并通过表面活性剂、络合剂或溶剂增加污染物解吸。在BSRs中，可在受控条件下刺激微生物群落产生生物量和代谢产物，包括促进PTE浸出或稳定化的生物活性分子。污染物去除效率不仅依赖于微生物活性，还依赖于浆料流变学、流体动力学、气液氧传递和固液传质。浆料特性与氧传递之间的关系尤为重要，因为氧可用性可作为好氧土壤生物修复的限制因素。因此，从工程角度来看，混合和曝气必须同时优化。在全规模下，BSRs可能涉及大型衬砌泻湖或制造罐，直径3–25米，高4.5–8米，容量60–1000 m3。BSR技术虽然提供了显著的环境和实际效益，但与某些其他生物修复方法相比确实会产生额外成本。然而，与许多传统物理修复技术相比，这些成本在经济上仍然具有优势。

3. 用于PTE土壤生物修复的浆相生物反应器

大多数用于土壤生物修复的生物反应器在浆相中运行，以促进污染材料与微生物和试剂的均匀混合，并促进交换过程和反应动力学。浆相处理通常在叶轮驱动混合容器、气升式反应器或流化床系统中运行。用于PTE修复的生物反应器设计对于从摇瓶规模放大到中试或工业规模至关重要。设计标准包括微生物的培养需求、操作简单性、可扩展性、材料需求和成本效益。气液和固液传质是浆料生物反应器中的关键过程，因为固/液界面的吸附和解吸反应在PTE可用性中起关键作用。影响吸附/解吸的关键参数包括PTE生物地球化学、土壤pH、质地、有机质含量、氧化还原条件和矿物组成，以及土水比和混合速度。低pH增强金属溶解度和解吸，从而增加PTE迁移性。混合装置，无论是机械还是气动，都能保持固体悬浮、增强湍流并提高BSRs中的传质速率。BSRs通常用于在受控条件下修复难降解有机污染物污染的土壤，也可成功用于修复PTE污染土壤，倾向于PTE浸出或PTE固定化，前者更受青睐。多项研究已证明BSRs对多种金属的有效浸出。BSRs潜在适用于受多种PTEs污染的土壤和沉积物。生物浸出最方便的靶标是存在于相对不稳定、可交换、碳酸盐结合、氧化物结合或其他酸溶组分中的PTEs。BSRs中PTE土壤修复的另一个关键问题是产生含有从土壤基质中 mobilization 的PTEs的二次废水。PTEs不能被降解，因此通过浸出从土壤中去除它们只是将污染物从固相转移到液相。因此，土壤浸出效率不应仅根据处理土壤中PTE浓度的降低来评估，还应考虑PTEs的总体质量平衡、产生废水的体积和组成以及从废水中回收和循环利用浸出液的可行性。

4. 参与PTEs生物浸出的微生物

在处理PTE土壤修复的微生物时，必须特别注意PTE浓度，因为高浓度PTEs可能显著影响微生物多样性、群落结构和代谢活动。根据其在微生物中的生物学作用，PTEs可分为必需或非必需元素。微生物可通过多种被动和主动机制避免PTE毒性。嗜酸菌以其高金属抗性而闻名。微生物还通过调节金属稳态来在PTEs高浓度存在下生存。生物浸出是BSRs中去除污染土壤中PTEs最常用的过程。微生物利用自养和异养途径促进金属溶解。生物浸出依赖于多种理化和生物因素。微生物代谢产物通常分为初级和次级代谢产物。次级代谢产物在稳定期产生，常具有生态、适应或防御作用。在次级代谢产物中，铁载体因其在PTEs生物修复中的作用而受到广泛关注。这些化合物不仅能增强Fe获取，还能与多种其他金属形成复合物，从而改善微生物对金属诱导胁迫的耐受性。铁载体根据螯合部分的二齿官能团分为不同类别。细菌铁载体主要分为羟肟酸型、多儿茶酚型、取代羧基型、混合型和假单胞菌儿茶酚型。铁载体生物合成通过非核糖体肽合成酶（NRPS）和NRPS非依赖铁载体（NIS）途径进行。自养生物浸出利用嗜酸、好氧、化学自养微生物，包括细菌和古菌，它们氧化无机硫化合物和亚铁离子以产生硫酸和铁离子。异养微生物依赖有机酸、生物表面活性剂和其他代谢产物的间接产生来溶解金属离子。遗传修饰微生物（GMMs）代表了改善基于生物浆料的PTE生物浸出的新兴方法。在生物浸出中，微生物通过间接和直接两种主要机制从污染土壤中去除金属离子。间接机制中，细菌不物理接触固体基质，而是通过产生代谢产物促进PTE溶解。直接生物浸出中，细菌与固体表面相互作用，通过电化学反应促进金属溶解。根据金属硫化物的不同类型，提出了两种不同的氧化机制：硫代硫酸盐机制和多硫化物机制。异养细菌和真菌可通过酶促还原或分泌有机酸促进PTE mobilization。生物表面活性剂在PTE mobilization中也发挥重要作用。

