徐 燕,趙純駿,婁思雨,彭孜怡,周斌輝,陳 林,黃元培,項(xiàng)沁媛,黃嬌芳,4

(1. 華東理工大學(xué) 生物工程學(xué)院 生物反應(yīng)器工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200237;2. 華東理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,上海 200237;3. 上海市生態(tài)環(huán)境局 執(zhí)法總隊(duì),上海 200235;4. 華東理工大學(xué) 上海生物制造產(chǎn)業(yè)省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心,上海 200237)

土壤參與眾多元素循環(huán),是生物圈生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成部分。根據(jù)我國相關(guān)部門的土壤普查結(jié)果(全國土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)),我國土壤環(huán)境質(zhì)量普遍存在問題。土壤污染問題如果不能及時(shí)處理,隨著時(shí)間的推移以及上游產(chǎn)業(yè)的拓展,就可能會出現(xiàn)污染加劇、范圍擴(kuò)大等情況[1]。土壤修復(fù)是指利用物理、化學(xué)和生物的方法吸收、降解和轉(zhuǎn)化土壤中的污染物,使其濃度降低到可接受水平,或者將有毒有害的污染物轉(zhuǎn)化為無害物質(zhì)。常用的土壤修復(fù)技術(shù)有很多,大致包括物理吸附、化學(xué)催化、微生物修復(fù)及植物凈化[2-5]等。最初,土壤修復(fù)使用物理法和化學(xué)法居多,而現(xiàn)在生物法因其綠色環(huán)保、可持續(xù)的特性應(yīng)用越來越廣泛,其中,將生物系統(tǒng)與優(yōu)異特性材料雜化相結(jié)合的活體功能材料[6]更是成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。

活體功能材料是合成生物學(xué)和材料科學(xué)交叉領(lǐng)域的新興研究方向,它綜合了合成生物學(xué)和材料科學(xué)的工程原理,應(yīng)用遺傳將生命系統(tǒng)重新設(shè)計(jì)為具有可編程功能的動態(tài)響應(yīng)材料[7]。活體功能材料以活體細(xì)胞為結(jié)構(gòu)單體組裝材料,使活體細(xì)胞本身成為材料的工程化設(shè)計(jì)工具以及技術(shù)設(shè)想和實(shí)現(xiàn)途徑的基本單元,將編程后的工程活細(xì)胞組裝、裁剪成具有生物系統(tǒng)特性的新型功能材料,它能將活體細(xì)胞的自我修復(fù)能力、進(jìn)化能力、重編程能力、自主排列能力、對環(huán)境的響應(yīng)能力、解毒能力、產(chǎn)生和儲存能量的能力等融入功能材料[8]。同時(shí),利用高分子材料的互穿網(wǎng)絡(luò)交叉來固定生物活體,保護(hù)其不易受環(huán)境侵害[9]?；铙w功能材料充分結(jié)合生物系統(tǒng)的特性和材料的高性能,成為適應(yīng)環(huán)境變化的動態(tài)材料[10],在土壤污染等環(huán)境修復(fù)方面有著顯著的優(yōu)勢。因此,本文重點(diǎn)綜述近年來活體功能材料在有機(jī)合成污染和重金屬污染修復(fù)方面的研究進(jìn)展及應(yīng)用,并展望了未來的研究前景。

1 土壤污染物的物理化學(xué)修復(fù)

土壤修復(fù)的物理方式包括土壤淋洗技術(shù)[11]、土壤改良劑[12]和土壤吸附劑[13]等,主要是改變土壤結(jié)構(gòu)使其有利于處理污染物,如,使用超聲波(US)[14]破壞整體結(jié)構(gòu)(圖1(a)),從而增強(qiáng)土壤中氯代有機(jī)物(COCs)的解吸,并且通過活化過硫酸鹽(PS)產(chǎn)生更多自由基,來促進(jìn)污染物的降解[14]。通常,物理方式的操作成本較低、設(shè)計(jì)簡單,但是修復(fù)的效率較低。由于化學(xué)方法使用化學(xué)制劑,易與土壤中的有機(jī)物產(chǎn)生氧化還原等反應(yīng)以達(dá)到去除污染物的目的[15],導(dǎo)致該方法存在部分制劑不易完全回收、容易造成二次污染等缺點(diǎn),難以達(dá)到綠色環(huán)保的效果。

