研究背景
铬在不锈钢、电镀、皮革鞣制、纺织等工业中被广泛使用，但其中的六价铬 (六价铬，Cr (VI)) 因易溶、迁移性强且具有致癌性而成为重要的水体和土壤污染物。传统的物理化学处理方法 (如反渗透、活性炭吸附、电凝等) 在去除效率或经济性上存在局限，并可能产生二次污染或耗能高。近年来，基于生物质或微生物的生物吸附与生物修复策略逐渐成为研究热点，利用农业废弃物、海藻、微藻、细菌、真菌等作为吸附剂或降解剂，表现出成本低、能耗小和回收金属的潜力。本文的研究目的在于系统梳理现代生物学方法 (包括生物吸附、根际修复、植物修复、真菌与细菌修复等) 在废水中去除铬、特别是六价铬方面的研究进展、工作机制及其应用前景与限制。
图1. 将重金属 (铬) 释放到土壤和水系统的各种方法。
研究内容
本研究首先比较了传统物化方法与生物法的优劣。文章指出，活性炭等常规吸附剂虽有良好去除效果，但制备与运行成本高；例如文献中提到的活性炭柱对铬的去除率按特定条件报道为6.84 mg/g的去除量，同时制备费用较高。因此，研究重心转向来源广泛且廉价的生物质和废弃物作为生物吸附剂。生物吸附的主要机理包括离子交换、络合、表面吸附、电静作用、螯合作用与微沉淀等，且可同时伴随微生物介导的还原 (将Cr (VI) 还原为毒性较低的Cr (III))。生物吸附既可使用活体也可使用非活体生物质，操作模式可为间歇、定量补料或连续流动，且在pH、温度、离子强度等条件下表现出不同灵敏性。
在植物-微生物耦合与根际修复方面，综述阐述了根系与根际微生物协同作用的机制：植物根系分泌有机酸、质子和螯合剂，提高金属生物可及性并促进微生物代谢，从而实现重金属的溶出、络合或转化。文中列举了多项实证案例，例如玉米在含Cr (VI) 800–3000 ppm条件下与链霉菌属协同可用于修复；香根草与蜡样芽孢杆菌在100 µg/mL Cr (VI) 条件下表现出利于植物生长和铬缓解的特性。植物修复包含富集、根系过滤、稳定化、降解与挥发化等途径，且不同植物/微生物组合在铬的截留与转运上有不同侧重。
图2. 根际修复过程，其中根际微生物帮助植物在含铬土壤中生长和存活，并通过产生有机酸和质子等成分将不溶性铬转化为可溶性铬。
微生物 (细菌、真菌、藻类) 作为独立或辅助手段在铬去除中同样显示出显著潜力。文献汇总了大量微生物吸附/还原实例：细菌方面，北里念球菌属 (来源于皮革废水) 在2 mg/L初始铬浓度下报告99%去除，芽孢杆菌属CRB-1在50 mg/L条件下24小时可实现100%去除；另外一些嗜碱或耐盐菌株在更高浓度或复杂工业废水中也表现出良好降解或还原能力。藻类方面，如褐藻马尾藻属对1000 mg/L的Cr (VI) 在短时 (约3.5小时) 内报道去除率可达约92.9%，微藻如眼球小绿藻亦显示出较高的吸附容量。真菌方面，平菇在150 mg/L铬条件下被报告可实现100%去除 (需较长处理时间，约360小时)，真菌细胞壁上由手性基团、氨基、羟基和磷酸基等功能基团共同承担金属结合作用。综述还详细讨论了微生物内外部的具体分子机制：包括胞外生物还原、胞内富集与隔离、金属结合的半胱氨酸富含肽类 (如金属硫蛋白)、谷胱甘肽与植物肽铬清等，以及胞外聚合物在表面吸附与络合中的作用。
在经济性与商业化方面,文中列举了若干已开发的生物吸附产品 (例如以微藻或其他生物质为基础的若干商业样品)，但同时指出多数生物吸附体系仍停留在实验室或中试阶段，长期盈利性与放大可行性受限于吸附剂的再生/解吸、使用周期、废料处理与回收工艺。针对废弃吸附剂的最终处置，文中讨论了焚烧回收金属、经解吸后填埋或作为土壤改良剂等多种路径，并强调必须防止二次污染。
图3. 生物吸附的优势及其对生态系统的二次影响。
同时，文章提出若干发展方向，包括通过微生物分子改造与耐受菌株筛选提高吸附/还原能力、将微生物固定化以改善物理化学稳定性与重复利用性、以及将微藻修复与增值产品 (如生物燃料、饲料添加剂或生物活性物质) 结合以改善经济性。
研究总结
综上，该综述认为以生物为基础的铬治理路线在环境友好性和成本潜力上具有明显优势，尤其是生物吸附结合微生物还原能够同时实现铬去除与毒性减轻。从整体来看，不同策略各有侧重：根际修复与植物修复适用于就地治理与土壤/浅层水体修复，微生物与藻类吸附可用于废水处理及高效去除，真菌生物质在高负荷体系中表现稳定。然而，若干关键问题仍待解决，包括体系放大后的稳定性与可重复利用、吸附剂的再生与最终处置、在复杂工业废水中多污染物干扰下的选择性和效率，以及商业化运行的成本收益分析。未来研究应在深入理解分子机制与工艺参数的基础上，推进菌株改良、吸附剂固定化与耦合资源化利用，以提高技术的实用性与经济可行性。总体而言，生物基铬治理路线为实现低成本、低二次污染的铬污染控制提供了可行方向，但需更多中试与示范工程以验证工程化路径。
阅读英文原文：https://www.mdpi.com/3026042
JoX 期刊介绍
主编：François Gagné, Environment and Climate Change Canada, Canada
期刊主题涵盖异型生物质毒素、异型生物质药理学、环境有害异物、内分泌干扰物、氧化应激、抗生素、生物标记物、纳米粒子、塑料微粒、农药、除草剂。期刊现已被 Scopus, ESCI (Web of Science), PubMed 等数据库收录。
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