生物礦化在環(huán)境保護(hù)方面的應(yīng)用

鄒良慧

現(xiàn)在多采用沉淀、分離、離子交換樹脂和電化學(xué)法等來處理污水中的重金屬，但是這幾種方法不僅需要很高的運(yùn)行費(fèi)用，而且工藝復(fù)雜，極易導(dǎo)致再次污染。治理重金屬土壤一般使用化學(xué)淋洗、電動修復(fù)法等，這些方式存在著同樣的問題。為了開發(fā)出更加低成本、簡單工藝的處理技術(shù)，科學(xué)研究人員逐漸開始研究生物礦化法。

一、什么是生物礦化

生物礦化是一種常見的自然現(xiàn)象，宏觀上講比如骨骼、珊瑚、貝殼等都是生物礦化的產(chǎn)物?，F(xiàn)在利用微生物礦化的作用來對重金屬土壤進(jìn)行重金屬價態(tài)的改變從而減少其毒性是新興的發(fā)展方向，主要利用細(xì)菌在代謝過程中產(chǎn)生的鈦酸根或磷酸根來和重金屬離子進(jìn)行結(jié)合，從而降低其他生物的利用率。

生物礦化的機(jī)理是十分復(fù)雜的，因?yàn)槠涮卣髦皇撬鼙蛔陨砩锘|(zhì)所調(diào)配，所以依據(jù)可支配程度的不同可分成誘導(dǎo)礦化和控制礦化。誘導(dǎo)礦化發(fā)生在細(xì)胞的外部，其分泌的胞外聚合物為重金屬離子提供成核位點(diǎn)?？刂频V化一般有兩種方式，第一種是細(xì)胞主動將陽離子運(yùn)送到胞外，然后陽離子擴(kuò)散到有機(jī)基質(zhì)中形成礦物;第二種是通過胞吐的作用，將陽離子送到胞外，然后在有機(jī)基質(zhì)處釋放陽離子，形成礦物。

二、常見礦化物及對環(huán)境改良的作用

（一）細(xì)菌

人們關(guān)注較多的能夠進(jìn)行礦化的微生物有脫硫細(xì)菌、碳酸鹽礦化菌、鐵細(xì)菌和磷酸鹽礦化菌等，這些都是在生活當(dāng)中分布廣泛并且容易獲得的生物。碳酸鹽礦化菌可以在成長階段產(chǎn)生一種酶，和其周圍的Ca2+、、Cu2+、Ba2+等離子結(jié)合，然后以碳酸鹽的形式礦化。磷酸鹽礦化菌可以在誘導(dǎo)下產(chǎn)生酶化作用分解出PO3-4，和環(huán)境里游離的重金屬離子結(jié)合。碳酸鹽礦化菌可以分化尿素產(chǎn)生CO2-3，與環(huán)境中的游離重金屬離子結(jié)合為穩(wěn)定的碳酸鹽沉淀物，進(jìn)而減少其對自然資源的傷害，顯示出生物礦化對環(huán)境改良的前景。

（二）真菌

常見的真菌有酵母菌、霉菌、和蕈菌三大類。真菌可以產(chǎn)生大量的胞外聚合物，從而幫助泥土維持其成分構(gòu)成。酵母菌形態(tài)簡單且是以芽植為主，不論在有氧的環(huán)境還是無氧的環(huán)境中都能夠成活，也能夠在不同的PH值之間生長，對溫度的忍耐度也較高。利用酵母菌進(jìn)行礦化固結(jié)后，這些沉積物在特定的環(huán)境里面能夠保持很好的穩(wěn)定性，這說明酵母菌的處理效果好。

真菌礦化環(huán)境當(dāng)中的重金屬離子因?yàn)椴煌臋C(jī)理，過程也不同，但是大部分都是為細(xì)胞表面提供可以成核的位點(diǎn)，在細(xì)胞的表面形成礦化物。也有少部分控制自己胞內(nèi)的物質(zhì)形成礦化物。這對于修復(fù)重金屬土壤污染有一定的意義。

