導(dǎo)讀

由于制訂并實(shí)施了嚴(yán)格的廢物排放環(huán)境準(zhǔn)則，導(dǎo)致革新廢物處理技術(shù)的需求不斷增加。由于人口的快速增長(zhǎng)，廢水處理是一個(gè)越來越重要的過程。因此，廢水處理系統(tǒng)旨在維持滿足不同凈化要求的微生物的高活性和高密度。制藥業(yè)產(chǎn)生的廢物如果處理不當(dāng)，將對(duì)環(huán)境和公眾健康產(chǎn)生有害影響。生物修復(fù)是一種可用于去除和減少污染水和污染土壤中重金屬的創(chuàng)新和樂觀的技術(shù)。由于成本效益和環(huán)境兼容性，利用微生物進(jìn)行生物修復(fù)具有良好的發(fā)展?jié)摿Α?/strong>多種微生物，包括藻類、真菌、酵母菌和細(xì)菌，可以作為具有生物活性的甲基化劑發(fā)揮作用，能對(duì)有毒物種改性。微生物在重金屬生物修復(fù)中發(fā)揮著重要作用。納米技術(shù)可以通過生產(chǎn)環(huán)境友好的納米材料來減輕這些污染物，從而將工業(yè)成本降至最低。

1. 前言 水對(duì)于地球上生命的生存至關(guān)重要，消除水污染也同樣重要。由于工業(yè)生產(chǎn)中的用水需求，工業(yè)化使水的使用量急劇增加。制造業(yè)的增長(zhǎng)導(dǎo)致了大量工業(yè)廢物的產(chǎn)生。為了環(huán)境和工業(yè)的長(zhǎng)期繁榮，對(duì)這些工業(yè)污染物進(jìn)行經(jīng)濟(jì)且嚴(yán)格的修復(fù)是至關(guān)重要的。為了降低廢水的毒性和可持續(xù)利用，采用了不同的策略。世界范圍內(nèi)不斷擴(kuò)大的人口導(dǎo)致我們的環(huán)境受到來自各種來源的大量危險(xiǎn)污染物的破壞，而人類活動(dòng)和需求正在迅速增加。作為一種合理可行的技術(shù)，生物修復(fù)可以成為解決污染的不利影響、緩解被污染土壤的污染情況以及消除難降解物質(zhì)或有毒化合物的極好資源。生物處理用于還原或氧化真菌、細(xì)菌、藻類或植物代謝中的無機(jī)和有機(jī)化合物。適當(dāng)?shù)臈l件，包括營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、pH值、氧氣的可用性，會(huì)加速這些自然過程。它們通常應(yīng)用于具有充分?jǐn)嚢韬屯L(fēng)設(shè)備的生物反應(yīng)器中，但偶爾也會(huì)用到濕地。生物降解的方法被認(rèn)為是經(jīng)濟(jì)的。制藥行業(yè)的廢水是獨(dú)特的，必須要經(jīng)過處理以維持安全且高質(zhì)的制藥標(biāo)準(zhǔn)。在處理之前，重要的是對(duì)廢水根據(jù)其成分及性質(zhì)進(jìn)行分類，因?yàn)樗鼈儺a(chǎn)生的廢水含有致畸、誘變、致癌和其他嚴(yán)重不良影響的化合物。與無機(jī)化合物相比，它主要由更危險(xiǎn)的有機(jī)化合物組成。未經(jīng)處理的污染物通過廢水處理廠可轉(zhuǎn)化為中性污染物。利用納米技術(shù)消除污染物中的重金屬就是這樣一種方法。通過與現(xiàn)有的重金屬?gòu)U水處理技術(shù)相結(jié)合形成了一個(gè)新興行業(yè)。

2. 廢水處理需求 近年來，含重金屬?gòu)U水被大規(guī)模地丟棄在環(huán)境中。銅(Cu)、鎘(Cd)、鉻(Cr)、鎳(Ni)和鉛(Pb)等最危險(xiǎn)的污染物存在于淡水水庫中。重金屬具有致癌和致畸性，會(huì)通過食物鏈渠道在人體中積累，從而帶來嚴(yán)重的健康風(fēng)險(xiǎn)。因此，需要對(duì)被污染的污水進(jìn)行生物修復(fù)。同時(shí)，由于城市化和工業(yè)化的迅速發(fā)展，大量廢水被排放，這些廢水逐漸被用作農(nóng)業(yè)部門寶貴的灌溉資源。它產(chǎn)生了大量的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)，特別是對(duì)貧困農(nóng)民而言，鼓勵(lì)了大量的生計(jì)，并極大地改變了自然水體中的水的性質(zhì)。此外，由于快速城市化和工業(yè)化以及處理環(huán)境衛(wèi)生問題，水的污染日益嚴(yán)重，在不發(fā)達(dá)國(guó)家和發(fā)展中國(guó)家，飲用受污染水的風(fēng)險(xiǎn)都在增加。因此，水需求預(yù)計(jì)將大幅增加，但隨著不可再生水資源枯竭、水系統(tǒng)污染物、地下水資源減少、氣候變化和水體污染物導(dǎo)致的更多干旱、蒸發(fā)、降水減少，許多地區(qū)的可用水資源將減少并發(fā)生變更。

