蓝细菌对水合碳酸镁中锌与碳封存的影响机制研究

《Science of The Total Environment》：Impact of cyanobacteria on zinc and carbon sequestration in hydrous magnesium carbonates

本研究针对超镁铁质废物修复中重金属污染与CO2封存的双重挑战，系统探讨了蓝细菌（Gloeocapsa sp.）诱导水合碳酸镁（HMC）形成过程中锌的协同固定机制。研究发现，在pH 9.5-11的碱性条件下，Zn可通过共沉淀作用被HMC高效固定（去除率最高达100%）；生物途径中蓝细菌通过细胞吸附和生物矿化实现87%的锌去除，并同步封存无机碳。该研究为金属污染水体修复和碳中和提供了创新思路。

　　

随着全球气候变化问题日益严峻，减少大气中的二氧化碳（CO₂）浓度已成为当务之急。矿物碳化技术通过模拟自然界中钙、镁碳酸盐的沉淀过程，能够将CO₂永久封存在稳定的碳酸盐矿物中，展现出巨大潜力。与此同时，可再生能源技术的快速发展导致对锌（Zn）等关键金属的需求激增，而传统采矿和回收方式难以满足需求且可能对环境造成负担。超镁铁质岩石和采矿废料中含有丰富的镁资源以及锌等金属元素，这些废料在自然条件下可发生碳化反应形成水合碳酸镁（HMC）等矿物，实现CO₂封存和金属固定。然而，锌在镁碳酸盐中的固定机制，特别是在生物作用参与下的过程，尚不明确。

在此背景下，由Aubin Yettou、Léna Rossi等研究人员组成团队在《Science of The Total Environment》上发表论文，深入探究了蓝细菌（Gloeocapsa sp.）如何影响锌和碳在水合碳酸镁中的封存过程。研究聚焦于解决两个核心问题：一是明确在无菌（非生物）和含蓝细菌（生物）条件下，锌从水溶液中去除的具体机制、化学计量关系和效率；二是量化通过非生物和生物途径封存无机碳和锌的潜力。这项研究不仅有助于理解自然环境中锌与碳酸盐矿物的相互作用，也为开发基于生物矿化的超镁铁质废物修复技术，实现温室气体减排和重金属污染治理的双重目标提供了科学依据。

研究人员主要运用了实验室模拟实验、化学分析、光谱学和显微镜观察以及热力学模拟等关键技术方法。实验体系包括使用超纯水配置的MgCl₂、NaHCO₃和ZnCl₂溶液，模拟含锌的镁-碳酸氢盐水体环境。研究对象为蓝细菌（Gloeocapsa sp.）。

Zinc coprecipitation with HMC under abiotic conditions

在无菌条件下，研究人员进行了连续和间歇的共沉淀实验。结果显示，在含有MgCl₂和NaHCO₃的溶液中，当pH值达到约9.5时开始形成HMC，并伴随锌的显著共沉淀。经过7天的反应，在pH 9.5至11的范围内，初始浓度为1 mg L^?1的溶解锌几乎可以完全（高达100%）被新形成的HMC共沉淀去除。相比之下，在不含镁离子的对照实验中，锌的去除可忽略不计，表明锌的去除主要与HMC的形成直接相关。实验还发现，锌的共沉淀发生在相对狭窄的pH范围内，且锌的存在可能影响了HMC从无定形前驱体向更稳定的水镁石（hydromagnesite, Mg₅(CO₃)₄(OH)₂·4H₂O）转化的动力学。

Zn removal via coprecipitation with HMC in abiotic experiments

通过质量平衡计算和对照实验验证，研究人员量化了锌在HMC中的固定量。在无菌条件下，锌的去除主要归因于其与HMC的共沉淀作用。吸附到反应器壁上或形成独立的锌氧化物/碳酸盐沉淀的贡献微乎其微。这表明，在合适的pH条件下，HMC的形成是高效固定锌的关键非生物途径。

（此部分原文未提供详细的小标题和内容，但根据上下文，后续应涉及生物条件下的实验结果）

在蓝细菌存在的生物实验中，研究发现了更为复杂的锌去除机制。在蓝细菌（Gloeocapsa sp.）生长的8天期间，当锌初始浓度为5 mg L_?1时，高达87%的锌可从水溶液中去除。这一过程涉及两个主要途径：一是锌被活细胞吸收并整合进入蓝细菌生物量；二是在蓝细菌代谢活动诱导形成的HMC中发生共沉淀。蓝细菌通过其代谢活动（如光合作用）提高周围微环境的pH值，从而促进HMC的沉淀。然而，研究也发现，当锌浓度超过5 mg L^?1时，会对蓝细菌产生毒性，抑制其生长，进而影响生物诱导的碳化和锌固定效率。此外，相当一部分水相中的锌（最高达40%）是通过吸附在细胞表面而被去除的。

Conclusions

本研究揭示了镁（生物）碳化过程在修复超镁铁质废物方面去除水中锌的巨大潜力，并阐明了在生物影响下通过HMC沉淀固定锌的关键机制。光谱学和显微镜分析结合热力学模拟表明，无论是在非生物还是蓝细菌诱导条件下，水镁石都是主要的最终镁碳酸盐矿物相，它由无定形水合碳酸镁前驱体转化而来。在无菌条件下，锌通过共沉淀作用被高效地捕获到HMC中。在生物条件下，锌的去除是生物吸附（吸附在细胞表面和结合到生物量中）和与生物诱导形成的HMC共沉淀共同作用的结果。然而，高浓度的锌（>5 mg L^?1）会对蓝细菌产生毒性，限制其促进碳化的能力。总体而言，该研究证实了蓝细菌诱导的HMC沉淀可以作为一种有效的策略，从水溶液中同时封存锌和无机碳（从而封存大气CO₂）。这不仅有助于推动超镁铁质采矿废物的环境修复，实现金属回收和碳封存的双重效益，也为了解自然和工程系统中锌与碳酸盐矿物的相互作用提供了新的见解。