（三）藻類

藻類分為褐藻、紅藻和綠藻三種。褐藻是吸附容量最高的，所以被大多數(shù)科學(xué)家用于研究，特別是馬尾藻屬的研究更多。藻類易于觀察，所以被人們作為判斷水質(zhì)好壞的指標(biāo)，并且由于其對于重金屬的去除能力要強(qiáng)于細(xì)菌、真菌，又不容易產(chǎn)生二次污染，所以得到很大的關(guān)注。藻類通過生物礦化的作用可以對水中的元素進(jìn)行處理，因此研究藻類對重金屬離子去除的適宜環(huán)境對于水治理有著重大的意義。

（四）動植物

許多無脊椎動物在礦化的過程中，細(xì)胞內(nèi)沉積著高度無序的礦物相，隨后運(yùn)輸?shù)桨猱a(chǎn)生礦化。珊瑚就是最好的例子，它最關(guān)鍵的化學(xué)成分就是碳酸鈣。植物類發(fā)生礦化的現(xiàn)象也是很普遍的存在，常見的礦化物有草酸鈣、碳酸鈣、二氧化硅。在各種條件下，對于不同種類的重金屬離子的處理都可以發(fā)揮很好的處理效果，但是目前對于治理完重金屬后的植物沒有很好的處置方式。

三、影響生物礦化的因素

生物礦化金屬的程度基本上是受細(xì)胞狀況（比如其本身營養(yǎng)供給、生理狀況）、反應(yīng)條件（比如Ph值、溫度等）、金屬離子的性質(zhì)這三個方面因素的影響。

（一）細(xì)胞本身營養(yǎng)供應(yīng)水平的影響

營養(yǎng)供應(yīng)水平的不同會直接影響到細(xì)胞礦化的速度，因?yàn)榘饩酆衔锸菫榻饘匐x子提供成核位點(diǎn)，所以營養(yǎng)供應(yīng)的程度不一致會直接關(guān)系到礦化產(chǎn)物的處理速率。

（二）溫度和PH值的影響

在不同溫度和PH值環(huán)境下，細(xì)胞表層的化學(xué)狀況是不一樣的，對于金屬吸附位點(diǎn)和金屬離子的作用也是不一樣的，會直接關(guān)系到水解、吸附或無極配體的絡(luò)合反應(yīng)、氧化還原反應(yīng)等。一般情形下如果PH值太低，對于游離重金屬離子的吸附效率會下降，因?yàn)榇罅康乃蜌潆x子會占據(jù)大量的吸附位點(diǎn)。還有一種解釋就是在強(qiáng)酸環(huán)境下，酶受到影響會失去活性。利用碳酸鹽礦化菌來治理土壤污染，主要就是利用其產(chǎn)生的酶來瓦解尿素得到碳酸根，然后與泥土中游離的重金屬離子固化，對其進(jìn)行修整。溫度過高或者過低都不利于生物礦化，但是在一定的范圍內(nèi)溫度對細(xì)胞礦化的影響沒有Ph值的影響那么明顯。

（三）離子共存的影響

在目前的研究當(dāng)中大多都是對某一金屬離子而不是多種離子，因?yàn)楫?dāng)存在多種離子時，生物礦化的研究就會變得更加復(fù)雜，其中就會牽扯到不同離子的反應(yīng)優(yōu)先級的問題或者是不同溶液下反應(yīng)的問題。但是研究多種離子的問題是必要的，在實(shí)際的土壤污染當(dāng)中都會存在一些較為復(fù)雜的重金屬離子成分。同樣水中也存在很多復(fù)雜的成分，海水的污染造成了海水利用受到嚴(yán)重阻礙，就比如曬鹽后的高濃度鹽水，如果直接排入生態(tài)環(huán)境當(dāng)中會產(chǎn)生非常慘重的后果。因?yàn)楹Ｋ煞謴?fù)雜，含有多種金屬陽離子和陰離子。

