Cr(Ⅵ)的生物修复技术研究进展_徐汝悦.pdf

综述与专论2023,39(6):49-60生物技术通报BIOTECHNOLOGY BULLETIN收稿日期：2022-10-28基金项目：国家自然科学基金项目（22006110），江苏省自然科学基金项目（BK20200987），江苏省住房和城乡建设厅科技计划项目（2020ZD12）作者简介：徐汝悦，女，硕士研究生，研究方向：微生物修复重金属污染；E-mail:通讯作者：张文超，女，博士，讲师，研究方向：环境微生物资源开发；E-mail:；刘恒蔚，男，博士，副教授，研究方向：环境生物技术；E-mail:铬（Cr）是一种天然存在于地壳中的元素。在环境中，铬主要以三价 Cr（III）和六价氧化态 Cr（VI）两种稳定价态存在，两者在移动性、溶解度、生物利用度和毒性方面均有所不同1。Cr（III）毒性较小、流动性较差，是一种必需的人类营养物质。而 Cr（VI）在生物学上比 Cr（III）毒性更强，因为它能通过硫酸盐转运系统快速渗透，然后与蛋白质和核酸相互作用2。土壤中的 Cr（VI）污染会改变微生物群落Cr（VI）的生物修复技术研究进展徐汝悦 王子霄 沈禄 吴蓉蓉 姚芳婷 谭中原 刘恒蔚 张文超（苏州科技大学化学与生命科学学院，苏州 215009）摘 要：铬是一种主要的无机污染物，通过岩石风化、火山喷发等自然过程和冶金、化工、皮革产业等人为活动释放到土壤和水体中。铬主要以两种不同的稳定氧化状态存在：Cr（III）和 Cr（VI），其中 Cr（VI）的毒性大、流动性强、生态风险性大，是目前世界公认的 I 类致癌物。因此，Cr（VI）污染的治理研究受到了广泛的关注。传统的物理化学修复技术存在执行成本高、效率低、容易产生有毒副产物和无法大规模实施等缺点；生物修复技术改善了传统修复技术的局限性，是一种更经济、更环保、可持续的绿色修复技术。本文综述了 Cr（VI）的污染来源、毒性特点，详细阐述了其微生物修复和植物修复的过程及机制，并展望了生物修复铬污染的未来发展方向，以期为生物修复 Cr（VI）污染的应用提供理论指导和科学依据。关键词：六价铬；迁移；微生物修复；植物修复DOI:10.13560/ki.biotech.bull.1985.2022-1331Research Progress in Bioremediation of Cr（VI）XV Ru-yue WANG Zi-xiao SHEN Lu WU Rong-rong YAO Fang-ting TAN Zhong-yuan LIU Heng-wei ZHANG Wen-chao（School of Chemistry and Life Sciences,Suzhou University of Science and Technology,Suzhou 215009）Abstract:Chromium is a major inorganic pollutant released into soil and water bodies through natural processes and anthropogenic activities,such as rock weathering,volcanic eruptions and the metallurgy,chemical and leather industries.Chromium mainly exists in two different stable oxidation states:Cr（III）and Cr（VI）.Cr（VI）is a widely recognized class I carcinogen due to its high toxicity,strong fluidity and high ecological risk.Therefore,the research on the treatment of Cr（VI）pollution has received extensive attention.Traditional physical and chemical remediation technologies have some disadvantages,such