圖1 物理方式在修復(fù)中的應(yīng)用Fig.1 Applications of physical method in remediation

2 土壤污染物的生物修復(fù)

生物修復(fù)是指利用生物的生命代謝活動來修土壤污染物。相對于物理化學(xué)修復(fù)而言,生物修復(fù)具有綠色環(huán)保、不易造成二次污染和生物特異性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),其越來越受到關(guān)注。生物修復(fù)包括植物修復(fù)、動物修復(fù)、微生物修復(fù)和生物聯(lián)合修復(fù)等方法,在此簡要介紹微生物修復(fù)和生物聯(lián)合修復(fù)方法。

自然衰減是從環(huán)境中去除污染物最重要的生物過程[16]。但是自然修復(fù)本身有一定的局限性,它基本依托于該區(qū)域生物系統(tǒng)的代謝途徑,當(dāng)某些污染物無法參與代謝或超出代謝極限時(shí),就會限制自然修復(fù)的能力。同時(shí),由于生物系統(tǒng)中生物量的限制,修復(fù)時(shí)間會很長,因此無法達(dá)到良好的修復(fù)效果。一般來說,通過人工干預(yù)的方式,能夠提高生物修復(fù)的效率,縮短修復(fù)所需時(shí)間。

2.1 植物修復(fù)

植物修復(fù)主要是通過合理地利用植物的生長特性來富集土壤中的污染物質(zhì),從而達(dá)到轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)化污染物修復(fù)土壤的目的。在對土壤重金屬污染的修復(fù)中,植物提取、植物揮發(fā)、植物固定和植物過濾等方式較為常見。雖然植物修復(fù)的成本低廉,應(yīng)用價(jià)值較高,但修復(fù)周期較長,修復(fù)范圍也有限,還存在植物的后續(xù)處理等重要問題[17]。

2.2 動物修復(fù)

動物修復(fù)主要是利用生活在土壤中的某些動物來進(jìn)行土壤修復(fù)。如蚯蚓,在吞食土壤的同時(shí)富集污染物,同時(shí)它在土壤中的生活運(yùn)動可以增加土壤的通氣性能,增強(qiáng)重金屬的活化能力,促進(jìn)植物吸收代謝[18]。但是能夠用于生物修復(fù)的動物物種范圍較小,這方面研究成果并不多。

2.3 微生物修復(fù)

土壤中生活著大量的微生物。雖然一般污染物被認(rèn)為是對生物有害的,但是在微生物多樣性與自然選擇的共同作用下出現(xiàn)了具有污染物抗性的物種。它們多出現(xiàn)在長期污染的地區(qū),對污染土壤的修復(fù)具有重要貢獻(xiàn)。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)有多種微生物可以通過細(xì)胞表面的多糖、官能團(tuán)等吸附重金屬以及通過離子交換、氧化還原作用等對重金屬污染土壤進(jìn)行修復(fù)[19]。如,Truskewycz等[16]闡明了不同微生物群落對石油烴生物修復(fù)的貢獻(xiàn)。一般認(rèn)為,在Cr6+的存在下,許多微生物的活性將受到抑制,因?yàn)镃r6+有致癌性,當(dāng)它進(jìn)入細(xì)胞后被維生素C和谷胱甘肽等物質(zhì)還原,產(chǎn)生H2O2和其他自由基,進(jìn)而對脂肪、蛋白質(zhì)和DNA造成損害,特別是Cr3+能夠與DNA形成難修復(fù)的配合物[20]。但是,Wang等[21]發(fā)現(xiàn),盡管水中的Cd嚴(yán)重抑制了硝化活性污泥的硝化性能,顯著影響硝化活性污泥系統(tǒng)的微生物群落結(jié)構(gòu),但是其中的硝化細(xì)菌可以分泌過量蛋白來降低重金屬對自身的傷害。此外,Zhang等[22]發(fā)現(xiàn),一些種類的酸桿菌和普朗氏菌可以降低環(huán)境中的Cr6+濃度。Sathvika等[23]研究發(fā)現(xiàn),微生物通過兩種作用機(jī)制(圖1)在重金屬的生物修復(fù)中起著至關(guān)重要的作用。這些都說明,微生物可以耐受甚至主動降解環(huán)境中的污染物,修復(fù)土壤污染。