3. 生物法處理工業(yè)廢水 已進(jìn)行科學(xué)研究并在文獻(xiàn)中描述的各種工業(yè)紡織廢水處理方法可分類為圖1所示。

圖1. 用于廢水清潔和維護(hù)的各種方法。

4. 微生物(真菌、細(xì)菌和微藻)的純培養(yǎng) 細(xì)菌等微生物非常適合生物過程，而且與其他微生物相比，它們更容易培養(yǎng)并能有更高的增殖速率，這就是為什么它們?cè)谔幚碛袡C(jī)污染物方面具有很高的潛力。厭氧環(huán)境中的細(xì)菌對(duì)偶氮染料的脫色能力已被廣泛研究。然而，當(dāng)氧化還原介質(zhì)參與時(shí)，因其作用而使得偶氮還原酶破壞偶氮鍵。盡管如此，一些細(xì)菌物種仍能在好氧環(huán)境中對(duì)廢水進(jìn)行脫色。與純培養(yǎng)相比，使用微生物聯(lián)合體有許多優(yōu)點(diǎn)。在不同的地方，許多菌株可以處理染料化合物。此外，由一種菌株代謝活動(dòng)產(chǎn)生的分解產(chǎn)物可以用作培養(yǎng)物中存在的其他菌株的底物。 廢水中污染物的脫色是不同菌種處理紡織工業(yè)廢水(ITW)的研究重點(diǎn)。一項(xiàng)研究的主題是通過好氧和嗜熱細(xì)菌來清除羊毛廢水中的有機(jī)物。許多研究根據(jù)不同菌株的酶活性對(duì)其進(jìn)行了評(píng)估。Guan及其同事們提出：與真菌漆酶相比，細(xì)菌漆酶在高溫下的穩(wěn)定性更高。ITW的脫色是通過使用來自枯草芽孢桿菌(Bacillus subtilis)WB600菌株的CotA-漆酶實(shí)現(xiàn)的。除了細(xì)菌培養(yǎng)外，一些研究人員還使用真菌和細(xì)菌混合培養(yǎng)，從而提高了顏色和化學(xué)需氧量(COD)的去除。生物降解和生物吸附是真菌去除染料的兩種方法。不同的木質(zhì)素降解真菌產(chǎn)生高氧化和胞外酶，包括木質(zhì)素過氧化物酶、漆酶或錳過氧化物酶，它們有助于溶解不溶性底物。漆酶是一種屬于氧化酶組的酶，是一種多銅氧化酶，可使芳香化合物的負(fù)離子氧化，并將其轉(zhuǎn)化為自由基，同時(shí)將O2還原為H2O。這種酶對(duì)底物的特異性較低，能夠降解多種外源物質(zhì)。與單細(xì)胞生物相比，真菌菌絲與其周圍環(huán)境有更多的生理和生物相互作用。 大多數(shù)關(guān)于真菌修復(fù)ITW的研究都集中在顏色的去除上。脫色原理的效果通常差別很大。由于真菌在形狀、結(jié)構(gòu)和形成上的特殊性，固定化對(duì)真菌生長(zhǎng)是有利的。由于真菌的脫色能力與上述酶密切相關(guān)，因此經(jīng)常在生物降解的同時(shí)測(cè)試酶的活性。還通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試了不含漆酶和固定化漆酶處理ITW的替代品。在有氧條件下，一些細(xì)菌培養(yǎng)可能會(huì)減少紡織品中的有色廢水。因而，尚無大規(guī)模使用的文獻(xiàn)報(bào)道。當(dāng)處理純培養(yǎng)時(shí)，必須在無菌環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。微藻可通過兩種方式用于ITW處理：“生物能源原料供應(yīng)”和“低成本廢水處理”。生物吸附和生物轉(zhuǎn)化可用于消除染料以及使用活的或死的生物質(zhì)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。盡管微藻主要利用光作為能量來源的途徑，但它們也可以利用碳?xì)浠衔镌谧责B(yǎng)和異養(yǎng)模式的環(huán)境中發(fā)育。關(guān)于微藻處理ITW的各種研究，第一次發(fā)表于2010年。由于紡織廢水的成分不適合理想的藻類生長(zhǎng)，因此也需要在培養(yǎng)基中進(jìn)行各種系列稀釋以供使用。在一些研究中，微藻被認(rèn)為是一種用于處理的重要培養(yǎng)物。為了降解ITW并產(chǎn)生能量，Logrono及其同事開發(fā)了一種SCMFC(“單室微生物燃料電池”)，該電池暴露在空氣中，帶有微藻生物陰極。盡管它在陽光和溫度較高的地區(qū)效果最好，但藻類的ITW處理仍是一個(gè)多層面的課題，有更多的研究空間。

