袁夢(mèng)姣,王曉慧,趙 芳,辛 佳,2,3*（.中國(guó)海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,山東 青島 26600；2.海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 青島 26600；3.山東省海洋環(huán)境地質(zhì)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 青島 26600）

隨著城鎮(zhèn)化和工業(yè)化的發(fā)展,大量的無(wú)機(jī)和有機(jī)污染物（例如重金屬、硝酸鹽、氯代烴等）由于處理不當(dāng)進(jìn)入地下水環(huán)境,超過(guò)地下水的環(huán)境承載力,從而造成嚴(yán)重的地下水污染問(wèn)題.這些有毒有害的物質(zhì)通過(guò)物質(zhì)循環(huán)進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng)具有極高的健康和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),因而地下水污染修復(fù)問(wèn)題一直以來(lái)受到了廣泛的關(guān)注,尋求高效、穩(wěn)定、綠色友好的地下水修復(fù)方法成為了研究的焦點(diǎn).

由于環(huán)境中大量的污染物具有氧化性,所以通過(guò)還原過(guò)程將污染物進(jìn)行完全降解或者轉(zhuǎn)化為無(wú)毒形態(tài)是一種重要的修復(fù)策略.目前,國(guó)內(nèi)外針對(duì)地下水污染原位修復(fù)的還原技術(shù)主要有兩大類(lèi),其一是化學(xué)還原技術(shù),以零價(jià)鐵（zero-valent iron,ZVI）介導(dǎo)的化學(xué)還原技術(shù)為代表[1],其二是微生物還原治理技術(shù)[2-4],以生物刺激技術(shù)最為常用.但是,這兩類(lèi)技術(shù)單獨(dú)應(yīng)用都存在各自的瓶頸問(wèn)題.具體來(lái)說(shuō),ZVI與水厭氧腐蝕過(guò)程中會(huì)造成H2的積累,產(chǎn)生的 H2是該體系的弱電子供體,可導(dǎo)致 ZVI的浪費(fèi),加速表面鈍化、材料失活,提高修復(fù)成本[5],同時(shí)氣體累積可能造成介質(zhì)堵塞,降低修復(fù)效率[6].而原位的厭氧生物修復(fù)往往受限于可用的電子供體不足,需要向內(nèi)注入外源電子供體,而氫氣是一種優(yōu)良的電子供體.近年來(lái),零價(jià)鐵與微生物（zero-valent iron and microorganism,ZVI-BIO）耦合技術(shù)在地下水修復(fù)中備受關(guān)注.ZVI-BIO修復(fù)技術(shù)是指將ZVI通過(guò)重力或壓力的作用注入到含水層中或作為滲透性反應(yīng)墻中的反應(yīng)活性物質(zhì)與原位微生物共同作用去除地下水中污染物的過(guò)程[7].在 ZVI-BIO耦合體系中,首先,ZVI通過(guò)改變水化學(xué)條件（例如氧化還原電位（ORP）、pH 值、溶解氧（DO）等）促進(jìn)厭氧微生物的生長(zhǎng);其次,ZVI腐蝕產(chǎn)生的H2可為微生物提供電子供體,同步緩解ZVI體系中H2的累積堵塞與微生物體系中電子供體不足的問(wèn)題;最后,微生物的存在通過(guò)影響鐵表面鈍化產(chǎn)物的組成進(jìn)而影響ZVI的反應(yīng)活性[8-9].以往關(guān)于ZVI-BIO體系的綜述主要側(cè)重于總結(jié)該體系對(duì)污染物的降解效果,或者 ZVI和微生物之間的交互作用[10-11],針對(duì) ZVI-BIO體系在地下水修復(fù)中的應(yīng)用總結(jié)得不夠系統(tǒng),尤其缺少對(duì)ZVI-BIO耦合體系中產(chǎn)物變化的討論.基于此,本文系統(tǒng)綜述了（1）ZVI-BIO體系研究中 ZVI與微生物的來(lái)源與特征;（2）ZVI-BIO耦合體系對(duì)地下水中不同污染物的去除效能及其內(nèi)在機(jī)制;（3）ZVI與微生物之間的交互作用機(jī)制.同時(shí)對(duì) ZVI-BIO耦合體系的發(fā)展前景進(jìn)行了展望.

1 ZVI-BIO體系的功能材料與微生物

1.1 研究中所應(yīng)用的ZVI類(lèi)型及特征

1.1.1 ZVI的粒徑 鐵元素廣泛的存在于自然環(huán)境中,占地殼含量的4.75%,僅次于氧、硅、鋁,位于地殼含量的第四位[12].由于其強(qiáng)還原性（Eh0=－0.44V）而被廣泛的應(yīng)用于地下水修復(fù)當(dāng)中[13-14].目前應(yīng)用于地下水污染修復(fù)中的ZVI按粒徑劃分主要包括顆粒鐵、微米鐵（microscale zero valent iron,mZVI）和納米鐵（nanoscale zero valent iron,nZVI）[15-16].ZVI粒徑的不同不僅會(huì)造成其自身物化性質(zhì)的差異,同時(shí)也會(huì)對(duì) ZVI-BIO耦合系統(tǒng)中微生物的活性產(chǎn)生不同的影響[17].眾所周知,ZVI的粒徑越小,比表面積越大,相應(yīng)的反應(yīng)活性越高;當(dāng) ZVI的粒徑由微米級(jí)減至納米級(jí)時(shí),其比表面積可由 1m2/g增至 20～40m2/g,反應(yīng)活性提高了10～1000倍以上[18].但是 nZVI在應(yīng)用中也存在一些不利的方面.例如,nZVI相對(duì)于mZVI、顆粒鐵來(lái)說(shuō)更容易團(tuán)聚,對(duì)目標(biāo)污染物的選擇性較差[16],且具有較高的微生物毒性[19].總的來(lái)說(shuō),在實(shí)際應(yīng)用中不同粒徑的 ZVI各有利弊,需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境和需求來(lái)調(diào)控 ZVI的粒徑,以達(dá)到最優(yōu)的修復(fù)效果.

