一种新型产脲酶的菌株在低温胁迫条件下能有效诱导镉的生物矿化过程

《Journal of Environmental Sciences》：A novel urease-producing strain effectively induces cadmium biomineralization under low-temperature stress

微生物诱导碳酸沉淀技术低温修复镉污染土壤的研究：分离低温适应假单胞菌J-6并揭示其诱导方解石共沉淀的晶体形成机制与长期稳定性

　　

余雅慧|郑青娟|彭风格|黄毅|邱成|刘青海|梁露洁|吴斌

中国成都理工大学生态与环境学院，地质灾害防治与地球环境保护国家重点实验室，成都 610059

摘要

微生物诱导的碳酸盐沉淀（MICP）已被广泛用于固定受采矿影响地区污染土壤中的镉（Cd）。然而，其在低温 stress 条件下的修复效果，以及通过嗜冷细菌的碳酸盐沉淀调节 Cd 生物矿化过程的机制尚未得到研究。在这里，我们从高海拔寒冷地区的尾矿中分离出一种新型脲酶产生菌株 Pseudomonas sp. J-6，该菌株在 5 °C 下表现出无与伦比的耐寒性，并在 10 °C 时通过 MICP 实现了 95.85% 的 Cd 去除效率。此外，通过连续观察低温 MICP 反应后的沉淀物，阐明了 Ca_1-xCd_xCO₃ 的共沉淀过程。晶体形态从早期的松散文石转变为中期的致密方块状。Cd²⁺ 逐渐从表面结合状态转变为晶格掺入状态，最终形成了稳定的 Cd 替代方解石晶体。在这个过程中，低温促进了较大、高度有序的 Cd 替代方解石晶体的形成，从而增强了 Cd 的固定及其长期稳定性。此外，在低温 stress 下，Pseudomonas sp. J-6 诱导的 MICP 反应使高山渣土中的生物可利用 Cd 减少了 44.85%，并改善了其物理性质。在冻融循环中，修复效率保持稳定。本研究阐明了高海拔低温环境中的生物矿化潜力以及嗜冷细菌诱导的碳酸盐沉淀过程中 Cd 生物矿化的机制，填补了其在极端条件下的应用研究空白，并突显了其在低温 stress 下可持续修复重金属污染的潜力。

引言

土壤安全对生态平衡至关重要，是人类社会持续发展的基础（Zhou 等，2024）。工业化和城市化的快速推进导致了大规模的采矿和冶炼活动，导致重金属大量排放到陆地生态系统中，引发了严重的污染（Zhou 等，2024）。这些污染物通过地表径流和地下渗漏迅速扩散，在区域和流域尺度上构成了严重的生态威胁（Wang 等，2024a；Zhang 等，2023）。镉（Cd）因其高毒性、强迁移性和易于生物积累的特性而被认为是最具环境危害性的重金属污染物之一（Teschke，2024）。镉可以在食物链中生物放大，最终在人体组织中积累，主要影响肾脏。长期暴露于镉与肾毒性、骨骼脱矿、呼吸系统疾病和某些癌症的风险增加有关（Sattar 等，2025）。因此，修复受采矿影响地区重金属污染的土壤已成为一项紧迫的环境需求，对于恢复生态功能和确保土壤健康至关重要。

微生物诱导的碳酸盐沉淀（MICP）是一种创新的重金属生物修复方法，为土壤中的原位固定提供了一种新途径（Zhou 等，2024）。这项技术因其环境兼容性、高效率、广泛应用性和成本效益而成为一种潜在的土壤修复技术（Li 等，2024；Lin 等，2023；Song 等，2022；Yang 等，2024）。MICP 过程通常涉及脲酶介导的尿素水解（Li 等，2023a）。产生脲酶的细菌分解尿素产生 NH₄⁺ 和 CO₃^2-，金属离子与 CO₃^2- 结合形成不溶性碳酸盐（Wang 等，2023）。作为 MICP 的关键参与者，Ca²⁺ 可以在重金属矿化过程中与重金属共沉淀（Zheng 等，2023）。重金属与矿化产物的共沉淀有效降低了重金属的生物可利用性和环境迁移性（Chen 等，2021）。此外，MICP 过程中 CaCO₃ 的沉淀可以改善土壤的机械性质（Zhao 等，2021）。最近的研究证明了使用特定细菌菌株（如 Sporosarcina pasteurii、Brevundimonas diminuta、Bacillus firmus 和 Aneurinibacillus tyrosinisolvens JK-1）修复采矿区重金属污染土壤的有效性（Ali 等，2022；Dong 等，2023；Duan 等，2021；Yang 等，2016），从而突显了其在矿山土壤修复中的巨大潜力。

