在羧甲基纤维素改性的纳米零价铁（nZVI）和路德维希肠杆菌（Enterobacter ludwigii）的协同作用下，四氯化碳在水环境中的脱氯效应及机理

时间：2026年3月29日

来源：Process Safety and Environmental Protection

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本研究开发了一种协同微生物-CMC-nZVI体系，用于高效降解地下水中的四氯化碳。实验表明，优化条件下（0.2 g/L CMC-nZVI，pH 6.5），该体系72小时内实现95.8%的CCl4去除率，显著高于单一微生物（81.0%）或CMC-nZVI（69.4%）处理。转录组分析证实协同机制通过Fe²⁺释放和抗氧化应激增强酶活性，促进脱氯反应。

沈彤|朱学强|赵蕾艺|王贵清|赵轩然

中国矿业大学环境与空间信息学院，中国徐州

摘要

四氯化碳（CCl₄）对地下水的污染带来了持续的环境风险，这主要是由于其高毒性、难以完全脱氯以及在地下系统中积累有害中间体。本研究开发了一种协同作用的微生物-羧甲基纤维素改性纳米零价铁（CMC-nZVI）-CT-7耦合系统。在优化条件下（0.2 g/L CMC-nZVI，pH 6.5），该系统在72小时内实现了95.8%的CCl₄去除率，显著高于仅使用微生物（81.0%）或单独使用CMC-nZVI（69.4%）的处理效果。值得注意的是，该耦合系统使脱氢酶和细胞色素P450的活性提高了1.5-2.3倍，同时有效抑制了氯仿的积累。CMC-nZVI作为Fe²⁺和H₂的持续来源，提供了必要的电子供体并减轻了氧化应激，使细胞存活率提高了25%。转录组分析显示关键功能基因的表达显著上调，尤其是氧化还原活性蛋白和铁转运基因（如feoB、suf系列）的表达水平提高了3.2至5.8倍。这些发现证实了Fe⁰氧化与增强酶促C-Cl键断裂之间的协同机制。本研究为复杂地下环境中氯化烃的深度脱氯提供了一种高效且可靠的策略。

引言

四氯化碳（CCl₄）是一种持久的氯化脂肪烃，由于其广泛存在于工业废水和受污染的地下水中，已被全球环保机构列为优先污染物。其高化学稳定性和密度常常导致形成密集的非水相液体，这些液体在地下环境中持续存在数十年，且非常难以去除（Jiang等人，2020年）。CCl₄对生态和健康构成严重威胁，通过生物积累在人类和动物体内表现出显著的肝毒性和肾毒性。传统的修复方法，如空气吹脱、活性炭吸附和化学氧化，常常受到高运行成本、饱和限制或二次污染风险的制约。微生物修复作为一种可持续的替代方案应运而生，利用厌氧微生物进行还原性脱氯（Toli等人，2024年；Xu等人，2020年）。然而，单独的微生物过程通常代谢速率较慢，对高污染物浓度敏感，并且在贫营养的地下环境中缺乏外源电子供体。纳米零价铁（nZVI）因其高比表面积和强还原能力而成为处理氯化烃的有效材料。然而，其实际应用受到快速聚集、表面钝化和迁移性不足等挑战的限制，导致反应性随时间显著减弱。聚合物改性已被证明可以有效提高nZVI的环境稳定性。例如，羧甲基纤维素（CMC）通过羧酸配位和空间位阻作用改善了nZVI的分散性和抗氧化性能（Gao等人，2023年；Li等人，2022年；Xu等人，2020年）。为了进一步提高反应性和可回收性，研究人员探索了更刚性的生物基支架。优化电子转移路径对于增强nZVI的反应性至关重要。例如，使用稻草衍生的纤维素纳米晶体作为刚性模板，可以通过静电相互作用稳定固定nZVI，有效缩短电子迁移距离（Li等人，2024年）。这一策略进一步发展为三元气凝胶（nZVI@UiO-66-NH₂/TCNF），其中金属有机框架（MOFs）作为介质加速Fe-O-Zr键的电子转移，同时通过三维多孔网络提供必要的机械保护（Zhou等人，2025年）。尽管这些材料系统在初级脱氯方面表现出色，但它们深度降解中间产物的能力仍然是一个挑战。

为了解决这些问题，化学还原与微生物代谢的结合受到了广泛关注，这种结合基于双向生化协同作用。CMC稳定的nZVI作为还原剂的主要来源，有效促进了溶解氧的消耗，从而建立了严格的厌氧环境和持续的H₂流，这是微生物脱卤所必需的（Toli等人，2024年）。同时，微生物通过减轻钝化氧化层的积累，促进了nZVI表面活性位的再生，确保了耦合修复系统的长期可持续性。

最近关于生物支架的研究证实，微生物可以主动将nZVI表面的Fe(III)钝化层还原为活性Fe(II)（Ma等人，2024年），从而保持高效的界面电子转移（Pan等人，2024年）。这种生化协同作用克服了单独处理的固有瓶颈，确保了脱氯过程的持续性和效率（Li等人，2025年）。

在本研究中，选择了Enterobacter ludwigii CT-7作为功能微生物，因为它对高浓度的CCl₄和nZVI引起的氧化应激具有显著的耐受性。与普通菌群不同，CT-7菌株表现出高氢营养脱氯活性和独特的细胞外电子转移能力。我们开发了由CMC-nZVI和CT-7菌株组成的耦合系统，旨在阐明：（1）CMC-nZVI的结构稳定性和电子供体特性；（2）耦合系统中关键酶活性的变化；（3）材料刺激引发的微生物响应机制。

实验材料

四氯化碳（99%，AR级）和nZVI购自上海阿拉丁生化科技有限公司（中国上海）。本研究中使用了羧甲基纤维素（CMC）粉末、莫尔盐（Fe(NH₄)₂(SO₄)₂·6H₂O（作为铁源）、矿物盐培养基（MSM）、LB液体/固体培养基以及超纯水（通过N₂吹脱脱氧20分钟）。此外，还使用了o-菲罗啉（用于测定Fe²⁺/Fe³⁺）和酶活性测定试剂盒，包括氢化酶（HYS）、还原脱氯酶（RDC）和铁氧化还原酶。

不同组中的CCl₄降解情况

如图1a所示，M+CMC-nZVI耦合系统表现出优异的效果，在72小时内实现了95.8%的CCl₄去除率。这一性能显著优于仅使用微生物（81.7%）或单独使用CMC-nZVI（69.4%）的处理效果。这种增强的性能源于聚合物稳定化和微生物介导的表面再生的协同效应。为了区分非生物因素的贡献，裸露的nZVI仅实现了约60%的去除率，表明CMC诱导了反应性。

结论

总之，本研究提供了明确的证据，证明将CMC-nZVI与Enterobacter ludwigii CT-7结合使用显著提高了CCl₄的修复效率。在优化条件下，72小时内实现了95.8%的去除率，并且伪二级反应速率常数k增加了4.88倍。初始阶段观察到的Fe²⁺快速积累（17.31 mg/L）强调了CMC-nZVI在提供主要还原动力方面的作用。