利用枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）在沉淀剂的作用下促进碳酸钙的生成，并实现废水中的污染物捕获

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Bacillus subtilis Mediated Calcium Carbonate Production and Pollutant Entrapment in Wastewater using Precipitating Agents

钙离子与碳酸根结合生成碳酸钙沉淀，Bacillus subtilis通过微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）技术实现，在合成培养基和水样中分别达到2.47 g/L和5.00 g/L的高产，pH 8、30℃、20 g/L尿素、150 rpm为最佳条件。XRD和SEM-EDX显示水样中沉淀呈现混合型结构，并有效固定铅、铜、铬等重金属，验证MICP在污染治理和循环经济中的双重价值。

　　钙 carbonate（CaCO?）作为一种重要的无机材料，在建筑、造纸、制药和生物医学等多个行业中得到了广泛应用。其应用价值主要源于丰富的储量、良好的物理特性以及环保的特性。然而，传统的 CaCO? 生产方法存在能源消耗高和环境污染严重的问题，这促使人们寻求更加可持续的替代方案。近年来，微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）作为一种新兴的绿色技术，受到了广泛关注。MICP 利用微生物的尿素酶活性，通过生物化学反应将尿素转化为碳酸钙，从而实现环境友好型材料的生产。

本研究聚焦于使用 *Bacillus subtilis* 进行 MICP 驱动的碳酸钙生产，实验采用钙氯化物和钙硝酸盐作为沉淀剂，以合成培养基和生活污水作为实验材料。通过系统优化培养条件，包括尿素浓度为 20 g/L、pH 值为 8、温度为 30°C、搅拌速率为 150 rpm，实验成功获得了 2.47 g/L 的碳酸钙产量（以钙氯化物为沉淀剂）和 1.94 g/L 的产量（以钙硝酸盐四水合物为沉淀剂）。将这些优化条件应用于生活污水后，碳酸钙的产量分别提升至 5.00 g/L 和 3.53 g/L，表明该技术在实际应用中具有更高的效率和可行性。

研究结果表明，沉淀环境对碳酸钙的晶型结构具有显著影响。通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）、扫描电子显微镜（SEM）结合能谱分析（EDX）以及 X 射线衍射（XRD）等手段对碳酸钙样品进行了表征。FTIR 分析确认了所有样品中均存在碳酸盐键，表明尿素酶反应成功生成了碳酸钙。SEM 和 XRD 分析显示，在合成培养基中形成的碳酸钙以无定形结构为主，而在生活污水中形成的碳酸钙则呈现出混合的方解石和无定形结构。这种结构差异可能与生活污水中复杂的化学成分和离子环境有关，从而影响了碳酸钙的形成方式和稳定性。

EDX 分析进一步揭示了生活污水中存在多种重金属污染物，如铅、铜、铬和锌。这些重金属在传统处理过程中往往难以有效去除，导致环境污染和健康风险。然而，MICP 技术通过微生物的代谢活动，不仅能够促进碳酸钙的形成，还能有效固定和去除这些重金属，从而实现污染物的无害化处理和资源回收。这一双重功能使得 MICP 在环境治理和可持续材料生产方面展现出巨大的潜力。

尽管 MICP 技术在实验室条件下已取得显著进展，但在实际应用中仍面临诸多挑战。例如，生活污水的复杂性，包括 pH 值波动、营养物质的不稳定性以及与其他离子的竞争，都会影响 MICP 的效率和碳酸钙的晶型形成。因此，优化培养条件以适应这些复杂性，是推动 MICP 技术在工业和环境领域应用的关键。此外，研究还发现，*B. subtilis* 在碳酸钙沉淀过程中表现出良好的环境适应性和非致病性，这使其成为工业应用的理想选择。

本研究的主要目标包括两个方面：首先，通过优化 pH 值、温度、尿素浓度和搅拌速度等参数，提高微生物的尿素酶活性和碳酸钙的形成效率；其次，评估生活污水中形成的碳酸钙对重金属污染物的固定能力，探讨其在废水处理中的实际应用价值。实验结果表明，通过优化条件，不仅能够提高碳酸钙的产量，还能增强其对重金属的吸附和固定效果，从而实现高效的污染物去除和资源回收。

研究还发现，*B. subtilis* 在不同 pH 和温度条件下均能有效促进碳酸钙的形成，其适应范围较广，为工业应用提供了更大的灵活性。此外，实验表明，生活污水中的化学成分对碳酸钙的形成具有显著影响，例如，不同的营养物质和离子浓度会改变碳酸钙的晶型结构和沉淀效率。因此，了解这些影响因素，并对其进行系统优化，是提高 MICP 技术在实际应用中可行性的关键。

本研究的成果不仅为 MICP 技术的进一步发展提供了理论支持，也为实现循环经济战略提供了实践依据。通过利用微生物的生物矿化能力，MICP 技术能够在不消耗大量能源和资源的情况下，实现可持续的材料生产和污染物去除。这为解决当前工业和环境领域面临的资源短缺和环境污染问题提供了新的思路和方法。

未来的研究应进一步探索 MICP 技术在更大规模上的应用潜力，包括在实验室条件下优化后的技术如何应用于实际的废水处理系统。此外，研究还应关注不同类型的污染物对 MICP 技术的影响，以及如何通过调整培养条件提高污染物去除效率。同时，探索其他类型的微生物或菌株在 MICP 技术中的应用，可能有助于拓宽该技术的应用范围和提升其处理效果。

在实际应用中，MICP 技术不仅可以用于废水处理，还可以用于修复混凝土等建筑材料中的微裂缝。这一生物驱动的过程能够增强建筑材料的耐久性和使用寿命，为建筑行业提供了一种可持续的解决方案。此外，MICP 技术在其他环境修复领域也具有广阔的应用前景，例如土壤修复和地下水污染治理。

本研究的成果表明，通过系统优化和实验验证，MICP 技术能够在生活污水等复杂环境中实现高效的碳酸钙生产和污染物去除。这不仅为环保技术的发展提供了新的方向，也为实现资源的循环利用和可持续发展提供了实践支持。随着对 MICP 技术的深入研究和优化，其在工业和环境领域的应用前景将更加广阔。

综上所述，MICP 技术作为一种可持续的绿色方法，具有广泛的应用潜力。通过利用微生物的尿素酶活性，MICP 能够在不消耗大量能源和资源的情况下，实现碳酸钙的高效生产，并有效去除生活污水中的重金属污染物。这一技术为解决当前工业和环境领域面临的资源短缺和环境污染问题提供了新的思路和方法。未来的研究应进一步探索该技术在更大规模上的应用，并结合实际需求进行优化，以实现更广泛的环境和工业应用。