2.4 生物聯(lián)合修復(fù)

直接使用天然的微生物進(jìn)行環(huán)境修復(fù)有很大的局限性,如,力學(xué)強(qiáng)度差、微生物難以分離、再生后存在質(zhì)量損失等。為了克服這些缺點(diǎn),研究人員利用多種技術(shù),提升生物修復(fù)的效果。如,將微生物固定在合適的基質(zhì)中,以此來提高細(xì)胞強(qiáng)度、剛度與金屬的去除能力。Sathvika等[23]將曲霉固定在由蒙脫石和纖維素組成的多壁碳納米管(CNT)基質(zhì)中(圖1),可增強(qiáng)微生物攝取Cr6+的能力。Oliva等[24]發(fā)現(xiàn),通過假單胞菌Pseudomonasadaceae胞外聚合物(EPS)的吸附耦合還原作用,可以將大部分Cr6+還原為Cr3+?；|(zhì)不僅可以作為固定微生物的框架,同時(shí)對吸附金屬也有一定的協(xié)同作用。Springthorpe等[25]研究發(fā)現(xiàn),希瓦氏菌S.oneidensisMR-1可以與其他氧化還原活性金屬有機(jī)框架材料(MOFs)配對,以提高Cr吸附能力或修復(fù)其他環(huán)境污染物的能力。同時(shí),MOFs也能用作其他電活性微生物的底物或作為支持合養(yǎng)共生微生物群的氧化還原介質(zhì)。由此可以推斷,將生物與材料相結(jié)合的活體功能材料在土壤污染修復(fù)方面應(yīng)該有廣闊的應(yīng)用前景。

3 活體功能材料用于土壤修復(fù)

3.1 活體功能材料的優(yōu)勢

雜化材料是繼單組分材料、復(fù)合材料和梯度功能材料之后的第四代材料,是一種均勻的多相混合材料,有機(jī)相和無機(jī)相的微區(qū)尺寸均在納米尺度,甚至達(dá)到分子水平量級[26-27]。這種微觀量級的均勻混合效應(yīng)使雜化材料彌補(bǔ)了單一材料性能上的不足,兼具多類材料的優(yōu)點(diǎn),甚至產(chǎn)生新的性能,高效應(yīng)用于結(jié)構(gòu)、信息、生物及特種工程等領(lǐng)域[28]?；铙w功能材料作為一種新型雜化材料,同時(shí)含有響應(yīng)功能的活細(xì)胞和支架作用的聚合物基質(zhì)[29],它借助合成生物學(xué)理念,應(yīng)用人工基因調(diào)控工具等來設(shè)計(jì)生物系統(tǒng),并將定制改造的生物系統(tǒng)與人造材料相連接,以改造后的生命系統(tǒng)作為活體功能材料鑄造廠[30],由簡單的原材料經(jīng)自組裝作用調(diào)整為遵循預(yù)先編程的基因線路驅(qū)動并調(diào)控細(xì)胞基因動態(tài)表達(dá),能夠精確控制生產(chǎn)復(fù)雜的材料?；铙w功能材料在發(fā)揮材料原有功能的同時(shí),還擁有自我修復(fù)以及感知和響應(yīng)環(huán)境刺激的能力,它能夠在環(huán)境變化時(shí)做出適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)以修改材料[31],特別是與生物活體交互連接的基質(zhì)材料可發(fā)揮固定支撐和提高系統(tǒng)整體力學(xué)強(qiáng)度的作用,以增強(qiáng)雜化材料抵抗惡劣環(huán)境的能力。由此可見,活體功能材料既具有活細(xì)胞自適應(yīng)的新特性,又保留了人造材料的理想功能[32],兼具生命的動態(tài)特征和材料的優(yōu)越性能[9]。尤其是,它的外形可定制,可以根據(jù)需求進(jìn)行3D打印[6],還具有傳統(tǒng)材料不具備的優(yōu)勢,如可自我修復(fù)、可再生和重塑、可進(jìn)化性和環(huán)境響應(yīng)性等[33]。這些優(yōu)勢特性可通過分布式、自下而上自主組裝、環(huán)境可持續(xù)的方式有目的地被構(gòu)建在活體功能材料中[34]。

