CREST精选 | 天津大学宋照亮团队：土壤和污水中Cr(VI)的生物修复技术研究进展

导 读

天津大学宋照亮教授团队与佛山科学技术学院王海龙教授等在Critical Reviews in Environmental Science and Technology（CREST，《环境科技评论》）期刊发表题为“土壤和污水中Cr(VI)的生物修复技术研究进展”（A critical review on bioremediation technologies for Cr(VI)-contaminated soils and wastewater）”的综述。

重金属Cr(VI) 是目前备受关注的环境污染物，它被广泛应用于各种工业、农业和民用领域。Cr(Ⅵ)在环境中易溶于水、迁移能力强、生物富集性和毒性大，具有致突变性、致癌性和致畸性，被列为人体危害最大的八种化学物质之一，是国际公认的最具致癌作用的重金属之一。因此，铬污染对动植物和人体都存在极大的生态风险和健康风险。生物修复是最可靠的铬修复技术之一，具有较高的生态、环境、经济和社会效益。通过总结梳理和分析比较，我们提出了土壤和废水中Cr(VI)生物修复领域的未来研究方向，为今后的研究提供理论指导和科学依据，并呼吁社会更加关注Cr(VI)对生态环境和人体健康造成的连锁问题。本文从铬的化学性质、污染来源、环境质量评估、毒理学/健康效应及分析方法出发，对比了不同的铬生物修复方法的优缺点，重点综述了Cr(VI)生物修复过程及其机制，主要机制包括生物吸附、生物累积、络合、静电吸附、还原作用和离子交换（图1），从而降低Cr(VI)浓度，或者将Cr(VI)转化为Cr(III)，降低其毒性，从而对生态环境和生物体无毒害。 

图1 图文摘要

主要内容

研究证明，“吸附-还原理论”是生物材料去除Cr(VI)的最好解释（图2，图3），可分为以下两种：（i）直接还原机制，生物材料表面的电子供体将Cr(VI)还原为Cr(III)，Cr(III)与生物材料表面的官能团络合或滞留在水中；（ii）间接还原机制，包括三个步骤：（a）Cr(VI)结合生物材料表面的带正电官能团，(b）生物材料表面的电子供体将Cr(VI)还原为Cr(III)；（c）Cr(III)通过带正电荷的官能团释放到水中，或由于电子排斥作用与生物材料表面上的其他相邻官能团络合。  

图2 生物质材料对铬的去除机理

图3 生物炭对铬的还原和固定作用

生物矿化是微生物修复方法之一，在有机物的调控或影响下，将重金属离子转化为微生物特定部位的固相矿物。生物源锰（Mn）氧化物和铁（Fe）氧化物是重要的金属/类金属生物地球化学物质，在铬修复中发挥作用。例如，细菌、酵母、藻类和真菌可将可溶性Mn²⁺氧化成不溶性锰氧化物，通常认为它们在自然系统中具有生物起源。锰氧化物的结晶性较弱，粒径小，锰化合价高，八面体空穴结构多，比表面积大。因此，它们可以吸附铬以控制其在环境中的迁移和转化。  

微生物联合植物修复铬污染的机理（图4）：（a）一些具有特殊菌丝的微生物可以增加微生物与土壤的接触表面积，从而从土壤基质中吸收更多的养分，改善寄主植物的营养状况并促进其生长，从而提高寄主植物对铬的积累；(b）根际真菌的接种可使重金属与真菌菌丝结合或固定在根际，以减少重金属对植物的毒性作用；(c）根瘤菌可用于生物固氮，促进养分的吸收；(d）微生物向土壤环境分泌植物激素，可促进细胞生长、细胞分裂、生根和选择性基因表达，从而促进植物生长和重金属的吸收；(e）一些根际微生物分泌ACC脱氨酶，将乙烯前体ACC水解为NH₃和a-酮丁酸，从而在胁迫条件下降低植物体内的乙烯含量，从而抵抗不利环境中产生的高水平乙烯导致的植物生长抑制。