5. 固定化细菌

细菌固定化已被广泛研究。在许多应用中，生物反应器中通常使用游离细菌细胞进行生物浸出。由于细胞体积小且密度低，细胞易于分散在培养基中，但进一步分离和回收具有挑战性。全细胞固定化解决了这些局限性，允许将完整细胞物理限制或定位到特定空间区域，同时保持所需的催化活性。固定化使细胞能够在生物反应器内保留，促进高细胞密度，并在需要时便于分离。细胞固定化提供了多种益处，主要通过建立有利的微环境，包括增强细胞间相互作用和营养物或pH梯度。固定化纯培养物或实验室形成的微生物联合体通常比使用自然生长的微生物群落更有效。固定化酶也广泛应用于生物反应器技术。细菌和酶固定化都需要合适的载体材料。载体材料通常分为无机材料、天然有机聚合物和合成有机聚合物。天然有机载体易得、廉价、可生物降解且无毒。合成聚合物凝胶提供优异的机械稳定性。水凝胶因其保水性、溶胀能力和机械强度而特别适合固定化。包埋、粘附与吸附、交联和共价结合是常用的细胞固定化技术。尽管微生物固定化具有潜在优势，但仍存在操作复杂性、大规模设计考虑、传质限制等挑战。生物膜厚度增加虽增强生物质保留，但也增加扩散距离，降低深层微生物的底物可及性。

6. 评估生物浸出中PTEs的分析技术

评估生物浆料中PTEs生物浸出效率时，测定液体浸出液和残留土壤中的PTE浓度非常重要。用于鉴定和定量PTEs的程序因元素化学性质、基质类型和所选分析技术而异。土壤样品通常需要预处理步骤，包括烘箱干燥、研磨均质化和酸消解。分析技术的选择还取决于成本、样品通量、检测限、灵敏度、法规要求和基质复杂性。目前大多数分析方法依赖于吸收/发射或质谱技术，包括X射线荧光光谱（XRF）、电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）或电感耦合等离子体发射光谱（ICP-OES）、原子发射光谱（AES）和原子吸收光谱（AAS）。新兴技术包括便携式XRF（pXRF）、全反射X射线荧光光谱（TXRF）、激光诱导击穿光谱（LIBS）和激光剥蚀电感耦合等离子体质谱（LA-ICP-MS），这些技术具有快速分析、原位测量和最小样品制备的潜力。

7. 结论

尽管BSRs主要用于从污染土壤中去除有机污染物，但生物浆料反应器技术、微生物学、遗传学、实时监测和细菌固定化策略的进展日益使该技术用于PTE修复成为可能。生物浆料系统对有机污染物本质上更有效，因为它们依赖于增强的解吸和微生物降解途径。相比之下，PTE修复依赖于微生物过程——生物吸附、生物累积、生物沉淀或生物浸出——这些过程在浆料条件下更难维持。由于PTE毒性、氧化还原条件变化和微生物菌株间竞争，维持稳定的微生物性能具有挑战性。此外，选择合适的载体仍是一个关键瓶颈：载体必须确保高微生物负载、机械稳定性和抗金属诱导劣化性，但许多可用材料表现出有限的耐久性或随时间不一致的性能。这些限制凸显了需要更稳健的固定化策略和工程化载体材料，以将生物浆料应用扩展到金属污染土壤的修复。