高效微生物诱导碳酸盐沉淀技术对锌、镉、镍复合重金属污染水体的生态修复机制研究

本研究针对高浓度重金属污染水体治理难题，通过筛选耐受性脲酶产生菌（Bacillus subtilis HMZC1、Bacillus sp. HMZCSW和Comamonas sp. HMZC），系统评估其微生物诱导碳酸盐沉淀（MICP）效能。结果表明，菌株在72小时内对4-6 mM的Zn2+、Cd2+和Ni2+去除率超93%，其中Comamonas sp. HMZC对6 mM Cd2+去除率达98.8%，为工业废水修复提供创新生物解决方案。

　　

随着工业快速发展，淡水生态系统中的锌(Zn²⁺)、镉(Cd²⁺)和镍(Ni²⁺)等重金属污染日益严重。这些具有生物毒性的元素通过食物链富集，可引发人类癌症、神经系统疾病等健康风险。传统物理化学修复方法存在成本高、二次污染等问题，而微生物诱导碳酸盐沉淀（Microbially Induced Carbonate Precipitation, MICP）技术因其环境友好特性备受关注。然而，现有研究多局限于低浓度（<2 mM）单一金属体系，对高浓度复合污染的修复效能及机制尚不明确。

南京信息工程大学江苏省大气环境监测与污染控制重点实验室的Adharsh Rajasekar团队联合国内外机构，在《Biodegradation》发表研究，首次系统评估了三种耐受菌株对4-6 mM高浓度重金属的MICP效能。研究人员从南京群英河污染水体分离28株土著菌，通过Christensen尿素琼脂筛选出8株脲酶阳性菌，结合最小抑制浓度（MIC）测试获得Bacillus subtilis HMZC1（B2）、Bacillus sp. HMZCSW（B6）和Comamonas sp. HMZC（B11）三种耐受菌。采用PDAB比色法测定尿素降解动力学，优化pH条件后，通过原子吸收光谱（AAS）定量重金属去除率，并结合扫描电镜（SEM）和X射线衍射（XRD）解析沉淀物形貌与组分。

重金属毒性耐受性
通过浓度梯度（0-6 mM）平板实验发现，B2、B6和B11对Cd²⁺（毒性最强）的MIC均达6 mM，显著高于文献报道的普通菌株（通常<2 mM）。其中B11在6 mM Cd²⁺环境中仍保持生长，为后续高浓度修复奠定基础。

尿素降解能力
pH 7条件下，B2在72小时内将尿素浓度降至50.3 mg/L，降解效率位列三株菌之首。值得注意的是，B11虽降解速率稍慢（53.7 mg/L），但其在重金属存在下的尿素酶活性稳定性更佳，暗示其可能存在独特的金属抗性机制。

重金属去除效能
在6 mM高浓度体系中，B11展现出惊人修复能力：对Cd²⁺、Zn²⁺和Ni²⁺的96小时去除率分别达98.8%、96.92%和99.32%。统计学分析（ANOVA）显示，B11对Cd²⁺-4 mM和Zn²⁺-4 mM的去除效率显著优于B2（p<0.05），而三株菌对Ni²⁺的去除无显著差异，可能与镍离子较小半径（更易与CO₃^2-结合）有关。

表征分析
SEM显示沉淀物呈多孔聚集体结构，证实细菌细胞作为成核位点参与矿化。EDS检测到Cd/Zn在沉淀中富集，而Ni含量较低，反映其不同结合模式。XRD图谱与ICDD标准比对，明确鉴定出CdCO₃（PDF#00-042-1342）、ZnCO₃（PDF#00-001-1036）等晶体相，证实MICP成功将可溶性金属转化为稳定碳酸盐矿物。

该研究突破性地证明Comamonas sp. HMZC可同步高效固定多种高浓度重金属，其效率超越常规Sporosarcina pasteurii等模式菌。通过揭示pH-尿素酶活性-金属去除率的耦合关系，为复杂污染场地的生物修复提供理论依据。未来研究可聚焦菌群协同作用、现场中试及经济性评估，推动MICP技术从实验室走向工程应用。