as high execution cost,low efficiency,toxic by-products and inability to be implemented on a large scale.Bioremediation technology improves the limitations of traditional remediation technologies and is a more economical,more environmentally friendly and sustainable green remediation technology.In this paper,the pollution sources and toxicity characteristics of chromium are introduced.The process and mechanism of microbial remediation and phytoremediation are described in detail.Several suggestions on bioremediation of chromium contamination are summarized,aiming to provide theoretical guidance and scientific basis for the application of bioremediation of Cr（VI）contamination.Keywords:Cr（VI）;migration;microbial remediation;phytoremediation生物技术通报 Biotechnology Bulletin2023,Vol.39,No.650结构，对生物多样性产生不利影响。Cr（VI）进入食物链还会引起皮肤刺激3、过敏性皮炎4、DNA损伤5、肺癌6等疾病。因此，国际癌症研究机构（1990）将 Cr（VI）归类为 I 类致癌物。工业革命以来，Cr（VI）在工业生产过程中被广泛使用，如染料、油漆、电镀、纺织染色和皮革鞣制等，这些化合物在生产、使用、运输和储存过程会暴露在土壤和地下水中7。Cr（VI）在工业中应用广泛，约 60%-70%的 Cr（VI）用于生产不锈钢等合金，15%用于化学工业，导致其在环境中不断积累，对环境和人类健康造成严重威胁8。因此，Cr（VI）的污染防治受到众多研究学者的关注。传统的物理化学法如沉淀法9、吸附法10、膜技术11、过滤/超滤法12、电渗透13以及电修复技术14等用于土壤和废水中的重金属修复时，存在高成本、低效率、易产生有毒副产物和无法大规模实施等缺点15-16。因此，开发环境友好、可持续、低成本和高性能的铬污染修复技术具有重要意义17。生物修复，包括微生物和植物修复技术，是解决 Cr（VI）污染的一种生态友好的方法。其中，微生物繁殖快、代谢能力强、种类多、适应性强，可通过其生命和代谢活动有效降低环境中重金属的浓度和毒性。例如，Escherichia coli FACU 能够将浓度为100 g/mL 的 Cr（VI）还原为 Cr（III），从而降低铬酸盐的毒性18。尽管 Cr（VI）对植物有毒害作用，但目前研究的超富集植物已有 400 多种，这些植物能大幅降低污染土壤和水中的铬，具有很高的植物修复潜力，且对环境扰动小19。另外，根际微生物可促进植物生长，增强植物对重金属胁迫的耐受性，此类联合修复技术也被大量研究20。本文阐述了 Cr（VI）的污染来源、毒性特点，系统总结了 Cr（VI）污染治理的微生物修复、植物修复以及联合修复技术的机理及最新研究进展，同时分析了生物修复领域面临的挑战，以期为铬污染的研究和治理提供参考。1 铬的来源和毒性特点1.1 铬的来源1.1.1 自然来源 环境中的铬主要通过铬矿及其他天然储层风化、岩石浸出、微生物与基铁质/超基铁质岩石的相互作用，以及铬铁矿（FeCr2O4）氧化自然释放到环境中21。金属铬的组成和浓度在很大程度上取决于岩石的性质、环境条件和风化过程。地质母质通常含有高浓度的铬，而岩石中的铬浓度分布不均匀。据报道，沉积岩和页岩中铬含量非常高，其次是石灰岩和砂岩，花岗岩、碳酸盐和沙质沉积物的铬含量最低22。