3.2 活體功能材料的應(yīng)用

3.2.1 有機(jī)化合物污染修復(fù)方面的應(yīng)用與發(fā)展

活體功能材料在處理有機(jī)污染物方面具有明顯的優(yōu)勢,因?yàn)樗苫铙w細(xì)胞與特定的材料相結(jié)合,使其對有機(jī)污染物的降解效果優(yōu)于各部分獨(dú)立使用的效果。此時(shí),活性功能材料以菌株的形式固定在特定材料載體或生物被膜系統(tǒng)上,利用生物被膜的吸附能力以及作為氧化還原介質(zhì),促進(jìn)有機(jī)污染物降解,相關(guān)應(yīng)用主要集中在水體有機(jī)物污染的修復(fù)方面,但在土壤方面的研究和應(yīng)用較少[35]。

常見的活體功能材料是將可降解污染物的微生物(如細(xì)菌、真菌等)固定在特定材料載體上,其中載體起到保護(hù)菌株、提高菌株適應(yīng)性和吸附環(huán)境中的污染物等作用,而菌株對吸附的污染物進(jìn)行降解。這種材料對污染物的生物降解和環(huán)境修復(fù)表現(xiàn)出比傳統(tǒng)修復(fù)方法更強(qiáng)的適應(yīng)性,在有機(jī)污染物降解領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用[36-39]。Liu等[38]選擇Rhodococcussp.T3-1、Delftiasp.T3-6和Sphingobiumsp.MEA3-1構(gòu)建混合菌群T3,用海藻酸鈉(SA)和殼聚糖(CTS)來包埋T3構(gòu)建活體復(fù)合材料(SA-CTS-T3),驗(yàn)證其對乙草胺的降解能力,結(jié)果發(fā)現(xiàn)：SA-CTS-T3的乙草胺去除率為97.81%,而無菌株負(fù)載的SA-CTS的降解效率僅為19.21%(圖2(a))。Naeimi等[39]將3株具有苯降解能力的菌株固定在CaO2納米粒子上,并用于地下水的生物修復(fù),第1天將3種選定的菌株注入R1至R3反應(yīng)器中,后續(xù)每7 d重復(fù)注射,在70 d內(nèi)監(jiān)測指標(biāo)以對比菌株的生物增強(qiáng)作用對苯去除的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn)：與對照組(R4)相比,生物增強(qiáng)的苯去除率提高約40%(圖2(b)),該系統(tǒng)可用于修復(fù)石油烴污染地下水的現(xiàn)場應(yīng)用,同時(shí)也為苯污染的土壤進(jìn)行原位生物修復(fù)提供了一種新思路。

圖2 微生物固定及材料改性對去除有機(jī)污染物的影響Fig.2 Effects of microbia fixation and material modification on revnoval of organic polllutant

