納米硫鐵的生物合成及其強(qiáng)化電子傳遞和污染物去除的研究進(jìn)展

陳雪茹，吳夏芫，陳子璇，崔 衍，潘正勇，白佳瑩，周 俊，雍曉雨，謝欣欣，賈紅華，韋 萍

(南京工業(yè)大學(xué) 生物與制藥工程學(xué)院 生物能源研究所，江蘇 南京 211800)

納米硫鐵是一種新型的納米材料，粒徑在100 nm以內(nèi)，具有催化[1-2]、吸附[3]、導(dǎo)電[4]等性能，作為光催化材料、吸附劑、電極材料等被廣泛應(yīng)用于能源[5]、環(huán)保[6]等領(lǐng)域。一些催化活性強(qiáng)的納米貴金屬，如納米金、納米銀等，已被證實(shí)對(duì)細(xì)胞具有毒害作用[7-8]，生物相容性較差且易對(duì)環(huán)境產(chǎn)生危害。而納米硫鐵無毒[9-10]，在環(huán)境中天然存在，具有很好的生物相容性[11]。在缺氧環(huán)境中，鐵還原菌和硫酸鹽還原菌(sulfate-reducing bacteria，SRB)等微生物通過代謝作用將硫鐵礦還原成納米硫鐵，這些納米硫鐵的存在促進(jìn)了自然界中的氧化還原反應(yīng)，有助于地下水中的污染物去除[12]。近年來，科學(xué)家們也將納米硫鐵應(yīng)用于環(huán)境修復(fù)，在污染物去除方面獲得了較好的效果[13]。

目前，人工合成納米硫鐵的方法主要有物理法[14-15]、化學(xué)法[16]和生物法[17]。物理法主要有高能機(jī)械研磨法，將Fe與S或FeS2與Fe的混合粉末機(jī)械研磨10 h左右或更長的時(shí)間可制得FeS納米粉末[18-19]；化學(xué)法主要有水熱合成法、共沉淀法等，其原理是在加熱或有沉淀劑存在的條件下，F(xiàn)e2+和S2-可在溶液中反應(yīng)生成FeS[20-21]?；瘜W(xué)法合成納米硫鐵產(chǎn)量少，成本高，所得產(chǎn)物形狀不規(guī)則且容易聚集；生物法利用微生物的代謝過程合成納米硫鐵，操作簡(jiǎn)單，成本低廉，合成條件溫和，所得納米硫鐵分散性良好，可均勻附著在微生物表面，近年來已被廣泛研究[17]。根據(jù)已有報(bào)道，生物合成的納米硫鐵主要成分為FeS[6,22]。FeS普遍存在于自然水體、沉積物和土壤等缺氧環(huán)境中，可作為某些微生物生長的能源，加強(qiáng)微生物代謝[23]。FeS同時(shí)含有Fe(II)和S(-II)兩種還原成分，因此納米FeS具有很強(qiáng)的還原活性、催化活性和吸附性能，其與微生物協(xié)同可對(duì)鹵代有機(jī)污染物進(jìn)行高效脫鹵降解[17]。另外，納米FeS因其金屬和半導(dǎo)體屬性還具有優(yōu)良的導(dǎo)電能力和電催化活性[24]，對(duì)于電子傳遞的促進(jìn)作用也引起了廣泛關(guān)注。

本文中，筆者對(duì)近年來有關(guān)生物合成納米硫鐵以及生物納米硫鐵對(duì)電子傳遞的促進(jìn)作用和其用于強(qiáng)化污染物去除的研究現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)，旨在為生物納米硫鐵的應(yīng)用發(fā)展提供參考。