土壤中铬的平均含量在 0.02-58 mol/g23。此外，火山喷发也会释放出高水平的铬以及其他一些有毒的重金属和气体。因此，环境中铬的自然浓度变化很大。通过自然因素释放环境中的铬的形态主要为 Cr（III），在锰的作用下容易氧化形成 Cr（VI），对环境造成负面影响24。1.1.2 人为来源 在过去的几十年里，工业化的迅猛发展导致了严重的水、土壤和大气污染（图 1）。工业生产加工过程中使用的铬酸盐（CrO42-）和重铬酸盐（Cr2O72-）主要为 Cr（VI）。冶金、化工、木材保存、耐火材料、皮革和颜料染料等行业的原材料加工使用了大量的铬化合物，以求在短时间内以更经济的方式获得高质量的产品25。据统计，制革产业使用的铬化合物中约有 40%的 Cr（VI）和 Cr（III）以废水的形式释放入环境中25。工业中未经处理的含铬废水会经河流、雨水等迁移，污染水源及邻近的土壤。铬污染会影响水资源的各种参数，如颜色、总悬浮固体（TSS）、生物需氧量（BOD）和化学需氧量（COD）等26。如果使用铬污染的水源灌溉作 物，会导致铬在可食用作物体内积累，通过食物链影响动物及人类生活27（图 1）。Cr（VI）进入食物链后会引起许多疾病，如皮肤刺激、耳膜穿孔、鼻道刺激、溃疡、人类和动物的肺癌，还可以通过胎盘对哺乳动物的胎儿发育造成影响22。1.2 铬的毒性特点在环境中，铬以-2 到+6 的多种氧化态存在，最常见的是 0、+2、+3 和+6 态28。铬在环境中最稳定的氧化态为+3 和+6，这两种价态具有不同的化学和生物效应29。几乎所有天然存在的铬都以三价形式存在，而六价铬主要来源于工业。Cr（III）是环境中的主要形态，因为它是最稳定的氧化状态。Cr（III）在水中溶解度小、毒性低，是葡萄糖、脂质和氨基酸代谢所必需的微量元素30。2023,39(6)51徐汝悦等：Cr（VI）的生物修复技术研究进展研究表明，Cr（VI）的细胞毒性和致突变性约是 Cr（III）的 1 000 倍，对多种动物、植物和微生物都有显著毒性31。Cr（VI）比 Cr（III）更容易穿透生物膜，在穿过细胞膜后，通过一系列反应被还原为Cr（III）。在还原过程中，会产生几种中间体，如 Cr（）和 Cr（），并产生活性氧（ROS）。ROS 容易与 DNA-蛋白质复合体结合，导致人体健康出现异常。为了对抗 ROS 对细胞的毒性作用，菌株编码相关抗氧化剂的基因会被激活，产生大量的超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）和过氧化物酶（POD）等。Cr（VI）可通过吸入、摄入和皮肤吸收等多种途径进入人体和动物体内。研究发现在Cr（VI）暴露两个月后，在小鼠肝脏中观察到炎症细胞和肝细胞坏死导致的肝功能障碍和肝纤维化32。而职业性接触 Cr（VI）还会导致皮肤刺激、免疫反应低下、呼吸系统疾病及肺癌。Cr（VI）会干扰植物的生长、营养吸收和光合作用，诱导 ROS 的生成，导致脂质过氧化和改变抗氧化剂的活性而诱发植物毒性33。此外，Cr（VI）污染还会改变土壤微生物群落的结构，并通过延缓酶的活性来抑制其生长代谢活动34。因此，Cr（VI）对生态系统和人类健康造成了严重影响，治理铬污染迫在眉睫。2 Cr（VI）的生物修复机理生物修复由于其独特的经济环保优势受到国内外学者的关注，是一种处理 Cr（VI）污染的潜在工具。生物修复是利用植物、微生物等对环境污染进行减少、修复或清除的过程。Cr（VI）的生物修复主要包括微生物修复、植物修复以及植物-微生物联合修复技术。其中，不同微生物对 Cr（VI）生物修复的机制和效果因其来源和生长特性不同而有所差别。微生物的修复机制多种多样，主要包括生物吸附、生物富集、生物还原以及生物矿化（图 2）。Efflux system图 2 微生物去除 Cr（VI）的机制Fig.2 Mechanisms of removing Cr（VI）by microorganism2.1 微生物修复对 Cr（VI）污染治理研究较多的微生物种类包括细菌、真菌和微藻。目前，国内外学者研究用于去除 Cr（VI）的细菌多为土壤中分离筛选所得的耐铬菌株。其中，芽孢杆菌（Bacillus）表现出良好的Cr（VI）去除潜力。