劉力源，沈 旭，王 璐，樊 笑，謝鴻觀

（成都理工大學生態(tài)環(huán)境學院，四川成都 610059）

當今水體的污染現(xiàn)象主要與礦山、冶金、電鍍及其他工業(yè)活動中排放的廢水有關，這些廢水大多呈酸性并含有鋅、銅、鉛、鉈等重金屬離子，經(jīng)過食物鏈的積累會導致人體慢性中毒，對人體和生態(tài)環(huán)境造成極大危害，因此廢水治理關乎人類健康和生態(tài)環(huán)境。處理廢水的常用方法有化學沉淀法、離子交換法、反滲透法等，這些方法處理效果較好，但存在成本昂貴、產(chǎn)生大量剩余污泥等缺點〔1〕。而以利用硫酸鹽還原菌（Sulfate-reducing bacteria，SRB）為代表的微生物處理技術(shù)則無需消耗大量試劑，具有相對安全且可實現(xiàn)資源回收等優(yōu)點。

SRB 是一種具有多樣形態(tài)特征的厭氧細菌，在有機基質(zhì)存在的厭氧條件下，SRB 的異化硫酸鹽作用可以將硫酸鹽還原為H2S，H2S 與溶解在廢水中的某些金屬離子（如銅、鐵和鋅）反應，通過產(chǎn)生金屬硫化物沉淀介導金屬去除，同時產(chǎn)生堿性物質(zhì)提高pH。它是目前處理含重金屬離子廢水、酸性礦山廢水以及含硫酸鹽廢水的代表性微生物之一。

文獻計量學是通過對一個領域的特定文章進行定量分析，用應用數(shù)學和統(tǒng)計學方法來研究文獻學的交叉科學。文獻計量學分析的要素可以是書籍、專著、報告、論文、會議文章。文獻計量學可以識別指定學科及相關學科內(nèi)發(fā)文量較多的作者、機構(gòu)、國家和期刊，通過分析研究文獻發(fā)文量的趨勢、作者之間的交流和機構(gòu)合作、期刊的影響因子、高被引文獻等來確定研究主題和未來方向以及熱點，也可以在評估有關研究成果中發(fā)揮重要作用。文獻計量學幾乎適用于任何科學領域，如醫(yī)學〔2〕、教育〔3〕、海洋漁業(yè)〔4〕、石油天然氣〔5〕等。

在中國知網(wǎng)CNKI 中以“廢水”、“文獻計量學”作為主題進行檢索，經(jīng)過人工篩選，發(fā)現(xiàn)截止到2020 年底，國內(nèi)只有3 篇北大核心的文章通過文獻計量學方式對廢水處理領域文獻進行分析〔6-8〕，但尚未有對SRB 處理廢水這個領域進行文獻計量學分析的文章。筆者借助Web of Science、CNKI 數(shù)據(jù)庫和VOSviewer 軟件對SRB 在廢水處理領域的研究進行文獻計量學的分析，期望能為以后的學者提供更多的研究思路和方向。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

選擇Web of Science 和中國知網(wǎng)CNKI 作為檢索數(shù)據(jù)庫，分別進行文獻檢索。

Web of Science 檢 索 式：TS=（SRB OR Sulfatereducing＄bacteria）AND TS=（waste＄water OR effluent OR sewage OR discharg*OR liquid＄waste OR outlet＄water）AND TS=（treat* OR degrad* OR remov*）。檢索數(shù)據(jù)庫為Science Citation Index Expanded（簡稱SCI-E），時間跨度為1985—2020 年，文獻類型為“article”和“review”。

CNKI 檢索式：主題=（硫酸鹽還原菌+SRB）AND主題=廢水AND 主題=（處理+去除+應用）。發(fā)表時間為1981-01-01—2020-12-31，來源類別為EI 期刊、北大核心、CSSCI，文獻類型為“中文”。