將能產(chǎn)生物被膜的微生物作為活體材料,與可降解污染物的菌株結(jié)合,制備活體功能材料也是重要研究方向之一。生物被膜是由微生物細(xì)胞群落及其產(chǎn)生的細(xì)胞外聚合物(EPS)物質(zhì)構(gòu)成,通常在土壤表層或內(nèi)部形成沉積物,為微生物細(xì)胞提供更高的耐受性,保護(hù)微生物細(xì)胞免受污染物侵害并支持生物修復(fù)過程[40],具有出色的適應(yīng)性、吸附和固定能力,可作為生物修復(fù)污染物的材料。Catania等[41]利用聚乳酸和聚己內(nèi)酯等合成生物聚合物,固定可降解烴類有機(jī)物的γ變形菌和放線菌來制備生物被膜,結(jié)果發(fā)現(xiàn)：這些生物被膜在10 d內(nèi)表現(xiàn)出對溢出油的完全吸附和66%的降解效果。Liu等[38]選擇黏菌(M.xanthusDK1622)作為活體材料,通過生物被膜固定混合菌群T3構(gòu)建成復(fù)合材料,結(jié)果發(fā)現(xiàn)：該復(fù)合材料對乙草胺的最大降解率為96.62%,而自由混合菌株T3在類似條件下對乙草胺的降解率為82.85%,表明黏菌生物被膜介導(dǎo)的固定化可以有效增強(qiáng)混合菌株T3對污染物的降解能力。同時(shí)發(fā)現(xiàn),以生物被膜為載體材料,結(jié)合微生物構(gòu)建的活體功能材料,具有較好的降解能力、穩(wěn)定性和可重復(fù)使用性[38,40-43],可用在有機(jī)物污染修復(fù)方面。

另外,一些研究通過對材料進(jìn)行一定程度的修飾改造,以加強(qiáng)其與生物相互作用的性能[44-46]。Sun等[45]研究了2種生物過濾器(BF)原始海綿型BF1和改性海綿型BF2去除苯、甲苯、乙苯和二甲苯(BTEX)的性能(圖2(c)),結(jié)果發(fā)現(xiàn)：總?cè)コ屎虲O2啟動后BF2的增量分別為61%和8.04 mg/kg,而 BF1的是51%和5.38 mg/kg;進(jìn)一步分析的結(jié)果表明,改性的聚氨酯(PU)海綿顯著提高了生物被膜中微生物的生長、活性和黏附強(qiáng)度,改善了微生物群落?？梢?改性材料可以增強(qiáng)生物過濾器中生物被膜的形成和揮發(fā)性有機(jī)污染物去除,有大規(guī)模應(yīng)用的前景。

新興的光催化材料-微生物雜化(PMH)系統(tǒng)可以將光催化材料與微生物緊密耦合,再利用光催化材料高效、廣譜的光捕獲能力和微生物酶催化的專一性,在處理環(huán)境污染方面具有巨大的潛力。PMH系統(tǒng)產(chǎn)生的光生電子在厭氧條件下可以還原分解具有氧化性質(zhì)的有機(jī)污染物[47]。PMH系統(tǒng)在處理環(huán)境污染方面已經(jīng)顯示了巨大的潛力[48-49]。Xiao等[48]將電化學(xué)活性細(xì)菌S.oneidensisMR-1與光催化劑Ag3PO4耦合,構(gòu)建了一個(gè)PMH系統(tǒng),利用該系統(tǒng)在厭氧情況下還原分解對氯苯酚取得了較好的效果。Liu等[50]利用密度泛函理論計(jì)算的結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了生物光電還原降解體系中對氯苯酚的厭氧光還原降解的電子傳遞機(jī)制。由此可見,PMH系統(tǒng)作為一種新型的生物修復(fù)手段,具有綠色和可持續(xù)性,為厭氧光分解氧化有機(jī)污染物提供了有前途的替代方案。

3.2.2 重金屬污染修復(fù)方面的應(yīng)用

有毒的重金屬污染被認(rèn)為是最嚴(yán)重的環(huán)境問題之一,在微生物修復(fù)重金屬污染時(shí)通常使用天然存在的微生物,如假單胞菌屬[51]、氣單胞菌屬[52]、紅球菌屬[53]、克雷伯氏菌屬[54]和芽孢桿菌屬[55]等。活體功能材料可以在最大限度保持生物修復(fù)優(yōu)勢的同時(shí),克服微生物修復(fù)強(qiáng)度低、工程量小等缺點(diǎn),成為環(huán)境修復(fù)方面具有重要潛在應(yīng)用價(jià)值的研究方向。對重金屬修復(fù)的活體功能材料主要包括特定材料和生物被膜活體材料兩類。MOFs、生物炭及細(xì)胞纖維素(BC)等特定材料在重金屬修復(fù)應(yīng)用方面較為常見。