表 1 列举了一些近年来研究发现的去除 Cr（VI）效果较好的微生物种类及其修复机理。2.1.1 生物吸附 生物吸附是指利用活细胞或死亡细胞去除土壤或废水中重金属的过程44。微生物细胞壁上存在大量大分子官能团，Cr（VI）与这些官能团相结合形成配合物，并通过表面沉淀、离子交换等机制被去除45-46。Bahafid 等47报道了酵母菌 Cyberlindnera fabianii 通过吸附机制去除污染区域的 Cr（VI），吸附位点主要分布在细胞壁上，其中起主要作用的官能团为羟基、磷酸盐和亚甲基等。Kasimani 等48研究发现，蓝藻菌（Cyanobacteria）对 25 mg/L 浓度 Cr（VI）的最大去除率可达 75.6%，起吸附作用的官能团主要是氨基、羟基和羧基。革兰氏阳性菌细胞壁上的羧基和革兰氏阴性菌细胞壁上的磷酸基呈负电性，能与有毒重金属阳离子结合，限制其进入到细胞内49。在酸性 pH 条件下，Cr（VI）图 1 环境中铬的迁移过程及毒性影响Fig.1 Migration and toxic effects of chromium in the envi-ronment生物技术通报 Biotechnology Bulletin2023,Vol.39,No.652主要以 HCrO4-和 CrO72-的形式存在，Halomonas sp.DK4 细胞壁上羧基和氨基质子化导致阴离子与细胞表面之间产生静电吸引，从而增加了酸性介质中 Cr（VI）的去除率50。因此，较低的 pH 值有助于提高 Cr（VI）的生物吸附。一些藻类和真菌以及硫酸盐还原菌可以产生含有多种多糖、糖蛋白、脂多糖和阴离子基团（如酰胺基、氨基、羧基和羟基）的胞外聚合物（EPS）51。EPS 能在细胞表面形成黏液层，与金属阳离子相结合，从而将重金属隔离在细胞外52。EPS 所含大分子的独特组合使其对不同的重金属表现出不同程度的特异性和亲和性53。一株分离自印度的产 EPS 菌株 Parapedobacter sp.ISTM3 对 Cr（VI）的去除率达到 95.1%，傅里叶变换红外光谱（FTIR）发现有羟基、羧基和亚甲基官能团的存在，能量色散 X 射线光谱（EDX）中钠、磷和钾的峰消失也证实了生物吸附过程中发生了离子交换机制54。Zeng 等55研究发现，Cr（VI）能刺激 Bacillus sp.S3 分泌 EPS，显著增强该菌株对重金属的吸附和解毒能力。在Shewanella putrefaciens CN32 的 生 长 前 期，Cr（VI）的添加也促进了 EPS 的产生56。Pseudochrobactrum saccharolyticum LY10 菌株中吸附的 Cr（VI）主要分布在 EPS 和细胞壁上，其中 EPS 是 Cr（VI）吸附的主要部位57。2.1.2 生物富集 与生物吸附不同，生物富集是微生物将重金属吸附在细胞表面，然后被动或主动转运重金属到细胞内，使其在细胞内积累的过程58。Cr（VI）通常以四面体 CrO42-形式存在，CrO42-与细胞膜上的 SO42-/PO42-具有结构上的相似性，使其可以通过硫酸盐/磷酸盐通道进入细胞59。生物积表 1 不同微生物对 Cr（VI）的去除效率及机理Table 1 Removal efficiencies and mechanisms of Cr（VI）by different microorganisms分类Classification名称Name of organism生物量BiomasspH温度Temperature/初始 Cr（VI）浓度 Initial Cr（VI）concentration/（mg L-1）去除效率 Remo-val efficiency/%去除机理Removal mechanism时间Time参考文献Reference细菌BacteriaBacillus amyloliquefaciens0.3 g/100 mL73750082.1生物吸附Biosorption60 min 35Bacillus sp.CRB-B12%（V/V）737100 68.5生物还原Bioreduction36 h36Bacillus cereus b-525k-837-99.0生物还原Bioreduction6 