微生物诱导碳酸盐沉淀技术同步修复镉砷复合污染土壤：来自实验室与田间研究的证据

《Environmental Technology & Innovation》：Simultaneous remediation of Cd and As co-contaminated soil by microbial-induced carbonate precipitation technologies: evidence from laboratory and field studies

本文推荐一项针对土壤镉(Cd)与砷(As)复合污染同步修复的创新研究。研究人员利用新分离的Rummelibacillus sp. (ANY-1)和Rummelibacillus pycnus (ANY-2)，通过微生物诱导碳酸盐沉淀(MICP)技术，系统解决了Cd(II)与As(III)因化学行为拮抗导致的协同修复难题。研究证实该技术可有效降低土壤有效态Cd(47.26%-64.09%)和As(8.12%-25.74%)，并通过XRD/FTIR解析出(Ca0.67,Cd0.33)CO3和Ca5(HAsO4)2(AsO4)2·5H2O两种关键矿物相。田间试验进一步证明ANY-1可使稻米Cd/As积累量分别降低63.4%和24.4%，为重金属污染农田安全利用提供了绿色解决方案。

　　

在当今工业化快速发展的背景下，农田土壤重金属污染已成为威胁全球粮食安全和人体健康的隐形杀手。其中，镉(Cd)和砷(As)的复合污染尤为棘手——这两种元素在土壤中犹如一对性格迥异的"冤家"：镉通常以阳离子形态(Cd²⁺)存在，而砷则多以阴离子形态(AsO₄^3-或AsO₃^3-)游走。这种相反的化学特性使得传统修复方法往往顾此失彼，难以实现同步治理。更令人担忧的是，在稻田淹水还原条件下，镉的固定化反而会激活砷的释放，形成"按下葫芦浮起瓢"的困境。面对这一挑战，安徽农业大学资源与环境学院唐先进教授团队在《Environmental Technology》发表的研究，为破解这一难题提供了创新性解决方案。

研究团队独辟蹊径，将目光投向了一种名为微生物诱导碳酸盐沉淀(Microbially Induced Carbonate Precipitation, MICP)的绿色修复技术。该技术灵感来源于自然界的矿化过程，就像珊瑚虫构建珊瑚礁一样，特定微生物能够通过自身代谢产生碳酸根离子，与环境中的钙离子结合形成碳酸钙沉淀，进而将重金属离子"锁"在矿物晶格中。为了验证这一技术路径的可行性，研究人员从污染农田中成功分离出两株具有高效脲酶活性的菌株：Rummelibacillus sp. (ANY-1)和Rummelibacillus pycnus (ANY-2)，并以经典模式菌株Sporosarcina pasteurii作为参照，开展了一系列从实验室到田间的系统验证。

本研究主要采用了以下关键技术方法：通过16S rDNA测序和系统发育树分析进行菌株鉴定；利用原子吸收光谱(FAAS)和原子荧光光谱(AFS)定量重金属浓度；采用扫描电镜-能谱联用(SEM-EDS)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)和X射线衍射(XRD)表征沉淀产物形貌与组分；通过16S rRNA高通量测序分析土壤微生物群落结构；基于宏基因组学方法解析脲酶功能基因表达；并在安徽铜陵的实际污染农田开展田间验证试验。

3.1. 菌株筛选与鉴定

研究人员通过富集培养和尿素水解显色筛选，从镉砷复合污染土壤中成功分离出两株高效脲酶产生菌。经16S rDNA序列比对和系统发育树分析，ANY-1被鉴定为Rummelibacillus sp.，ANY-2为Rummelibacillus pycnus。生长曲线显示这两株菌在4-24小时处于对数生长期，此时脲酶活性最为旺盛，培养体系pH可升至9.10，为碳酸盐沉淀创造了理想的碱性环境。

3.2. 水溶液中Cd(II)和As(III)的去除

在单一污染体系中，ANY-1和ANY-2对Cd(II)的去除率高达99.26%和98.66%(初始浓度0.5 mg/L)，显著优于对照菌株。对于更难处理的As(III)，两者在1 mg/L浓度下的去除率分别达到33.36%和40.25%，而S. pasteurii仅12.85%。通过设置无钙离子的生物吸附对照组，研究人员发现生物矿化贡献了绝大部分重金属去除效果，其中Cd(II)的矿化贡献率超过70%。