5. 活性污泥 細(xì)菌和原生動(dòng)物構(gòu)成活性污泥，這是一個(gè)復(fù)雜的生物群落。這些細(xì)菌能夠產(chǎn)生絮凝體，然后從處理過的廢水中沉淀出來?；钚晕勰嘀械奈⑸锟梢栽诤醚?、缺氧和厭氧狀態(tài)之間切換。不同的染料如堿性染料、直接染料、還原染料和分散染料可通過吸附或離心到活性污泥上來去除。如前所述，細(xì)菌對(duì)偶氮染料的生物降解涉及兩個(gè)階段，首先是厭氧過程，然后是好氧過程。在活性污泥中發(fā)現(xiàn)的多種異養(yǎng)細(xì)菌可以分解成可生物降解的有機(jī)化合物。厭氧反應(yīng)通常負(fù)責(zé)消除顏色，而好氧過程可有效去除有機(jī)化合物，但通常脫色較少。大多數(shù)研究集中于消除有機(jī)成分和顏色，很少關(guān)注氮化合物的變化。 由于在厭氧條件下偶氮鍵的分解很容易導(dǎo)致分子的降解，這在紡織廢水中可能是短缺的。實(shí)驗(yàn)是在包含幾種共底物的情況下進(jìn)行的。西米廢水、蛋白胨、糊精和木薯粉是碳的來源，但最優(yōu)選的是葡萄糖。在加入吸附劑的情況下進(jìn)行了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)以研究好氧活性污泥的進(jìn)展。傳統(tǒng)活性污泥(CAS)被吸附劑轉(zhuǎn)化為生物膜，增強(qiáng)了污染物的吸附(尤其是顏色)，并為生物質(zhì)的生長(zhǎng)提供了支持。顆?；钚蕴慨a(chǎn)生了可靠的結(jié)果，通常用于好氧和SBR(“序批式間歇反應(yīng)器”)中。在膜生物反應(yīng)器中，結(jié)合涉及超濾和微濾的膜工藝是提高工藝效率的另一種方法。在反應(yīng)器中加入膜可以固定活性污泥，從而增加生物多樣性和生物質(zhì)含量。此外，MBR出水不含懸浮顆粒，也不含可自由游動(dòng)的微生物。

對(duì)采用好氧和厭氧順序工藝的系統(tǒng)進(jìn)行了研究，以實(shí)現(xiàn)紡織行業(yè)最常用的偶氮染料的生物完全降解。CSTR(好氧連續(xù)攪拌釜反應(yīng)器)與UASB(“上流式厭氧污泥床”)反應(yīng)器相結(jié)合是一種常用方法。與連續(xù)流系統(tǒng)相比，由于反應(yīng)器體積對(duì)于廢水處理來說太小，因此該反應(yīng)過程的特點(diǎn)是提高了生物質(zhì)降解的效率。Manai等人評(píng)估了在CSTR反應(yīng)器中添加真菌酶對(duì)其性能的影響。與對(duì)照反應(yīng)器相比，添加真菌酶的反應(yīng)器對(duì)COD(化學(xué)需氧量)和顏色的去除效果更好(分別為14%和20%)。此外，與對(duì)照反應(yīng)器相比，該反應(yīng)器在沖擊負(fù)荷后的效果明顯更好。圖2展示了用于處理ITW的活性污泥。