d37Stenotrophomonas acidaminiphila 4-110%（V/V）7.23015 75.7生物积累Bioaccumulation 生物还原Bioreduction7 d38Bacillus strain T124-73710061.8生物还原Bioreduction生物矿化Biomineralization48 h39真菌FungiAspergillus tubingensis AF35%（V/V）7251 00074.5生物吸附Biosorption12 d40Aspergillus niger1%（V/V）3010-50100生物还原Bioreduction 生物积累Bioaccumulation12 d41Penicillium chrysogenum CS1-2750 65.2生物矿化Biomineralization12 d42微藻MicroalgaeChlorella sorokiniana-725100 99.7生物吸附Biosorption7 d432023,39(6)53徐汝悦等：Cr（VI）的生物修复技术研究进展累的 Cr（VI）通过以下途径被进一步隔离在细胞内：定位到液泡等细胞器中，与金属硫蛋白结合或以微粒重金属的形式积累60-61。生物积累也能以沉淀的形式富集在细胞外，例如从电镀废水中分离出的Aspergillus flavus CR500 可以有效去除 Cr（VI），并在细胞壁上形成 Cr2O3纳米颗粒62。生物富集是通过活细胞完成的，依赖于其代谢机制，这是一个相对缓慢的过程，因为细胞运输需要能量。而微生物抵御重金属毒性机制主要与染色体基因或质粒编码有关，例如 Pseudomonas aeruginosa 携带的基因表达可以有效防止细胞损伤，特别是 ChrA 基因能够主动排出 Cr（VI），抑制 Cr（VI）在细胞内的积累63。2.1.3 生物还原 生物还原一般指通过铬还原酶或非酶促反应可以将毒性强和溶解性强的 Cr（VI）还原为毒性低和不溶性的 Cr（III）64。许多研究表明，Cr（VI）的毒性与细胞内过度产生 ROS 和相应的氧化应激有关65。Cr（VI）的生物还原是一种重要的解毒机制，因为 Cr（III）比 Cr（VI）更稳定，毒性更小。非酶促反应主要发生在细胞内，通过谷胱甘肽、过氧化氢和抗坏血酸等还原性物质将 Cr（VI）还原为 Cr（III）。有研究表明，热灭活的黄曲霉菌在酸性条件下 Cr（VI）的吸附率为 72.4%，该真菌细胞表面存在的羟基官能团在非酶还原 Cr（VI）中起着至关重要的作用66。微生物还原 Cr（VI）最早于 20 世纪 70 年代末被报道。Romanenko 等67首次发现从污水污泥中分离到的假单胞菌在厌氧条件下具有还原 Cr（VI）的能力。此后，研究学者们筛选出了大量具有 Cr（VI）还原能力的耐铬菌株。近年来，报道具有铬还原酶活性的细菌种类有：芽孢杆菌（Bacillus sp.）36、阴沟杆肠菌（Enterobacter cloacae）68、螯台球菌（Chelatococcus daeguensis）69、木糖氧化无色杆菌（Achromobacter xylosoxidans SHB 204）70、纤维素菌（Cellulosimicrobium sp.）71、假单胞菌（Pseudomonas alcaliphila NEWG-2）72等。常见的铬还原酶的种类、来源和分布见表 2。在所有铬还原酶中，ChrR 的研究最为广泛。铬还原酶的酶促反应还原机制在有氧和厌氧条件下是不同的。在厌氧条件下，谷胱甘肽、维生素、氨基酸等作为电子供体，还原酶将电子转移到Cr（VI），使其被还原80。还原 Cr（VI）通常会消耗胞内大量的质子，从而导致细胞环境 pH 值提升，有助于将还原的铬以 Cr（OH）3的形式沉淀81。葡萄糖、蔗糖、丙酮酸、乳酸、乙酸、乙醇、甘油等外源碳源也可作为还原电子供体82。以葡萄糖为碳源的 Cr（VI）的厌氧还原方程式如下83：CrO42-+8H+3e-Cr3+4H2O （1）Cr3+4H2O Cr(OH)3+3H+H2O （2）C6H22O6+8CrO42-+14H2O 8Cr(OH)3+100H+6HCO3-（3）在好氧条件下，还原 Cr（VI）的过程分为两步或三步，还原酶将 Cr（VI）还原为中间产物 Cr（）或 Cr（），然后进一步还原为稳定的 Cr（III）。