《Journal of Water Process Engineering》：Adsorptive versus reductive removal of hexavalent chromium from cement leachate by
Saccharomyces cerevisiae (yeast) immobilized on pyrogenic wood pellet carbon
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水泥渗滤液中Cr(VI)的酵母固定化吸附/还原及可持续电极应用研究。通过酵母固定化木炭载体探究时间、pH、初始浓度和温度对Cr(VI)去除效率的影响，最大去除率达86%，并验证再生木炭在微生物燃料电池中的可持续电极性能。
S.J. 史 | V. 西瓦桑卡尔 | 清吉·奥米内 | 李家庚 | 佐野宏 | M. 艾哈迈德
长崎大学工程学院土木工程系，日本长崎市文京町1-14，邮编852-8521
摘要
在混凝土结构中使用水泥会导致饮用水中的六价铬污染或在环境中持续积累。针对这一问题，本文报告了从日本普通波特兰水泥制备的水泥渗滤液中六价铬的去除方法。由于固定化过程倾向于使微生物优先在碳基质上生长，因此本研究重点是将酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）固定在来自可持续碳化剂的热解木质颗粒（Y-WPC）上。研究了在不同时间（0–720分钟）、pH值（1–12）、初始六价铬浓度（0.3–2.1 mg/l）和温度（283–323 K）条件下的去除效率。结果表明，通过还原途径，固定在Y-WPC上的酵母细胞能够提高86%的去除效率。然而，仅依靠热解木质颗粒本身的吸附作用，最大去除效率为34.8%。本研究采用了FTIR、拉曼光谱、X射线衍射、FE-SEM（带EDS）、BET、XPS和TG-DTA等分析方法对样品进行了表征。
引言
在1450°C的旋转炉中生产水泥时，原料中的三价铬会氧化为六价铬。据估计，在普通波特兰水泥样品中，六价铬占总铬含量的50–90%[1]，这会导致建筑工人因职业暴露而患上水泥皮炎[2]。环境中存在的六价铬以铬酸盐、重铬酸盐和二铬酸盐的形式存在。然而，在中性和碱性条件下，六价铬会还原为三价铬（Cr(OH)3）[3]。由水泥制成的混凝土呈碱性，常常会通过建筑和拆除废弃物中的渗滤作用释放六价铬[3],[4],[5]。将碎混凝土用于道路建设或填充材料时，也会将六价铬释放到土壤和地下水中[6]。研究表明，六价铬具有生物相关性，可以通过扩散或吞噬作用轻易穿过细胞膜[7]。陈等人[7]在2019年综述了六价铬的毒性作用，包括其对呼吸系统、肺部、胃肠道、皮肤和肾脏功能的危害。文献[9]报道了水泥砂浆中重金属（包括六价铬）的渗滤情况，以及饮用水中六价铬浓度超过安全值（0.05 mg/l）的情况[10]。世界卫生组织以及大多数发达国家和发展中国家（以美国和中国为首）已将六价铬列为优先污染物[11],[12]。日本环境省和世界卫生组织规定的饮用水中六价铬的标准为0.05 mg/l，而国家排放标准分别为六价铬0.5 mg/l和总铬2 mg/l[13],[14]。因此，开发高效技术以在排放前将高浓度的六价铬降低到超低水平（<0.01 mg/l）至关重要。Butera等人[15]报告称，通过土壤有机物的氧化还原反应，可将混凝土渗滤液中的六价铬还原为三价铬，去除效率高达99.6%。也有研究报道了土壤中的总有机碳可将六价铬还原为三价铬[16]。为减少水泥管道内涂层渗滤造成的六价铬影响，Zielina等人[17]开发了一种数学模型，用于优化可翻新或更换的水管长度。
材料与方法
所有实验均使用了分析级化学品。酵母（Saccharomyces cerevisiae）由法国Lesaffre公司提供。圆柱形木质颗粒（Pure No. 1）购自日本长野县Kamiina林业协会的生物质能源工厂。YPD培养基（Y1375）购自Sigma Aldrich公司。
结果与讨论
日本普通波特兰水泥（JIS-R5210）的标准中，氧化钙和氧化硅的含量分别为68.5%和23.1%，高于国际标准[37]。水泥渗滤液样品中含有Ca、Si、Al、Fe、Mg、Na和K等元素，其浓度分别为48.1 mg/l、0.58 mg/l、2.3 mg/l、0.013 mg/l、0.04 mg/l、86.7 mg/l和225 mg/l。具有高粘结强度的钙硅酸盐胶体能够吸附在六价铬化合物的表面
结论
含有0.33 mg/l六价铬的水泥渗滤液使用了通过风能驱动的可持续碳化剂制备的热解木质颗粒固定化的酵母进行处理。在313 K的温度下，培养的酿酒酵母细胞生长良好，pH值在5到7之间时平均去除效率为85.1%。Y-WPC与热解木质颗粒之间的差异表明，前者在六价铬的还原去除方面比后者更为有效
作者贡献声明
S.J. 史：研究工作。V. 西瓦桑卡尔：撰写、审稿与编辑，初稿撰写。清吉·奥米内：监督、方法论设计、概念构思。李家庚：数据分析。佐野宏：资源协调。M. 艾哈迈德：数据分析。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了JSPS KAKENHI（项目编号：JP24H00338）的支持。
