微生物诱导碳酸盐沉淀技术实现锶污染高效生物修复的创新机制研究

《New Biotechnology》：The Microbially induced carbonate precipitation as an innovative technology for achieves efficient Sr2+ bioremediation

本研究针对放射性核素90Sr污染治理难题，通过Sporosarcina pasteurii介导的MICP技术，系统揭示了Sr2+与Ca2+共沉淀机制。研究发现该菌株可在72小时内实现Sr2+去除率超99.95%，并通过XRD、XPS等技术证实Sr2+以类质同象形式稳定固存于方解石和菱锶矿晶格，为放射性污染修复及微生物源有机碳封存提供了新策略。

　　

随着核工业发展和核事故偶发，放射性锶-90(⁹⁰Sr)已成为威胁生态环境和人类健康的重要污染物。这种半衰期达28.9年的核素易通过食物链富集，引发骨癌、白血病等严重疾病。传统治理方法如电动修复、土壤洗涤等存在成本高、二次污染等问题，而微生物修复技术因其环境友好、可持续性强等优势受到广泛关注。其中，微生物诱导碳酸盐沉淀(MICP)技术通过将重金属离子固定于碳酸盐矿物，展现出巨大应用潜力。然而，Sr²⁺在水溶液中具有强水合层，难以被矿物表面有效吸附，且其在不同碳酸盐矿物中的赋存形态仍存争议。针对这些难题，南京农业大学资源与环境科学学院的研究团队在《New Biotechnology》发表论文，系统揭示了Sporosarcina pasteurii介导的Sr²⁺生物矿化机制。

研究团队采用静态与振荡培养对比实验，通过监测细菌生长曲线、溶液化学参数动态变化及Sr²⁺去除效率，结合X射线衍射(XRD)、扫描电镜-能谱联用(SEM-EDS)、X射线光电子能谱(XPS)等表征手段，解析了矿化产物晶体结构、元素分布及锶赋存形态。同时利用傅里叶变换红外光谱(FT-IR)和三维荧光光谱(3D-EEM)揭示了微生物有机质在矿化过程中的作用。

3.1 细菌诱导的Sr²⁺和Ca²⁺沉淀

研究发现S. pasteurii在72小时内可同步去除99.95%的Sr²⁺和Ca²⁺，振荡培养组去除速率显著高于静态组。早期沉淀物中Sr/Ca摩尔比(0.4-0.6)远低于初始溶液，证实细菌对Ca²⁺具有优先矿化效应。

3.2 细菌介导的碳酸盐沉淀溶液条件

细菌代谢产生的HCO₃^-和CO₃^2-浓度在振荡培养中最高达450 mmol·L^-1，使方解石和菱锶矿饱和指数分别达2.5和3.5，远高于自发沉淀阈值(0.8)，阐明高效去除的化学基础。

3.3 矿化产物的矿物学组成和形态特征

XRD显示静态组同时生成方解石和菱锶矿，振荡组则以菱锶矿为主。SEM显示矿物多呈球形或不规则形态，EDS面扫描证实Sr、Ca在矿物表面均匀分布，且Sr/Ca比与初始溶液一致。

3.4 矿物中Sr的赋存形式

XPS在133.7eV和134.0eV处检测到Sr 3d特征峰，结合XRD晶面间距变化(方解石(104)面间距增加0.003nm，菱锶矿(111)面减少0.007nm)，证实Sr²⁺通过类质同象替代进入碳酸盐晶格。

3.5 微生物源有机质与矿物共沉淀

FT-IR检测到羧基、氨基等官能团特征峰，3D-EEM发现类蛋白荧光信号(Ex/Em=280-300nm/380-420nm)，证实微生物有机质被封装于矿物中，形成潜在有机碳汇。

3.6 细菌细胞和EPS调控Ca²⁺-Sr²⁺共沉淀动力学

研究提出细菌细胞壁羧基、磷酸基等官能团对Ca²⁺具有更高亲和力，导致早期优先矿化，但高效菌株的强矿化能力最终补偿了这种选择性。

该研究首次系统阐明了S. pasteurii介导的Sr²⁺固定双机制：细菌代谢创造的高碳酸根环境驱动矿物沉淀，同时Sr²⁺通过晶格替代实现稳定固存。尽管存在钙优先矿化现象，但菌株卓越的矿化能力仍保障了锶的高效去除。研究不仅为⁹⁰Sr污染修复提供了理论依据，还揭示了MICP技术在碳封存领域的潜在价值，为发展酶驱动碳酸盐沉淀技术避免细菌选择性矿化提供了新思路。