微生物加速超基性岩风化性能的跨物种比较研究：为CO2封存与关键金属回收提供新策略

为应对气候危机中CO2封存需求与关键金属资源短缺问题，研究人员通过比较Gluconobacter oxydans、Sphingomonas desiccabilis和Penicillium simplicissimum三种微生物对橄榄岩（dunite）的生物浸出性能，发现G. oxydans能产生pH低至2.15的强酸性浸出液，最高提取3130 mg/L Mg2+和33 mg/L Ni2+，且可利用纤维素水解物替代葡萄糖，为规模化生物风化提供了高效低成本的解决方案。

　　

全球气候变化背景下，如何高效封存大气CO₂成为科学界亟待解决的难题。自然条件下，超基性岩（如橄榄岩）通过风化作用释放Mg²⁺等阳离子与CO₂反应形成碳酸盐矿物，但这一过程需数万年才能平衡工业革命以来的碳排放。传统机械粉碎或化学加速方法成本高昂（每吨CO₂处理费60-550美元），而现有尾矿资源仅能封存约5吉吨CO₂，远低于IPCC提出的年需10-20吉吨目标。更棘手的是，这些岩石中富含镍（Ni）、钴（Co）等能源关键金属，但现有提取技术面临环境与成本双重压力。

针对这一挑战，来自美国康奈尔大学（Cornell University）的研究团队在《Scientific Reports》发表了一项突破性研究。他们系统比较了三种矿物溶解微生物——氧化葡糖杆菌（Gluconobacter oxydans）、干燥鞘氨醇单胞菌（Sphingomonas desiccabilis）和简青霉（Penicillium simplicissimum）对橄榄岩（>90%橄榄石）的风化性能，首次揭示了G. oxydans在酸性生成、金属浸出效率和原料适应性方面的显著优势。

研究采用多技术联用策略：通过X射线衍射（XRD）和扫描电镜-能谱（SEM-EDS）表征岩石矿物组成；设置1%-10%不同矿浆密度梯度，以无菌葡萄糖/纤维素水解物为对照；利用ICP-MS定量浸出液中Mg²⁺、Ni²⁺等10种金属浓度；结合pH动态监测和SEM观察微生物-矿物界面作用，系统评估了生物风化机制。

G. oxydans的浸出液酸性最强

数据显示，G. oxydans在1%矿浆密度下3天内将pH降至2.15±0.06，比另两种微生物低1.5个pH单位以上（图1）。这种强酸性环境与其将葡萄糖转化为葡萄糖酸的代谢特性相关，为后续金属高效浸出奠定基础。

金属浸出效率的物种差异

G. oxydans在3%矿浆密度下5天可浸出3130 mg/L Mg²⁺和33 mg/L Ni²⁺，分别是P. simplicissimum的2.45倍和2.34倍（图3）。值得注意的是，高矿浆密度（>2%）会显著抑制简青霉的活性，其Mg²⁺浸出量骤降至G. oxydans的1/6，而G. oxydans在10%矿浆密度下仍能保持8800±160 mg/L的浸出效率。

纤维素水解物的替代可行性

使用废纸板制成的纤维素水解物时，G. oxydans的Mg²⁺浸出效率仅比葡萄糖低17%（p<0.001），且成本可降低40%以上（图9）。这种原料替代策略解决了传统葡萄糖农业资源限制问题，为工业化应用扫清障碍。

微生物-矿物界面作用

SEM显示G. oxydans能紧密附着于橄榄石表面形成蚀坑（图10C-D），5天后溶解大部分1-2 μm细颗粒（图10E-F），而无菌对照组矿物表面始终被细颗粒覆盖（图10A-B）。这种直接接触模式可能通过氧化Fe²⁺（浸出液呈红棕色）增强矿物分解，而简青霉缺乏该能力可能是其受抑制的原因之一。

该研究确立了G. oxydans作为超基性岩生物风化最佳工程菌株的地位：其强酸生成能力、高金属浸出效率、原料适应性和高矿浆密度耐受性，为CO₂矿化与关键金属回收提供了兼具经济性（成本<10美元/吨CO₂）与环境友好性的解决方案。未来通过基因工程优化菌株性能、延长浸出周期验证稳定性、开发工业级反应器设计，有望实现从实验室到产业化的跨越，为应对气候变化和能源转型提供双重助力。