通过茶渣改良的微生物碳酸盐沉淀作用，利用双菌株联合体实现农业土壤中镉的协同固定

《Science of The Total Environment》：Synergistic cadmium immobilization in agricultural soil via tea waste-amended microbial carbonate precipitation using a dual-strain bacterial consortium

茶渣 amended土壤与MICP协同固化镉研究显示，20%茶渣联合解淀粉芽孢杆菌与产气荚膜梭菌处理使10和20 mg/kg Cd土壤固定效率达67.7%和71.4%，机理为碳酸钙沉淀及酚羟基络合作用，XRD/SEM-EDS证实Cd-Ca-C-O共沉淀结构。

　　

周伟|Varenyam Achal

环境科学与工程系，广东工业大学-以色列理工学院，中国汕头大学路241号，515063

摘要

本研究评估了茶渣（TW）改良剂与微生物诱导的碳酸盐沉淀（MICP）在农业土壤（微宇宙）中共同用于固定镉（Cd）的效果。Lysinibacillus fusiformis和与Sporosarcina pasteurii组成的双菌株联合体在茶渣添加量为5–25%（重量/重量）的情况下进行了测试，镉浓度分别为10和20 mg/kg。20%的茶渣添加量表现出最佳效果，分别使10 mg/kg和20 mg/kg土壤中的镉固定效率达到67.7%和71.4%。连续提取显示，与碳酸盐结合的镉比例增加了340.7%，同时可交换镉显著减少。其机制包括：（i）尿酶活性增强和碳酸盐沉淀；（ii）茶渣中的氧化官能团对镉的络合作用。矿物学和光谱数据（XRD/FTIR/TGA）证实形成了CaCO₃和含镉碳酸盐，而SEM-EDS则显示在类似碳酸盐的微结构区域中存在钙（Ca）、碳（C）和氧（O）的共定位。双菌株联合体的效果比单一菌株高出约15–20%，这得益于它们之间的生态位互补性和协同作用；此外，茶渣还使土壤中的氮（N）、磷（P）和钾（K）含量分别增加了235%、205%和215%，同时pH值稳定在中性至微碱性范围内。在我们的实验条件下，20%茶渣+双菌株联合体是有效的镉固定方案；未来的工作应针对不同土壤类型优化剂量，以便在实际应用中推广。我们提出了针对不同土壤类型的优化路径和实际部署建议。

引言

镉（Cd）是一种非必需的、高移动性的重金属，通过农业食物链的生物累积对生态和人类健康构成严重威胁（Ali和Khan，2019）。根据联合国粮农组织的数据，全球有超过1200万公顷的农田镉含量超过了0.3 mg/kg的允许阈值（Oloruntoba等，2024）。长期接触镉与肾脏功能障碍、骨质疏松症和癌症有关，因此迫切需要有效的土壤修复策略（Kuna等，2024）。然而，传统的修复技术如土壤冲洗、化学稳定化和植物修复往往成本高昂、对环境造成干扰或在复杂基质中效果不佳（Aparicio等，2022）。因此，开发可持续且经济高效的镉固定技术至关重要。

微生物诱导的碳酸盐沉淀（MICP）是一种可持续的生物地球化学方法，可用于固定土壤中的重金属。Sporosarcina pasteurii和Lysinibacillus等尿解细菌通过分解尿素产生碳酸根离子并提高pH值，从而促进碳酸钙（CaCO?）的形成，这些碳酸钙会包裹或共沉淀重金属（Tan等，2022；Sreekala等，2024）。此外，利用植物来源的尿酶（如大豆尿酶）诱导的碳酸盐沉淀策略也得到了发展（Li等，2025）。同时，包括生物炭、茶渣和咖啡渣在内的有机改良剂也被越来越多地应用于农业土壤中的重金属固定（Wang和Ni，2023；Tang等，2025；Yang等，2025）。鉴于全球对稻田镉污染的关注以及迫切需要可扩展的修复方法（Jing等，2023；Liu等，2024a），MICP因其自我维持的微生物活性、内在的pH缓冲能力以及改善土壤结构的能力而具有吸引力。