表1 零價(jià)鐵與微生物耦合體系中零價(jià)鐵的特征Table 1 Characteristics of zero-valent iron in the ZVI-BIO coupled system

1.1.2 零價(jià)鐵的改性 ZVI,尤其是微細(xì) ZVI顆粒之間存在相互作用力,在地下水中易于團(tuán)聚,導(dǎo)致ZVI的活性降低;同時(shí)當(dāng) ZVI進(jìn)入含水層后與原位微生物直接接觸可能產(chǎn)生毒害作用,不利于ZVI-BIO 體系對(duì)污染物的降解.因此,相關(guān)研究對(duì)nZVI進(jìn)行了改性與修飾,在提高 nZVI的遷移性和穩(wěn)定性同時(shí)通過(guò)減少微生物與nZVI的直接接觸降低ZVI的生物毒性[25,30].目前,在ZVI-BIO體系中常用的改性 ZVI主要包括包覆型 ZVI和負(fù)載型ZVI[31-32].包覆型 ZVI,主要利用可生物降解的聚合物（例如羧甲基纖維素、聚天冬氨酸等）對(duì)ZVI進(jìn)行改性,能夠增強(qiáng) ZVI顆粒之間的靜電斥力從而提高ZVI的穩(wěn)定性[33],減少ZVI與微生物的直接接觸,同時(shí)為微生物提供電子供體或碳源以刺激微生物的生長(zhǎng)與繁殖[25,30,34].Li等[33]研究了表面包覆合成聚合物和天然有機(jī)物的nZVI對(duì)微生物的毒性,結(jié)果表明裸露的nZVI對(duì)細(xì)胞有明顯的粘附作用,包覆合成聚合物或天然有機(jī)物的nZVI對(duì)細(xì)胞的粘附作用明顯減弱,從而有效地降低 nZVI的生物毒性.負(fù)載型ZVI,主要利用低毒性的吸附材料（例如生物碳）作為負(fù)載骨架,增強(qiáng)ZVI的分散性,同時(shí)通過(guò)吸附污染物增強(qiáng)污染物與ZVI之間的電子傳遞[7,34].Oh等[27]研究表明,生物碳的催化與吸附作用促進(jìn)了 ZVI-BIO體系的厭氧反硝化作用然而,也有人指出改性后的ZVI可能會(huì)減少ZVI表面活性位點(diǎn)或阻礙ZVI與污染物之間的電子傳遞[10],進(jìn)而對(duì)修復(fù)效果產(chǎn)生負(fù)面影響.因此,在實(shí)際場(chǎng)地應(yīng)用前,需通過(guò)小試試驗(yàn),綜合考慮改性對(duì)ZVI遷移性、活性、壽命和生物毒性的影響,為是否在耦合體系中選用改性 ZVI提供依據(jù).

1.2 微生物來(lái)源及特征

在實(shí)際地下水修復(fù)中,往往通過(guò)注入 ZVI與原位含水層中的微生物進(jìn)行耦合以達(dá)到去除污染物的目的,基于此,大量的研究普遍采用污染含水層的原位介質(zhì)、從原位介質(zhì)中純化出的高效菌種或者和含水層介質(zhì)具有相似環(huán)境特性的其他介質(zhì)作為微生物菌源開(kāi)展研究.

1.2.1 原位微生物 在實(shí)際場(chǎng)地應(yīng)用中,地下水中的微生物會(huì)因外來(lái)ZVI的刺激作用而強(qiáng)化活性或?qū)崿F(xiàn)群落構(gòu)成上的定向演化[35].Kocur等[30]研究表明,ZVI注入原位污染場(chǎng)地后,微生物群落豐度增加了1個(gè)數(shù)量級(jí).為模擬真實(shí)的地下水生物環(huán)境,許多研究采用了原位污染場(chǎng)地含水層或沉積物中的微生物耦合ZVI進(jìn)行地下水污染的修復(fù)研究,或通過(guò)長(zhǎng)期觀察 ZVI注入后原位微生物的群落變化情況來(lái)證實(shí)原位微生物在污染物去除過(guò)程中的作用[35-38].吳乃瑾等[39]采用廢棄化工廠氯代烴污染區(qū)的第一含水層中地下水及含水層土壤作為微生物來(lái)源用以模擬真實(shí)污染場(chǎng)地中 mZVI與微生物耦合去除污染物的過(guò)程.Newsome等[40]采用了地下水或沉積物中的微生物來(lái)模擬實(shí)際應(yīng)用中鐵納米粒子的加入對(duì)原位微生物群落的影響.Koenig等[37]采用了氯代烴污染場(chǎng)地的微生物作為菌種來(lái)源,并用目標(biāo)污染物對(duì)微生物進(jìn)行進(jìn)一步的富集、馴化.