圖2. 用于處理工業(yè)紡織廢水的活性污泥。

6. 生物膜 胞外聚合物、無機(jī)、有機(jī)成分和細(xì)胞粘附在固體表面形成生物膜。生物膜生長(zhǎng)在可以固定或非固定的天然或人造支持物上。固定意味著它們是靜止的，包括固定床生物反應(yīng)器；非固定意味著它們是運(yùn)動(dòng)的，例如“流化床或移動(dòng)床生物反應(yīng)器”。生物膜可以根據(jù)支持介質(zhì)和操作環(huán)境生成不同厚度的層。在密集的生物膜中可以看到一些基質(zhì)、產(chǎn)物和氧梯度，這導(dǎo)致多個(gè)區(qū)域出現(xiàn)反硝化和硝化以及染料脫色等過程。生物膜是復(fù)雜微生物群體的理想選擇。此外，微生物在支持它們的培養(yǎng)基上定殖會(huì)導(dǎo)致該過程中活性生物量的濃度更高。固定化細(xì)胞也不太容易受到環(huán)境變化的影響，如有毒成分、pH值和溫度。因此，與活性污泥相比，生物膜降解效率更高，處理時(shí)間更短。在生物膜反應(yīng)器中，在運(yùn)動(dòng)過程中使用的支撐裝置已經(jīng)產(chǎn)生了很大的不同。與其他介質(zhì)相比，該解決方案具有以下幾個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)：不回收污泥、損耗低、強(qiáng)度和穩(wěn)定性好、不分離生物質(zhì)、池內(nèi)生物質(zhì)生長(zhǎng)體積大、傳質(zhì)可靠、不允許介質(zhì)堵塞和竄流。 與活性污泥系統(tǒng)一樣，厭氧反應(yīng)器在脫色方面表現(xiàn)更出色，并作為優(yōu)先方法。補(bǔ)充醋酸或葡萄糖再次使用。固定床反應(yīng)器曝氣允許氮和氨氧化以及完全脫氮，表層致密的生物膜在缺氧條件下也可以反硝化。具有移動(dòng)生物膜的好氧反應(yīng)器包括SBBR(“序批式生物膜生物反應(yīng)器”)、AFIBR(“好氧流化床生物反應(yīng)器”)、MBBR(“移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器”)。Lotito等人在2014年提出了一項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)，即SBBGR(“序批式生物過濾顆粒反應(yīng)器”)，該技術(shù)建立在浸沒式生物過濾器上，并以序批處理模式運(yùn)行。它集中了顆粒狀SBR的所有優(yōu)點(diǎn)，具有高過濾能力，確保懸浮固體不會(huì)過多存在。SBBGR中的生物質(zhì)不像SBR那樣懸浮，而是包含在該特定系統(tǒng)的一個(gè)區(qū)域中。 紡織染料主要通過沉淀或粘附、沉降以及隨后在各個(gè)區(qū)域的酶增強(qiáng)分解從植物中去除。暴露于外源物的植物可以激活以芳香化學(xué)物質(zhì)為底物的酶，從而將其完全分解成無害的代謝物。植物還可以作為厭氧和好氧微生物的家園，在有輔助通風(fēng)的大型系統(tǒng)存在的情況下提供必需品。植物修復(fù)利用太陽能具有長(zhǎng)期的應(yīng)用前景，而且成本不高，因此使用方便。人工濕地是目前最常見的植物修復(fù)系統(tǒng)。一些研究人員將人工濕地用作三級(jí)處理。然而，大多數(shù)研究是在未稀釋的ITW上進(jìn)行的。植物修復(fù)效果較好，COD去除率分別為40%和91%。然而，這種系統(tǒng)的根本缺點(diǎn)是延長(zhǎng)了至少72小時(shí)的HTR(水力停留時(shí)間)，加上濕地的高度較低，導(dǎo)致需要大面積的廢水處理區(qū)。通過添加微生物，如蒼白桿菌(Ochrobactrum sp.)、短小芽孢桿菌(Bacillus pumilus)和Microbacterium arborescens，單一短小芽孢桿菌和Nostoc spp.(藻類)可以加快這一過程。

7. 微生物生物修復(fù)的作用機(jī)理

微生物廣泛存在于自然環(huán)境中，并在重金屬污染的環(huán)境中大量繁殖。因此，有毒重金屬被這些微生物轉(zhuǎn)化為無毒形式。微生物將有機(jī)污染物礦化為最終產(chǎn)物，如H2O、CO2和代謝物，這些物質(zhì)是生物修復(fù)過程中細(xì)胞發(fā)育的主要基質(zhì)。微生物通過兩種方式維持防御機(jī)制：(i)針對(duì)目標(biāo)污染物產(chǎn)生降解酶；(ii)抵抗相關(guān)重金屬。微生物通過幾種策略來恢復(fù)環(huán)境：粘附、固定、氧化、加工和重金屬揮發(fā)。通過查明微生物在受污染場(chǎng)所調(diào)節(jié)行為和生長(zhǎng)的機(jī)制，它們對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)和代謝使生物修復(fù)過程能夠在特定區(qū)域更有效。微生物-金屬相互作用、生物轉(zhuǎn)化、生物吸附、生物礦化、生物浸出和生物積累是生物修復(fù)的方法。重金屬在微生物的幫助下從土壤中被還原，微生物的生長(zhǎng)和發(fā)育需要化學(xué)物質(zhì)。微生物不僅可以溶解金屬，還可以用于氧化和還原過渡金屬。各種有機(jī)溶劑會(huì)造成污染，從而破壞細(xì)胞膜。然而，細(xì)胞可能會(huì)發(fā)展出保護(hù)機(jī)制，如溶劑外排或疏水泵的發(fā)展，從而保護(hù)細(xì)胞外膜免受損傷。已發(fā)現(xiàn)許多細(xì)菌具有金屬外排機(jī)制，無論是質(zhì)粒編碼的還是能量依賴的金屬外排機(jī)制。對(duì)于幾種細(xì)菌對(duì)鉻(Cr)、鎘(Cd)和砷(As)的抗性，已發(fā)現(xiàn)ATP酶和化學(xué)滲透質(zhì)子/離子泵。圖3顯示了重金屬的各種來源。