因SCI-E 只能從1985 年開始檢索，而CNKI 第1篇文獻發(fā)表于1981 年，因此各自的檢索時間跨度設定不同。經(jīng)過人工篩選，最終得到SCI-E 期刊451篇、CNKI 學術(shù)期刊241 篇作為分析文獻。

1.2 研究方法

通過CNKI 和Web of Science 平臺進行簡單的統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析，例如對每年的發(fā)文數(shù)量、發(fā)文期刊和研究學科分布進行統(tǒng)計，得到的數(shù)據(jù)用VOSviewer 軟件（1.6.15）進行分析。VOSviewer 主要生成共現(xiàn)網(wǎng)絡地圖，其中包括關鍵詞共現(xiàn)，以及來源和引文網(wǎng)絡等〔9〕，這些項目在可視化中以標簽和圓圈或框架的形式顯示，其大小取決于每個術(shù)語的重要性。在對術(shù)語進行共現(xiàn)分析時，應重新標記同義的單個詞和同類詞，以實現(xiàn)更好的文獻計量分析。根據(jù)軟件手冊，在調(diào)整程序中的參數(shù)后即可生成映射。

2 結(jié)果分析

2.1 文獻規(guī)模及發(fā)文趨勢

逐年的發(fā)文量和趨勢圖可以直觀地反映SRB 在廢水處理領域的發(fā)展研究狀況。CNKI 在此領域的研究始于1981 年〔10〕，但第1 篇被核心期刊收錄的文章寫于1992 年〔11〕，隨后本領域研究人員在處理酸性礦山廢水、重金屬廢水、硫酸鹽廢水以及SRB 的固定化領域等方面開展研究。而SCI-E 則是從1995 年開始收錄該類文章。自1995 年開始到2020 年，關于SRB 在廢水處理領域逐年的發(fā)文量和趨勢見圖1。

由圖1 可 知，自2005 年 起，CNKI 中SRB 在 廢 水處理領域的研究進入平穩(wěn)發(fā)展的階段，發(fā)文量沒有發(fā)生大幅度波動，而SCI-E 自1995 年至今，大體可以將文章發(fā)展趨勢分為3 個階段：第1 階段為1995—2005 年，這時期關于SRB 處理廢水的研究正緩慢起步，第1 篇收錄的文章為1995 年E.COLLERAN 等〔12〕有關含硫酸鹽廢水厭氧處理的綜述，共被引用196次；第2 階段為2006—2014 年，此領域的研究在這段時期內(nèi)發(fā)展平緩，發(fā)文量呈總體上升的趨勢，SRB 在微生物燃料電池廢水處理系統(tǒng)中的應用是此階段的討論熱點〔13〕，相較而言，同時期CNKI 上的發(fā)文量并沒有上升，分析可能是由于我國學者逐漸將發(fā)文重心轉(zhuǎn)移到外文期刊；第3 階段為2015 年至今，關于SRB 在廢水處理領域應用研究的文獻數(shù)量驟升。由此可見，將SRB 應用于廢水處理在國際上受到學者們愈來愈強烈的關注。

2.2 文獻發(fā)表國家及機構(gòu)

圖1 SRB 在廢水處理領域的逐年發(fā)文量及趨勢Fig.1 The trend and numbers of published papers about SRB in the field of wastewater treatment

在SCI-E 中收錄的關于SRB 應用在廢水處理領域的文獻有451 篇，其發(fā)文機構(gòu)來自于52 個國家或地區(qū)（中國包括中國臺灣、中國香港；英國包括英格蘭、愛爾蘭、蘇格蘭、威爾士），表1 為發(fā)文量排名前10 國家的發(fā)文量、h 指數(shù)、篇平均引用次數(shù)的比較，用以分析評價這些國家的科研實力和國際影響力。h 指數(shù)的意義為有h 篇文獻被引用至少h 次，巧妙地將發(fā)文量和被引量合成一個單項指標，在科學評價里具有高質(zhì)量的主導作用〔14-16〕。據(jù)檢索，2006 年前，我國只在該領域發(fā)表了2 篇文章，但在這之后發(fā)文量呈指數(shù)型上升，h 指數(shù)和發(fā)文量都最高。

