新型介体催化难降解污染物厌氧生物还原

吕红  张甜甜  张海坤  王竞  周集体

（大连理工大学工业生态与环境工程教育部重点实验室，辽宁  大连  116024）

  摘要：生物法处理有毒难降解污染物是目前最为经济环保的方法之一，但厌氧生物转化速率缓慢是生物法处理的限制因素。研究发现，一些醌类化合物可以作为氧化还原介体加速电子的传递，促进污染物的厌氧生物转化。为避免直接应用这些醌类化合物而造成的运行费用增高和二次污染等问题，近年来，人们发现各种碳材料、醌改性载体和微生物分泌的核黄素等新型介体具有良好的催化性能。根据这些新型介体的来源，该文分别综述了它们的特性，并比较了其加速有毒难降解污染物厌氧还原转化的能力，以促进新型介体在实际难降解废水处理中的应用。

  关键词：有毒难降解污染物；厌氧生物转化；新型氧化还原介体；电子传递

 近年来随着工农业的迅速发展，大量含有偶氮染料、硝基芳烃、卤代化合物和重金属等持久性污染物的废水排人环境。调查发现，这类化合物已造成了一定程度的环境污染，对人类健康产生了严重危害。目前，厌氧一好氧联合生物处理法是处理这类污染物最常用的方法之一。其中，厌氧段主要完成大分子难降解化合物的还原转化。但由于微生物代谢缓慢，使其成为整个处理过程的限速阶段。

 20世纪90年代，Lovely等研究者发现投加某些氧化还原介体（如腐殖酸、醌类化合物等）可以降低反应活化能，从而使难降解污染物的厌氧还原速率提高一到几个数量级。最初，常用的氧化还原介体大都是溶解态，如外加核黄素、蒽醌-2，6-_磺酸钠(AQDS)和蒽醌-2-磺酸钠(AQS)等。在实际应用过程中，发现这些溶解态的氧化还原介体会随出水而流失。这一方面会对环境造成二次污染；另一方面，为保证反应体系的正常运行，持续往反应体系中投加介体也会造成运行成本增加。因此，研究开发新型氧化还原介体，用于加速难降解污染物的厌氧生物转化具有重要意义。

 近年来，国内外学者不断的发现各种碳材料、醌改性载体和微生物分泌的核黄素等新型介体具有良好的催化性能，能够加速偶氮染料、硝基芳烃和重金属等污染物的厌氧生物还原转化。本文根据这些新型介体的来源，将这些新型介体分为外源性介体和内源性介体，并对其催化性能进行了比较详细地论述。

1外源性介体

 外源性介体是指需要人为往反应体系中投加的具有氧化还原活性的介体物质。这类物质可以加速电子由电子供体向电子受体的传递，从而加速难降解污染物的生物还原转化。外源性介体主要包括不同结构的碳材料和固定化醌介体。

1.1碳材料

1.1.1活性炭及其改性

 常见溶解态的氧化还原介体具有一定的结构共性：即表面含有醌基／羰基基团。由于溶解态氧化还原介体的应用局限性，开发含有这些功能基团的固态介体是当前研究的主要方向之一。

活性炭作为一种吸附剂，已广泛应用于废水处理中。因其表面含有醌基／羰基基团，Van der Zee等于2003年提出以活性炭作为固态氧化还原介体用于偶氮染料脱色研究。结果证实含有活性炭的污泥床对偶氮染料厌氧生物脱色具有加速作用，并提出活性炭催化污染物还原转化作用机理，如图1所示。随后，国内外学者以活性炭作为氧化还原介体开展了一系列研究。2007年，Mezohegyi等采用连续上流式填充床反应器厌氧生物处理酸性橙7废水，分别比较了生物反应器内添加活性炭、石墨和氧化铝3种材料时对酸性橙7生物脱色的影响。研究发现反应器中添加活性炭时，2 min内酸性橙7的生物脱色率达到99%。与其它的连续生物处理过程相比，含有活性炭的连续上流式填充床反应器是厌氧还原偶氮染料最为有效的系统之一。并且Mezohegyi等发现，在活性炭床中进行适当搅拌，有助于加快酸性橙7的生物脱色，0.5 min内脱色率已高达96%。

