基于微生物共培养的生物活性活体建筑材料用于重金属镉修复

《Cell Reports Physical Science》：Bioactive living building materials for heavy metal remediation via microbial co-culture

本文综述了丝状蓝藻Leptolyngbya boryana GGD与耐镉菌Lysinibacillus sp. HMR共培养后，通过增强胞外基质形成提升镉耐受性与生物矿化能力的机制。该协同联合体显著提高了活体建筑材料（LBM）对Cd2+的吸附效率与结构稳定性，为重金属修复提供了绿色可持续平台。

　　

共培养增强Leptolyngbya boryana对Cd²⁺的耐受性

重金属污染对生态系统与人类健康构成严重威胁。传统修复方法如土壤清洗、化学沉淀等易产生二次污染，而微生物吸附策略因成本低、环境友好备受关注。研究发现，丝状蓝藻Leptolyngbya boryana GGD作为活体建筑材料（LBM）的核心生物组分，在Cd²⁺胁迫下存活率快速下降。为提升其耐受性，从31株环境分离菌中筛选出耐Cd²⁺的Lysinibacillus sp. HMR（重金属抗性菌）与GGD共培养。共培养后，HMR菌促进GGD菌体表面胞外基质结构积累，显著增强其Cd²⁺耐受性。扫描电镜（SEM）显示，共培养菌体表面形成粗糙的基质沉积（主要为生物膜与EPS），而单培养GGD在50 ppm Cd²⁺暴露48小时后出现细胞塌陷。

共培养提升钙碳酸盐沉淀（CCP）能力

蓝藻与异养菌的互惠共生是重金属修复的关键。共培养体系中，HMR菌通过分泌热不稳定因子诱导GGD菌体表面负电荷增强（zeta电位从-22.5 mV降至-41.1 mV），促进Ca²⁺静电吸附。傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）分析显示，共培养细胞在3400 cm^?1（-OH/-NH）、1650 cm^?1（酰胺I键）、1080 cm^?1（C-O-C糖苷键）等波段吸收增强，表明EPS中多糖、蛋白质官能团富集。在含1 mM CaCl₂的培养基中，共培养体系pH升至10.4，Ca²⁺去除率达63.8%，显著高于单培养（25.2%）。X射线衍射（XRD）证实共培养产物以方解石和碳酸盐磷灰石为主，而单培养中检测到不稳定球霰石，说明共培养促进稳定矿物相形成。

LBM的镉吸附性能与机械强化

将GGD-HMR共培养菌体嵌入沙基LBM中，固化28天后评估其性能。共培养LBM的叶绿素a含量提高1.4倍，压缩强度达0.87 MPa（单培养LBM为0.57 MPa）。电镜与能谱（SEM-EDX）显示，LBM断裂面存在菌丝-矿物桥接结构，CaCO₃晶体覆盖于菌体表面。在Cd²⁺吸附实验中，共培养LBM对6.5 ppm Cd²⁺的1小时去除率（RE）达86.6%，吸附容量（q_e）为1.3 mg/g，均高于单培养LBM（RE=76.4%，q_e=1.2 mg/g）。动力学拟合符合准一级模型（R²>0.99），共培养体系速率常数（k₁=2.6 min^?1）更高。吸附后溶液未检测到叶绿素a泄漏，说明菌体固定化良好。

结论与展望

GGD与HMR共培养通过协同生物膜/EPS形成、pH调控与矿物沉淀，显著提升LBM的镉吸附效率与机械稳定性。该策略为重金属污染环境的原位修复提供了新材料设计思路，未来需在复杂污染物体系与动态环境条件下验证其长期性能。