1.2.2 實(shí)驗(yàn)室高效菌種 污染場(chǎng)地中的微生物由于長(zhǎng)期受到污染物的馴化作用,往往具有較高的降解特定污染物的潛能.因此,實(shí)驗(yàn)室研究中常選用從原位環(huán)境中已分離出的高效單菌或混菌來(lái)開(kāi)展研究[41].例如,Rónavári等[17]從具有脫氯活性的厭氧菌群中分離出的脫氯微生物可以以乙酸鹽為電子供體與ZVI耦合實(shí)現(xiàn)氯代烴的徹底降解,該混菌中含有豐富的脫氯球菌、硫酸鹽還原菌以及其他各種微生物.Xiu等[42]從具有脫氯活性的產(chǎn)甲烷聯(lián)合體中分離出來(lái)的脫氯菌群能夠迅速將三氯乙烯（trichloroethene,TCE）脫氯為乙烯,且將該菌群用于氯代烴污染源區(qū)的生物強(qiáng)化,表現(xiàn)出良好的脫氯效果.

1.2.3 厭氧活性污泥 厭氧活性污泥具有與地下含水層相似的厭氧環(huán)境,可能含有豐富的與原位群落構(gòu)成相近的厭氧微生物,且廉價(jià)易得.因此大量的研究選擇厭氧活性污泥作為替代性菌源開(kāi)展實(shí)驗(yàn)室研究.通常采用目標(biāo)污染物對(duì)活性污泥進(jìn)行馴化以模擬污染場(chǎng)地中的群落組成[43-44],當(dāng)活性污泥中的混菌經(jīng)過(guò)目標(biāo)污染物馴化后,能夠降解目標(biāo)污染物的種群成為優(yōu)勢(shì)種群[8,37].Zhong等[45]采用活性污泥作為菌源,在厭氧反應(yīng)器中進(jìn)行馴化使鉻還原菌成為優(yōu)勢(shì)菌群.

2 ZVI-BIO耦合體系去除污染物的作用效能及影響因素

2.1 耦合體系修復(fù)地下水中氯代烴污染

2.1.1 耦合體系對(duì)氯代烴的降解機(jī)制 氯代脂肪烴（chlorinated aliphatic hydrocarbons,CAHs）,例如TCE、三氯乙烷（trichloroethane,TCA）等作為有機(jī)溶劑、電子元件的清洗劑以及重要化工原料已被廣泛的應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)中,然而由于過(guò)去不當(dāng)?shù)奶幚硖幹脤?dǎo)致大量的 CAHs進(jìn)入地下水環(huán)境中.ZVI-BIO耦合系統(tǒng)主要有三種途徑降解 CAHs（圖 2）:（1）ZVI作為還原劑與 CAHs發(fā)生氧化還原反應(yīng),實(shí)現(xiàn)對(duì)CAHs的脫氯過(guò)程,這是 ZVI降解 CAHs的主要途徑[38,46].（2）微生物可以利用ZVI腐蝕產(chǎn)生的H2或水中簡(jiǎn)單的有機(jī)物（如乙酸）作為電子供體,與作為電子受體的 CAHs發(fā)生生物氧化還原反應(yīng)從而實(shí)現(xiàn)CAHs的還原脫氯[47],是氯代烴厭氧生物降解的主要途徑.（3）ZVI將 CAHs降解為簡(jiǎn)單的中間化合物后,微生物作為后續(xù)的補(bǔ)充手段進(jìn)一步將污染物完全降解.此外,一些微生物還可以通過(guò)共代謝的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)CAHs的降解[38].以典型CAHs三氯乙烷為例,其可分別通過(guò)化學(xué)路徑和生物路徑進(jìn)行還原,產(chǎn)物有所不同（圖1）.

圖1 ZVI-BIO體系對(duì)三氯乙烷的降解機(jī)制[21]Fig.1 The degradation mechanism of CAHs in the ZVI-BIO system[21]

圖2 ZVI-BIO體系對(duì)污染物的降解機(jī)制Fig.2 The degradation mechanism of pollutants in the ZVI-BIO coupled system

2.1.2 耦合體系中氯代烴的降解效率與產(chǎn)物構(gòu)成 ZVI-BIO耦合體系對(duì)CAHs的降解是生物和化學(xué)方法共同作用的結(jié)果,且不同階段主導(dǎo)作用機(jī)制會(huì)發(fā)生交替性變化.在反應(yīng)初始階段,ZVI與 CAHs的生物毒性作用造成生物降解滯后,此時(shí)化學(xué)還原是污染物降解的主要途徑.[48-50],隨后微生物活性恢復(fù),將CAHs及其次級(jí)產(chǎn)物進(jìn)一步降解[25].如表2所示,ZVI-BIO對(duì)氯代烴的降解效率與速率優(yōu)于單一的微生物體系與 ZVI體系,同時(shí)原位污染場(chǎng)地實(shí)驗(yàn)表明,ZVI的注入刺激了原位微生物的生長(zhǎng)代謝,促進(jìn)了CAHs進(jìn)一步降解[36].但ZVI的注入改變了原有的脫氯路徑,Lampron等[46]研究表明,ZVI-BIO耦合體系中ZVI的加入造成了大量有毒中間體氯乙烯的積累;考慮到 CAHs的中間產(chǎn)物仍具有毒性作用,因此在實(shí)際應(yīng)用中,不僅需要考慮 CAHs的降解效率,同時(shí)也需要考慮中間產(chǎn)物的累積與最終降解產(chǎn)物的化學(xué)特性.相對(duì)于單一的ZVI體系,ZVI-BIO耦合體系對(duì) CAHs的還原更加完全,最終產(chǎn)物中存在更多乙烯、乙烷等非氯代化合物[52],相對(duì)于單一的微生物體系,ZVI-BIO耦合體系可以有效縮短 CAHs的降解時(shí)間.如表3所示,相關(guān)研究進(jìn)行了ZVI-BIO耦合體系修復(fù)氯代烴污染的場(chǎng)地實(shí)驗(yàn),將 ZVI原位注入污染場(chǎng)地刺激原位微生物的脫氯作用,以實(shí)現(xiàn)氯代烴的高效降解,結(jié)果表明,ZVI的加入有效的刺激了原位脫氯菌的生長(zhǎng),同時(shí)地下水中的氯代烴的降解率達(dá)到了90%以上[21,29].