圖3. 環(huán)境中重金屬的各種來源。

8. 微生物在重金屬生物修復(fù)中的作用 許多細(xì)菌可以在沒有任何化學(xué)干預(yù)的情況下大規(guī)模降解金屬。清潔效率是抵抗重金屬微生物脅迫的一個(gè)因素。因此，轉(zhuǎn)基因微生物可能是這個(gè)問題的一個(gè)可能答案?；蚬こ淌歉淖冞@些細(xì)菌代謝途徑的關(guān)鍵途徑。對(duì)重金屬的管制也將限制有害行為。受控制的重金屬活動(dòng)也將限制有害行為。通過氧化還原等過程，微生物從無機(jī)形態(tài)轉(zhuǎn)化為有機(jī)形態(tài)?；蚬こ炭捎糜诟淖兾⑸锏奶匦裕垣@得理想的性能，如抗惡劣環(huán)境、低成本培養(yǎng)、快速生長(zhǎng)和pH波動(dòng)。它還允許微生物發(fā)展代謝結(jié)構(gòu)，同時(shí)允許重金屬沉積或最大限度地減少這些金屬造成的危害，從而改善水的凈化。一些真菌，如青霉菌(Penicillium)、酵母菌，亦如釀酒酵母(S. cerevisiae)和曲霉菌(Aspergillus)，都顯示出從各種體系中去除污染物的能力，特別是重金屬。此外，還利用布拉迪酵母菌(Saccharomyces boulardii)、枯草芽孢桿菌和大腸桿菌(E. coli)等微生物從廢水中去除重金屬。生物驅(qū)動(dòng)的重金屬修復(fù)技術(shù)指利用生物質(zhì)去除廢水中的重金屬，是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、環(huán)保且簡(jiǎn)單的方法。采用結(jié)合生物質(zhì)中特定位點(diǎn)的方法會(huì)影響生物修復(fù)過程的效率。為了去除溶液中的金屬，微生物利用主動(dòng)和被動(dòng)過程。這些方法的能力取決于實(shí)驗(yàn)環(huán)境、目標(biāo)污染物等因素。在生物修復(fù)過程中，藻類等具有有機(jī)活性的微生物以其自然形式被利用。生物修復(fù)是一種更可行且被廣泛接受的太陽能方法，它適用于有機(jī)化學(xué)品以及疏水化合物，并去除空氣和土壤水中的二次污染物。生物積累和生物吸附可歸類為一種生物修復(fù)方法。 生物吸附機(jī)制可分為快速和可逆的被動(dòng)吸附機(jī)制。金屬與細(xì)胞表面功能基團(tuán)之間的物理和化學(xué)相互作用維持了金屬的吸附和結(jié)晶。生物吸附受離子強(qiáng)度、溫度、溶液中離子的存在情況、生物量、顆粒大小和溶液pH值等因素的影響。根據(jù)Fomina和Gadd的研究，微生物的細(xì)胞外表面含有陰離子基團(tuán)，這些陰離子基團(tuán)將陽離子重金屬結(jié)合到pH值約為7的環(huán)境中。生物吸附不是以基于細(xì)胞的，因此它既適用于生命生物，也適用于死亡生物。當(dāng)前基因組研究技術(shù)的發(fā)展，可能使研究具有潛在生物吸附能力的生物成為可能，并在未來的生物修復(fù)中發(fā)揮多種潛在用途。被動(dòng)吸收受到限制的細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞外機(jī)制決定了生物積累過程。這可能并非一種自重方法。根據(jù)體內(nèi)金屬含量的不同，復(fù)雜的積累過程因代謝方向而異。Choi和Tan已經(jīng)證明，微生物具有潛在的生物積累能力，有助于提高生物積累的有效性。轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析強(qiáng)調(diào)了參與生物積累的主要基因的功能。 生物吸附的成本低于生物積累的成本，因?yàn)楸仨氃诨罴?xì)胞的駐留區(qū)中保持生物積累，而工業(yè)廢物可能會(huì)產(chǎn)生生物積累。生物吸附劑的運(yùn)輸和制造是生物吸附的主要費(fèi)用。pH值是影響這兩個(gè)過程的另一個(gè)重要因素。生物吸附可以在更大的pH范圍內(nèi)發(fā)揮作用，而生物積累僅限于特定的pH范圍。在生物積累的情況下，選擇性得到改善，但在生物積累中，去除率更好，因?yàn)樵撨^程比生物積累所需的細(xì)胞間積累更快。生物吸附劑可以再生和再利用，生物體內(nèi)累積沒有再利用。由于活細(xì)胞的能量消耗，生物積累比生物吸附消耗更多的能量。生物質(zhì)在發(fā)生生物積累的情況下不能用于其他目的。微生物廢水處理具有節(jié)能降耗等優(yōu)點(diǎn)。這項(xiàng)技術(shù)可以殺菌、去除異味、改善空氣質(zhì)量。為了與無機(jī)金屬(如重金屬)共存并相互作用，不同的細(xì)菌會(huì)發(fā)展出不同的途徑。生物廢水處理是公認(rèn)的，但它有幾個(gè)顯著的缺點(diǎn)，如處理過程緩慢、受不可生物降解的污染物限制，并可能導(dǎo)致微生物毒性。

