文章信息作 者：Qing Wang, Siwei Guo, Mukhtiar Ali, Xin Song, Zhiwen Tang, Zhuanxia Zhang, Meng Zhang, Yongming Luo来 源：Thermally enhanced bioremediation: A review of the fundamentals and applications in soil and groundwater remediation [J]. Journal of Hazardous Materials, 433(2022)128749.

摘要

热强化生物修复（Thermally enhanced bioremediation ，TEB）是近年来提出的一个新概念。该技术将热处理与生物修复相结合，以解决生物修复效率低和持续时间长的问题。本文全面回顾了TEB的基本原理及其在土壤和地下水修复中的应用，系统评价了温度对污染物生物修复的影响，总结了热效应对土壤物理、化学和生物特性的影响，以及对应的污染物生物有效性和微生物代谢活性的变化。具体而言，在适宜范围内升高温度可以促进酶的富集、胞外多糖（EPSs）和生物表面活性剂的产生，进一步增强生物修复作用。此外，本文利用传统的原位加热技术和可再生能源（例如储存的含水层热能和太阳能）对TEB的应用进行了系统评估。TEB已作为热处理后的生物强化技术而被应用，这是解决地下水修复过程中污染物拖尾反弹的一种经济有效的方法。然而，TEB仍存在许多亟待解决的问题，未来的研究需进一步提高TEB在污染土壤和地下水修复中的基本认识和应用。

引  言

生物修复是一种很有前景的对不同环境介质中有毒化学物质进行转化或降解的技术。与物理和化学法相比，生物修复安全、经济、环保，已成为当前研究的热点之一。据美国环保局（USEPA）报道，在选择用于土壤和地下水修复的技术中，生物修复占24%。然而，由于受污染物缺乏生物有效性以及低微生物含量等因素制约，恶劣环境条件下的生物修复效率往往较低。因此，生物修复的成功很大程度上取决于潜在微生物的存在、污染物的类型和浓度以及环境条件。提高生物修复效率并从不同环境介质中安全去除污染物至关重要。

图1. TEB的概念和优点

生物修复效率受几种因素的重要影响，包括物理化学（例如营养物质、氧气、pH值、温度和污染物浓度）以及生物方面（例如成分、本土微生物的丰富程度、不同微生物之间的竞争性生长）。在这些影响因素中，温度在控制疏水/吸附污染物的生物利用度方面起着至关重要的作用，因此影响着微生物生长代谢的程度和性质。根据微生物在不同温度条件下的呼吸和生长能力，微生物可分为三大类：嗜冷菌（生长温度<20℃）、嗜中菌（生长温度20-44℃）和嗜热菌（生长温度>45℃）。

先前的研究发现，温度的充分升高可促进生物修复。例如，Yadav等研究了土壤水温对甲苯生物修复的影响，发现土壤水温每升高10℃，甲苯降解量增加2倍。同样，Naga Raju等报道称，在30-40℃的温度下，土壤中柴油的微生物降解率最高。温度的升高通常伴随着扩散系数/传质的增加和有机化合物粘度的降低，导致污染物的生物利用度增加，从而提高生物修复效率。此外，污染物对微生物的毒性也会降低，这是因为低分子量有机化合物在较高温度下更容易快速挥发，可以使用特定的污染物收集器直接收集。因此，热强化生物修复（TEB）是近年来提出的一个新概念，将热处理和生物修复这两种传统修复方法结合起来，以提高高温下的生物利用度和微生物代谢活性，从而提高生物修复效率。此外，TEB可以克服热处理的缺点。热处理是一种能源密集型的处理方式，使用过程中可能会破坏土壤性质从而阻碍土地再利用。

图2. 随着温度的升高，污染物从结合位点向水相进行传质

图3. 温度对细胞内在活动的影响

TEB目前已在实验室和实地研究中应用。Nemecek等报道通过热处理可增强被氯化溶剂污染的原位地下水的生物修复。同样，Ni等证明，将含水层蓄热（ATE，平均系统温度15℃）与生物修复相结合，可将cis-1,2-二氯乙烯（cis-1,2-DCE）的整体去除性能提高13倍。TEB的应用改善了致密和轻质非水相液体（DNAPL和LNAPL）修复的性能。Zeman等指出，少许提高土壤温度可促进LNAPL的生物降解。同样，Kosegi等的报道称，在DNAPL的污染场地，TEB可通过将温度从15℃提高至35℃来降低94%的出水浓度，与周围环境相比，减少了70%的处理时间。此外，温度的升高会影响微生物细胞及其功能。例如，据报道，LNAPL降解微生物时，微生物细胞膜在较高温度下通透性更大，有利于营养物质和有机化合物的吸收。

图4. TEB对土壤性质、污染物生物有效性和微生物关键参数的影响

虽然TEB技术已经在实践中进行了试验，但还需要系统研究热处理如何影响环境因素（如土壤性质）、污染物生物有效性和微生物，从而影响新陈代谢和生物修复效率的机制。这类研究的不足可能导致应用的局限。因此，本文综述了温度对污染物生物修复的影响，重点介绍了温度对污染物生物有效性和土壤性质的影响。此外，综述了热效应对微生物生长和多样性、细胞膜和微生物代谢等方面的影响。最后，对TEB在土壤和地下水修复中的应用进行了综述，并提出了今后研究的方向，以提高TEB在污染土壤和地下水修复中的应用。

结论与建议

将生物降解过程与热处理相结合，可提高生物修复的效果，缩短生物修复的时间。将温度提高到适当范围可以改变土壤性质，提高污染物的生物有效性和微生物活性。此外，提高温度还可以促进酶的富集、EPSs和生物表面活性剂的产生，从而进一步提高污染物的修复。我们提出了未来的研究前景，以提高有害污染物的TEB处理效率并实现以下有效修复。

（1）需确定和精确控制最佳温度，不仅要达到微生物活性和污染物生物利用度之间的平衡，还要平衡能源使用和去除效率。应针对去除污染物所需的最佳温度选择最有效的热处理技术。

（2）EPSs和生物表面活性剂的产生不仅提高了污染物的生物利用度，而且提高了微生物的代谢活性。因此，在不同温度处理下充分利用微生物产物对于TEB处理不同污染物的修复过程十分重要。

（3）现有的TEB研究主要集中在cVOCs的去除，而其他污染物没有受到太多关注。混合污染物（例如有机污染物和重金属，或不同有机污染物的混合物）的TEB将是一个重要的发展方向，因为它们经常在污染场地出现。

（4）可用于实际应用的文献较少。现场条件复杂，不可预测且不可再生，当TEB技术应用于自然环境时，影响该过程的因素将增加。考虑到实际应用的重要性，研究重点应逐渐从实验室转向现场条件，并应将原位热处理与生物修复相结合。

（5） 为提高TEB的可持续性，可通过应用基于可再生能源的技术来提高该过程的能效。此外，开发传热传质耦合数值模型来模拟加热和生物修复过程，利用可持续性评估优化TEB技术也是未来研究中应考虑的有效措施。