表1 SCI-E 中SRB 在廢水處理領域發(fā)文量前10 的國家/地區(qū)分布（TOP 10）Table 1 The distribution of the top ten countries/regions in the number of papers about SRB in the field of wastewater treatment in SCI-E（TOP 10）

表2 為CNKI 和SCI-E 中SRB 在廢水處理領域發(fā)文量排名前5 的國內(nèi)外機構(gòu)，可以看出，國內(nèi)的遼寧工程技術(shù)大學和哈爾濱工業(yè)大學在此領域的研究實力較強，為國內(nèi)的研究作出重大貢獻，而外文發(fā)文數(shù)前4 名均為中國機構(gòu)，由中山大學和中國科學院為代表的我國機構(gòu)在此領域有雄厚的科研實力。結(jié)合表1 分析，荷蘭、西班牙、澳大利亞雖然發(fā)文量不高，但其篇均引用或h 指數(shù)都很高，體現(xiàn)出這3 個國家在此領域具有一定的國際學術(shù)影響力。

表2 CNKI 和SCI-E 中SRB 在廢水處理領域發(fā)文量前5 的國內(nèi)外機構(gòu)（TOP 5）Table 2 Top 5 domestic and foreign institutions in the number of papers about SRB in the field of wastewater treatment in CNKI and SCI-E（TOP 5）

用VOSviewer 軟件繪制國家/地區(qū)合作知識圖譜，結(jié)果見圖2。圖2 中，連線的粗細代表了合作強度，節(jié)點大小代表了國家發(fā)文數(shù)量?？煽闯鲋袊投鄠€國家建立了合作，和美國、南非的合作最為密切。

2.3 重點研究方向

關鍵詞是文獻的檢索標記，它們可以簡單、直接、全面地概括論文的核心研究內(nèi)容。文章中的關鍵詞越常見，相關研究的文章就越多，研究內(nèi)容的重點就越突出，越能反映該領域研究的熱點問題〔17〕。對文獻中的關鍵詞進行整理，主要包括去除一些無分析意義的關鍵詞，如“硫酸鹽還原菌”、“處理”、“廢水”等詞的中英文拼寫及單復數(shù)、全稱與縮寫、同義詞等，其中出現(xiàn)頻次前20 位的關鍵詞分布見表3。

圖2 SRB 在廢水處理領域相關研究的國家合作網(wǎng)絡圖譜Fig.2 National cooperative network map of SRB research in the field of wastewater treatment

表3 SRB 在廢水處理領域相關研究的高頻關鍵詞（TOP 20）Table 3 High frequency keywords of SRB research in the field of wastewater treatment（TOP 20）

運用VOSviewer 軟件根據(jù)處理得到的數(shù)據(jù)結(jié)果繪制關鍵詞共現(xiàn)知識網(wǎng)絡圖譜，包括關鍵詞聚類圖（見圖3、圖4）、高頻關鍵詞密度圖（見圖5）和時間疊加圖（見圖6）。

結(jié)合圖3、圖4 關鍵詞共現(xiàn)聚類進行分析，可將關鍵詞歸納為硫酸鹽還原菌的作用機理、生物反應器、電子供體3 大方面。通過表3，可以發(fā)現(xiàn)該領域中酸性礦山廢水是熱點關鍵詞，在CNKI 中出現(xiàn)頻次為41，Web of Science 出現(xiàn)107 次，均排第一。而圖5 的高頻關鍵詞密度圖從冷色調(diào)（藍色）到暖色調(diào)（黃色）表示關鍵詞周圍元素、密度、出現(xiàn)頻率都越來越高，即研究熱度越來越高，可知酸性礦山廢水、重金屬、微生物群落、生物修復、產(chǎn)甲烷菌、厭氧消化為此領域的熱點研究。根據(jù)圖6 的時間聚類圖發(fā)現(xiàn)重金屬、生物修復、反應器、麥飯石、零價鐵、重金屬等關鍵詞在CNKI 中為近5 a 研究重點，主要涉及到SRB 應用于處理酸性礦山廢水的研究現(xiàn)狀以及生產(chǎn)工藝〔18-21〕，產(chǎn)甲烷菌、生物修復、生物反應器、微生物群落等關鍵詞為Web of Science 近5 a 研究重點，其更為關注SRB 的厭氧生物處理技術(shù)〔22-24〕以及SRB 和產(chǎn)甲烷菌之間的競爭關系〔25〕。