9. 生物修復(fù)技術(shù)在制藥工業(yè)廢水處理中的潛力 在大多數(shù)情況下，污水處理廠(WWTPs)的傳統(tǒng)處理能夠成功地降低廢水中的氮和碳濃度。此外，已發(fā)現(xiàn)它們?cè)谙秊E用藥物、藥品方面無效，污水處理廠排放的廢水被定性為微污染物。采用化學(xué)和物理化學(xué)方法進(jìn)行處理的另一個(gè)挑戰(zhàn)是，除了化學(xué)過程產(chǎn)生的不良副產(chǎn)品外，各行業(yè)使用化學(xué)品的成本相對(duì)較高。因此，人們追求生物修復(fù)或生物降解技術(shù)。至關(guān)重要的是，在生物處理的情況下，必須確保經(jīng)過生物處理的廢水的副產(chǎn)物與最初流入的廢水相比沒有害處。以下因素影響流入廢水的生物修復(fù)過程或生物降解，如化合物的毒性和立體化學(xué)、濃度、保留時(shí)間、降解環(huán)境、其他化學(xué)品的存在和濃度以及所選微生物菌株的有效性。表1概述了不同的生物修復(fù)技術(shù)。 表1. 生物修復(fù)技術(shù)及其應(yīng)用概述。

10. 細(xì)菌生物修復(fù) 在工業(yè)廢水處理中，細(xì)菌生物修復(fù)得到了廣泛應(yīng)用。有幾種細(xì)菌用于這種處理，如枯草芽孢桿菌、假單胞菌屬(Pseudomonas)、內(nèi)生菌和一些細(xì)菌菌株。Das等人在印度泰米爾納德邦進(jìn)行了一項(xiàng)研究，從九個(gè)不同地點(diǎn)采集了不同形式的制藥行業(yè)樣本，如MEE(多效蒸發(fā)器)、ETP、冷卻塔水、在線冷凝水、S.T.P水(污水處理廠)、冷凝水、加工鹽、MEE給水和鍋爐排污水。紅球菌屬(Rhodococcus)、黑曲霉(Aspergillus niger)、亞硝化單胞菌(Nitrosomonas)、地衣芽孢桿菌(Bacillus licheniformis)、惡臭假單胞菌(Pseudomonas putida)、熒光假單胞菌(Pseudomonas fluorescens)、巨大芽孢桿菌(Bacillus megaterium)、硝化桿菌(Nitrobacter)、短小芽孢桿菌(Bacillus pumilus)、枯草芽孢桿菌和增溶磷酸鹽菌均用于制備細(xì)菌聯(lián)合體。在處理前確定了硫酸鹽、TDS(總?cè)芙夤腆w)、COD和TSS(總懸浮固體)等參數(shù)。然后，使用之前所述的細(xì)菌聯(lián)合體處理廢水。與處理前相比，處理后所有樣本中的TDS、硫酸鹽和TSS水平均顯著下降。另一方面，COD在所有樣品中保持一致，在處理過程中僅顯示出微小變化。這項(xiàng)研究表明，具有不同菌群的菌株在降解TSS和硫酸鹽方面表現(xiàn)優(yōu)異，但對(duì)水體COD的提高效果不明顯。

11. 真菌生物修復(fù) 各種產(chǎn)真菌孢子的菌株，如Aspergillus niveus、煙曲霉(Aspergillus fumigatus)和黑曲霉，具有生物修復(fù)的潛力。另一方面，由于某些菌株產(chǎn)孢周期較長(zhǎng)，存在一定的局限性。子囊菌以其清除工業(yè)廢水(包括釀酒廠產(chǎn)生的廢水)中COD的能力而聞名。Bardi等人研究了WRF菌株(白腐菌) Bjerkandera adusta MUT 2295對(duì)腐殖酸和單寧酸衍生的難降解廢物樣品混合物的影響。結(jié)果表明，單寧酸出水COD去除率為61%，而腐殖酸和單寧酸溶液BOD去除率分別為75%和89%。越來越多的研究正在利用擔(dān)子菌(絲狀真菌)的生化能力對(duì)不同藥物進(jìn)行酶促生物轉(zhuǎn)化。真菌對(duì)抗新興污染物的不同機(jī)制如圖4所示。

