具有廢水處理潛力的微生物生物修復策略

導讀

由于制訂并實施了嚴格的廢物排放環(huán)境準則，導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，廢水處理是一個越來越重要的過程。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，將對環(huán)境和公眾健康產(chǎn)生有害影響。生物修復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，利用微生物進行生物修復具有良好的發(fā)展?jié)摿Α?/strong>多種微生物，包括藻類、真菌、酵母菌和細菌，可以作為具有生物活性的甲基化劑發(fā)揮作用，能對有毒物種改性。微生物在重金屬生物修復中發(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)的增長導致了大量工業(yè)廢物的產(chǎn)生。為了環(huán)境和工業(yè)的長期繁榮，對這些工業(yè)污染物進行經(jīng)濟且嚴格的修復是至關(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)不斷擴大的人口導致我們的環(huán)境受到來自各種來源的大量危險污染物的破壞，而人類活動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、細菌、藻類或植物代謝中的無機和有機化合物。適當?shù)臈l件，包括營養(yǎng)物質(zhì)、pH值、氧氣的可用性，會加速這些自然過程。它們通常應用于具有充分攪拌和通風設備的生物反應器中，但偶爾也會用到濕地。生物降解的方法被認為是經(jīng)濟的。制藥行業(yè)的廢水是獨特的，必須要經(jīng)過處理以維持安全且高質(zhì)的制藥標準。在處理之前，重要的是對廢水根據(jù)其成分及性質(zhì)進行分類，因為它們產(chǎn)生的廢水含有致畸、誘變、致癌和其他嚴重不良影響的化合物。與無機化合物相比，它主要由更危險的有機化合物組成。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)有的重金屬廢水處理技術(shù)相結(jié)合形成了一個新興行業(yè)。

2. 廢水處理需求 近年來，含重金屬廢水被大規(guī)模地丟棄在環(huán)境中。銅(Cu)、鎘(Cd)、鉻(Cr)、鎳(Ni)和鉛(Pb)等最危險的污染物存在于淡水水庫中。重金屬具有致癌和致畸性，會通過食物鏈渠道在人體中積累，從而帶來嚴重的健康風險。因此，需要對被污染的污水進行生物修復。同時，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)濟活動，特別是對貧困農(nóng)民而言，鼓勵了大量的生計，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，水的污染日益嚴重，在不發(fā)達國家和發(fā)展中國家，飲用受污染水的風險都在增加。因此，水需求預計將大幅增加，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 已進行科學研究并在文獻中描述的各種工業(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的各種方法。

4. 微生物(真菌、細菌和微藻)的純培養(yǎng) 細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，這就是為什么它們在處理有機污染物方面具有很高的潛力。厭氧環(huán)境中的細菌對偶氮染料的脫色能力已被廣泛研究。然而，當氧化還原介質(zhì)參與時，因其作用而使得偶氮還原酶破壞偶氮鍵。盡管如此，一些細菌物種仍能在好氧環(huán)境中對廢水進行脫色。與純培養(yǎng)相比，使用微生物聯(lián)合體有許多優(yōu)點。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。一項研究的主題是通過好氧和嗜熱細菌來清除羊毛廢水中的有機物。許多研究根據(jù)不同菌株的酶活性對其進行了評估。Guan及其同事們提出：與真菌漆酶相比，細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-漆酶實現(xiàn)的。除了細菌培養(yǎng)外，一些研究人員還使用真菌和細菌混合培養(yǎng)，從而提高了顏色和化學需氧量(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離子氧化，并將其轉(zhuǎn)化為自由基，同時將O2還原為H2O。這種酶對底物的特異性較低，能夠降解多種外源物質(zhì)。與單細胞生物相比，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，固定化對真菌生長是有利的。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測試酶的活性。還通過實驗測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，一些細菌培養(yǎng)可能會減少紡織品中的有色廢水。因而，尚無大規(guī)模使用的文獻報道。當處理純培養(yǎng)時，必須在無菌環(huán)境下的實驗室進行。微藻可通過兩種方式用于ITW處理：“生物能源原料供應”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氫化合物在自養(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，因此也需要在培養(yǎng)基中進行各種系列稀釋以供使用。在一些研究中，微藻被認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處理仍是一個多層面的課題，有更多的研究空間。