表2 零價(jià)鐵與微生物耦合體系對(duì)氯代烴的去除效率Table 2 CAHs removal efficiency in the ZVI-BIO coupled system

表3 零價(jià)鐵與微生物耦合體系降解氯代烴的場(chǎng)地應(yīng)用Table 3 Field application cases of the ZVI-BIO coupled system to remediate CAHs pollution

2.2 耦合體系對(duì)重金屬的去除效能

2.2.1 耦合體系對(duì)重金屬的去除機(jī)制 在工礦業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)施肥和再生水回灌等過(guò)程中,許多重金屬（例如 Cu、Cr、Zn等）會(huì)隨地表徑流下滲進(jìn)入地下水中,造成地下水中重金屬含量超標(biāo),給自然環(huán)境與人體健康造成極大危害.重金屬的毒性不僅與其含量相關(guān),還受到其生物可利用性的影響.ZVI-BIO耦合系統(tǒng)可通過(guò)轉(zhuǎn)變重金屬的價(jià)態(tài)或形態(tài)來(lái)降低其生物可利用性,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)重金屬污染的修復(fù),將重金屬由毒性較大的價(jià)態(tài)轉(zhuǎn)化為低毒性的價(jià)態(tài)或以沉淀、共沉淀的形式將其固定以減少毒性、降低生物可利用性.如圖2所示,ZVI-BIO耦合體系對(duì)重金屬的去除機(jī)制主要包括:（1）ZVI及其腐蝕產(chǎn)生的二價(jià)鐵作為還原劑還原一些重金屬（例如 Cu（II）、Cr（VI）、Cd（II）、Pb（II）等）,并進(jìn)一步與水中游離的氫氧根結(jié)合形成難溶性的沉淀[26,34].（2）ZVI與水或氧反應(yīng)生成的氫氧根離子和鐵氧化物與重金屬結(jié)合形成低溶性或不溶性的沉淀[54-55].（3）微生物可以將ZVI的腐蝕產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為綠繡（Green rusts,GR）、磁鐵礦、針鐵礦等具有一定的吸附能力的活性物質(zhì),能夠吸附重金屬并將其包覆在ZVI表面的氧化膜中形成不溶性沉淀[26].（4）微生物（例如產(chǎn)甲烷菌、產(chǎn)乙酸菌、硫酸鹽還原菌（sulfate reducing bacteria,SBR）等）能夠以 H2作為電子供體將重金屬直接還原為低毒性的價(jià)態(tài),或者微生物的代謝產(chǎn)物（例如鐵還原菌（iron reducing bacteria,IRB）的還原產(chǎn)物二價(jià)鐵）也可將高價(jià)態(tài)的重金屬間接還原.同時(shí),一些特殊的微生物,例如SBR,可以將地下水中的硫酸鹽還原為H2S、HS-、S2-等陰離子,并與重金屬離子形成沉淀,此過(guò)程稱為生物還原沉淀.（5）微生物細(xì)胞內(nèi)的多肽、蛋白質(zhì)等能夠與重金屬離子相結(jié)合,進(jìn)而沉淀在細(xì)胞內(nèi)部或通過(guò)分泌胞外聚合物（extracellular polymeric substance,EPS）與重金屬螯合從而降低重金屬的毒性,此過(guò)程稱為生物吸附.

2.2.2 耦合體系中重金屬的去除效率與產(chǎn)物構(gòu)成ZVI與微生物的協(xié)同作用增強(qiáng)了ZVI-BIO體系對(duì)重金屬的去除率與去除速率,如表 4所示,耦合體系對(duì)重金屬的去除效率優(yōu)于單一微生物或 ZVI體系.湯潔等[56]研究了鐵屑與微生物協(xié)同條件下對(duì)鉻的去除作用,結(jié)果發(fā)現(xiàn)ZVI-BIO體系在18h內(nèi)對(duì)Cr（VI）的去除率達(dá)到了100%,單一微生物體系在18h內(nèi)對(duì)Cr（VI）的去除率為60%,30h內(nèi)去除率為77%,單一的ZVI體系在9h對(duì)Cr（VI）的去除率為22%,30h后仍然是28%左右,且ZVI-BIO耦合體系中二價(jià)鐵的含量高于 ZVI體系的二價(jià)鐵含量.另外,Yin等[33]研究發(fā)現(xiàn)ZVI-BIO耦合體系中,鐵活性礦物（例如綠繡、纖鐵礦等）含量明顯高于單一的 mZVI體系,耦合體系對(duì) Cr（VI）的去除效率是單一 ZVI體系的 4.3倍,且相較于單一 ZVI體系具有更長(zhǎng)的使用壽命;說(shuō)明微生物增強(qiáng)了ZVI的反應(yīng)活性,從而使ZVI-BIO體系更適用于重金屬的去除.ZVI與微生物之間的交互作用會(huì)引起鈍化物和微生物代謝活性的改變,因此造成 ZVI-BIO耦合體系中重金屬的最終含量與形態(tài)相較于單一體系存在差異.大量的研究表明,ZVI-BIO耦合體系對(duì)重金屬的去除產(chǎn)物的穩(wěn)定性高于單一體系[14,58-59].Li等[59]發(fā)現(xiàn)ZVI與SBR耦合體系中,SBR產(chǎn)生的硫化物會(huì)與重金屬結(jié)合形成難溶性沉淀或與鐵腐蝕產(chǎn)物形成硫化鐵沉淀,硫化鐵進(jìn)一步與重金屬螯合形成穩(wěn)定性更強(qiáng)的沉淀.方一莉等[60]研究表明ZVI-BIO協(xié)同體系中64%的高毒性、可生物利用的易溶態(tài)Cr（VI）轉(zhuǎn)變?yōu)殂t鐵氧化物和鉻鐵氫氧化物,隨后的鐵礦物轉(zhuǎn)化過(guò)程中嵌入晶相,從而以低毒害、難生物利用的難溶態(tài)沉淀穩(wěn)定在固相中.