在镉砷共存体系中，出现了有趣的相互作用：随着As(III)浓度从0.5 mg/L升至10 mg/L，ANY-1和ANY-2对Cd(II)的去除率分别下降9.36%和13.09%，表明阴离子砷对阳离子镉的固定化产生竞争抑制。相反，在低浓度Cd(II)(1 mg/L)条件下，砷的去除率反而提升10.7%-12.73%，揭示出低浓度金属离子间可能存在协同效应。

3.3. 土壤中Cd和As的同步固定化

土壤培养实验证实，添加1% ANY-1菌剂7天后，土壤有效态Cd从0.09 mg/kg降至0.033 mg/kg(降低63.33%)，有效态As从4.47 mg/kg降至3.49 mg/kg(降低23.04%)。值得注意的是，砷的固定化效果随时间呈现波动性，在14-28天期间有效态砷含量在3.328-4.614 mg/kg范围内变化，反映出碱性环境对砷稳定性的影响。这一发现为后续田间应用的时机选择提供了重要依据。

3.4. MICP修复机制解析

通过对沉淀产物的精细表征，研究揭示了双重固定化机制：XRD图谱中清晰出现了(Ca_0.67,Cd_0.33)CO₃和Ca₅(HAsO₄)₂(AsO₄)₂·5H₂O的衍射峰，证明Cd²⁺通过同晶置换方式进入方解石晶格，而砷酸根离子则取代碳酸根形成稳定矿物相。FTIR光谱在1400 cm^-1附近的特征峰证实了碳酸根的存在，562 cm^-1处的吸收峰则对应砷酸根的P-O伸缩振动。SEM图像进一步展示了微生物表面形成的网状结构和层状聚集体，直观呈现了生物矿化过程。

3.5. 土壤细菌群落与脲酶相关基因

16S rRNA测序结果表明，ANY-1和ANY-2处理对土壤微生物α多样性的影响显著小于S. pasteurii。特别值得注意的是，ANY-2处理显著降低了Simpson指数，提高了细菌群落均匀度。在门水平上，变形菌门(Proteobacteria)相对丰度下降，而放线菌门(Actinobacteria)和厚壁菌门(Firmicutes)显著增加，后者与脲酶活性呈正相关。宏基因组分析显示，ANY-1处理土壤中脲酶基因ureA、ureB、ureC的表达量分别达到对照的5.53、7.84和11.62倍，说明MICP处理成功激活了土壤自身的尿素分解潜能。

3.6. 田间试验验证

在安徽铜陵的实际污染稻田中，ANY-1的应用使土壤有效态Cd从0.17 mg/kg显著降至0.13 mg/kg，稻米Cd含量从1.24 mg/kg大幅降低至0.45 mg/kg(降低63.4%)，砷含量也从0.111 mg/kg降至0.084 mg/kg。尤为重要的是，水稻产量维持在6755-6865 kg/ha水平，证明该技术在不影响农业生产的前提下实现了食品安全风险的有效管控。

这项研究通过多尺度验证，充分证明了微生物诱导碳酸盐沉淀技术同步修复镉砷复合污染土壤的可行性与有效性。其创新价值不仅在于成功筛选出具有实用潜力的土著菌株，更在于系统阐明了重金属固定化的微观机制与生态效应。研究发现的新型矿物相(Ca_0.67,Cd_0.33)CO₃和Ca₅(HAsO₄)₂(AsO₄)₂·5H₂O，为理解重金属生物地球化学循环提供了新的视角。而田间试验的成功，更是将实验室成果向实际应用推进了一大步，为发展绿色可持续的农田土壤修复技术提供了重要范式。未来研究可进一步优化菌剂施用策略，探索与铁锰氧化物等材料的协同修复体系，以期在更复杂的环境条件下实现重金属的长期稳定化。