2.3.1 處理機理

圖3 CNKI 中SRB 在廢水處理領域相關研究的高頻關鍵詞聚類共現(xiàn)圖譜Fig.3 Cluster co-occurrence map of high frequency keywords of SRB research in the field of wastewater treatment in CNKI

圖4 SCI-E 中SRB 在廢水處理領域相關研究的高頻關鍵詞聚類共現(xiàn)圖譜Fig.4 Cluster co-occurrence map of high frequency keywords of SRB research in the field of wastewater treatment in SCI-E

結(jié)合表3 以及關鍵詞知識圖譜可知，SRB 能夠處理的典型污染水體種類為酸性礦山廢水（AMD）、硫酸鹽廢水和重金屬離子廢水3 類，尤其是對AMD 的處理最為廣泛。開采和加工含硫礦物會產(chǎn)生大量的AMD，當金屬硫化物礦物（主要為黃鐵礦）在天然存在的硫氧化細菌（如氧化鐵硫桿菌）作為生物催化劑的條件下與氧氣和水接觸時，就會生成AMD，其典型特征是pH 低，約為1.5～2.0，另外其硫酸鹽濃度高、無機鹽含量高〔26〕且含有毒重金屬離子。礦井中AMD 的過度釋放可能會污染周圍的水環(huán)境，對陸地和水生生態(tài)系統(tǒng)具有破壞性影響。因此，許多國家禁止將AMD 直接排放到環(huán)境中，要求采用高效、可靠的方法對其進行處理。目前處理AMD 的方法有離子交換、反滲透、膜過濾、電滲析等〔27〕。這幾種方法的運行成本高，而且處理效率相對較低〔28〕。生物處理中最常用的有生物反應器和人工濕地〔29-31〕2 種方法，但人工濕地成本高，需要定期維護，并且依賴于大面積的土地。SRB 對AMD 的微生物修復是一種很有前途的方法，作為一類耐低氧的厭氧原核生物，其廣泛存在于湖泊、沼澤、地下管線、水田、工業(yè)廢水、石油礦床等缺氧環(huán)境中。該工藝主要基于SRB產(chǎn)生硫化氫和堿度的能力，其反應見式（1）、式（2）。

圖5 SRB 在廢水處理領域相關研究的高頻關鍵詞密度圖Fig.5 Density map of high frequency keywords of SRB research in the field of wastewater treatment

圖6 SRB 在廢水處理領域相關研究的關鍵詞時間疊加聚類圖Fig.6 Time superposition cluster diagram of keywords of SRB research in the field of SRB wastewater treatment

在式（1）、式（2）中，電子供體分別為CH2O、H2。反應生成的硫化氫以低溶解度硫化物的形式沉淀溶解 的 金 屬 離 子，例 如Zn2+〔32〕、Cu2+〔33〕、Ni2+〔34〕、Fe2+〔35〕等，其反應見式（3），式中M2+表示二價金屬離子。

SRB 引起的有效沉淀發(fā)生在廣泛的pH 范圍內(nèi)，且在金屬離子濃度較低的情況下，SRB 工藝比其他工藝具有更高的重金屬沉淀效率，而且更容易從廢水中分離出金屬離子，因為其硫化物溶解度比氫氧化物低幾個數(shù)量級〔36〕。此外，金屬硫化物密度高，具有良好的脫水和沉降性能，從沉淀的硫化物中可以回收有價值的金屬。

