利用农林废弃物修复地下水中钒污染
导言:由于钒矿的密集开采和其他人为因素导致过量的钒释放到环境中，致使地下水钒污染严重，导致了严重的公共健康问题。微生物钒污染修复技术以其良好的应用前景受到广泛关注。外加适量有机碳源可有效刺激微生物生长，然而，液相碳源成本普遍较高，且液相碳源投加过量时易造成二次污染。相对于此，固相碳源具有处理成本低、二次污染风险小的优势。
玉米芯和秸秆等农林废弃物常被认为仅是一种废弃物，并没有实质的用处，大多采取直接堆存等处理、处置方式。据报道，我国农村因固体废弃物堆存被占用或破坏的耕地约为1300 km2。这不仅影响了农村环境的美丽，甚至进一步影响了环境健康。
农林废弃物广泛存在且易于获取，课题组的最新研究证实了其可以作为钒生物还原过程中的固体碳源，可有效“以废治废”，正可谓“一箭双雕”。
01不同农林废弃物作为固体碳源强化微生物除钒
实验选取三种常见农林废弃物（木屑、麦秆和玉米芯），探究固相碳源对五价钒（V(V)）的吸附效果。结果显示，木屑、麦秆和玉米芯（144 h）对V(V)的吸附去除率分别为15.66%、31.35%和21.47%（图1a），麦秆的吸附能力明显优于剩余两种材料。此外，吸附动力学模型可用于解释吸附路径和传质机理。本研究采用伪一级和伪二级动力学模型拟合了固相碳源对V(V)吸附动力学数据，所用的动力学方程得到的参数见表1。以R2为参考，木屑对V(V)的吸附效率遵循准一级动力学模型，且木屑的吸附速率常数最大。但在144 h的吸附反应中，麦秆qe比其他两种材料更高，其吸附能力是三种天然材料中最好的。
表1 三种天然材料对V(V)的吸附动力学参数（来自原文）
在生物反应器中接种厌氧混合污泥，木屑、麦秆和玉米芯作为固相碳源可强化微生物除钒，V(V)去除率（144 h）分别为21.94%、98.57%和98.57%（图1a）。与固相碳源吸附作用相比，添加麦秆的生物反应器中V(V)的去除效果显著增强，表明麦秆作为固体碳源强化微生物除钒的可行性和有效性。且XRD分析（图1b）证实了实验结束后沉积物中VO2的存在，进一步表明了V(V)被微生物还原为V(IV)。
图1 (a)木屑、麦秆和玉米芯对V(V)的去除效果
(b) 反应沉淀物XRD谱图（均来自原文）
02 麦秆强化微生物除钒的适宜粒径确定
选取粒径为1-3、3-5和5-7 mm的麦秆探究了不同粒径对V(V)去除效果的影响。结果显示（图2a），随着麦秆粒径的增加，微生物V(V)去除效率逐渐降低。添加1-3 mm时V(V)去除率最高，为70.2%（102 h），而仅接种污泥不添加秸秆的对照组中，V(V)去除率为9.7%。因此1-3 mm是本研究中强化微生物除钒的最佳粒径。
图2 (a) 不同粒径麦秆对V(V)去除效果
(b) 不同粒径麦秆实验组中TOC变化情况（均来自原文）
60和102 h的TOC分析结果如图2b所示，在对照组中（只接种污泥），TOC随时间的增加显著降低。添加粒径为1-3 mm时，TOC含量稍微有所增加。然而，添加3-5和5-7 mm秸秆时，TOC显著增加。TOC值变化趋势与上述V(V)的实验结果相对应，推测粒径为1-3 mm麦秆有助于微生物更好地利用碳源并对V(V)进行有效去除（70.2%）。
03麦秆强化微生物除钒过程中的主要贡献者
图3 微生物群落物种组成分析（属水平）（来自原文）
在属水平上发现了可耐受或有助于V(V)还原和纤维素降解的功能性微生物（图3），例如Enterobacteriaceae（肠杆菌属）、Pseudomonas（假单胞菌属）和Thauera（索式菌属）等。此外，其中已被报道的纤维素降解相关菌属还有Exiguobacterium（微杆菌属）、Paenibacillus（类芽孢杆菌属）和Cellulomonas（纤维单胞菌属）等。已被报道可有助于V(V)还原的菌属还包括Bacillus（芽苞杆菌属）、Exiguobacterium（微杆菌属）、Paenibacillus（类芽孢杆菌属）、和Acinetobacter（不动杆菌属）等。
04结论
（1）木屑、麦秆和玉米芯作为固相碳源均可强化地下水中微生物除钒，其中，麦秆强化组对V(V)的去除率最高（98.6%, 144 h）;
（2）V(V)去除率随着麦秸粒径的减小而逐渐增加，且V(V)被还原为毒性较小的V(IV);
（3）可耐受重金属和纤维素降解相关功能性微生物在群落中分布广泛，并占主导地位。
原文信息：