表4 零價(jià)鐵與微生物耦合體系對(duì)重金屬的去除效率Table 4 Heavy metals removal efficiency in the ZVI-BIO coupled system

2.3 耦合體系對(duì)硝酸鹽的去除效能

2.3.1 耦合體系對(duì)硝酸鹽的去除機(jī)制 由于工業(yè)廢水、生活污水的排放以及農(nóng)業(yè)中含氮肥料的過(guò)量使用,導(dǎo)致地下水硝酸鹽濃度持續(xù)增加,使得眾多地區(qū)存在地下水硝酸鹽超標(biāo)的問(wèn)題;硝酸鹽在人體內(nèi)經(jīng)硝酸鹽還原酶作用生成亞硝酸鹽,亞硝酸鹽與多種癌癥有關(guān),并增加了嬰兒高鐵血紅蛋白血癥等疾病的風(fēng)險(xiǎn).ZVI-BIO耦合體系對(duì)硝酸鹽的轉(zhuǎn)化機(jī)制主要如下[61-62]:首先,ZVI對(duì)硝酸鹽的還原作用,具體可用式（1）～式（3）來(lái)描述,其中銨根（NH4+）為 ZVI的主要還原產(chǎn)物[31];其次,反硝化細(xì)菌通過(guò)一系列的還原酶將硝酸鹽（NO3-）和亞硝酸鹽（NO2-）還原為氣態(tài)氮氧化物和氮?dú)猓∟2）的過(guò)程,根據(jù)碳源的不同可分為自養(yǎng)反硝化和異養(yǎng)反硝化[2,63],其反應(yīng)式見(jiàn)式（5）～式（6）;另外,ZVI與水反應(yīng)生成氫氣可作為氫自養(yǎng)反硝化菌的電子供體,從而彌補(bǔ)了地下水中電子供體的不足[15],促進(jìn)了微生物的反硝化作用,其反應(yīng)見(jiàn)式（4）～式（5）.

2.3.2 耦合體系中硝酸鹽的去除效率與產(chǎn)物構(gòu)成 相關(guān)研究表明,在不存在電子供體的情況下,微生物幾乎不能還原硝酸鹽[64],這成為硝酸鹽污染生物修復(fù)的屏障.而ZVI能夠快速、高效地還原硝酸鹽,但ZVI去除硝酸鹽的主要產(chǎn)物為氨氮,容易造成二次污染同時(shí)會(huì)對(duì)微生物產(chǎn)生毒害作用[65].ZVIBIO耦合體系可在一定程度上緩解以上單一系統(tǒng)中存在的問(wèn)題.如表5所示,ZVI-BIO耦合體系對(duì)硝酸鹽的去除效率高于單一體系[15,64],在保證耦合體系去除效率的前提下,往往需要調(diào)控外在條件的改變以減少耦合體系中氨氮的產(chǎn)生.Till等[62]認(rèn)為耦合體系中存在生物與化學(xué)反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)競(jìng)爭(zhēng),ZVI的活性越高越不利于微生物反硝化的進(jìn)行,進(jìn)而造成大量氨氮的產(chǎn)生.ZVI-BIO耦合體系對(duì)硝酸鹽的去除存在適應(yīng)階段與對(duì)數(shù)階段[15],反應(yīng)初期的化學(xué)還原可能是 ZVI的生物毒性抑制了污染物的生物降解[63,66-67],或者是微生物的存在促進(jìn)了ZVI與水之間的反應(yīng),阻礙了ZVI與硝酸鹽之間的電子傳遞,從而減少了氨氮的生成[31].An等[66]研究了耦合系統(tǒng)對(duì)硝酸鹽的去除,結(jié)果發(fā)現(xiàn)在反應(yīng)前 4d,近 53%的硝酸鹽被去除,大部分被還原成氨氮,而這一時(shí)期生物量未見(jiàn)明顯的增加,表明非生物還原是這一時(shí)期硝酸鹽去除的主要機(jī)制,4d后生物量明顯增加,且在硝酸鹽去除過(guò)程中未見(jiàn)大量的氨氮生成,這可能是因?yàn)闅渥责B(yǎng)反硝化細(xì)菌吸附在 ZVI表面或改變ZVI表面的鈍化產(chǎn)物構(gòu)成阻礙了ZVI與硝酸鹽之間的電子轉(zhuǎn)移.

表5 零價(jià)鐵與微生物耦合體系對(duì)硝酸鹽的去除效率Table 5 Nitrate removal efficiency in the ZVI-BIO coupled system

2.4 耦合系統(tǒng)對(duì)污染物去除效率的影響因素

先前的研究表明,很多因素都會(huì)對(duì) ZVI-BIO體系的降解效率產(chǎn)生影響,例如污染物的類(lèi)型、ZVI的粒徑和濃度、微生物所需的碳源、pH值、溫度、地下水中共存的有機(jī)物和無(wú)機(jī)物等[69].關(guān)于影響ZVI-BIO耦合體系的降解效率的各個(gè)因素,此前已有論文詳細(xì)介紹了單個(gè)影響因子的影響規(guī)律[11,49],因此本文僅從材料本身與環(huán)境因素兩個(gè)方面進(jìn)行概要性總結(jié),并對(duì)此前未被提及的其他影響因素（例如微生物含量）進(jìn)行補(bǔ)充.