1 生物合成納米硫鐵

1.1 合成納米硫鐵的微生物及影響因素

表1 微生物合成納米硫鐵的相關(guān)條件

微生物合成納米硫鐵受微生物生長階段、溫度、pH、反應(yīng)時(shí)間、有機(jī)碳源、反應(yīng)前驅(qū)物等的影響，合成的納米硫鐵有一定差別。微生物的生長階段決定著納米硫鐵的合成效率，穩(wěn)定期的微生物含量豐富且生物活性高，通常選擇這個(gè)階段的微生物進(jìn)行合成[32-33]。微生物合成納米硫鐵在室溫下即可進(jìn)行，大多數(shù)研究中，微生物合成納米硫鐵的溫度控制在30～37 ℃[26,34]。pH對(duì)微生物的生長以及納米硫鐵的合成都起著重要作用[35]。除了嗜酸菌，大多數(shù)微生物適宜在中性環(huán)境下生存，通常實(shí)驗(yàn)中會(huì)添加緩沖劑，如磷酸鹽[36]、檸檬酸鹽[27]、1,4-哌嗪二乙磺酸[17]等，維持反應(yīng)體系的pH在7.0左右，為微生物提供良好的生存環(huán)境。Zhou等[25]研究了SRB在pH 6.5～8.6范圍內(nèi)對(duì)合成納米硫鐵的影響，發(fā)現(xiàn)初始pH越低，所得納米硫鐵顆粒越大；實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)即使反應(yīng)初始pH不同，實(shí)驗(yàn)過程中體系的pH也會(huì)逐漸趨向于中性。Kim等[28]成功從pH 為5.2的酸性礦山廢水中篩選出地桿菌和SRB，并利用廢水中的鐵元素和硫酸鹽原位合成納米硫鐵，達(dá)到處理廢水的目的。微生物合成納米硫鐵的時(shí)間從幾小時(shí)到幾天不等，合成速率與微生物種類及前驅(qū)物濃度等有關(guān)，具體時(shí)間需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)過程來判斷。反應(yīng)時(shí)間過短，微生物以及前驅(qū)物無法完全利用，雖然可得到較小粒徑的納米硫鐵，但所得量較少；反應(yīng)時(shí)間過長，納米顆粒聚集，粒徑增大，影響納米硫鐵的性能[25]。此外，電子供體即有機(jī)碳源的種類也會(huì)影響納米硫鐵的合成。Zhou等[27]分別以乳酸鹽和丙酮酸鹽作為電子供體，研究其對(duì)SRB合成納米硫鐵的影響，結(jié)果表明：當(dāng)丙酮酸鹽作為電子供體時(shí)，合成納米硫鐵所用時(shí)間縮短且所得納米微晶粒徑更小。前驅(qū)物中鐵源和硫源的比例也會(huì)影響生成物種類。鐵源過量，在以磷酸鹽為緩沖液的體系中，會(huì)生成Fe3(PO4)2；硫源過量，多余的S2-會(huì)和FeS反應(yīng)生成Fe3S4[25]。此外，鐵硫比還會(huì)影響生成納米硫鐵的粒徑，在鐵源濃度固定時(shí)，硫源濃度越高，所得納米硫鐵粒徑越大，當(dāng)硫源濃度僅為鐵源濃度一半時(shí)，無法生成納米硫鐵[37]。

1.2 微生物利用污染物合成納米硫鐵

生物納米硫鐵的合成一般須額外投加鐵源和硫源作為前驅(qū)物。近來，研究人員發(fā)現(xiàn)微生物可以直接利用污染物中的鐵和硫作為前驅(qū)物合成納米硫鐵，同時(shí)促進(jìn)污染物降解。Xiao等[26]在萘酚綠B(NGB)中接種S.OneidensisMR-1，利用從NGB中生物還原釋放的Fe2+離子和投加的硫代硫酸鹽還原進(jìn)行納米硫鐵原位合成，NGB得到有效降解，此研究對(duì)建立金屬絡(luò)合染料持續(xù)生物合成納米硫鐵的工藝有一定的啟發(fā)。之后，Cheng等[31]用一種海洋細(xì)菌Pseudoalteromonassp. CF10-13降解NGB，分別以NGB上的鐵和磺酸基作為鐵源和硫源合成納米硫鐵，結(jié)果表明：NGB中高毒性的萘磺酸基團(tuán)降解為了低毒性的苯甲酰胺，該實(shí)驗(yàn)成功地僅以污染物作為前驅(qū)物實(shí)現(xiàn)了納米硫鐵的合成。利用污染物為前驅(qū)物生物合成納米硫鐵的研究已經(jīng)開展，但更深層次的研究，比如合成機(jī)制、合成策略調(diào)控、合成后生物納米硫鐵的分離及應(yīng)用等還需進(jìn)一步探討。