5. 活性污泥 細菌和原生動物構(gòu)成活性污泥，這是一個復雜的生物群落。這些細菌能夠產(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，細菌對偶氮染料的生物降解涉及兩個階段，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)細菌可以分解成可生物降解的有機化合物。厭氧反應通常負責消除顏色，而好氧過程可有效去除有機化合物，但通常脫色較少。大多數(shù)研究集中于消除有機成分和顏色，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致分子的降解，這在紡織廢水中可能是短缺的。實驗是在包含幾種共底物的情況下進行的。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行了一項實驗以研究好氧活性污泥的進展。傳統(tǒng)活性污泥(CAS)被吸附劑轉(zhuǎn)化為生物膜，增強了污染物的吸附(尤其是顏色)，并為生物質(zhì)的生長提供了支持。顆?；钚蕴慨a(chǎn)生了可靠的結(jié)果，通常用于好氧和SBR(“序批式間歇反應器”)中。在膜生物反應器中，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，也不含可自由游動的微生物。

對采用好氧和厭氧順序工藝的系統(tǒng)進行了研究，以實現(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)攪拌釜反應器)與UASB(“上流式厭氧污泥床”)反應器相結(jié)合是一種常用方法。與連續(xù)流系統(tǒng)相比，由于反應器體積對于廢水處理來說太小，因此該反應過程的特點是提高了生物質(zhì)降解的效率。Manai等人評估了在CSTR反應器中添加真菌酶對其性能的影響。與對照反應器相比，添加真菌酶的反應器對COD(化學需氧量)和顏色的去除效果更好(分別為14%和20%)。此外，與對照反應器相比，該反應器在沖擊負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、有機成分和細胞粘附在固體表面形成生物膜。生物膜生長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器；非固定意味著它們是運動的，例如“流化床或移動床生物反應器”。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，這導致多個區(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)基上定殖會導致該過程中活性生物量的濃度更高。固定化細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，處理時間更短。在生物膜反應器中，在運動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顯著優(yōu)點：不回收污泥、損耗低、強度和穩(wěn)定性好、不分離生物質(zhì)、池內(nèi)生物質(zhì)生長體積大、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，厭氧反應器在脫色方面表現(xiàn)更出色，并作為優(yōu)先方法。補充醋酸或葡萄糖再次使用。固定床反應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。具有移動生物膜的好氧反應器包括SBBR(“序批式生物膜生物反應器”)、AFIBR(“好氧流化床生物反應器”)、MBBR(“移動床生物膜反應器”)。Lotito等人在2014年提出了一項創(chuàng)新技術(shù)，即SBBGR(“序批式生物過濾顆粒反應器”)，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行。它集中了顆粒狀SBR的所有優(yōu)點，具有高過濾能力，確保懸浮固體不會過多存在。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區(qū)域的酶增強分解從植物中去除。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，在有輔助通風的大型系統(tǒng)存在的情況下提供必需品。植物修復利用太陽能具有長期的應用前景，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系統(tǒng)。一些研究人員將人工濕地用作三級處理。然而，大多數(shù)研究是在未稀釋的ITW上進行的。植物修復效果較好，COD去除率分別為40%和91%。然而，這種系統(tǒng)的根本缺點是延長了至少72小時的HTR(水力停留時間)，加上濕地的高度較低，導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. 微生物生物修復的作用機理