其中 Cr（）经历单电子氧化还原过程，将电子转移生成 Cr（VI）84。好氧还原一般发生在细胞内，需要 NADH 作为电子供体，产生的 ROS 容易破坏DNA 和蛋白质等细胞成分，方程式如下81：Cr6+e-Cr5+（4）Cr5+2e-Cr3+（5）根据铬还原的位置不同，铬还原酶可分为膜还原酶和细胞内还原酶。胞内还原酶位于胞质中，可将胞内 Cr（VI）还原为胞质中的 Cr（III）26。Bacillus strain TCL 的铬还原酶主要分布于细胞膜和EPS 上，而细胞质还原酶活性效率较低，几乎是膜表 2 铬还原酶分类Table 2 Chromium reductase classification酶Enzyme来源Source of strain定位Location参考文献ReferenceSOD,CATAcinetobacter indicus yy-1胞内Intracellular73NitRPhannonibacter phragmitetus BB 胞内Intracellular74YhdABacillus subtilis胞内Intracellular75ChrRBacillus sp.DHS-12（7）胞外Extracellular76NR,NiRPisolithus sp.1胞外Extracellular77FesRAlishewanella sp.WH16-1胞外Extracellular78CChRPichia guilliermondii ZJH-1胞外Extracellular79生物技术通报 Biotechnology Bulletin2023,Vol.39,No.654还原酶的一半60。Intrasporangium chromatireducens Q5-1 对 Cr（VI）的还原也主要发生在细胞外85。2.1.4 生物矿化 生物矿化是由于微生物活动而引起环境化学变化进而导致产生矿物质沉淀的现象86，可分为胞外矿化和胞内矿化两种过程。在胞外矿化过程中，微生物在细胞膜外或周围环境产生的有机基质形成矿化位点，重金属阳离子与其相结合，达到过饱和后即可在细胞外形成矿物沉淀。细胞内矿化主要发生在液泡或细胞质内，通过代谢活动控制细胞内生物矿物质的成核87。Qian 等42用分离得到的菌株 Penicillium chrysogenum CSI 修复土壤中的重金属，使土壤中可交换性 Cr（VI）由41.6%降至 2.0%，进一步分析发现该真菌通过诱导形成典型的碳酸盐晶体，以方解石、钒铁矿及碳酸钙铬氧化物（Ca10Cr6O24（CO3）的矿物形式固定Cr（VI）。采用一种产脲酶菌蜡状芽孢杆菌（Bacillus cereus YR5）处理 100 mg/kg 的 Cr（VI）污染土壤，发现晶体生长过程中 Cr（VI）进入方解石，其流动性和生物有效性显著降低88。另一种分离自重金属污染工业土壤中的 Bacillus subtilis C（225）对 Cr（VI）的矿化作用明显，使其迁移速率降低了一半89。2.2 植物修复植物修复是一项以植物为基础，利用植物对环境中的污染物进行降解、去除或固定化的绿色修复技术，因其成本低、美观和长期适用性而被用于污染场地的修复90。在植物修复过程中，植物利用根系吸附作用或在植物系统中积累去除环境中的污染物（图 3）。植物可以在根系和干细胞中沉积 Cr（VI），并通过木质部组织最终将 Cr（VI）转运到叶面区域的细胞内液泡中。超富集植物能在地上组织中积累较高的金属浓度，它们生长速度快、生物量产量高、对金属具有较高的耐性，是近年来植物修复研究的重点91。植物根系对 Cr（VI）的吸收可以通过外质体运输系统或共质体运输系统进行92。在外质体运输的情况 下，Cr（VI）通过根的细胞间隙运输，而共质体运输系统涉及硫酸盐或磷酸盐等离子通道或载体。超富集植物通过共质体运输系统能高效地将重金属从根转移到茎中，最终将 Cr（VI）隔离在叶细胞的液泡中。在植物充分生长和金属积累后，植物的部分金属被采收和清除，污染区域的金属被永久清除。