2.4.1 材料自身特性的影響 在 ZVI-BIO體系中,ZVI自身的參數(shù)特征和微生物的變化都會(huì)對(duì)該體系的降解效率起著關(guān)鍵性的作用.ZVI的粒徑和濃度是ZVI-BIO體系的重要影響因素.一方面,nZVI相對(duì)于 mZVI和顆粒鐵來(lái)說(shuō)比表面積較大,活性位點(diǎn)多,腐蝕速率高[10,70].另一方面,ZVI的粒徑越小,濃度越高,毒性越大[26,43]進(jìn)而影響耦合體系對(duì)污染物的降解效率[71].Kumar等[72]研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)nZVI的濃度高于0.5g/L時(shí),SBR的活性受到了抑制.Yin等[43]研究表明當(dāng)ZVI的濃度在1～3mg/L時(shí),隨著ZVI濃度的增加,耦合系統(tǒng)的去除效率逐漸增加.因此,選擇合適的ZVI粒徑與濃度會(huì)提高ZVI-BIO體系對(duì)污染物的去除效率.

微生物的濃度（生物量）也會(huì)對(duì)ZVI-BIO耦合系統(tǒng)產(chǎn)生一定的影響.一方面,生物量的大小影響微生物對(duì)污染物吸附的能力[27];另一方面,生物量的增多會(huì)增強(qiáng)微生物對(duì)污染物的還原去除作用,但是過(guò)多的微生物可能會(huì)吸附在 ZVI表面,從而阻礙了污染物與ZVI之間的電子傳遞,減少ZVI表面的活性位點(diǎn)[15].An等[66]研究表明在OD422為0.009～0.026時(shí)生物量的增加會(huì)使反硝化細(xì)菌對(duì)硝酸鹽的競(jìng)爭(zhēng)增強(qiáng)從而減少了氨氮的生成,但生物量過(guò)多會(huì)受限于電子供體的不足而減慢微生物的生長(zhǎng).

2.4.2 環(huán)境因子的影響 對(duì) ZVI-BIO體系可產(chǎn)生影響的環(huán)境因子主要包括pH值、DO、溫度、有機(jī)物、無(wú)機(jī)物等,其影響主要體現(xiàn)在幾個(gè)方面:（1）影響微生物的生長(zhǎng)與繁殖,pH值、溫度是影響微生物活性的重要因素,過(guò)高或過(guò)低的溫度、pH值都不利于微生物的生長(zhǎng)與繁殖,進(jìn)而影響微生物對(duì)污染物的降解效率[43,73].Yin等[43]研究表明,當(dāng)ZVI-BIO耦合系統(tǒng)的pH值從6降到5時(shí)污染物的去除率隨之降低,這可能是較低的 pH 值抑制了微生物的活性.而地下水中部分有機(jī)物的存在,例如腐殖酸、富里酸等能夠?yàn)槲⑸锏纳L(zhǎng)提供碳源與電子供體從而促進(jìn)微生物對(duì)污染物的去除.（2）影響 ZVI的腐蝕程度與活性位點(diǎn).例如,有機(jī)物、無(wú)機(jī)物能吸附在 ZVI表面從而阻礙其與污染物之間的電子傳遞,或與 ZVI腐蝕產(chǎn)物結(jié)合改變其構(gòu)成從而影響修復(fù)效率.此外,研究發(fā)現(xiàn)腐殖酸能夠與ZVI腐蝕產(chǎn)物發(fā)生螯合作用形成復(fù)雜的產(chǎn)物從而阻礙ZVI與目標(biāo)污染物的反應(yīng),降低污染物去除效率.高濃度的硝酸鹽會(huì)與氧化鐵絡(luò)合形成鈍化層阻礙污染物與ZVI之間的電子傳遞,從而影響污染物的降解效率[49,74].地下水并不是嚴(yán)格的厭氧環(huán)境,溶解氧的存在可能會(huì)加速 ZVI的腐蝕從而影響污染物的非生物降解,同時(shí),在耦合體系中,溶解氧作為微生物的電子供體可以被微生物迅速利用,從而減緩了DO對(duì)零價(jià)鐵腐蝕的影響[43].（3）與目標(biāo)污染物競(jìng)爭(zhēng)電子供體.地下水中存在許多其它電子受體,例如硝酸鹽、硫酸鹽、碳酸鹽等,會(huì)與污染物競(jìng)爭(zhēng)電子供體,從而影響目標(biāo)污染物的降解效率.Barnes等[47]發(fā)現(xiàn)在濃度為1200mg/L的硫酸鹽存在時(shí),硫酸鹽還原菌利用電子供體的能力強(qiáng)于脫氯菌,從而會(huì)優(yōu)先降解硫酸鹽,從而降低污染物的去除效率.

3 零價(jià)鐵與微生物耦合體系的內(nèi)在交互作用機(jī)制

ZVI-BIO耦合體系對(duì)于污染物的降解效率普遍高于單一的微生物系統(tǒng)和 ZVI系統(tǒng),但是耦合體系的去除效率并不是簡(jiǎn)單的疊加關(guān)系,而是相互作用的結(jié)果[8].ZVI與微生物之間的交互作用能夠有效的解決ZVI表面鈍化層和微生物缺少電子供體的問(wèn)題,但同時(shí)也會(huì)以某些方式彼此抑制.因此,了解 ZVI與微生物之間的交互作用機(jī)制有助于準(zhǔn)確評(píng)價(jià)ZVI-BIO系統(tǒng)在實(shí)際過(guò)程中的可行性.ZVI與微生物的交互作用如圖3所示.