 虽然活性炭可以作为氧化还原介体促进偶氮染料生物脱色，但是活性炭接受电子的能力仅为AQDS的1/6左右。并且由于活性炭的微孔结构，其表面的醌／羰基基团能被菌体利用的数量有限。为此，人们对活性炭进行了物理或化学方法改性，通过改变活性炭的孔径大小或表面化学结构，来提高其生物催化性能。目前，常用的活性炭改性方法主要包括化学改性和热改性。Pereira等以商业Norit ROX 0.8活性炭为原材料，在保证其基本结构特性不变前提下，使用化学氧化、气相氧化和热处理等方法对活性炭进行改性。研究发现，氢气热改性活性炭在pH=7时对媒介黄的厌氧脱色速率影响最大，是未改性活性炭的2倍。而且，在生物系统中，氢气改性活性炭使媒介黄和活性红的脱色速率都增加4.5倍。2010年，Mezohegyi等对连续上流式搅拌填充床一活性炭反应器中的活性炭进行了结构属性和表面化学性质改性。研究结果表明，活性炭结构属性改性对偶氮染料生物脱色速率影响较大，而且醌基羰基催化作用的假说得到证实。综合以上研究表明，活性炭的适当改性可以优化介体的特性，对促进偶氮染料的厌氧生物还原具有重要意义。

1.1.2活性炭纤维

 与活性炭相比，活性炭纤维在难降解污染物的生物转化过程中具有独特的优势：比表面积约是活性炭的100倍，生物膜的有效面积较大。为此，Rios-Del Toro等以活性炭纤维为氧化还原介体，研究其对偶氮染料甲基红的厌氧生物还原影响。研究发现，活性炭纤维能够使甲基红的生物还原速率提高8倍。弊端在于活性炭纤维上容易附着生物膜，随着生物膜的增加，污染物甲基红生物还原过程中电子转移能力受阻，污染物还原速率降低。

1.1.3碳纳米材料

 随着碳纳米材料的出现，碳纳米管和石墨烯近年来在污染物修复领域受到越来越多的关注。碳纳米管和石墨烯具有相同的优势：较大的比表面积、机械强度高、生物相容性较好等。由于其结构特殊性使其呈现独特的催化活性。

 Pereira等根据已有研究，比较了3种碳材料活性炭、碳干凝胶、碳纳米管作为氧化还原介体的催化性能。结果表明，碳纳米管加速偶氮染料的生物还原速率最显著，其次为碳干凝胶和活性炭。Yan等采用海藻酸钙、碳纳米管共固定Shewanella oneidensisMR-1，制备海藻酸钙／碳纳米管/S. oneidensis MR-1小球。这种共固定化小球使六价铬的生物还原速率提高了4倍。

 石墨烯作为另一种碳纳米材料，其本身及氧化产物也具有提高难降解污染物还原速率的能力。Colunga等研究发现在厌氧污泥产甲烷和硫酸盐还原条件下，氧化石墨烯(GO)作为电子穿梭体能够使活性红2的生物还原速率提高了2—3.6倍。氧化石墨烯适宜的粒度(450—700 nm)和氧化还原电位(+50.8 mV)是促进活性红2生物还原的重要因素。Wang等将氧化石墨烯投加到厌氧污泥中制备氧化石墨烯／厌氧污泥复合物。该复合物能够加速硝基苯的厌氧生物还原，并且反应体系中的脱氢酶活性较无氧化石墨烯体系中增加2倍。

可见，上述各种碳材料作为固态氧化还原介体在加速难降解污染物的生物转化过程中发挥了重要作用（表1）。然而，部分碳材料的成本较高仍是限制其使用的制约因素。因此，今后关于碳材料的应用研究需要进一步探索，比如利用农业废弃物制备生物质碳作为氧化还原介体等。

1.2  固定化醌介体

醌类化合物如AQDS和AQS等广泛应用于难降解污染物的生物还原。为避免这类化合物在实际应用中的流失和二次污染，研究者提出将这些醌类化合物进行固定化，从而增强醌类化合物的可重复利用性。常用的固定化方法有物理方法和化学方法。如表2所示。