Chen 等93研究发现，在 10-70 mg/L Cr（VI）胁迫水平下，7 天生绿豆植株的转移系数（TF）均大于或接近 1，这表明绿豆是一种很有前景的 Cr（VI）超富集植物。Ding 等94研究发现，Cr（VI）胁迫红麻叶片中 SOD、CAT 和 POD 活性升高，根系中SOD 活性降低，能有效降低 Cr（VI）毒性。而土壤中铬浓度较高时，Cr（VI）从地下到地上部分的转移受限制，比如牛至植株根系地下部分的生物富集能力是地上部分的 3 倍95。图 3 铬污染土壤植物修复的作用机制Fig.3 Mechanism action of phytoremediation method in chromium-contaminated soil2.3 植物-微生物联合修复在土壤生态系统中，植物与根际微生物的作用功能紧密相连，为充分发挥二者的优势，提高重金属污染的生物修复效率，构建植物-微生物联合修复体系成为当前研究的热点。促进植物生长的微生物被称为植物促生菌（plant growth-promoting bacteria,PGPB），通过分泌铁载体、生物表面活性剂和几种有机酸等途径，可以有效地增强植物修复过程，如甲基化、改变土壤 pH 值、促进氧化还原反应等96。Nayak 等97研究发现，Bacillus cereus T1B3 提高了香根草的修复能力，能高效还原 Cr（VI）和其他几种金属。Chitraprabha 等98研究发现，万寿菊与蜡样芽孢杆菌（Bacillus CK 505）和阴沟肠杆菌（Enterobacter cloacae CK 555）共同作用后，在35 d 内可积累高达 94%的 Cr（VI）。Cr（VI）浓度2023,39(6)55徐汝悦等：Cr（VI）的生物修复技术研究进展的增加会导致叶绿体结构的破坏，从而阻碍光合作用，而 PGPB 通过改变根结构和产生根际金属螯合分子帮助植物快速吸收 Cr（VI），还保护植物免受土壤中病原微生物的影响2。微生物对金属的吸附可以通过被动机制或主动机制进行，被动吸附是通过重金属和微生物死细胞表面的官能团之间的相互作用发生的；主动吸附过程涉及到微生物活细胞内的金属硫蛋白与重金属结合并促进其隔离45。因此，微生物对重金属的生物吸附能力在很大程度上可增强植物抗性，提高植物生物量，促进植物修复过程。3 生物修复在铬污染治理中面临的挑战3.1 微生物修复微生物修复具有成本低、环境安全、无二次污染、操作简单等优点，具有很高的研究价值51。但铬污染的微生物修复效果与环境体系中微生物的数量和活性密切相关。在实际应用过程中，由于外界环境条件不易控制，温度、pH、营养物质、溶解度、初始浓度等微环境和生理条件以及铬浓度发生变化，都有可能使微生物活性大大降低，从而影响重金属的生物去除效率。温度是决定微生物生长繁殖和碳氢化合物含量最重要的物理因素99。温度可以加快或减缓生物修复过程，微生物活动的速率随着温度的升高而增加，在最佳温度达到峰值。微生物的生长潜力由 pH 值来确定，代谢过程对 pH 值的变化极其敏感，pH 值的升高或降低都会导致结果不理想。一般来说，中性 pH 和 25-35的温度范围是适合大多数微生物生长的条件100。影响微生物生长繁殖的关键是营养物质，通过调节 CNP 比值，可以提高微生物去除重金属的能力44。另外，环境中铬浓度的高低对生物修复效果影响也较大101。Cr（VI）浓度较低时（10 mg/L），Scenedesmus sp.对 Cr（VI）的生物吸附率高达 93.0%102。而 Cr（VI）的初始浓度为 100 mg/L 时，7 d 内观察到 Cr（VI）去除率仅不到 10%103，这可能与高浓度 Cr（VI）毒性胁迫下微生物产生的 EPS 量较低有关。除了以上微生物修复存在的问题，表 3 还对 4 种微生物修复机制的优缺点进行了总结和比较。目前，大多数微生物修复技术仍处于实验室探索阶段，主要针对模拟合成的铬溶液处理，与实际铬污染土壤和废水不同。因此，对于评价微生物在实际铬污染场地的修复效果还需要更多的研究。