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)是生物修復過程中細胞發(fā)育的主要基質(zhì)。微生物通過兩種方式維持防御機制：(i)針對目標污染物產(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所調(diào)節(jié)行為和生長的機制，它們對環(huán)境變化的響應和代謝使生物修復過程能夠在特定區(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，微生物的生長和發(fā)育需要化學物質(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。各種有機溶劑會造成污染，從而破壞細胞膜。然而，細胞可能會發(fā)展出保護機制，如溶劑外排或疏水泵的發(fā)展，從而保護細胞外膜免受損傷。已發(fā)現(xiàn)許多細菌具有金屬外排機制，無論是質(zhì)粒編碼的還是能量依賴的金屬外排機制。對于幾種細菌對鉻(Cr)、鎘(Cd)和砷(As)的抗性，已發(fā)現(xiàn)ATP酶和化學滲透質(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中的作用 許多細菌可以在沒有任何化學干預的情況下大規(guī)模降解金屬。清潔效率是抵抗重金屬微生物脅迫的一個因素。因此，轉(zhuǎn)基因微生物可能是這個問題的一個可能答案?；蚬こ淌歉淖冞@些細菌代謝途徑的關(guān)鍵途徑。對重金屬的管制也將限制有害行為。受控制的重金屬活動也將限制有害行為。通過氧化還原等過程，微生物從無機形態(tài)轉(zhuǎn)化為有機形態(tài)?；蚬こ炭捎糜诟淖兾⑸锏奶匦?，以獲得理想的性能，如抗惡劣環(huán)境、低成本培養(yǎng)、快速生長和pH波動。它還允許微生物發(fā)展代謝結(jié)構(gòu)，同時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)動的重金屬修復技術(shù)指利用生物質(zhì)去除廢水中的重金屬，是一種經(jīng)濟實惠、環(huán)保且簡單的方法。采用結(jié)合生物質(zhì)中特定位點的方法會影響生物修復過程的效率。為了去除溶液中的金屬，微生物利用主動和被動過程。這些方法的能力取決于實驗環(huán)境、目標污染物等因素。在生物修復過程中，藻類等具有有機活性的微生物以其自然形式被利用。生物修復是一種更可行且被廣泛接受的太陽能方法，它適用于有機化學品以及疏水化合物，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方法。 生物吸附機制可分為快速和可逆的被動吸附機制。金屬與細胞表面功能基團之間的物理和化學相互作用維持了金屬的吸附和結(jié)晶。生物吸附受離子強度、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，微生物的細胞外表面含有陰離子基團，這些陰離子基團將陽離子重金屬結(jié)合到pH值約為7的環(huán)境中。生物吸附不是以基于細胞的，因此它既適用于生命生物，也適用于死亡生物。當前基因組研究技術(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中發(fā)揮多種潛在用途。被動吸收受到限制的細胞內(nèi)和細胞外機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)錄組學分析強調(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，因為必須在活細胞的駐留區(qū)中保持生物積累，而工業(yè)廢物可能會產(chǎn)生生物積累。生物吸附劑的運輸和制造是生物吸附的主要費用。pH值是影響這兩個過程的另一個重要因素。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，因為該過程比生物積累所需的細胞間積累更快。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。這項技術(shù)可以殺菌、去除異味、改善空氣質(zhì)量。為了與無機金屬(如重金屬)共存并相互作用，不同的細菌會發(fā)展出不同的途徑。生物廢水處理是公認的，但它有幾個顯著的缺點，如處理過程緩慢、受不可生物降解的污染物限制，并可能導致微生物毒性。

9. 生物修復技術(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)它們在消除濫用藥物、藥品方面無效，污水處理廠排放的廢水被定性為微污染物。采用化學和物理化學方法進行處理的另一個挑戰(zhàn)是，除了化學過程產(chǎn)生的不良副產(chǎn)品外，各行業(yè)使用化學品的成本相對較高。因此，人們追求生物修復或生物降解技術(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過程或生物降解，如化合物的毒性和立體化學、濃度、保留時間、降解環(huán)境、其他化學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技術(shù)。 表1. 生物修復技術(shù)及其應用概述。

10. 細菌生物修復 在工業(yè)廢水處理中，細菌生物修復得到了廣泛應用。有幾種細菌用于這種處理，如枯草芽孢桿菌、假單胞菌屬(Pseudomonas)、內(nèi)生菌和一些細菌菌株。Das等人在印度泰米爾納德邦進行了一項研究，從九個不同地點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，但對水體COD的提高效果不明顯。