1.3 納米硫鐵的生物合成機(jī)制

微生物通過自身代謝活動(dòng)合成納米硫鐵，這一過程精密而復(fù)雜，涉及微生物的酶、蛋白質(zhì)、胞外物質(zhì)以及氧化還原介體等。不同微生物合成納米硫鐵的機(jī)制不同，但主要步驟相似，微生物首先將反應(yīng)前驅(qū)物中的鐵源和硫源還原成Fe2+和S2-，隨后Fe2+和S2-反應(yīng)成核，進(jìn)一步結(jié)晶形成納米硫鐵。

生物合成納米硫鐵的過程中，可溶性的鐵鹽和硫鹽作為反應(yīng)前驅(qū)物，可分別通過胞內(nèi)合成和胞外合成的途徑生成納米硫鐵。胞內(nèi)合成的過程中，鐵離子通過Mg或Mn轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，并通過位于細(xì)胞質(zhì)中的細(xì)胞內(nèi)酶轉(zhuǎn)化為納米硫鐵[38]。胞內(nèi)合成的納米硫鐵粒徑微小而均勻，但由于合成數(shù)量較少，且不利于后期分離，不適宜大型的工業(yè)生產(chǎn)。除卻少數(shù)進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)的Fe3+，絕大多數(shù)的Fe3+仍存在于溶液中，被微生物分泌的應(yīng)激蛋白還原或作為細(xì)胞呼吸的電子受體被還原為Fe2+，并與S2-反應(yīng)生成納米硫鐵，此即為納米硫鐵的胞外合成過程[39]。在實(shí)際應(yīng)用中，如在促進(jìn)電子傳遞和強(qiáng)化污染物去除的過程中，大多是胞外合成的納米硫鐵在發(fā)揮作用。

圖2 SRB以乳酸鹽和丙酮酸鹽為電子供體合成納米硫鐵的機(jī)制[27]Fig.2 Microbial synthesis mechanism of iron sulfide nanoparticles by SRB using lactate and pyruvate as electron donors[27]

圖1 S.oneidensis MR-1利用NGB合成 納米硫鐵的機(jī)制[26]Fig.1 Microbial synthesis mechanism of iron sulfide nanoparticles by S.oneidensis MR-1 using NGB [26]

1.4 生物納米硫鐵的基本特性

納米硫鐵是一種黑色物質(zhì)，極易被氧化，從合成到保存都需要嚴(yán)格的厭氧條件[25]。用微生物合成的納米硫鐵可通過離心的方式分離獲得，在對(duì)合成的納米硫鐵粉末進(jìn)行表征或應(yīng)用之前，可用乙醇洗滌除去細(xì)胞殘?bào)w，或直接滅菌；微生物合成的納米硫鐵在除氧的液體中可保存一個(gè)月左右，粉末的保存則需要嚴(yán)格的厭氧條件，一般將其置于厭氧袋在低溫環(huán)境下進(jìn)行短期保存[27,37]。

微生物代謝反應(yīng)過程復(fù)雜，生物合成法所得納米硫鐵通常不是單一的FeS，而是多種硫鐵的復(fù)合物，還包含F(xiàn)eS2、FeSn和S0等物質(zhì)，可用通式Fe1+xS表達(dá)。Kato等[30]用新鮮水稻田的土壤作為菌種來源合成納米硫鐵，所得黑色納米物質(zhì)中鐵硫含量比例接近1∶ 1，用X線熒光光譜對(duì)其進(jìn)行元素分析，可以確定其中含有亞鐵離子和硫離子，但X線衍射分析表明：其中沒有與硫鐵礦物相對(duì)應(yīng)的特征峰，說明所得納米硫鐵為混合物。Jiang等[22]用ShewanellaPV-4胞外合成納米硫鐵，所得黑色產(chǎn)物中Fe和S的原子比為1.1∶ 1，雖無法確定合成納米硫鐵的準(zhǔn)確化學(xué)結(jié)構(gòu)，但可以分析出其中Fe2+和S2-的存在。粒徑會(huì)影響納米硫鐵去除重金屬的能力，粒徑越小，納米硫鐵還原重金屬能力越強(qiáng)，40 nm的納米硫鐵除鉻效率為90 nm納米硫鐵的1.5倍[37]。納米硫鐵的強(qiáng)還原性使其可以作為除氧劑，防止地下水中已被還原為UO2的U(IV)再度被溶解氧氧化為U(VI)[41]。Watson等[42-43]通過SRB利用廢水合成生物納米硫鐵，發(fā)現(xiàn)其具有良好的吸附性能，可與SRB共同作用將廢水中的重金屬去除到非常低的水平。

