生物矿化在环境保护方面的应用

邹良慧

现在多采用沉淀、分离、离子交换树脂和电化学法等来处理污水中的重金属，但是这几种方法不仅需要很高的运行费用，而且工艺复杂，极易导致再次污染。治理重金属土壤一般使用化学淋洗、电动修复法等，这些方式存在着同样的问题。为了开发出更加低成本、简单工艺的处理技术，科学研究人员逐渐开始研究生物矿化法。

一、什么是生物矿化

生物矿化是一种常见的自然现象，宏观上讲比如骨骼、珊瑚、贝壳等都是生物矿化的产物。现在利用微生物矿化的作用来对重金属土壤进行重金属价态的改变从而减少其毒性是新兴的发展方向，主要利用细菌在代谢过程中产生的钛酸根或磷酸根来和重金属离子进行结合，从而降低其他生物的利用率。

生物矿化的机理是十分复杂的，因为其特征之一是它能被自身生物基质所调配，所以依据可支配程度的不同可分成诱导矿化和控制矿化。诱导矿化发生在细胞的外部，其分泌的胞外聚合物为重金属离子提供成核位点。控制矿化一般有两种方式，第一种是细胞主动将阳离子运送到胞外，然后阳离子扩散到有机基质中形成矿物;第二种是通过胞吐的作用，将阳离子送到胞外，然后在有机基质处释放阳离子，形成矿物。

二、常见矿化物及对环境改良的作用

（一）细菌

人们关注较多的能够进行矿化的微生物有脱硫细菌、碳酸盐矿化菌、铁细菌和磷酸盐矿化菌等，这些都是在生活当中分布广泛并且容易获得的生物。碳酸盐矿化菌可以在成长阶段产生一种酶，和其周围的Ca2+、、Cu2+、Ba2+等离子结合，然后以碳酸盐的形式矿化。磷酸盐矿化菌可以在诱导下产生酶化作用分解出PO3-4，和环境里游离的重金属离子结合。碳酸盐矿化菌可以分化尿素产生CO2-3，与环境中的游离重金属离子结合为稳定的碳酸盐沉淀物，进而减少其对自然资源的伤害，显示出生物矿化对环境改良的前景。

（二）真菌

常见的真菌有酵母菌、霉菌、和蕈菌三大类。真菌可以产生大量的胞外聚合物，从而帮助泥土维持其成分构成。酵母菌形态简单且是以芽植为主，不论在有氧的环境还是无氧的环境中都能够成活，也能够在不同的PH值之间生长，对温度的忍耐度也较高。利用酵母菌进行矿化固结后，这些沉积物在特定的环境里面能够保持很好的稳定性，这说明酵母菌的处理效果好。

真菌矿化环境当中的重金属离子因为不同的机理，过程也不同，但是大部分都是为细胞表面提供可以成核的位点，在细胞的表面形成矿化物。也有少部分控制自己胞内的物质形成矿化物。这对于修复重金属土壤污染有一定的意义。

（三）藻类

藻类分为褐藻、红藻和绿藻三种。褐藻是吸附容量最高的，所以被大多数科学家用于研究，特别是马尾藻属的研究更多。藻类易于观察，所以被人们作为判断水质好坏的指标，并且由于其对于重金属的去除能力要强于细菌、真菌，又不容易产生二次污染，所以得到很大的关注。藻类通过生物矿化的作用可以对水中的元素进行处理，因此研究藻类对重金属离子去除的适宜环境对于水治理有着重大的意义。

（四）动植物

许多无脊椎动物在矿化的过程中，细胞内沉积着高度无序的矿物相，随后运输到胞外产生矿化。珊瑚就是最好的例子，它最关键的化学成分就是碳酸钙。植物类发生矿化的现象也是很普遍的存在，常见的矿化物有草酸钙、碳酸钙、二氧化硅。在各种条件下，对于不同种类的重金属离子的处理都可以发挥很好的处理效果，但是目前对于治理完重金属后的植物没有很好的处置方式。

三、影响生物矿化的因素

生物矿化金属的程度基本上是受细胞状况（比如其本身营养供给、生理状况）、反应条件（比如Ph值、温度等）、金属离子的性质这三个方面因素的影响。

（一）细胞本身营养供应水平的影响

营养供应水平的不同会直接影响到细胞矿化的速度，因为胞外聚合物是为金属离子提供成核位点，所以营养供应的程度不一致会直接关系到矿化产物的处理速率。

（二）温度和PH值的影响

在不同温度和PH值环境下，细胞表层的化学状况是不一样的，对于金属吸附位点和金属离子的作用也是不一样的，会直接关系到水解、吸附或无极配体的络合反应、氧化还原反应等。一般情形下如果PH值太低，对于游离重金属离子的吸附效率会下降，因为大量的水和氢离子会占据大量的吸附位点。还有一种解释就是在强酸环境下，酶受到影响会失去活性。利用碳酸盐矿化菌来治理土壤污染，主要就是利用其产生的酶来瓦解尿素得到碳酸根，然后与泥土中游离的重金属离子固化，对其进行修整。温度过高或者过低都不利于生物矿化，但是在一定的范围内温度对细胞矿化的影响没有Ph值的影响那么明显。