1.2.1物理方法

  物理法主要分为包埋固定法和吸附固定法。郭建博等最早采用包埋法将各种蒽醌化合物固定在海藻酸钙里，这种海藻酸钙小球能够使多种偶氮染料和硝酸根的还原速率提高1.5—2倍，循环使用4次后，该介体的加速作用仍保持在90%以上。但包裹在海藻酸钙内部的蒽醌化合物不能很好地与菌体接触，导致其催化活性相对较低。为此，Su等将蒽醌和醌还原菌群共包埋在海藻酸钙中，这种共固定化菌球具有良好的催化性能，很大程度上提高了偶氮染料的生物脱色速率；而且循环利用10次后，对偶氮染料的脱色率仍高达90%。随后，Cervantes等将醌类化合物成功吸附固定在阴离子交换树脂上。这种方法固定醌量较大，达到每克树脂固定2.20 mmol AQDS（见表2），并且固定后的AQDS能使偶氮染料的脱色速率提高8.8倍。

 随着纳米技术的出现，纳米材料已广泛应用于预防和治理环境污染，如作为吸附剂处理无机和有机污染废水等。Alvarez等首次采用金属氧化物纳米颗粒(a-Al203，Zn0和Al(OH)3)作为吸附剂，将AQDS成功固定。其中Al( OH)。纳米颗粒对AQDS的吸附能力最强，它使偶氮染料活性红的生物脱色速率提高了7.5倍。同其它载体相比，纳米颗粒的优势在于可以减少传质阻力。

 上述固定后的介体虽然在一定条件下表现出良好的催化性能，但由于物理吸附方法的不稳定或载体机械强度不高，从而造成了固定化介体随试验次数增加，氧化还原介体很容易从载体上脱附。因此，该方法在实际应用过程中有一定的局限性。

1.2.2化学方法

 为有效避免固定后的醌类化合物的脱附问题，人们提出采用化学方法将其固定于合适的生物载体上，从而使负载有醌化合物的生物载体同时具有催化污染物厌氧转化和固定微生物的性能。

 2008年，Li等首次采用电化学掺杂技术将AQDS固定在活性炭纤维(ACF)上。该复合材料ACF/PPy/AQDS可以加速硝基芳香化合物和偶氮染料的厌氧生物还原。采用相同的技术制备出的复合材料ACF/PPy/AQS可使反硝化速率提高约1.5倍；循环使用4次后，该介体的加速作用仍保持在90%以上。但附着在上面的生物膜会阻碍电子的传递，这一现象也发生在固定醌后的涤纶纤维上。同上述载体比较，具有大孔结构的聚氨酯泡沫和多孔陶粒则有一定的优势。特别是聚氨酯泡沫具有大孔径、机械强度高、低毒性和较大的比表面积，从而使醌基聚氨酯泡沫能够在反应器中长期使用。2014年，Li等采用醋酸纤维分别固定蒽醌、1，8-=氯蒽醌、1．5--氯蒽醌和1，4，5，8-四氯蒽醌。研究表明，浓度为12 mmol/L的1，4，5，8-四氯蒽醌固定化介体使反硝化速率提高了2.3倍，催化作用效果最好，推测其原因可能为氧化还原电位比对照体系低81 mV，有利于反硝化反应的进行。

 鉴于石墨烯具有优良的生物相容性能和较大的比表面积，并且能够提高难降解有机物的还原转化速率。Lu等将蒽醌-2-磺酸钠(AQS)共价固定在被还原的氧化石墨烯(RGO)上制备AQS-RGO复合物。该复合物能够提高酸性黄36生物还原速率。在上述研究的基础上，Zhang等选取氧化石墨烯(GO)作为载体，通过一步共价反应制备了醌-GO复合物，该方法使每克GO上固定1.93—2.96 mmol醌（见表2），基本达到了物理吸附固定的量。其中2-氨基-3-氯一l，4-萘醌-GO能显著提高Acinetobacter sp. HK-1还原六价铬的速率。当NQ-GO浓度为50 mg/L时，六价铬的生物还原速率比无NQ-GO体系提高了140倍。可见，该材料具有潜在的应用价值。

