利用生物电化学进行生态修复的研究进展

导读：文章综述了生物电化学在生态修复方面的应用及研究进展，介绍了其在盐碱地的修复、环境中抗生素及石油污染物降解、清洁能源产生等方面的应用情况，展望了生物电化学在未来生物传感器等方面的发展前景。

背景

生态修复是指采取生态工程或生物技术手段使受损生态系统恢复到原来或与原来相近的结构和功能状态。生物电化学以生物体系研究及其控制和应用为目的，融合了生物学、电化学和化学等多门学科交叉形成的一门新兴的学科，主要利用微生物催化氧化有机污染物以达到修复生态的目的。生态修复作为生物电化学的一个重要应用领域，受到人们越来越多的重视，而生物电化学正是基于当前的环保需求逐步成为研究热点。生物电化学运用于生态修复可以使受污染的水体和土壤在得到治理的同时产生可观的生物能，为同时解决能源危机和生态修复提供可能。本研究介绍了生物电化学生态修复的几个典型研究领域，包括盐碱地的修复、环境残留药物去除、石油污染物的降解、降解污染物同时回收化学能等，总结了生物电化学技术在各个应用领域中的修复效果，为未来人类用新技术解决能源和环境危机等问题提供一定的思路。

1生物电化学用于盐碱地的修复

我国北方干旱、半干旱地区降水量小、蒸发量大，溶解在水中的盐分容易在土壤表层积聚，形成盐碱地，盐碱化土壤已经成为当今世界最难解决的土地退化问题。目前世界范围内盐碱地总面积约8.31×109hm2，我国现有盐碱地面积也已经达到了1x108hm2，严重制约了我国的农业发展和生态环境的改善，造成了可耕种土地资源的严重浪费，盐碱地的综合治理已经成为实现土地资源可持续利用的当务之急。

产电微生物脱盐电池技术（MDCs）是一项新发展起来的盐碱地脱盐技术，该技术可以将土壤有机物中蕴藏的化学能直接转化为更清洁、附加值更高的电能，同时对高含盐地下水或濒海海水进行脱盐处理，为盐碱地的修复提供一条新途径。相比于传统脱盐技术高能耗的特点，MDCs具有明显的节能效益，其原理是通过在微生物燃料电池阴阳极中间加入一对阴阳离子交换膜，利用微生物氧化有机物产生的电能去除含盐水中的盐分，促进有机物降解，使其更有利于后续的土地资源化利用。

现有的利用MDCs进行生态修复的研究中，有学者采用生物阴极作为MDCs的阴极体系开展实验，但是相关研究对于阴极启动运行过程中电极的电化学交流阻抗特征和极化行为的分析还存在不足，有待进一步深入研究。土地资源化利用的一个重要方向是改良退化土壤，国内外的大量研究表明，可以通过施用污泥有效改善土壤的物理、化学、生物性质以达到改良退化土壤的目的，利用污泥改良土壤后，土壤中可溶性盐的含量明显增加，且污泥中的重金属也会进入土壤。利用MDCs进行土壤脱盐，可能使污泥中的重金属浓缩，这不利于后续的土地利用，因此利用MDCs修复污泥改良土壤的可行性还需进一步探讨。由于盐碱化土壤含水率低，pH和碱化度高，理化性质恶劣，若直接利用脱水污泥或MDCs阳极处理后的污泥进行盐碱化土壤改良，则需对改良后土壤盐碱化特征参数、土壤养分性质、生物性质的改良效果及MDCs运行条件对以上参数的影响进行分析，而目前关于此方面的研究较少，未来应加强对以上几方面的深入分析，同时关于重金属在施用污泥后的盐碱化土壤和植物间迁移转化规律还有待于进一步研究。

2生物电化学用于环境中抗生素的降解

自1999年美国环境保护总署提出了药品和个人护理品的概念后，抗生素被作为一种特殊的污染物引入人们的视野。抗生素除了能在环境中富集外，还具有毒理学效应和抗性基因的问题。抗生素在使用过程中诱导微生物产生抗药性，具有抗药性的微生物对环境和人体健康存在潜在威胁。目前已有研究者将抗生素抗性基因（ARGs）定义为一种新的污染物。IGBINOSA等研究发现，南非两污水处理厂进出水均有青霉素、苯唑西林、阿莫西林和万古霉素等抗生素检出，长时间的抗生素污染使废水中的微生物具有一定抗药性，因此污水处理厂是抗性基因的潜在污染源。THEVENON等研究发现，接收污水处理厂出水的日内瓦湖沉积物中检出青霉素、链霉素、四环素类、氯霉素和万古霉素等抗性基因。由于我国长期大量使用抗生素，国内不同水域中不断有抗性基因检出。

环境中抗生素来源是多方面的，生活污水、医疗废水、畜牧养殖过程中的抗生素只有15％（质量分数，下同）可被吸收利用，约85％的抗生素未被代谢直接排放至生态环境中。全球不同地区污水处理厂进出水中抗生素的污染现状统计见表1。

由表1可见，由于用药习惯及污水处理工艺不同，全球各地抗生素的检出及处理情况也各不相同。总体而言，污水处理厂的出水中仍含有一定的抗生素排入自然水体，未经去除的抗生素通过水循环最终扩散到地表水、地下水或沉积物中，使生态环境遭到破坏。对全球不同国家地表水、地下水、沉积物中抗生素污染现状进行统计，结果分别见表2、表3、表4。

生物电化学系统因具有较高的去除效率、较低运行成本和环境可持续性等优点为抗生素的降解提供了技术支持，目前该技术已逐渐应运于抗生素废水的处理和受污染土壤的治理中。WEN等利用微生物燃料电池（MFCs）处理含有盘尼西林废水，结果表明将1g/L葡萄糖与50mg/L盘尼西林混合，24h后MFCs对盘尼西林的降解率可达98％；KONG等研究发现低温下运用生物阴极降解氯霉素，氯霉素降解效果明显高于其他阴极的电解体系。

抗生素类药物引起的微生物抗药性和抗性基因问题已引起了人们的广泛关注，我国相关研究工作起步较晚，正处于快速发展阶段，其研究深度和广度还有待深入。未来我国要系统调查抗生素的污染现状，加强抗生素的生态毒理学研究，重点关注抗性基因污染现状，并研发新型生物化学技术解决此类环境隐患。

延伸阅读：

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