無機(jī)納米材料的相關(guān)研究較少,僅有生物硅納米材料、碳納米管的應(yīng)用研究。El-Saadony等[61]研究發(fā)現(xiàn),添加生物硅納米顆?？捎行岣咴谥亟饘冫}漬土壤中生長的普通豆類植株的抗逆性。Sathvika等[23]發(fā)現(xiàn),在多壁碳納米管中固定原核生物(根瘤菌)和真核生物(釀酒酵母)也能有效吸附Cr6+。此外,Gulzar等[62]發(fā)現(xiàn),將納米顆粒(NP)與促進(jìn)植物生長的根際細(xì)菌(PGPR)結(jié)合起來,可提高植物修復(fù)土壤重金屬的效率。

生物質(zhì)材料中常見的有生物炭和細(xì)菌纖維素兩類。生物炭與降解重金屬的微生物組成的復(fù)合材料為提高環(huán)境中重金屬的生物修復(fù)效率提供了新思路[63-66]。生物炭是一種多孔的富碳化學(xué)物質(zhì),比土壤更適合微生物生長,有助于微生物的生長繁殖[65]。Weng 等[67]發(fā)現(xiàn),生物炭可以作為緩釋肥料,為土壤中微生物和植物的生長帶來長期益處。Wang等[65]研究了來自玉米秸稈和豬糞的2種生物炭,以此作為突變型枯草芽孢桿菌(B38)的載體用于重金屬污染土壤修復(fù),結(jié)果發(fā)現(xiàn)：枯草芽孢桿菌與生物炭結(jié)合后,重金屬被固定到復(fù)合材料上,使土壤中和植物中重金屬含量下降,提高了萵苣的可食用量(圖3(b)中SPB)。Wu等[66]以新型植物生長促進(jìn)菌(PGPR)菌株SNB6固定在生物炭上形成多功能生化材料(BCM),再將其與香根草結(jié)合形成BC-PGPR系統(tǒng)(圖3(c)),結(jié)果發(fā)現(xiàn),在高度污染土壤中,應(yīng)用BCM可有效增加乙酸可萃取的Cd以及Cd的積累量。因?yàn)樯锾康膩碓磸V泛,比納米材料價(jià)格更為低廉,與微生物結(jié)合能進(jìn)一步增強(qiáng)重金屬的吸附效果,所以生物炭是一種低成本、有效的重金屬修復(fù)材料。

細(xì)菌纖維素(BC)由D-葡萄糖分子組成,具有良好的力學(xué)強(qiáng)度、高持水能力,還可捕獲金屬離子?；谶@些性質(zhì),BC可以與微生物結(jié)合形成活體功能材料的研究成果較多。如,Xiao等[68]通過將快速生長的藍(lán)細(xì)菌SynechococcuselongatusUTEX 2973注入產(chǎn)生BC的桿菌Komagataeibactersucrofermentans培養(yǎng)基中獲得活體材料BC/S.elongatus(BC/SE),結(jié)果發(fā)現(xiàn)：與純BC相比,BC/SE球體具有優(yōu)異的吸附性能,對Cu的最大吸附容量為156.25 mg/g。由生物炭、BC等生物質(zhì)材料載體形成的活體功能材料,不僅對重金屬具有較好吸附能力,還具有綠色、低成本等優(yōu)點(diǎn)。未來此類材料的開發(fā)應(yīng)用將成為重金屬修復(fù)的熱點(diǎn)之一。