（三）离子共存的影响

在目前的研究当中大多都是对某一金属离子而不是多种离子，因为当存在多种离子时，生物矿化的研究就会变得更加复杂，其中就会牵扯到不同离子的反应优先级的问题或者是不同溶液下反应的问题。但是研究多种离子的问题是必要的，在实际的土壤污染当中都会存在一些较为复杂的重金属离子成分。同样水中也存在很多复杂的成分，海水的污染造成了海水利用受到严重阻碍，就比如晒盐后的高浓度盐水，如果直接排入生态环境当中会产生非常惨重的后果。因为海水成分复杂，含有多种金属阳离子和阴离子。

四、生物矿化法在环境治理中的应用

（一）水处理

加拿大B.V.SORBEX公司用微藻和大型藻类生产出系列产品用于重金属的处理，这种处理剂在一系列PH值下都表现出良好的去除效果。Li等将微藻细胞固定于反应器中用于Co的去除，对于Co的去除率达到94.5%。但是处理的重金属都被转移到微藻体内，如果事后对于这些藻类的处理不当，将会造成二次污染。中国的济南市建立了三座水处理站，其中西泺河处理站采用了活性滤料生物滤池，利用活性滤料生物和水解酸电池结合，将水过滤水解酸化从而增加其的生化机能。他们将滤池分为DN池和CN池，分别有着不同种类的菌种。当污水经过活性滤料过滤以后会产生一种会剥落的膜，然后再经过水解酸，经由这样的工程出水的标准达到一级A标准，每年减少许多外排的COD1496.5t、BOD766.5T、SS912.5t、氨氮127.25t和总磷21.9t。江西有一家企业专门从事生产200亿孢子/克解淀粉芽孢杆菌可湿性粉剂，投产后污水排放总量约60m3/d。在进水COD、BOD5、SS的质量浓度分别为12000mg/L、4000mg/L、500mg/L時，出水分别为85mg/L、15mg/L、60mg/L，平均去除率分别为99.3%、99.6%、88.0%，出水水质稳定并满足GB8978-1996中的一级标准的条件。

（二）土壤修复中的应用

土壤修复关键是利用碳酸盐矿化菌来稳固土壤里游离的重金属离子，将其和尿素混合进行分解产生碳酸根来稳固重金属离子使其不再游离。南京某矿区周围就采用这种方式进行处理实验，实验表明游离的重金属离子明显减少，As的去除率高达83%，Pb、Cd、Zn和Cu的去处理分别是71%、51%、50%和74%。运用植物修复法的美国宾夕尼亚州怕莫顿一处锌矿污染区，该店去表面土壤中的Cd浓度达到364-1300mg/Kg之高，Pb浓度为1200-6475mg/Kg和Zn浓度为1.3×104-3.5×104mg/Kg，这些数值表明该地区处于高度污染地区。采用植物修复的方法对该地区的污染地区4.86×106㎡的场地进行了植被重建，在十年过后，这个重建地区已经有70%以上的地区被植物覆盖。蜈蚣草对于坤元素有很强的吸收能力和转运能力，它的上部就可以累计坤元素达到22.6g/Kg。湖南省郴州市有着地球上首个坤超富集的植被修复基地，仅仅只在第一年就治理了10%左右的土地。虽然目前拥有此种土地治理的先进技术，但是依旧需要大量的现场试验。

五、生物矿物法在环境治理过程中的问题及展望

就目前世界对生物矿化的研究已经在实验阶段有着大量的案例，但现实中使用生物矿化技术修复重金属污染的实例报道太少了。生物矿化隶属于多个领域，需要研究微生物学、物理学等科目背景。生物矿化应用到实际当中还需要很长一段时间的研究，因为重金属离子污染成分复杂，不单单只有一种，而且还需要考虑不同的生活环境对生物矿化的影响，最后就要考虑技术成本的各种问题。研究能同时去除多种重金属污染，拥有广谱矿化能力的矿化剂，驯化培养针对某一特定金属离子的微生物，这些都是我们所期待的和未来研究关注的对象。

六、结语

现在的重金属处理方式或多或少地都会拥有其他的问题存在，生物矿化法的出现为人们对于环境的修复和治理有着重大的意义。科学家们都朝着相同的方向进行研究和努力，也希望在平时的生活中要正确地处理含有重金属的物质，共同保护我们赖以生存的环境。（作者单位：惠州方舟检测技术有限公司）