金屬離子的沉淀反應會釋放酸性質(zhì)子，從而增加水的酸度。而式（1）、式（2）中產(chǎn)生的堿性碳酸氫鹽或氫氧化物能夠中和水的酸性〔37〕，其反應見式（4）、式（5）。

將硫酸鹽還原微生物應用在采礦工業(yè)中的工藝早在20 世紀60 年代末就已經(jīng)提出〔38〕，并且此后還開發(fā)出了一系列基于SRB 的被動處理系統(tǒng)和主動生物反應器用于治理AMD。最新對硫酸鹽還原微生物的應用已經(jīng)擴展到與水滑石結(jié)合以最大程度地去除AMD 中的硫酸鹽〔39〕。這種生物處理方法運行成本低，需要的維護很少，而且可以大規(guī)模使用〔40〕。與基于碳循環(huán)的傳統(tǒng)處理技術(shù)相比，應用SRB 技術(shù)可以在提高pH 并去除溶解金屬離子的同時，產(chǎn)生最少的污泥量，且其溫室氣體排放量也較低〔41〕。

2.3.2 生物反應器

用于SRB 處理廢水的生物反應器可根據(jù)其去除廢水中金屬的生物或化學機制加以區(qū)分，并進一步分類為主動式的（過程中持續(xù)地投入資源）和被動式的（過程中資源投入相對較少）SRB 處理工藝〔42〕。以被動式SRB 為基礎的處理廢水污染的應用包括滲透反應墻系統(tǒng)〔43-44〕、滲透床〔45〕、缺氧池〔46〕和濕地系統(tǒng)〔47〕等。被動式處理系統(tǒng)需要相對較少的人工成本，且運行和維護成本也相對較低。然而，被動處理系統(tǒng)也存在一些缺點，如需要的處理面積較大、過程不易控制和性能不可預測等。相對而言，以厭氧硫酸鹽還原工藝為代表的主動式處理系統(tǒng)所需處理面積小、易于回收金屬、有良好的過程控制和良好的性能預測性〔42〕，并可顯著降低硫酸鹽濃度，但其處理重金屬污染廢水的過程受硫酸鹽濃度、重金屬形態(tài)及其濃度、pH、溫度、電子供體等多種因素的影響。表4 總結(jié)了各種用于處理硫酸鹽和金屬廢水的基于SRB 的主動式硫化反應器及其優(yōu)缺點、目標廢水、碳源、水力停留時間、硫酸鹽和金屬去除效率，并且所有這些硫化生物反應器的應用都已完成從實驗室到野外規(guī)模的金屬去除和回收，可知采用主動式處理方法作為硫酸鹽生物反應器來去除重金屬比采用被動處理系統(tǒng)更受歡迎〔42〕。然而雖然SRB 法與其他物理化學方法相比成本較低，但因其大多是以乙醇、乳酸等試劑為碳源，這在實際工程應用中仍是一筆巨大的開銷〔56〕。

表4 各類基于SRB 的主動式硫化反應器處理系統(tǒng)Table 4 Various active SRB-based sulfidogenic reactor systems

