基于原位矿物形成的平板筛选法：高效定向筛选适用于生物胶结的微生物

为解决传统微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)技术中仅依赖脲酶活性筛选菌株的局限性，北海道大学团队开发了一种基于原位CaCO3形成的平板筛选法。通过含尿素和CaCl2的选择性培养基，直接观察菌落周围矿物晕圈，成功筛选出兼具脲酶活性、碳酸酐酶功能及表面模板效应的MICP高效菌株（如Pararhodobacter sp.）。该技术将CaCO3形成能力与砂土固化强度显著关联，为生物胶结技术的规模化应用提供了高效筛选工具。

　　

论文解读

在全球城市化进程加速的背景下，水泥作为建筑行业的核心材料，其生产过程中产生的温室气体排放已成为严峻的环境问题。联合国秘书长曾警告的"全球沸腾时代"更凸显了开发低碳替代技术的紧迫性。微生物诱导碳酸钙沉淀(Microbially-induced carbonate precipitation, MICP)技术因其环境友好特性被视为下一代胶结技术，但传统筛选方法仅关注脲酶(urease)活性，导致部分高活性菌株在实际应用中表现不佳。这一矛盾源于MICP的复杂性——它涉及脲酶活性、碳酸酐酶(carbonic anhydrase)介导的碳酸氢根生成、细胞表面功能基团的矿化模板作用以及代谢产物的协同效应。

针对这一瓶颈，北海道大学Kazunori Nakashima团队在《Scientific Reports》发表研究，提出了一种革命性的筛选策略。研究人员设计了三类选择性培养基（海洋菌Plate M、陆地菌Plate T-1/T-2），通过直接观测菌落周围CaCO₃晕圈的形成，实现了对MICP高效菌株的"一站式"筛选。关键技术包括：基于ZoBell 2216E和NH₄-YE培养基的平板构建、SEM-EDS和XRD矿物表征、电导率法脲酶活性检测，以及砂柱固化强度评估（使用Mikawa硅砂，通过针入度试验推算无侧限抗压强度UCS）。

结果解析
Targeting selective plate for MICP-positive bacteria
研究首次证实Pararhodobacter sp.在Plate M上形成典型的"荷包蛋"状菌落——黄色菌落外围包裹白色矿物晕圈，而对照菌E. coli无此现象。SEM-EDS分析揭示晕圈成分为含镁方解石(magnesium calcite)，印证了人工海水中Mg²⁺的掺入效应。在陆地菌筛选中，Sporosarcina sp.在Plate T-1上形成明显晕圈，而脲酶活性更高的Virgibacillus sp.却无矿物沉积，凸显传统筛选方法的局限性。

Criteria to select bacteria for MICP
通过电导率法测定发现，Virgibacillus sp.脲酶活性最高（较Pararhodobacter sp.高约40%），但其Ca²⁺消耗率（反映CaCO₃产量）仅为后者的1/3。XRD证实Pararhodobacter sp.生成的矿物为高纯度镁方解石，其(104)晶面衍射峰与标准卡片完美匹配。更重要的是，砂土固化实验显示：Pararhodobacter sp.处理组UCS值达200 kPa，是Sporosarcina sp.的1.5倍，而Virgibacillus sp.仅实现微弱固化，与平板筛选结果高度一致。

结论与展望
该研究建立了MICP菌株筛选的新范式——将矿物形成能力而非单纯的脲酶活性作为核心指标。提出的"晕圈效应"与砂土固化强度间的强相关性（R²>0.9），为工程应用提供了预判依据。值得注意的是，标准培养基Plate T-2对Arthrobacter creatinolyticus的成功筛选，证明该方法具有普适性。未来研究可拓展至极端环境菌株筛选，并探索代谢组学与矿物晶型的关联机制。这项技术不仅助力海滩修复、边坡稳定等实际工程，更为生物材料开发提供了新思路。