11. 真菌生物修復 各種產(chǎn)真菌孢子的菌株，如Aspergillus niveus、煙曲霉(Aspergillus fumigatus)和黑曲霉，具有生物修復的潛力。另一方面，由于某些菌株產(chǎn)孢周期較長，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子菌(絲狀真菌)的生化能力對不同藥物進行酶促生物轉(zhuǎn)化。真菌對抗新興污染物的不同機制如圖4所示。

圖4. 以雙氯芬酸為例，真菌對抗新興污染物的不同機制：(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. 微生物生物修復對環(huán)境的影響 在微生物生物修復技術(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)時間；

⑤由于污染物不太可能泄漏，因此減少了責任；

⑥大多數(shù)應用在現(xiàn)場完成，沒有危險運輸。

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、物理和化學性質(zhì)改善了它們在不同應用領(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、納米復合材料以及基于金屬及其氧化物的納米材料已被應用。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。通過自凝聚和化學產(chǎn)物在水溶液中使用時，化學生成的納米材料可能有一些限制。因此，納米材料是由細菌、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個循環(huán)中再生。吸熱過程中，金屬離子以化學方式吸附在納米顆粒表面。另一項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)識別功能性EPS基團，發(fā)現(xiàn)納米顆粒得到顯著改性。此外，發(fā)現(xiàn)該納米復合材料能夠去除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-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納米技術(shù)的發(fā)展(圖5)。

圖5. 用于廢水生物修復的微生物輔助納米技術(shù)。MOFs：金屬-有機骨架；MWCNTs：多壁碳納米管；SWCNTs：單壁碳納米管。

  14. 生物修復技術(shù)的挑戰(zhàn)和缺點 微生物修復技術(shù)具有良好的性能、維護成本低、選擇性好和減少污染水的產(chǎn)生等優(yōu)點，是一種可行的修復技術(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，在產(chǎn)生少量費用的情況下，大規(guī)模應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的關(guān)鍵。此外，還提出了化學改性策略以及與其他重金屬去除程序的同化，以促進微藻生物質(zhì)的重金屬去除。生物修復作為制藥廢水處理技術(shù)的一個顯著缺點是，盡管存在各種不同的工業(yè)廢水生物修復技術(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養(yǎng)素。作為一種技術(shù)，生物修復的另一個缺點是，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，將試驗臺或中試規(guī)模的操作和研究推廣到大規(guī)模現(xiàn)場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，生物修復過程中最終產(chǎn)物的毒性問題也得到了強調(diào)。由于生物修復方法的多樣性，很明顯，它們的應用無疑有多種可能。這些技術(shù)最流行的應用之一是將它們與另一種物理、化學或生物方法結(jié)合起來，以提高效率?；旌咸幚聿呗裕缤缴镄迯瓦^程或順序反應器，經(jīng)常有可能用于消除廢水中頑固性物質(zhì)或殘留物。對微生物的分子研究使人們對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養(yǎng)供應來克服微生物營養(yǎng)缺乏的過程。因此，攝入的營養(yǎng)量應適度，因為大量的營養(yǎng)素已被證明會抑制活性。納米材料是另一個快速發(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，并被采用包括生物過程、微生物修復和微生物衍生納米技術(shù)在內(nèi)的多種方式進行處理。為了更好地理解和監(jiān)測廢水處理程序，參與處理過程的微生物掌握其構(gòu)成微生物群落的貢獻是至關(guān)重要的。由于重金屬污染嚴重，應提高現(xiàn)有補救程序的效率或在必要時采用新的程序。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，這對人們的健康和環(huán)境構(gòu)成嚴重威脅。此外，最近的突破表明，納米技術(shù)和納米材料在修復方法中的應用有了相當大的改進和范圍。納米技術(shù)可以適應和改進傳統(tǒng)技術(shù)，如廢水處理、污染控制和醫(yī)學等各種領(lǐng)域。

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