生物被膜在有毒重金屬的生物修復(fù)方面具有廣闊的應(yīng)用前景[69-72],因?yàn)榧?xì)菌生物被膜能夠通過各種抗性機(jī)制來抵抗高濃度重金屬的影響,同時(shí)生物被膜內(nèi)包裹的微生物能將有毒金屬固定、吸附,再通過生物轉(zhuǎn)化機(jī)制將其降解為毒性較低的狀態(tài),從而有效地消除污染環(huán)境中的有毒金屬離子,甚至生物被膜的形成受到重金屬的正向誘導(dǎo)。Dey等[69]用1 mmol/L的Cr、Mg和Ni誘導(dǎo)Arthrobactersp. SUK 1205在玻璃微珠上形成生物被膜,以此來去除0.5 mmol/L的Cr6+,結(jié)果發(fā)現(xiàn)：Cr誘導(dǎo)的生物被膜孵育4 d后可去除所有Cr6+,而Mg和Ni誘導(dǎo)的生物被膜的去除效率較低;同時(shí)發(fā)現(xiàn),在孵育早期Cr6+去除效率較高,后期逐漸降低(圖4(a))。同樣, Xing等[72]發(fā)現(xiàn)：試驗(yàn)組Ⅱ黏土礦物蒙脫石和重金屬的組合對黏質(zhì)沙雷氏菌S14(SerratiamarcescensS14)生物被膜發(fā)育的促進(jìn)作用顯著高于黏土礦物或單獨(dú)的Cd2+,該生物被膜可用于除去土壤中的重金屬Cr;S14在蒙脫石和污染物Cd2+的作用下,生物被膜量增多且更穩(wěn)定,對Cr有較好的吸附作用(圖4(b))。Wu等[71]采用狹葉菌株AcremoniumKR21-2和微塑料顆粒共培養(yǎng),研究在其表面定植的生物被膜對Cr6+、Cd2+等重金屬污染物的吸附效果,結(jié)果發(fā)現(xiàn)：細(xì)菌在微塑料顆粒上生成了較厚的生物被膜層(圖4(c)),與單一的微塑料顆粒相比,附著生物被膜的微塑料顆粒對重金屬元素的吸附效果顯著提升,同時(shí)在pH為8.0的環(huán)境中,因顆粒表面帶負(fù)電荷,Cr6+與其表面官能團(tuán)之間的氧化還原反應(yīng)增強(qiáng)了對重金屬的吸附能力。可見,因?yàn)樯锉荒ぞ哂形街亟饘?、促進(jìn)微生物生長等優(yōu)點(diǎn),所以該類活體功能材料在修復(fù)因重金屬引起的污染方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢。

圖4 生物被膜在重金屬污染物修復(fù)中的應(yīng)用Fig.4 Application of biofilm in the remediation of heavy metal pollutants

細(xì)胞外聚合物物質(zhì)(EPS)是由微生物(細(xì)菌、真菌和藻類)生物合成的高分子混合聚合物,主要由蛋白質(zhì)、多糖和核酸組成。在土壤環(huán)境中,EPS不僅可通過穩(wěn)定細(xì)胞膜和減少化學(xué)暴露,為微生物提供保護(hù)[73],而且可以影響土壤顆粒的聚集沉積以及土壤礦物質(zhì)的溶解,為土壤微生物的生存提供理想的環(huán)境,在重金屬污染土壤修復(fù)中有較好的潛力[74]。Li等[75]研究發(fā)現(xiàn),細(xì)菌和它們產(chǎn)生的胞外聚合物都可以與重金屬相互作用。EPS不僅可以保護(hù)細(xì)菌產(chǎn)生的生物被膜,還可以與重金屬陽離子(如Zn2+、Cu2+)結(jié)合,在土壤中形成胞外聚合物金屬配合物[76]。同時(shí),土壤中的胞外多糖有助于細(xì)菌抵御環(huán)境壓力,如重金屬引起的壓力[77]。不同類型的EPS對于重金屬離子的吸附情況也不同,Li等[78]研究發(fā)現(xiàn),松散結(jié)合的EPS含有較多的能釋放氫原子的官能團(tuán),可以通過離子交換更好地吸附Pb2+。尤其是,EPS可以與生物被膜共同存在[72,76,79],在重金屬污染修復(fù)時(shí),EPS與生物被膜共同作用。

