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        生物礦化在環(huán)境保護(hù)方面的應(yīng)用

        2019-08-01 02:48:27鄒良慧
        今日財(cái)富 2019年19期
        關(guān)鍵詞:生物環(huán)境

        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(dòng)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(jiǎn)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(duì)重金屬土壤進(jìn)行重金屬價(jià)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)。控制礦化一般有兩種方式,第一種是細(xì)胞主動(dòng)將陽(yáng)離子運(yùn)送到胞外,然后陽(yáng)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(yáng)離子送到胞外,然后在有機(jī)基質(zhì)處釋放陽(yáng)離子,形成礦物。

        二、常見礦化物及對(duì)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(zhǎng)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(duì)自然資源的傷害,顯示出生物礦化對(duì)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(jiǎn)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(zhǎng),對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)水中的元素進(jìn)行處理,因此研究藻類對(duì)重金屬離子去除的適宜環(huán)境對(duì)于水治理有著重大的意義。

        (四)動(dòng)植物

        許多無脊椎動(dòng)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(duì)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(duì)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(yíng)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(gè)方面因素的影響。

        (一)細(xì)胞本身營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)水平的影響

        營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)水平的不同會(huì)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(yíng)養(yǎng)供應(yīng)的程度不一致會(huì)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(duì)于金屬吸附位點(diǎn)和金屬離子的作用也是不一樣的,會(huì)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(duì)于游離重金屬離子的吸附效率會(huì)下降,因?yàn)榇罅康乃蜌潆x子會(huì)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(huì)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(duì)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(duì)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(duì)某一金屬離子而不是多種離子,因?yàn)楫?dāng)存在多種離子時(shí),生物礦化的研究就會(huì)變得更加復(fù)雜,其中就會(huì)牽扯到不同離子的反應(yīng)優(yōu)先級(jí)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(huì)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(huì)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(yáng)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(duì)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(duì)于這些藻類的處理不當(dāng),將會(huì)造成二次污染。中國(guó)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(huì)產(chǎn)生一種會(huì)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(jí)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(shí),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(jí)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(guó)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(duì)該地區(qū)的污染地區(qū)4.86×106㎡的場(chǎng)地進(jìn)行了植被重建,在十年過后,這個(gè)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(duì)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(gè)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(chǎng)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(duì)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(bào)道太少了。生物礦化隸屬于多個(gè)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(zhǎng)一段時(shí)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(duì)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(shí)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(duì)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(duì)象。

        六、結(jié)語(yǔ)

        現(xiàn)在的重金屬處理方式或多或少地都會(huì)擁有其他的問題存在,生物礦化法的出現(xiàn)為人們對(duì)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(shí)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(cè)技術(shù)有限公司)

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