表 3 铬微生物修复机制的优缺点Table 3 Advantages and disadvantages of chromium mi-crobial repair mechanisms微生物修复机制Microbial repair mechanism优点Advantages缺点Disadvantages生物吸附Biosorption时间短Short period可回收重金属Recyclable heavy metals易解吸 Desorption可逆 Reversibility生物积累Bioaccumulation耐受高浓度Tolerance to high concentrations易流失 Easy to loss高能耗High energy consumption生物还原Bioreduction稳定性强Strong stability受微生物活性影响Affected by microbial activity生物矿化Biomineralization成本低 Low cost能耗低Low energy consumption无二次污染No secondary pollution不均匀 Poor homogeneity不持久 Poor durability3.2 植物修复植物修复具有成本低、不产生二次污染的特点，是一种绿色环保的原位修复技术，可同时改善土壤性质和土壤微生态系统。然而实际应用中，土壤性质，如 pH 值、有机质和土壤质地都极大地影响了植物修复的效果104。在土壤高 pH 值条件下，Cr（VI）具有较高的流动性，因此具有较高的植物有效性。而且碱性 pH 也更有利于土壤中的游离金属离子与有机质形成羟基产物等金属络合物，从而降低其毒性92。Lotfy 等105研究表明，粒径小且质地细腻的土壤对铬等重金属具有较高的生物利用度，并促进其在植物中的转运。同时，植物修复也不适用于 Cr（VI）浓度过高的土壤环境中。有研究表明，Cr（VI）对大多数植物的毒性为 5.2 mg/kg，当土壤中的 Cr（VI）浓度较高时，富集铬的植物就会死亡，根系中的 Cr（VI）又会被释放到土壤中106。此外，铬超富集植物生长缓慢、修复周期长且机械强度大。因此，目前植物修复技术的实际应用难度较大，仍有很大的提升空间。生物技术通报 Biotechnology Bulletin2023,Vol.39,No.6564 总结与展望本综述强调了铬污染问题的严重性及其危害，详细讨论了铬的生物修复机理，证实了其在铬修复中的实用性。重金属污染的生物修复方法与物理和化学修复相比，更具有潜力和适用性，它是一种更安全、更有效、更环保的重金属去除方法。本文深入总结了 Cr（VI）去除的 4 种微生物修复、植物修复和联合修复的机制和最新进展，并剖析了不同方法的优缺点和适用条件，有助于评价和定制合适的铬修复策略。但由于环境条件限制，实验室阶段的研究大多是通过合成重金属溶液来分析铬污染修复过程的效率，其结果与生物修复技术实际应用于 Cr（VI）污染场地之间仍存在巨大差距。因此，建议在以下几个方面进行深入研究：一是在进行实地铬污染治理之前，需要对污染区域的土壤或废水的潜力、生物多样性和生态学进行全面了解，并进行成本效果分析，以选择合理的修复方案。二是为了分析耐铬菌株在实际应用过程中的安全性和可控性，需要阐明微生物和生态系统相互作用方面的理论机制。建议充分利用本地微生物和外来微生物之间的协同作用，以达到最佳的微生物修复效果。三是需要建立有效的植物修复过程系统，需要培育生长快、生物量大、耐铬能力强的超富集植物，并对后续处理富铬植物的相关风险进行生态评估。四是植物和微生物联合修复还有待进一步研究，包括不同种类植物和其根际微生物的功能和特性，根系生长对微生物繁殖的影响，微生物对增强植物耐铬能力和促进植物吸收铬的过程和机制。参 考 文 献1Hori M,Shozugawa K,Matsuo M.Hexavalent chromium pollution caused by dumped chromium slag at the urban park in TokyoJ.J Mater Cycles Waste Manag,2015,17（1）:201-205.2Ahemad M.Enhancing phytoremediation of chromium-stressed soils through plant-growth-promoting bacteriaJ.J 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