圖4. 以雙氯芬酸為例，真菌對(duì)抗新興污染物的不同機(jī)制：(A)生物吸附，(B)疏水蛋白產(chǎn)生，(C)金屬相互作用，(D)胞外酶系統(tǒng)，(E)胞內(nèi)酶系統(tǒng)。 12. 微生物生物修復(fù)對(duì)環(huán)境的影響 在微生物生物修復(fù)技術(shù)中，利用本地微生物物種來清除環(huán)境污染物。污染物的解毒程度受各種因素的影響，包括本地微生物種類的組成、污染物的性質(zhì)和數(shù)量以及環(huán)境條件。

生物修復(fù)的各種好處包括：

①該過程是完全自然的，沒有副作用；

②維護(hù)和投入成本低；

③與土地填埋和焚燒相比，能耗非常低；

④使水和土壤變得有用的快速周轉(zhuǎn)時(shí)間；

⑤由于污染物不太可能泄漏，因此減少了責(zé)任；

⑥大多數(shù)應(yīng)用在現(xiàn)場(chǎng)完成，沒有危險(xiǎn)運(yùn)輸。

13. 微生物輔助納米技術(shù)用于廢水處理 由于尺寸小，納米材料非常適合處理廢水。它們的生物、物理和化學(xué)性質(zhì)改善了它們?cè)诓煌瑧?yīng)用領(lǐng)域的用途。為了去除廢水中的污染物，許多基于碳的納米材料，如納米管、納米復(fù)合材料以及基于金屬及其氧化物的納米材料已被應(yīng)用。通過納米顆粒過濾、吸附、光催化降解以及各種污染物的監(jiān)測(cè)都被用于廢水處理。

微生物的使用和納米顆粒的生物制造使納米技術(shù)變得更加可行和環(huán)保。通過自凝聚和化學(xué)產(chǎn)物在水溶液中使用時(shí)，化學(xué)生成的納米材料可能有一些限制。因此，納米材料是由細(xì)菌、真菌酶和植物提取物等自然來源合成的，這可能是一種可行的解決方案。它們的作用是減少金屬的絡(luò)鹽并產(chǎn)生金屬納米顆粒。在水相條件下，這種納米顆粒通過共沉淀或?qū)⑸锘钚曰衔锖偷鞍踪|(zhì)置于納米顆粒的外部表面而獲得更大的硬度。來自印度孫德爾本斯的Avicennia offcinalis根際的塔賓曲霉(Aspergillus tubingensis)(STSP 25)，被用于生物制造氧化鐵納米顆粒。合成納米顆粒能去除廢水中90%以上的重金屬，如Zn(II)、Ni (II)、Cu (II)和Pb (II)，可在大約5個(gè)循環(huán)中再生。吸熱過程中，金屬離子以化學(xué)方式吸附在納米顆粒表面。另一項(xiàng)研究是用普通小球藻(Chlorella vulgaris)的胞外多糖沉淀氧化鐵納米顆粒。利用FT-IR(傅里葉變換紅外光譜)識(shí)別功能性EPS基團(tuán)，發(fā)現(xiàn)納米顆粒得到顯著改性。此外，發(fā)現(xiàn)該納米復(fù)合材料能夠去除85%的NH4+和91%的PO43?。利用微生物合成納米顆粒已被證明是一種既環(huán)保又經(jīng)濟(jì)的方法。耐銅菌Escherichia sp.SINT7被用于合成銅納米顆粒。生物納米顆?？山到饧徔棌U水和偶氮染料。在25 mg/L濃度下，孔雀石綠、直接藍(lán)-1、剛果紅和活性黑-5的還原率分別為90.55%、88.42%、97.07%和83.61%，而在100 mg/L濃度下，還原率分別為31.08%、62.32%、83.90%和76.84%。通過處理工業(yè)廢水，可減少處理樣品中的磷酸鹽、氯離子和懸浮顆粒。生物納米顆粒能夠有效促進(jìn)工業(yè)的可持續(xù)生產(chǎn)。在不需要額外的硫的情況下，Cheng等人合成了鐵硫納米顆粒。這些納米顆粒通過胞外電子轉(zhuǎn)移降解染料萘酚綠B。使用Pseudoalteromonas sp. CF10–13合成納米顆粒提供了一種環(huán)境友好的生物降解方法。納米顆粒的內(nèi)源性發(fā)育阻止了金屬配合物和有害氣體的合成。利用生物顆粒凈化工業(yè)廢水是一種極好的方法，但除了直接從微生物中產(chǎn)生納米顆粒外，微生物還可以通過多種方式促進(jìn)納米技術(shù)的發(fā)展(圖5)。