四、生物礦化法在環(huán)境治理中的應(yīng)用

（一）水處理

加拿大B.V.SORBEX公司用微藻和大型藻類生產(chǎn)出系列產(chǎn)品用于重金屬的處理，這種處理劑在一系列PH值下都表現(xiàn)出良好的去除效果。Li等將微藻細(xì)胞固定于反應(yīng)器中用于Co的去除，對于Co的去除率達(dá)到94.5%。但是處理的重金屬都被轉(zhuǎn)移到微藻體內(nèi)，如果事后對于這些藻類的處理不當(dāng)，將會造成二次污染。中國的濟(jì)南市建立了三座水處理站，其中西濼河處理站采用了活性濾料生物濾池，利用活性濾料生物和水解酸電池結(jié)合，將水過濾水解酸化從而增加其的生化機(jī)能。他們將濾池分為DN池和CN池，分別有著不同種類的菌種。當(dāng)污水經(jīng)過活性濾料過濾以后會產(chǎn)生一種會剝落的膜，然后再經(jīng)過水解酸，經(jīng)由這樣的工程出水的標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到一級A標(biāo)準(zhǔn)，每年減少許多外排的COD1496.5t、BOD766.5T、SS912.5t、氨氮127.25t和總磷21.9t。江西有一家企業(yè)專門從事生產(chǎn)200億孢子/克解淀粉芽孢桿菌可濕性粉劑，投產(chǎn)后污水排放總量約60m3/d。在進(jìn)水COD、BOD5、SS的質(zhì)量濃度分別為12000mg/L、4000mg/L、500mg/L時，出水分別為85mg/L、15mg/L、60mg/L，平均去除率分別為99.3%、99.6%、88.0%，出水水質(zhì)穩(wěn)定并滿足GB8978-1996中的一級標(biāo)準(zhǔn)的條件。

（二）土壤修復(fù)中的應(yīng)用

土壤修復(fù)關(guān)鍵是利用碳酸鹽礦化菌來穩(wěn)固土壤里游離的重金屬離子，將其和尿素混合進(jìn)行分解產(chǎn)生碳酸根來穩(wěn)固重金屬離子使其不再游離。南京某礦區(qū)周圍就采用這種方式進(jìn)行處理實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明游離的重金屬離子明顯減少，As的去除率高達(dá)83%，Pb、Cd、Zn和Cu的去處理分別是71%、51%、50%和74%。運(yùn)用植物修復(fù)法的美國賓夕尼亞州怕莫頓一處鋅礦污染區(qū)，該店去表面土壤中的Cd濃度達(dá)到364-1300mg/Kg之高，Pb濃度為1200-6475mg/Kg和Zn濃度為1.3×104-3.5×104mg/Kg，這些數(shù)值表明該地區(qū)處于高度污染地區(qū)。采用植物修復(fù)的方法對該地區(qū)的污染地區(qū)4.86×106㎡的場地進(jìn)行了植被重建，在十年過后，這個重建地區(qū)已經(jīng)有70%以上的地區(qū)被植物覆蓋。蜈蚣草對于坤元素有很強(qiáng)的吸收能力和轉(zhuǎn)運(yùn)能力，它的上部就可以累計(jì)坤元素達(dá)到22.6g/Kg。湖南省郴州市有著地球上首個坤超富集的植被修復(fù)基地，僅僅只在第一年就治理了10%左右的土地。雖然目前擁有此種土地治理的先進(jìn)技術(shù)，但是依舊需要大量的現(xiàn)場試驗(yàn)。

五、生物礦物法在環(huán)境治理過程中的問題及展望

就目前世界對生物礦化的研究已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)階段有著大量的案例，但現(xiàn)實(shí)中使用生物礦化技術(shù)修復(fù)重金屬污染的實(shí)例報道太少了。生物礦化隸屬于多個領(lǐng)域，需要研究微生物學(xué)、物理學(xué)等科目背景。生物礦化應(yīng)用到實(shí)際當(dāng)中還需要很長一段時間的研究，因?yàn)橹亟饘匐x子污染成分復(fù)雜，不單單只有一種，而且還需要考慮不同的生活環(huán)境對生物礦化的影響，最后就要考慮技術(shù)成本的各種問題。研究能同時去除多種重金屬污染，擁有廣譜礦化能力的礦化劑，馴化培養(yǎng)針對某一特定金屬離子的微生物，這些都是我們所期待的和未來研究關(guān)注的對象。

六、結(jié)語

現(xiàn)在的重金屬處理方式或多或少地都會擁有其他的問題存在，生物礦化法的出現(xiàn)為人們對于環(huán)境的修復(fù)和治理有著重大的意義?？茖W(xué)家們都朝著相同的方向進(jìn)行研究和努力，也希望在平時的生活中要正確地處理含有重金屬的物質(zhì)，共同保護(hù)我們賴以生存的環(huán)境。（作者單位：惠州方舟檢測技術(shù)有限公司）