南开大学周启星团队在Critical Reviews in Environmental Science and Technology（CREST，《环境科技评论》）期刊发表题为“土壤和沉积物微生物电化学系统修复性能强化研究进展（Recent advances in improving the remediation performance of microbial electrochemical systems for contaminated soil and sediments; DOI: 10.1080/10643389.2022.2040327; Published online: 21 Feb 2022）”的重磅综述。
污染土壤和沉积物的修复是目前备受关注的环境问题，迫切需要高效、环保的技术来去除土壤和沉积物中的污染物。常规的物理和化学技术往往存在一定的局限性，例如对土壤结构破坏大以及产生二次污染等。同时生物修复技术存在着修复期长和电子受体的匮乏等问题。与其他技术相比，土壤/沉积物微生物电化学系统（SMES）通过将微生物和电化学修复结合，提供了比其他修复技术更快和更有效的修复效果，并且在污染物去除的过程中实现污染物的资源化。然而，污染物种类的多样性和土壤/沉积物介质的高内阻和低传质极大限制了SMES的修复性能，因此，针对提高SMES修复性能的研究势在必行。为了更好地理解和解决SMES修复效率低的问题，本研究详细概述了SMES中污染物去除作用机制和限制传质的因素。随后，从反应器构型、电极布置和电极材料以及土壤/沉积物介质三个方面详细讨论了提高SMES修复效率的研究进展，以期帮助研究人员优化提高系统性能并促进SMES在污染土壤/沉积物修复中的实际应用。
图1 图文摘要（Graphic abstract）
典型的 SMES 由通过外部电路连接的阳极和阴极组成。电极充当电子受体，甚至是供体，从而缓解土壤中电子供体和受体的缺乏。通过整合微生物和电化学过程，微生物可用于将有毒的大分子污染物转化为无毒的小分子物质。在 SMES 中，污染物去除的一般机制是利用电极与污染物之间的氧化还原梯度，主要的去除机制包括阳极氧化、阳极还原和阴极还原（图2）。尽管生物降解在污染物去除中起主导作用，但仍有一些污染物是通过其他机制去除的，例如吸附和阴极碱化等。SMES的污染物降解能力与电活性微生物的氧化还原活性密切相关，然而，由于土壤/沉积物中微生物和电极间的传质和电子转移率较低，性能受到很大的限制。为了优化SMES性能，研究者们在改善反应器的构型组成、电极材料以及电极布置等方面实现了多因素、多角度研究（图3），基于此，本研究对构型和电极方面的改进策略和提高机制进行了深入分析。
图3 不同SMES构型及电极布置示意图
由于土壤/沉积物是反应发生的主要场所，因此改善反应基质的理化性质也能产生显著修复效果，本研究深入讨论了土壤类型、含水量、pH值和目标污染物对SMES修复效率的影响机制，详细总结了用于改良土壤/沉积物的不同材料及其相应的强化原理。
SMES 已被证明是一种有效的修复技术，可从土壤/沉积物基质中去除有机污染物和重金属。虽然目前还没有掌握最佳的SMES修复模型，但这项技术仍然具有相当大的前景，可以满足双碳背景下对复杂污染物处理技术的需求。本研究旨在对现有的SMES 进行评估，从不同方面分析了提高SMES修复效率的策略，以帮助研究人员确定未来的研究方向，并根据实际污染场地和污染物选择合适的SMES。要将这项技术从实验室试验转移到现场应用，仍有许多重大的技术和经济障碍需要克服，基于此，我们为将来的研究方向提供一些建议，包括更深入地研究扩大SMES尺寸后带来的高内阻和成本问题，SMES在实际原位修复中的安装问题，降低电极材料成本和提高耐腐蚀性能，SMES在复合污染土壤/沉积物中的应用问题以及功能性微生物群落的富集和培养等。总而言之，任何技术从研究到应用都不是一蹴而就的，需要不断优化和完善。
第一作者简介：
李瑞祥，南开大学环境科学与工程学院在读硕士生，研究方向为微生物电化学系统生物电强化及污染物去除机制。至今累计以第一作者发表SCI论文4篇。周启星，南开大学学术委员会委员，教授，博士生导师，环境科学与工程学院学术委员会主任、院长（前任）。1998 年入选中科院百人计划，2002 年获国家杰出青年科学基金，2004 年受聘教育部长江学者特聘教授，2016 年获天津市首批杰出人才。系国务院学科评议组成员（先后为环境科学与工程、生态学），教育部科技委学部委员（先后为地学与资源环境学部、环境学部）。曾先后任中科院陆地生态过程重点实验室主任、环境污染过程与基准教育部重点实验室主任（创建）。兼任中国农业生态环境保护协会副理事长，中国自然资源学会、中国环境科学学会和中国生态学学会常务理事，国际水、空气和土壤保护协会学术总监（International Water, Air &Soil Conservation Society，Director Academic）；担任《生态毒理学报》《农业环境科学学报》《环境工程技术学报》副主编，Geology, Ecology & Landscapes（Taylor & Francis）主编，以及Journal of Hazardous Materials、Land Degradation & Development、Journal of Soils and Sediments 等国际SCI 期刊编委。主要从事环境科学与工程、生态地学以及资源循环科学与工程等方面的科研与教学工作。在国内外重要学术期刊发表论文700 余篇，其中第一/通讯作者SCI 收录近300 篇，主编/共同主编著作17 部。连续7 年入选爱思唯尔高被引学者。以第1 完成人，获天津市自然科学奖特等奖、教育部自然科学奖一等奖和辽宁省自然科学奖一等奖以及中国青年科技奖和钱学森金奖等奖项10 余项。