图4 植物-微生物联合修复中Cr(VI)与植物/微生物的相互作用

总结与展望

铬是一种潜在的有毒元素，被认为是影响生态系统和生物体的一种重要污染物。生物衍生材料、微生物和超富集植物是一种很有前途的Cr(Ⅵ)修复技术，具有成本低、无二次污染、操作简单等优点。然而，生物修复技术仍然存在一些缺点，耗时长，限于中度污染场地，易受外部环境干扰。因此，为了充分利用铬污染的生物修复，我们需要了解生物衍生材料、活生物体及联合技术对Cr修复的完整过程和机制，目前，仍然存在所涉及的一些不确定的过程和机制。因此，在未来的研究中，仍需要作出巨大的努力和实践来实现Cr(Ⅵ)修复过程和机理这一目标，促进特定的Cr(Ⅵ)生物修复技术的污染现场实际应用，同时，我们从6个方面提出并建议未来的发展方向。

作者简介

第一作者：

夏少攀，天津大学地球系统科学学院，2017级博士生，已毕业。主要从事滨海湿有机碳封存机理对环境变化的响应研究、污染土壤中重金属元素的行为机制。

通讯作者：

宋照亮，天津大学地球系统科学学院，教授，博士生导师，国家优秀青年基金获得者，教育部“长江学者奖励计划”青年学者，主要从事碳氮硅等元素循环及其耦合机制、风化碳汇、植硅体碳汇以及硅功能等研究。获第四纪研究会刘东生青年地球科学家奖。主持国家自然科学基金重点项目、国家自然科学基金委员会与英国自然环境研究理事会重大国际合作研究计划课题、国家重点研发计划项目课题和专题等多项。受邀担任国家重点研发计划项目答辩专家组成员以及教育部“长江学者奖励计划”、国家自然科学基金项目、法国Labex OT-MED项目、Nature Communications和Global Change Biology等评审专家。被第十届、第十一届国际植硅体大会会议邀请做大会报告，被第四届国际地球科学会议邀请担任组委会成员并作大会报告。受邀请在国际刊物Frontiers in Plant Science(二区)组织出版植硅体专辑。已发表论文157篇（SCI期刊文章111篇，EI期刊文章6篇），其中第一或通讯作者SCI期刊文章71篇（包括Earth-Science Reviews、Global Change Biology等国际一区top SCI期刊文章28篇，ESI高被引论文(前1%) 2篇，入选Journal of Integrative Agriculture 2020年度最具影响力论文1篇）。联系邮箱：[e-mail]

王海龙，教授，博士生导师，佛山科学技术学院环境科学与工程学科带头人，香港浸会大学客座研究员。曾任新西兰皇家研究院资深科学家，入选浙江省特聘专家、“钱江学者”特聘教授。主要从事废弃物处理与资源化、环境修复、污染物在生态系统中的迁移和环境影响以及应用炭基材料修复污染土壤和水体研究。先后主持7项新西兰和中国国家自然科学基金委研究项目，授权发明专利12项，发表SCI论文282篇，其中30篇ESI高被引论文，Web of Science 统计文章被引9100余次，H-Index 47，论文入选2017年度中国百篇最具影响力国际学术论文，入选2019年度土壤与环境科学全球Top100高产作者（排名第11位），入选2020年度科睿唯安环境与生态领域全球高被引科学家。目前担任三种SCI期刊编委兼责任编辑，广东省生物炭工程技术研究中心主任，广东省生物炭产业技术创新联盟理事长，国家生物炭科技创新联盟理事、专家委员会成员，浙江省土壤污染生物修复重点实验室学术委员会副主任，国家生物炭研究院、自然资源部生态地球化学重点实验室、中国烟草行业生物炭基肥工程研究中心、广东省环境健康与资源利用重点实验室和河南省生物炭工程技术研究中心学术委员会委员，国际生物质炭联盟(IBI)咨询委员会专家。作为生物炭研究领域知名专家，组织了5次国际会议，20余次应邀在国际会议发表主旨演讲。联系邮箱：[e-mail]

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|供稿：天津大学宋照亮教授团队

|编排：代子雯（CREST期刊推广员）

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