圖3 零價(jià)鐵與微生物之間的交互作用Fig.3 Interaction between zero-valent iron and microorganisms

3.1 零價(jià)鐵對(duì)微生物作用的促進(jìn)機(jī)制

3.1.1 零價(jià)鐵改變了水化學(xué)條件 ZVI-BIO耦合系統(tǒng)中ZVI可以通過(guò)改變pH值、ORP等水化學(xué)條件從而為微生物提供更有利的環(huán)境來(lái)增強(qiáng)微生物自身的生長(zhǎng)活性以及群落多樣性[14,47].Zhang等[14]對(duì)比了單一微生物系統(tǒng)與ZVI-BIO系統(tǒng)中ORP的變化,ZVI的存在消耗了水中的DO、降低了水中的ORP,從而為 SBR生長(zhǎng)和硫酸鹽還原活性的增強(qiáng)創(chuàng)造了更有利的厭氧環(huán)境.

3.1.2 零價(jià)鐵為微生物提供電子供體 ZVI可通過(guò)直接或間接的方式為微生物提供電子供體以促進(jìn)微生物對(duì)污染物的降解.首先,ZVI可以為微生物提供電子供體從而促進(jìn)微生物的生長(zhǎng)與繁殖[47,75-76].1987年首次證明了 ZVI在微生物利用二氧化碳產(chǎn)甲烷的過(guò)程中可作為微生物的電子供體[77].其次,ZVI可以與水反應(yīng)產(chǎn)生 H2供微生物利用[66,78],1998年Till等[62]通過(guò)自制連頸瓶實(shí)驗(yàn)證明了ZVI產(chǎn)生的H2可以作為氫自養(yǎng)反硝化菌的電子供體來(lái)促進(jìn)反硝化菌對(duì)硝酸鹽的去除.但是ZVI腐蝕產(chǎn)生H2的量可能會(huì)影響微生物的群落結(jié)構(gòu),這是因?yàn)椴煌奈⑸镉胁煌臍溟撝?當(dāng)ZVI的濃度為1g/L時(shí),雖然抑制了脫氯菌的生長(zhǎng)但是卻大大促進(jìn)了產(chǎn)甲烷菌的生長(zhǎng),可能是由于ZVI腐蝕產(chǎn)生了大量的H2達(dá)到了產(chǎn)甲烷菌的氫閾值,從而更適合產(chǎn)甲烷菌的生長(zhǎng).此外,ZVI腐蝕產(chǎn)生的Fe2+也可以作為微生物的電子供體,研究表明,Fe2+與微生物的耦合體系在 14d內(nèi)可將 80%的硝酸鹽還原,而單一的 Fe2+系統(tǒng)并沒(méi)有觀察到硝酸鹽的還原,表明 Fe2+可以作為微生物還原硝酸鹽的電子供體[64].

3.1.3 零價(jià)鐵降低了污染物的生物毒性 地下水中污染物大多數(shù)會(huì)對(duì)微生物產(chǎn)生很大的毒害作用,在ZVI-BIO耦合體系中,通過(guò)ZVI對(duì)污染物的化學(xué)還原可以快速去除一部分污染物,從而降低污染物對(duì)微生物的毒性作用,縮短微生物的適應(yīng)期以強(qiáng)化微生物對(duì)污染物的降解作用;另外,ZVI腐蝕產(chǎn)生Fe2+、鐵氧化物也可以通過(guò)絮凝、沉淀、還原的作用去除污染物從而減輕污染物對(duì)微生物的毒害作用[79].

3.2 零價(jià)鐵對(duì)微生物作用的抑制機(jī)制

ZVI對(duì)微生物的不利影響主要是源于其對(duì)微生物的細(xì)胞毒害作用.ZVI與微生物直接接觸會(huì)破壞微生物細(xì)胞膜結(jié)構(gòu),使細(xì)胞膜通透性增加,外部離子進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)造成 DNA和蛋白質(zhì)的損害[80-82];同時(shí)ZVI的加入生成的內(nèi)源性活性氧引起細(xì)胞的氧化應(yīng)激反應(yīng),使細(xì)胞蛋白質(zhì)和核酸變性后造成細(xì)胞失活[83].相關(guān)研究采用掃描電鏡和透射電鏡對(duì)細(xì)胞形態(tài)進(jìn)行分析,結(jié)果表明經(jīng)過(guò)nZVI處理的微生物細(xì)胞表面黏附的大量表面粗糙多孔的 ZVI顆粒,且細(xì)胞分裂明顯,說(shuō)明 ZVI破壞了細(xì)胞膜結(jié)構(gòu),從而導(dǎo)致細(xì)胞失活[80].但是,ZVI對(duì)微生物的抑制作用是階段性的,在耦合體系中,前期因?yàn)?ZVI的毒性作用會(huì)抑制微生物的生長(zhǎng),但隨著ZVI逐漸鈍化在ZVI表面形成鈍化膜,其生物毒性逐漸減弱后微生物可以恢復(fù)其活性[63].

