油页岩半焦增强本土脲酶产生菌诱导碳酸盐沉淀实现土壤Cu2+与Zn2+固定化

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Cu2+ and Zn2+ immobilization in soil via oil shale semi-coke-enhanced carbonate precipitation induced by indigenous urease-producing bacteria

　　

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  巨大芽孢杆菌G1可耐受250 mg/L Cu²⁺和150 mg/L Zn²⁺。
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  在400 °C下热解的OSSC为微生物诱导碳酸盐沉淀（MICP）提供了最适宜的结构。
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  3% OSSC增强型MICP使可交换态Cu和Zn分别降低了46.93%和50.31%。
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  SEM-EDS和XRD证实了方解石、孔雀石和菱锌矿的形成。

引言

土壤中的重金属污染往往难以检测、在环境中持久存在且化学性质复杂。由于重金属易被生物吸收并沿营养级传递，它们可在生物组织内累积，最终通过食物链进入人体。Cu、Pb和Zn等金属可被植物根系吸收，并进一步累积在可食部和营养组织中，如稻米以及蔬菜的茎叶中，其浓度可能超过食品安全标准[1]。近期估算表明，有毒金属污染影响了全球约14%-17%的耕地，凸显了土壤重金属污染对全球粮食安全和生态系统健康的重大威胁[2]。传统的物理修复和化学修复方法以及植物修复通常受限于成本高、场地扰动大、处理周期长以及二次污染风险等问题[3]、[4]、[5]。近年来，微生物诱导碳酸盐沉淀（MICP）作为一种原位固定污染土壤中重金属的具有前景且环境可持续的方法受到广泛关注[6]、[7]。

MICP是一种生物矿化过程，在此过程中微生物代谢改变了局部微环境的物理化学条件，从而促进碳酸盐矿物的沉淀[8]。MICP可通过多种微生物代谢途径发生，包括尿素水解、反硝化、硫酸盐还原和光合作用；其中，脲酶介导的尿素水解是最为广泛研究且技术最为成熟的途径[9]、[10]、[11]。在脲酶驱动的MICP过程中，微生物水解尿素产生铵和碳酸盐类物质，使局部pH升高，促进CaCO₃沉淀，从而通过共沉淀和矿物包裹作用固定土壤中的重金属。由于脲酶活性高，粘质芽孢杆菌被广泛用作MICP研究的模式菌[12]。然而，引入复杂土壤环境的外源模式菌株可能因环境适应性差、与土著微生物群落竞争以及重金属毒性而表现出定殖能力有限和矿化活性降低[13]。相比之下，在污染场点经过长期暴露而存活的土著脲酶产生菌通常对当地条件适应性更强，表现出更高的重金属耐受性，从而为原位修复提供了更高的生态相容性和定殖潜力[14]。因此，分离兼具高脲酶活性和强重金属耐受性的土著功能菌株是提升MICP实际应用性的有前景的策略。然而，即使在重度污染的工业场点，土著细菌也可能因单一金属高浓度或多金属复合暴露而受到抑制。这种胁迫可能抑制微生物生长、脲酶产生和尿素水解，最终限制碳酸盐矿化效率[15]。

近期研究日益关注通过添加外源改良剂来改善MICP性能[16]。这类改良剂可通过吸附重金属和缓解其毒性、为微生物提供附着位点、调节局部微环境以及促进碳酸盐矿物的异质成核，从而在复杂污染条件下提高修复效率和长期固定稳定性[17]、[18]、[19]。常被研究的改良剂包括生物炭[20]、MgO[21]、羧甲基壳聚糖[22]以及羟基磷灰石等磷酸盐基材料[23]。然而，这些改良剂的大规模应用仍受到若干实际限制。一些功能性材料需要复杂的制备工艺或生产成本较高，从而限制了其在大规模污染场地的应用。此外，碱性或含盐材料的不当或过量施用可能破坏土壤pH、盐分和离子平衡，从而对微生物活性和土壤生态功能产生不利影响[24]。因此，开发易于获取、成本低廉、环境相容且具有重金属吸附和毒性缓冲能力、支持微生物附着以及促进矿物成核的改良剂，对于提高MICP的实际应用性至关重要。