最近的研究探索了有机改良剂对提高MICP效果的作用。茶渣（TW）作为一种大量的农业工业副产品，因其富含多酚、含氮化合物和活性碳而具有巨大潜力（Duarah等，2024）。这些特性具有双重作用：刺激微生物尿酶活性并形成与重金属的稳定复合物（Liyanage等，2022）。茶渣中的多酚羟基（-OH）与重金属形成稳定复合物，降低其毒性和迁移性（Nie等，2021）。此外，茶渣通过其有机基质还能改善土壤孔隙度、保水能力和微生物定殖（Qi等，2024）。尽管如此，茶渣用于MICP的最佳浓度仍不明确。高浓度可能会通过改变pH值或释放抑制性物质而阻碍微生物代谢（Garg和Rakshit，2024），且关于益处与抑制作用的阈值，现有文献报道存在不一致（Ahmed等，2023；Hanisch等，2024）。

此外，很少有研究系统地评估不同镉污染水平下茶渣浓度的效应，也未比较单一微生物菌株与联合体在添加茶渣的土壤中的表现，同时对于有机物降解、微生物代谢和镉形态变化之间的动态相互作用了解不足，这些都限制了茶渣微生物联合修复技术的实际应用和机制清晰度。

为填补这些知识空白，本研究系统评估了不同浓度的茶渣改良剂对受10 mg/kg和20 mg/kg镉污染土壤中镉固定的影响。虽然茶渣和MICP的作用已被单独研究过，但尚未系统优化一种结合了茶渣提供的碱度/离子和吸附性有机物，并通过尿解加速碳酸盐成核的集成方法。我们假设存在一个最佳组合窗口，在该窗口内，茶渣的组成（灰分中的钙/钾比例、碱度、多酚）和尿酶驱动的碳酸盐形成共同最大化镉的固定和土壤健康。本研究（1）量化了5–25%茶渣添加量下10 mg/kg和20 mg/kg镉浓度下的效果；（2）比较了单一菌株S. pasteurii与L. fusiformis联合体的效果；（3）将结果与矿物/有机机制（XRD、FTIR、TGA、SEM-EDS）联系起来；（4）确定了适用于实际土壤的最佳配方和设计规则。

部分摘录

土壤样本和茶渣改良剂的制备

土壤样本取自中国广东省汕头市一个未受污染的农业田地，具体为土壤表层20厘米处。采集后，这些样本经过烘干，手动去除根系和叶片等有机杂质，并对其基本性质进行了分析：pH值为7.3，电导率为0.3 mS/cm，有机质含量为2.1%，总氮含量为0.4 g/kg，有效钾含量为25 mg/kg，镉污染程度为

镉固定效率

图1的分析表明，20%的茶渣添加量（T₇和T₁₅）在第28天时实现了最大的可交换镉减少量，表明在我们的实验条件下达到了最佳添加量。这一最佳效果与茶渣残渣的特性一致，即含有含氧官能团的木质纤维素碳和适中的缓冲能力（Nie等，2021；Qi等，2024），这些特性共同调节了（i）MICP的动力学过程和（ii）镉的络合/共沉淀过程。在较低的茶渣添加量下

结论

本研究评估了茶渣（TW）改良剂与微生物诱导的碳酸盐沉淀（MICP）联合用于固定受10 mg/kg和20 mg/kg镉污染的农业土壤中的镉的效果。20%茶渣+Lysinibacillus fusiformis和Sporosarcina pasteurii联合体在我们的实验条件下是最佳方案：在20 mg/kg的土壤中，它使可交换镉减少了71.4%，并使与碳酸盐结合的镉增加了340.7%；而在10 mg/kg的土壤中，这一效果为67.7%

CRediT作者贡献声明

周伟：软件开发、数据分析、数据整理、初稿撰写。Varenyam Achal：指导、资源提供、概念构思、审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了汕头市科学技术局的支持[资助编号：STKJ2023013]