圖5 膠浸磁性生物炭混合礦化菌株促進(jìn)污染物的去除[81]Fig.5 Mixing of magnetic biochar and mineralized strains promote removing of polltant[81]

4 結(jié)論與展望

土壤是地球上最寶貴的自然資源,也是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ),修復(fù)污染土壤的重要性不言而喻。目前,對土壤中重金屬與有機(jī)污染物的修復(fù)方法(物理吸附、化學(xué)修復(fù)和生物修復(fù)等)各有優(yōu)劣?；铙w功能材料將改造的生物活體與性能優(yōu)越的人造材料相結(jié)合,在土壤修復(fù)中具有廣闊的應(yīng)用前景。常見的活體功能材料是將可降解污染物的微生物(如細(xì)菌、真菌等)固定在特定材料載體上,對污染物生物降解和環(huán)境修復(fù)表現(xiàn)出比傳統(tǒng)修復(fù)方法更強(qiáng)的適應(yīng)性。在修復(fù)土壤中的有機(jī)和重金屬污染物時(shí),利用相應(yīng)材料與生物細(xì)胞相結(jié)合,使微生物細(xì)胞具有更高的耐受性,保護(hù)微生物細(xì)胞免受污染物的侵害并強(qiáng)化生物修復(fù)過程,獲得更加出色的適應(yīng)性、吸附和固定能力。這些材料可以是生物被膜,也可以是特殊的MOFs,或是生物炭、細(xì)胞纖維素等生物質(zhì)材料。

目前研究較多的是使用單一菌種配合有機(jī)或無機(jī)載體對污染物進(jìn)行吸附與降解,但實(shí)際污染環(huán)境相當(dāng)復(fù)雜,要實(shí)現(xiàn)環(huán)境污染物的高效修復(fù),需要將多學(xué)科交叉知識相融合開發(fā)各類復(fù)合材料以及多種微生物或微生物菌群協(xié)同的綜合方案。一是研發(fā)具有多種生理特性和功能的可降解污染物的復(fù)合菌劑,實(shí)現(xiàn)在不同環(huán)境狀態(tài)下或?qū)Χ喾N污染物均可以發(fā)揮修復(fù)作用。二是進(jìn)一步深入研究污染物降解機(jī)制。目前對厭氧或兼性厭氧菌的研究尚不足,可利用生物學(xué)和蛋白組學(xué)技術(shù)以促進(jìn)污染物降解過程中的功能基因和關(guān)鍵酶結(jié)構(gòu)功能的研究。三是開發(fā)新型微生物污染物修復(fù)處理工藝及設(shè)備。微生物污染物修復(fù)處理的工藝及設(shè)備對提高微生物降解苯系物的效率至關(guān)重要,工藝及設(shè)備的改進(jìn)能夠更好地將微生物處理技術(shù)落實(shí)到實(shí)際應(yīng)用中。四是加大活體功能材料的載體材料的研究。微生物對相應(yīng)污染物的吸附與降解受到其載體材料的影響,合適的載體材料可以提升微生物對相應(yīng)污染物的吸附與降解效果。五是開發(fā)與微生物技術(shù)相配合的聯(lián)合修復(fù)技術(shù),如物理-生物、化學(xué)-生物修復(fù)技術(shù)等。六是降低污染物修復(fù)的成本,將研究成果轉(zhuǎn)化為在實(shí)際污染治理中可以應(yīng)用的產(chǎn)品。七是利用合成生物學(xué)手段設(shè)計(jì)構(gòu)建具有特殊污染物降解基因回路的工程菌,充分發(fā)揮菌種與材料的物理化學(xué)特性,同時(shí)對有潛力的載體材料進(jìn)行修飾與改造,開發(fā)高效且經(jīng)濟(jì)的工程活體功能材料。八是在設(shè)計(jì)工程菌時(shí)必須考慮其生物安全性,必要時(shí)在工程菌中加入相關(guān)的自殺基因控制回路或設(shè)計(jì)營養(yǎng)缺陷型菌株等方式,以保證其不會對生態(tài)環(huán)境造成新的風(fēng)險(xiǎn)。