MICP 过程对温度非常敏感，最佳反应范围为 20-37 °C（Rajasekar 等，2021）。因此，大多数研究集中在识别高效的脲酶产生菌株并评估 MICP 在常温下修复重金属污染土壤的有效性和矿化过程（Omoregie 等，2024）。例如，Pseudochrobactrum sp. DL-1 在 30 °C 和 20.00 mg/L Cd²⁺ 条件下实现了 99.89% 的 Cd²⁺ 去除效率（Sheng 等，2022）；Pseudomonas sp. LYF26 在 30 °C 和 3.00 mg/L Cd²⁺ 条件下达到了 94.77% 的去除效率（Wang 等，2024b）；Bacillus pasteurii 在 28 °C 和 8.00 mg/L Cd²⁺ 条件下达到了 96% 的去除效率（Khan 等，2025）。相比之下，很少有研究关注低温 stress 下 MICP 的应用。在极端寒冷条件下，细菌生长和附着在固体表面的能力显著受到抑制，胞外聚合物（EPS）的产生减少，CaCO₃ 的成核速率降低（Peng 和 Liu，2019；Tang 等，2020；Wang 等，2023）。这些综合效应抑制了重金属的固定，大大限制了 MICP 在此类极端环境中修复重金属污染土壤的应用（Zheng 等，2021）。此外，已发现的嗜冷脲酶产生菌株仍然很少，且大多数菌株在 Cd²⁺ 存在时矿化活性不足。例如，Glutamicibacter sp. DC1 可以在低温下促进 Cd 沉淀，但其对 Cd 的最低抑制浓度（MIC）仅为 20 mg/L（Li 等，2022a）。因此，迫切需要识别适用于极端寒冷条件的高效嗜冷脲酶产生菌株，并阐明其在低温 stress 下的 MICP 修复效果、稳定性和矿化过程。

为了解决低温 stress 下 MICP 应用中的关键问题，我们分离并鉴定了一种具有高矿化效率的新型嗜冷脲酶产生菌株，并评估了其在低温 stress 下的性能。然后，我们优化了影响 MICP 介导的 Cd（II）矿化的关键环境参数，并表征了矿化产物，以阐明低温 stress 下的生物矿化和晶体成核过程。最后，通过低温修复实验验证了这种基于 MICP 的方法的修复潜力。这些发现为在低温下应用 MICP 修复重金属污染土壤提供了新的见解和有用的指导，从而有助于开发更有效和环保的修复策略。

部分摘要

在低温下筛选和分离产生脲酶的细菌

从中国西藏的一个尾矿池（92°1′E, 30°19′N）收集土壤样本，与水混合并振荡 2 小时。静置 30 分钟后，取 1 mL 上清液加入 50 mL Lysogeny Broth（LB）中，在 10 °C 和 150 r/min 下培养 2 天。将 100 μL 的浑浊培养物稀释（10^-4）并接种到固体筛选培养基上（附录 A 表 S1）。在 10 °C 下培养后，培养基从黄色变为红色。选择了 10 株显示红色环的菌株

在 10 °C 下筛选和鉴定产生脲酶的细菌

在 10 °C 下测量产生脲酶的菌株的脲酶活性、CaCO₃ 沉淀能力和 Cd 去除率（附录 A 图 S1）。结果表明，菌株 J-6 的脲酶活性（192.84 IU）和 CaCO₃ 沉淀能力（1.67 mg/mL）相对较高。此外，菌株 J-6 在所有菌株中表现出最强的 Cd 去除能力，7 天后的 Cd 去除率为 44.56%。因此，选择菌株 J-6 进行进一步实验

结论

在这项研究中，从高山尾矿中分离出十种产生脲酶的细菌菌株，其中菌株 J-6 表现出最有前景的性能，并被鉴定为 Pseudomonas sp。作为一种新型嗜冷细菌，菌株 J-6 在低温条件下表现出显著的 Cd 抗性和矿化能力。在 10 °C、pH?=?9、20 g/L 尿素、20 mmol/L Ca²⁺ 和 0.4 mmol/L Cd²⁺ 的条件下，最大 Cd 去除效率达到了 95.85%。在低温 stress 下，该过程

CRediT 作者贡献声明

余雅慧：写作 – 审稿与编辑，撰写原始草稿，验证，方法学，研究。郑青娟：写作 – 审稿与编辑，方法学，研究。彭风格：写作 – 审稿与编辑。黄毅：资金获取。邱成：资金获取。刘青海：资金获取。梁露洁：研究。吴斌：写作 – 审稿与编辑，方法学，资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了中国西藏自治区科学技术项目（编号 XZ202401YD0001、XZ202201ZD0004G06 和 XZ202501ZY0148）、贵州省关键技术研发计划（编号 QKHZC[2023]YB255）以及成都市科学技术项目（编号 2024-YF09-00042-SN）的支持。