納米硫鐵這些特性使其可以作為良好的吸附劑和還原劑應(yīng)用于污染物去除的領(lǐng)域，但易氧化導(dǎo)致其收集與保存過程較為困難，須進(jìn)一步研究防止納米硫鐵氧化的方法，降低其收集與保存過程的難度以及成本，并實(shí)現(xiàn)納米硫鐵在有氧環(huán)境中的應(yīng)用。

2 生物納米硫鐵強(qiáng)化電子傳遞

自然界中，細(xì)菌之間通過種間電子傳遞進(jìn)行交流，完成自身代謝，但細(xì)菌之間直接接觸進(jìn)行電子傳遞效率較低，納米導(dǎo)線的發(fā)現(xiàn)讓人們對(duì)于微生物的直接種間電子傳遞有了新的認(rèn)識(shí)。Malvankar等[44]證明了Geobactersulfurreducens的納米導(dǎo)線具有類似于金屬的導(dǎo)電性，可顯著提高細(xì)菌之間的電子傳導(dǎo)能力，同時(shí)他們指出：人為添加納米導(dǎo)線類似物可增加微生物的電子轉(zhuǎn)移能力[45]。納米硫鐵具有良好的導(dǎo)電性，納米級(jí)的粒徑使其可以均勻分布在細(xì)胞表面及溶液中，故可作為納米導(dǎo)線類似物增加細(xì)胞間的電子傳遞能力。已經(jīng)證明：用從深海分離出的S.loihicaPV-4合成納米硫鐵后，構(gòu)成微生物和納米硫鐵復(fù)合電子傳導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)，相較于僅有微生物的對(duì)照組產(chǎn)生的電流提高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)[46]。Kondo等[23]研究了納米硫鐵對(duì)S.oneidensisMR-1遠(yuǎn)距離胞外電子轉(zhuǎn)移的影響，發(fā)現(xiàn)隨著納米硫鐵的合成，微生物呼吸電流比對(duì)照組提高了16倍左右，該發(fā)現(xiàn)解釋了在富含硫的缺氧環(huán)境中可進(jìn)行遠(yuǎn)距離胞外電子傳遞的微生物物種數(shù)量增多的現(xiàn)象。近年來，有研究報(bào)道：在MFC陽極利用希瓦氏菌原位合成納米硫鐵，隨著納米硫鐵的生成，電流在100 min內(nèi)從9 pA增至500 pA，從而證實(shí)了納米硫鐵對(duì)MFC產(chǎn)電能力的促進(jìn)作用[22]。當(dāng)以SRB作為MFC產(chǎn)電微生物時(shí)，最初認(rèn)為是其代謝硫酸鹽產(chǎn)生的硫單質(zhì)促進(jìn)了陽極電子傳遞。然而，近期研究發(fā)現(xiàn)Fe2+的存在也是促進(jìn)電子傳遞的重要機(jī)制，體系中有Fe2+時(shí)，MFC電流比不存在Fe2+時(shí)提高了兩倍，證明硫鐵共同介導(dǎo)的機(jī)制可進(jìn)一步促進(jìn)MFC產(chǎn)電[47]。這些研究都表明：生物納米硫鐵可作為良好的納米導(dǎo)線類似物促進(jìn)生物電化學(xué)系統(tǒng)(bioelectrochemical system,BES)中的電子傳遞。此外，生物納米硫鐵還可通過“橋梁”作用促進(jìn)不同菌種之間的電子互營共生。Kato等[30]研究了單獨(dú)添加鐵源、硫源以及同時(shí)添加鐵源硫源時(shí)水稻秸稈的產(chǎn)甲烷能力，結(jié)果表明：同時(shí)添加鐵源和硫源時(shí)，地桿菌還原生成的Fe2+和SRB還原生成的S2-反應(yīng)生成納米硫鐵，促進(jìn)了與甲烷菌的種間電子傳遞，從而提高了產(chǎn)甲烷速率，其機(jī)制見圖3。

3 生物納米硫鐵去除強(qiáng)化污染物

3.1 生物納米硫鐵去除重金屬

圖3 生物納米硫鐵促進(jìn)不同微生物之間電子互營共生的機(jī)制[30]Fig.3 Mechanism of biosynthetic iron sulfide nanoparticles promoting electric syntrophy among different microorganisms[30]