圖5. 用于廢水生物修復(fù)的微生物輔助納米技術(shù)。MOFs：金屬-有機(jī)骨架；MWCNTs：多壁碳納米管；SWCNTs：?jiǎn)伪谔技{米管。

  14. 生物修復(fù)技術(shù)的挑戰(zhàn)和缺點(diǎn) 微生物修復(fù)技術(shù)具有良好的性能、維護(hù)成本低、選擇性好和減少污染水的產(chǎn)生等優(yōu)點(diǎn)，是一種可行的修復(fù)技術(shù)。它經(jīng)常用于清除環(huán)境中的毒素，并吸附農(nóng)藥、化肥和廢水中的有害污染物。鑒于微生物生物吸附提供的多種優(yōu)勢(shì)，在產(chǎn)生少量費(fèi)用的情況下，大規(guī)模應(yīng)用的可能性似乎令人鼓舞。篩選合適的微生物菌株是生物修復(fù)的關(guān)鍵。此外，還提出了化學(xué)改性策略以及與其他重金屬去除程序的同化，以促進(jìn)微藻生物質(zhì)的重金屬去除。生物修復(fù)作為制藥廢水處理技術(shù)的一個(gè)顯著缺點(diǎn)是，盡管存在各種不同的工業(yè)廢水生物修復(fù)技術(shù)，但并不是所有這些技術(shù)都已被開發(fā)用于處理制藥廢水。人們經(jīng)常注意到，盡管水流中存在微生物，但它們的作用是無效的；這種作用缺乏的原因可能是缺乏磷或氮等營(yíng)養(yǎng)素。作為一種技術(shù)，生物修復(fù)的另一個(gè)缺點(diǎn)是，它經(jīng)常局限于可生物降解的污染物，并且是一種高度選擇性的過程，因此很難應(yīng)用于各種外源性物質(zhì)的處理。此外，為了成功地構(gòu)建該過程，將試驗(yàn)臺(tái)或中試規(guī)模的操作和研究推廣到大規(guī)模現(xiàn)場(chǎng)操作和研究是具有挑戰(zhàn)性的。與未經(jīng)處理的母體化合物相比，生物修復(fù)過程中最終產(chǎn)物的毒性問題也得到了強(qiáng)調(diào)。由于生物修復(fù)方法的多樣性，很明顯，它們的應(yīng)用無疑有多種可能。這些技術(shù)最流行的應(yīng)用之一是將它們與另一種物理、化學(xué)或生物方法結(jié)合起來，以提高效率?；旌咸幚聿呗?，如同步生物修復(fù)過程或順序反應(yīng)器，經(jīng)常有可能用于消除廢水中頑固性物質(zhì)或殘留物。對(duì)微生物的分子研究使人們對(duì)其功能和代謝途徑有了更深入的了解，從而開發(fā)出可以克服微生物培養(yǎng)方法以前遇到的限制。生物刺激是一種依賴于微生物群落所需的營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)來克服微生物營(yíng)養(yǎng)缺乏的過程。因此，攝入的營(yíng)養(yǎng)量應(yīng)適度，因?yàn)榇罅康臓I(yíng)養(yǎng)素已被證明會(huì)抑制活性。納米材料是另一個(gè)快速發(fā)展的領(lǐng)域，已被證明可以通過增加表面積和降低活化能來提高微生物的效率。

結(jié)論

廢水的產(chǎn)生來源多種多樣，從工業(yè)產(chǎn)出到居民活動(dòng)，并被采用包括生物過程、微生物修復(fù)和微生物衍生納米技術(shù)在內(nèi)的多種方式進(jìn)行處理。為了更好地理解和監(jiān)測(cè)廢水處理程序，參與處理過程的微生物掌握其構(gòu)成微生物群落的貢獻(xiàn)是至關(guān)重要的。由于重金屬污染嚴(yán)重，應(yīng)提高現(xiàn)有補(bǔ)救程序的效率或在必要時(shí)采用新的程序。重金屬具有固定離子形狀，這使得去除重金屬具有挑戰(zhàn)性，這對(duì)人們的健康和環(huán)境構(gòu)成嚴(yán)重威脅。此外，最近的突破表明，納米技術(shù)和納米材料在修復(fù)方法中的應(yīng)用有了相當(dāng)大的改進(jìn)和范圍。納米技術(shù)可以適應(yīng)和改進(jìn)傳統(tǒng)技術(shù)，如廢水處理、污染控制和醫(yī)學(xué)等各種領(lǐng)域。

原文自：微科盟原創(chuàng)微文， 來源《微生態(tài)》公眾號(hào)