2.3.3 電子供體

利用生物法處理含硫酸鹽廢水的理想電子供體應成本低、易得且無毒〔42〕。有機電子供體支持異養(yǎng)硫酸鹽還原，同時也會為SRB 提供碳源，而無機電子供體（如H2）則需要補充適量碳源，可以是二氧化碳，也可以是有機基質(zhì)中的碳。一些含高濃度硫酸鹽的廢水，如制漿造紙工業(yè)〔57〕、食品加工業(yè)〔58〕和食用油生產(chǎn)工業(yè)〔59〕的廢水含有高濃度的有機物，SRB可以利用這些有機物進行硫酸鹽還原。相比之下，AMD 中通常不含有機物，因此使得生物法處理具有一定的挑戰(zhàn)性。如糖（葡萄糖和蔗糖）、醇（乙醇和甲醇）或短鏈脂肪酸（乳酸、醋酸鹽和丁酸鹽）等各種有機物先前已被添加到AMD 中以支持生物硫酸鹽還原〔60〕，這些有機物由于其高昂的成本大多不適合用于處理AMD。也有研究對包括糞便〔61〕、鐵屑〔62〕、秸稈〔63〕和農(nóng)業(yè)及生活廢水〔64〕等其他低成本材料進行了探索，但它們的主要缺點是會造成二次污染。因此如氫氣、一氧化碳、甲烷及其混合氣體（CO、H2和CO2的混合物）等氣態(tài)電子供體具有極強吸引力。使用氣態(tài)電子供體的主要優(yōu)點是硫酸鹽還原率通常很高（特別是氫氣），而且它們不會因為廢水中剩余未利用的底物而造成二次污染問題〔65〕，還可以通過不同的生化或熱化學途徑從廢棄底物中產(chǎn)生而進一步降低成本，并便于AMD 的現(xiàn)場治理。盡管如此，以往發(fā)表的有關AMD 治理的綜述仍大多集中在可溶性有機底物上〔66〕，而通過生物硫酸鹽還原來治理AMD 的氣態(tài)電子供體在文獻中還沒有被很好地報道。盡管氣態(tài)底物在生物硫酸鹽還原方面優(yōu)于可溶性有機底物，但微生物的選擇性富集對于氣態(tài)電子供體處理系統(tǒng)的設計和運行至關重要，因為并不是所有的微生物都能夠利用這種底物作為電子供體，在某些情況下，它們對微生物甚至是有毒的。另外，選擇合適的生物反應器系統(tǒng)是決定工藝效率的關鍵，目前氣態(tài)底物生物還原硫酸鹽最常用的生物反應器系統(tǒng)是氣升式生物膜反應器。

3 結(jié)論

筆者借助Excel 統(tǒng)計和VOSviewer 軟件對SRB在廢水處理領域的研究進行文獻計量學的分析，通過對此領域CNKI 數(shù)據(jù)庫中的241 篇和Web of Science 數(shù)據(jù)庫中的451 篇期刊文章進行可視化分析，揭示了SRB 在廢水處理應用領域的研究現(xiàn)狀和重點，展望了未來發(fā)展趨勢。

（1）我國對于SRB 用于廢水處理領域的研究起步較早，且近20 a 的發(fā)文量平穩(wěn)。近些年我國學者更注重提升我國在此領域的國際傳播力，在Web of Science中，我國機構(gòu)發(fā)文量穩(wěn)居第一，遠超第二，但h 指數(shù)和均被引量不高，與國際頂尖水平仍然存在差距，需要進一步對文章質(zhì)量進行把關，提高行業(yè)影響力。

（2）我國在SRB 處理廢水領域主導研究的機構(gòu)是遼寧工程技術(shù)大學、哈爾濱工業(yè)大學、太原理工大學等，而最具國際影響力的機構(gòu)有香港科技大學、中國科學院、中山大學、哈爾濱工業(yè)大學和代爾夫特理工大學等，未來應該加強各學者以及高校機構(gòu)之間的學術(shù)交流合作，進一步提升該領域在我國的研究熱度和我國在該研究領域的國際地位。

（3）未來SRB 處理廢水的研究主要圍繞3 個方面展開：一是利用現(xiàn)代分子生物學技術(shù)進行模擬實驗，采用基因測序并對微生物群落進行分離篩選，了解微生物間的競爭作用，了解廢水的處理機理；二是以厭氧硫酸鹽還原工藝為代表的主動式處理系統(tǒng)是處理工藝里的研究熱門，其處理效果顯著且易于控制，未來該技術(shù)的研發(fā)熱點應當是新碳源的開發(fā)；三是開發(fā)新型電子供體，氣態(tài)電子供體發(fā)展前景巨大，但這方面研究不多，是此領域的難點和未來發(fā)展的重點。