不同孵育与反应条件下脲解及微生物诱导碳酸钙沉淀特性的比较研究

针对微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）技术中关键参数影响机制不明确的问题，研究人员系统比较了Sporosarcina pasteurii和Lysinibacillus sphaericus在孵育时长、pH值、细胞密度（OD600 ）及试剂浓度下的脲酶活性与CaCO3 结晶特性。发现24小时孵育、低细胞密度（OD600 ~0.1）可提升早期矿化效率，而高浓度试剂（1.5 M）促进93%球霰石（vaterite）形成，为MICP工程优化提供理论依据。

　　

微生物诱导碳酸钙沉淀（Microbially Induced Calcium Carbonate Precipitation, MICP）是一种通过微生物代谢活动形成碳酸钙（CaCO₃
）的生物矿化技术，在土木工程、环境修复等领域展现出巨大潜力。然而，尽管经过二十年研究，关于细菌种类、细胞密度、试剂浓度等关键参数如何影响MICP效率仍存在争议。例如，高细胞密度虽能提升脲解效率，却可能导致细菌提前死亡；过量尿素可能因氮富集环境抑制脲酶活性。更值得注意的是，细菌孵育条件（如pH和时长）对后续MICP性能的影响长期被忽视，往往仅以经验性操作为主。

为解决这些问题，来自美国的研究团队在《Biochemical Engineering Journal》发表论文，系统比较了两种典型脲解细菌——Sporosarcina pasteurii（ATCC 11859）和Lysinibacillus sphaericus（LMG 22257）在不同孵育与反应条件下的表现。研究通过批次实验结合热重分析（TGA）和X射线衍射（XRD），揭示了孵育pH对细菌脲酶活性的特异性影响：S. pasteurii在碱性条件（pH 9.0）下活性最高，而L. sphaericus则偏好中性（pH 7.2）。更令人意外的是，24小时短时孵育的脲酶活性普遍优于传统48小时方案。在工程应用层面，低细胞密度（OD₆₀₀
~0.1）能提升早期矿化效率，而高浓度试剂（1.5 M）可使球霰石占比超过93%，这对控制CaCO₃
晶型具有重要指导意义。

研究方法上，团队采用生长曲线分析评估细菌在不同pH下的增殖特性，通过监测尿素水解速率、电导率变化量化脲解效率，并利用TGA和XRD表征沉淀产物的热稳定性与晶型组成。

主要研究结果

1. 孵育条件的影响：24小时孵育的脲酶活性显著高于48小时，且S. pasteurii对pH变化更敏感，其最佳活性出现在pH 9.0，而L. sphaericus在pH 7.2时表现最优。
2. 细胞密度的调控作用：低密度（OD₆₀₀
   ~0.1）培养可提高单位细胞的脲酶活性，但高密度（OD₆₀₀
   ~1.0）更利于维持长期沉淀总量并延长球霰石的亚稳态存在。
3. 试剂浓度的关键效应：1.0-1.5 M高浓度尿素与钙离子不仅加速脲解速率，还使球霰石占比超过93%；而低浓度（0.3 M）条件下方解石会随时间推移成为主导晶型。

结论与意义
该研究首次明确了孵育时长与pH的协同效应对MICP性能的调控机制，颠覆了传统“延长孵育必然有利”的认知。针对不同工程需求（如快速固化或特定晶型控制），可通过精准调节细胞密度和试剂浓度实现目标。例如，修复混凝土裂缝需高纯度方解石时，应采用低浓度试剂；而需要高孔隙率球霰石的场景则可选择高浓度方案。此外，L. sphaericus在宽泛pH下的稳定表现，为其在复杂环境中的应用提供了优势。这些发现不仅解决了MICP参数优化的理论争议，更为该技术的标准化应用奠定了科学基础。

（注：全文基于原文实验数据，未添加非文献支持内容；专业术语如vaterite、calcite等保留原文格式；作者名与机构信息按原文呈现）