油页岩半焦（OSSC）是油页岩加工过程中产生的固体残余物，若管理不当可能对环境造成负担。OSSC通常含有铝硅酸盐矿物、碳酸盐、铁铝氧化物和含碳组分，这些成分共同为重金属的吸附、络合和沉淀提供了反应性表面和结合位点[25]、[26]。已有研究表明，OSSC可在一定程度上去除或固定Cd²⁺、Pb²⁺和Cu²⁺等金属离子，同时改善土壤pH和酸碱缓冲能力[27]。此外，其多孔结构和反应性矿物表面可为微生物附着和定殖提供适宜的支架，从而支持参与MICP的脲解细菌在异质土壤环境中的持续存在和代谢活性[28]、[29]。OSSC还可能保留尿素水解过程中产生的氨/铵类物质和其他含氮产物，从而潜在地减少脲解型MICP过程中的氨挥发及其相关环境影响[30]。然而，据我们所知，关于将OSSC作为改良剂用于增强MICP修复重金属污染土壤的系统性研究仍较为有限。特别是，OSSC的物理化学性质如何影响细菌定殖、脲酶活性、碳酸盐成核以及重金属在土壤各赋存形态中的重新分配，其机制尚未阐明。

为填补上述知识空白，本研究旨在：(1) 从重金属污染土壤中分离土著脲酶产生菌，评估其诱导碳酸盐沉淀的能力，并表征其对不同pH条件及Cu²⁺和Zn²⁺浓度的耐受性；(2) 确定OSSC热解温度、菌剂接种量以及接种策略（包括直接接种和基于OSSC的细菌固定）如何影响MICP性能；(3) 评估通过土著脲酶产生菌诱导并经OSSC增强的碳酸盐沉淀对土壤中Cu²⁺和Zn²⁺的固定效果，并阐明相关的固定机制。本研究为重金属污染土壤的环境可持续高效修复提供了机制基础和技术框架，同时将重金属固定与工业固体废弃物的资源化利用相结合。

章节摘要

土壤样品和菌株来源

本研究所用的重金属污染土壤采集自中国辽宁省铁岭市的一家铜冶炼厂（图S1）。该厂采用火法冶金工艺，主要生产黄铜（主要由Cu和Zn组成的合金）。初步场地调查确定采样点T81为污染最严重的地点。鉴于长期污染土壤中栖息的土著微生物通常具有更强的重金属耐受性

脲酶产生菌株G1的筛选、分离与鉴定

表S1列出了采集土壤中的重金属浓度测定结果。Cu、Zn、Pb、Ni和As的浓度均超过了各自的土壤污染风险筛选值。Cu和Zn为主要污染物，其浓度分别达到各自土壤背景值的137.19倍和52.22倍。基于其与相应背景值相比显著更高的富集程度，选择Cu和Zn作为代表性

结论

本研究从长期重金属污染土壤中分离得到一株高活性的土著脲解菌株耐硼巨大芽孢杆菌G1，并开发了一种经OSSC增强的MICP修复体系。改性OSSC显著提高了MICP体系中的脲解活性和碳酸盐矿化。在所测试的材料中，400 °C制备的OSSC表现出最优异的孔结构组合和表面特性，提供了最佳的

资金支持

本研究得到了国家重点研发计划（编号：2018YFC1801200）和辽宁省高校基本科研项目（Z2224002）的支持。

CRediT作者贡献声明

严沛鑫：验证、调查、形式分析。唐玉兰：撰写——审阅与编辑、资金获取、概念构思。张小涵：撰写——初稿、可视化、方法学、形式分析、数据管理、概念构思。曾湘峰：调查、概念构思。黄殿南：撰写——审阅与编辑、形式分析。

利益冲突

作者声明他们不存在与本提交研究相关的任何商业或关联利益冲突。

致谢

本研究得到了国家重点研发计划（编号：2018YFC1801200）和辽宁省高校基本科研项目（Z2224002）的支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

张小涵|唐玉兰|严沛鑫|黄殿南|曾湘峰