1.3新型固态介体

 随着绿色工业和安全生活概念的提出，天然染料逐渐取代工业染料。指甲花粉是广泛应用的天然染料的原材料。厌氧条件下该物质一方面可以提供电子供体；另一方面，指甲花植物含有丰富的指甲花醌（高达1%）。因此，指甲花植物可以作为有效的固态氧化还原介体促进偶氮染料还原。2014年，Huang等选用指甲花植物同时作为电子供体、碳源和固态氧化还原介体，证实了指甲花植物存在时，酸性橙7的生物还原速率提高了6倍。

2内源性介体

 内源性介体是指利用污染物处理系统中部分特殊微生物、污染物本身和降解中间产物作为氧化还原介体。内源性介体解决了外源性介体加入造成成本升高、二次污染等问题，是新型氧化还原介体研究的主要方向之一。

2.1微生物自介导

 研究表明，难降解污染物的厌氧还原转化通常在胞内进行，起作用的还原酶定位在细胞膜、周质或细胞质中。然而，自然界中存在一些特殊微生物（如电化学活性菌），特定条件下菌体表面分泌氧化还原性物质或形成氧化活性组分，这些物质的存在促进了电子在微生物和污染物间的传递。因此，这类微生物厌氧还原污染物被称为是菌体自介导的胞外还原过程。

 异化金属还原菌Shewanella在许多生物处理技术中发挥重要作用，如微生物燃料电池、有机污染物、重金属废水和沉积物的生物修复等。最初人们发现Shewanella oneidensis MR-1能够分泌甲基萘醌类化合物。随后，关于Shewanella分泌促进Fe(Ⅲ)还原的内源电子穿梭体的报道越来越多，但分泌化合物的种类并未确定。2008年，Von Canstein等首次证实Shewanella分泌的黄素类物质分别为黄素单核苷酸和核黄素，它们可以作为电子穿梭体加速不溶性铁氧化物异化还原。同年，Marsili等采用电化学装置探索Shewanella在以电极作为电子受体时的生长情况，结果发现微生物到电极表面的电子传递依赖于细胞分泌的黄素类物质的介导。此外，有研究发现，某些活性微生物，如Pseudomonas aerugznosa也能够分泌氧化还原活性物质（如吩嗪类衍生物），影响微生物到电极表面的电子转移。此外Pseudomonas菌属分泌的吩嗪类物质还用于提高微生物燃料电池产电能力。

 综合以上报道发现，Shewanella和Pseudomonas菌属都能够分泌氧化还原介体用于加速电子转移，将此类特殊微生物用于废水处理是一项很有前途的技术。

2.2底物自催化

 底物自催化作用是指在污染物处理反应体系中污染物本身或生物转化中间产物具有氧化还原活性，这类物质可以作为氧化还原介体加速电子在电子供体和最终电子受体之间的传递，从而加速难降解污染物的生物转化，实现底物自催化作用。

 2000年，Van der Zee等在研究酸性橙7的厌氧生物还原过程中发现该反应具有自催化效应，通过分析证实酸性橙7厌氧还原产物1-氨基-2 -萘醌能够作为氧化还原介体加速酸性橙7生物脱色。2009年，Liu等研究发现酸性红B等酸性偶氮染料的还原产物可以作为氧化还原介体促进多种偶氮染料生物脱色。其中，具有氧化还原活性的物质推测为2-氨基-4-磺酸基-1-萘酚。此外，王兴祖报道活性黑5生物脱色的产物能明显促进活性黑5的厌氧还原，并且对假单胞菌的生长具有明显促进作用。循环伏安法进一步证实代谢产物具有氧化还原活性。鉴于实际的染料废水中多种染料共存，因此底物自催化研究对实际染料废水处理具有重要意义。

3展望

  新型氧化还原介体的产生克服了溶解态氧化还原介体易造成二次污染等弊端。但是新型氧化还原介体在实际应用中仍存在一些问题，如固定化介体随着使用次数的增加，机械强度下降；固定化载体成本较高，实际废水处理应用不经济；特殊微生物分泌氧化活性物质的要求较高等。为解决新型氧化还原介体存在的缺陷，还需要对新型介体进行更深入的研究，以找到更合适的固定化载体和方法等，为新型氧化还原介体应用于实际废水处理提供更可靠的依据。