目前，有關(guān)納米硫鐵去除污染物的報(bào)道主要集中于廢水處理方面，尤其對(duì)廢水中重金屬的去除研究較多。Liu等[48]用SRB和AcidiphiliumcryputumJF-5在石灰石表面合成一層納米FeS，與單獨(dú)的石灰石相比，其對(duì)砷的吸附效率從6.64 mg/g提高到187 mg/g。此外，納米硫鐵可以作為電子源或氧清除劑，抑制UO2再氧化，使地下水中的可溶性U(VI)得以有效固化去除[49]。生物法合成納米硫鐵以后，微生物仍然保持活性狀態(tài)，此時(shí)的生物納米硫鐵復(fù)合材料結(jié)合了微生物與納米硫鐵的雙重特性，納米硫鐵能有效降低重金屬等有毒物質(zhì)對(duì)微生物的毒害作用，使細(xì)胞在高濃度重金屬廢水中仍可保持較好活性，因此復(fù)合物能耐受高濃度重金屬廢水[34]。在謝翼飛等[6]的研究中，用SRB合成生物納米硫鐵復(fù)合材料處理高濃度含鉻廢水，與傳統(tǒng)膜生物法相比，前者剩余污泥量少，出水化學(xué)需氧量(COD)低，且pH適應(yīng)范圍廣，鉻耐受濃度高，證明生物納米硫鐵復(fù)合材料與傳統(tǒng)生物處理法相比更具有優(yōu)勢(shì)；并且在處理完含鉻廢水后，SRB仍具有活性，能以反應(yīng)產(chǎn)物Fe3+和S單質(zhì)為電子受體重新生成納米硫鐵，為生物納米硫鐵復(fù)合材料持續(xù)處理含鉻廢水提供了可能[34]。

3.2 生物納米硫鐵降解有機(jī)物

生物納米硫鐵降解廢水中有機(jī)物的研究相對(duì)較少，目前國內(nèi)外僅發(fā)現(xiàn)一篇相關(guān)報(bào)道。Huo等[17]用S.putrefaciensCN32合成納米FeS同時(shí)降解CCl4，發(fā)現(xiàn)生物納米FeS合成后降解效率提高了8倍，且滅菌后的生物FeS比化學(xué)合成的FeS脫氯速率快了5倍，進(jìn)一步驗(yàn)證了生物合成的納米硫鐵在環(huán)境修復(fù)中的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)他們還指出：生物納米硫鐵的良好脫氯性能是由于其具有較高的鐵硫比以及較多的二硫化物，且分散性更好，不易團(tuán)聚。生物納米硫鐵的還原性和吸附性使其在處理廢水中的有機(jī)污染物方面擁有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，將納米硫鐵應(yīng)用于BES，結(jié)合納米硫鐵與BES的雙重優(yōu)勢(shì)處理難降解的有機(jī)污染物將具有廣闊的應(yīng)用前景，但目前這方面的研究近乎空白，需要進(jìn)行更廣更深層次的研究。

4 結(jié)論

生物納米硫鐵作為一種新型還原劑、催化劑、吸附劑等，在促進(jìn)電子傳遞和提高污染物去除方面具有廣闊的應(yīng)用前景，但目前生物納米硫鐵合成及應(yīng)用的研究仍處于起步階段，合成納米硫鐵的微生物種類較少，缺乏對(duì)可控合成的深入探索依然是當(dāng)下亟須解決的問題。在利用污染物作為前驅(qū)物合成納米硫鐵方面，因大部分污染物具有毒性，如金屬絡(luò)合染料和重金屬廢水，會(huì)對(duì)微生物的活性產(chǎn)生抑制，還需進(jìn)一步優(yōu)化合成條件，提高合成效率。BES是集電子傳遞和污染物去除為一體的功能系統(tǒng)，目前生物納米硫鐵在BES中的應(yīng)用主要針對(duì)提高其電子傳遞的能力，對(duì)污染物去除的影響研究較少，但根據(jù)納米硫鐵在BES以及傳統(tǒng)的生物處理技術(shù)中的應(yīng)用，可以預(yù)見將納米硫鐵應(yīng)用于BES去除污染物的廣闊前景。因此，如何利用生物納米硫鐵在BES中同時(shí)強(qiáng)化電子傳遞及污染物去除可能是推動(dòng)BES應(yīng)用化進(jìn)程的一個(gè)重要方向。