微生物诱导方解石沉淀在受烃类污染土壤中的可行性

《Environmental Science: Processes & Impacts》：Feasibility of microbial-induced calcite precipitation in soils polluted by hydrocarbons

微生物诱导方解石沉淀（MICP）技术在多环芳烃（PAH）污染土壤中的应用研究。通过生物刺激和生物强化实验，发现原土中自养尿素水解菌在62天内未有效分解尿素，而接种S. pasteurii（OD600=1）后，土壤pH从7.5升至9，NH4+浓度增加515 mM，证实PAH抑制尿素酶活性主要因竞争机制，且S. pasteurii在污染环境中可存活并维持代谢功能。首次证明MICP在PAH-重金属共污染土壤中可行，提出高浓度接种（OD600=1）可克服有机污染物抑制。

　　微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）是一种在污染土壤中用于重金属生物修复的有效方法。在这些土壤中，有机污染物与重金属常常共存，而有机污染物如烃类物质则可能抑制土壤中尿素水解的关键过程，这一过程对MICP至关重要。目前，关于MICP在含有有机污染物的土壤中的可行性研究较少，因此本研究旨在探讨在多环芳烃（PAH）污染的土壤中，通过生物刺激和生物强化方法诱导MICP的可能性，并分析其对尿素水解在细胞和酶层面的影响。

本研究通过实验分析了土壤中微生物对尿素水解的响应情况。结果显示，在62天的观察期内，土壤原生的尿素水解细菌未表现出明显的生物刺激反应。然而，通过流式细胞术检测发现，初始光学密度（OD600）为0.01的*Sporosarcina pasteurii*在含有不同浓度有机污染物的土壤水提取物中仍能正常生长，表明这些污染物并未对其细胞膜的稳定性造成负面影响。进一步的尿素酶活性实验表明，*S. pasteurii*和大豆（*Glycine max*）提取的尿素酶在不同浓度的土壤水提取物中表现出不同的反应。在*Glycine max*尿素酶中，即使在高浓度有机污染物（100 g L?1）下，尿素酶活性也未受到明显影响，但在较低浓度（1 g L?1）时，随着有机污染物浓度的增加，尿素酶活性下降至最高浓度下的61%。相比之下，*S. pasteurii*的尿素酶活性在最低浓度的有机污染物（TOC = 0.35 mg L?1）下即开始下降，最终在最高浓度下减少31%。这些结果首次证明了*MICP*的模型细菌*S. pasteurii*在PAH严重污染的土壤中能够生长并保持相关的代谢活性。

研究还发现，生物强化实验中，将*S. pasteurii*以OD600 = 1的浓度接种到土壤基质中后，尿素在24小时内成功被水解。这一结果进一步表明，在含有有机污染物的土壤中，通过引入*S. pasteurii*可以有效促进尿素水解，从而为MICP的应用提供了支持。此外，实验还揭示了有机污染物对尿素酶活性的抑制机制可能为竞争性抑制，即污染物与尿素酶活性位点发生相互作用，从而影响其催化能力。

在土壤污染的背景下，了解有机污染物对尿素酶活性的影响对于发展MICP在生物修复和生物工程领域的应用具有重要意义。PAH作为一种常见的有机污染物，其在土壤中的积累不仅对环境造成影响，还可能与重金属共同存在，进一步复杂化土壤污染的治理。因此，本研究不仅评估了*Glycine max*和*S. pasteurii*在不同浓度有机污染物下的活性变化，还探讨了这些污染物对微生物代谢和酶活性的潜在影响。

实验过程中，研究者通过多种方法评估了土壤的物理化学性质和污染物组成。例如，通过测定土壤中的总碳含量和同位素组成，确定了PAH的存在及其浓度水平。此外，还通过元素分析确定了土壤中主要重金属的浓度，并对其对尿素酶活性的抑制作用进行了评估。结果表明，尽管某些重金属如Mn和Ba在土壤中存在，但它们的浓度不足以显著抑制尿素酶活性，因此PAH可能是主要的抑制因素。

在尿素酶活性测定中，研究者采用了电导率（EC）作为间接指标，因为尿素水解产生的离子（如NH??和HCO??）能够提高溶液的导电性。实验结果显示，随着有机污染物浓度的增加，尿素酶活性呈现出明显的下降趋势，特别是在*S. pasteurii*中，其尿素酶活性在最低浓度下即受到影响，而*Glycine max*尿素酶则在较高浓度下仍保持稳定。这表明，PAH对尿素酶活性的抑制作用可能在不同生物体中表现出不同的机制，其中*S. pasteurii*可能更容易受到其影响。

研究还探讨了有机污染物对微生物生长的影响。通过流式细胞术，研究者观察到*S. pasteurii*在含有不同浓度有机污染物的环境中能够维持细胞膜的稳定性，并在一定范围内保持生长速率。尽管在某些条件下，有机污染物可能对微生物的生长产生一定的抑制作用，但实验结果显示，这些影响并不显著，表明*S. pasteurii*在污染环境中具有一定的适应能力。此外，研究者还推测，*S. pasteurii*可能能够利用有机污染物作为额外的碳源进行生长，这可能是其在污染土壤中仍能维持活性的原因之一。

本研究的结论表明，尽管有机污染物如PAH可能对土壤中尿素酶活性产生抑制作用，但通过生物强化方法引入*S. pasteurii*仍能有效促进尿素水解，从而为MICP的应用提供可行路径。此外，研究还指出，尿素酶活性的抑制可能主要发生在酶层面，而非细胞整体功能。因此，提高细胞或酶的初始浓度可能是克服这种抑制的关键。实验结果还表明，*S. pasteurii*在含有有机污染物的土壤中具有良好的适应性和生长能力，为未来在复杂污染环境中应用MICP技术提供了理论支持。

总的来说，本研究为MICP在污染土壤中的应用提供了新的视角，特别是在同时存在重金属和有机污染物的环境中。通过实验数据的积累和分析，研究者不仅揭示了PAH对尿素酶活性的影响机制，还为未来在类似污染环境中优化MICP参数提供了依据。这些发现有助于推动生物修复技术的发展，使其能够更广泛地应用于环境保护和生态修复领域。