3.3 微生物對(duì)零價(jià)鐵作用的促進(jìn)機(jī)制

ZVI表面腐蝕產(chǎn)物的產(chǎn)生是影響ZVI活性的關(guān)鍵原因,腐蝕產(chǎn)物的產(chǎn)生會(huì)影響 ZVI與污染物之間的電子轉(zhuǎn)移,從而影響ZVI的反應(yīng)活性.在ZVI-BIO系統(tǒng)中,一些微生物的存在能夠清除 ZVI表面的腐蝕產(chǎn)物恢復(fù)零價(jià)鐵的活性中心[13,84],進(jìn)而提高了耦合系統(tǒng)對(duì)污染物的降解效率,延長(zhǎng) ZVI的使用壽命[84].Gerlach等[85]研究表明,鐵還原菌能夠?qū)?ZVI表面的 Fe3+還原為Fe2+,破壞 ZVI表面的鈍化層,提供了更多的活性位點(diǎn)促進(jìn) ZVI對(duì)污染物的降解,其還原產(chǎn)物 Fe2+能夠進(jìn)一步用于污染物的降解[84].此外,微生物可以改變 ZVI表面鈍化產(chǎn)物的構(gòu)成,誘導(dǎo)ZVI腐蝕產(chǎn)生高活性礦物（例如綠繡、纖鐵礦、磁鐵礦等）來(lái)吸附降解污染物[86],據(jù)報(bào)道,綠繡中含有75%的 Fe2+化合物,且比其溶解性的 Fe2+更具反應(yīng)性[45].Yin等[26]研究表明ZVI-BIO體系中ZVI表面產(chǎn)生了活性較高的礦物質(zhì),這些物質(zhì)能夠吸附并還原Cr（VI）,同時(shí)提高了污染物與 ZVI之間的電子傳遞.最后,在微生物新陳代謝過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的酸性物質(zhì)降低體系的pH值,使ZVI表面氧化膜溶解,從而恢復(fù)ZVI的反應(yīng)活性.

3.4 微生物對(duì)零價(jià)鐵作用的抑制機(jī)制

微生物對(duì)ZVI的抑制作用主要是微生物阻礙了ZVI與污染物之間的電子轉(zhuǎn)移.首先,在ZVI-BIO耦合體系中,微生物吸附在ZVI表面減少了ZVI表面的活性位點(diǎn),阻礙了污染物與 ZVI之間的電子轉(zhuǎn)移[13].其次,一些微生物的存在可能會(huì)加劇ZVI表面的鈍化,改變ZVI表面鈍化產(chǎn)物的構(gòu)成,誘導(dǎo)ZVI腐蝕產(chǎn)生非晶態(tài)鐵氧化物,從而影響 ZVI與污染物之間的電子傳遞[26,63,74],降低 ZVI的反應(yīng)活性.Honetschl?gerová等[13]研究了IRB對(duì)nZVI去除TCE的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn)在 ZVI-BIO耦合體系中產(chǎn)生了低溶性或不溶性的FeOOH阻礙了污染物與ZVI之間的電子轉(zhuǎn)移,降低了ZVI對(duì)TCE的去除率.An等[63]研究表明單一 ZVI系統(tǒng),鈍化產(chǎn)物主要由 Fe3O4和Fe2O3組成,而在微生物的存在下,其鈍化產(chǎn)物轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷B(tài)的 FeOOH,鈍化產(chǎn)物的改變影響了硝酸鹽與 ZVI之間的電子轉(zhuǎn)移,從而抑制了硝酸鹽的化學(xué)還原.

4 結(jié)語(yǔ)

雖然 ZVI-BIO耦合技術(shù)在地下水修復(fù)方面具有很大的潛力,但仍存在一些問(wèn)題與挑戰(zhàn)需要進(jìn)一步研究.

（1）大多數(shù)研究表明ZVI的粒徑、濃度、含量等特征參數(shù)可以影響 ZVI-BIO耦合系統(tǒng)的降解效率,但是關(guān)于如何通過(guò)調(diào)控注入ZVI的相關(guān)參數(shù)來(lái)定向激發(fā)原位生物過(guò)程的研究尚少,因此,今后研究中應(yīng)加強(qiáng)通過(guò)調(diào)控注入 ZVI的特征參數(shù)（粒徑、濃度、含量、修飾與改性）來(lái)定向優(yōu)化ZVI-BIO耦合系統(tǒng)修復(fù)效率的相關(guān)研究.

（2）地下水系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的環(huán)境,往往存在著多種有機(jī)或無(wú)機(jī)組分,其中某些共存的電子受體（例如硝酸鹽、硫酸鹽等）會(huì)與污染物競(jìng)爭(zhēng)電子,從而影響污染物的去除效率,因此,在研究中需要關(guān)注這些共存電子受體對(duì)目標(biāo)污染物的電子競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題,以期提高耦合系統(tǒng)的去除效率.

（3）ZVI-BIO耦合體系對(duì)污染物的去除效能不是生物-非生物作用的簡(jiǎn)單疊加,而是相互影響的結(jié)果.但是目前針對(duì)耦合體系強(qiáng)化去除污染物的內(nèi)在機(jī)制尚未形成統(tǒng)一的認(rèn)識(shí).為了從微觀上闡釋耦合體系強(qiáng)化修復(fù)的內(nèi)在原理和從理論上指導(dǎo)耦合體系的自驅(qū)動(dòng)激發(fā)過(guò)程,需要精確診斷和深入解析地下含水層中ZVI和微生物之間交互驅(qū)動(dòng)的關(guān)鍵作用過(guò)程.

（4）目前,在針對(duì)ZVI-BIO耦合體系修復(fù)效果進(jìn)行評(píng)估和優(yōu)化時(shí),多是以污染物的去除效率與去除速率作為關(guān)鍵指標(biāo),而忽略了該環(huán)境下可能產(chǎn)生的所有產(chǎn)物構(gòu)成及其引發(fā)的環(huán)境效應(yīng).因此,在研究中需要關(guān)注不同條件下耦合體系對(duì)污染物去除的產(chǎn)物差異以及產(chǎn)物的環(huán)境效應(yīng).