商业农业微生物菌群在加速电石渣碳化中的再利用

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Repurposing Commercial Agricultural Microbial Consortia for Accelerated Carbonation of Calcium Carbide Slag

　　

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  商用农业微生物制剂被重新用于碳化渣碳酸化。
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  J4表现出最佳的碱性恢复能力和最快的碳酸化启动速率（x₀ = 2.09 h）。
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  J4的最佳用量为20%（v/v）；更高用量会抑制碳酸化反应。
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  以方解石为主的产物表现出孔隙填充和更致密的微观结构。
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  决定性能的是碱耐受性和碳酸酐酶的可及性，而非仅碳酸酐酶含量。

引言

碳化渣是乙炔和聚氯乙烯生产过程中产生的大量碱性残留物[1]。其Ca(OH)₂含量超过70%[2]^,赋予了其较高的CO₂矿化理论容量[3]。对该废弃物进行碳酸化处理可将CO₂转化为稳定的碳酸钙，同时产生一种可用于建筑的材料[4]、[5]。近期研究探索了碳化渣作为胶凝材料或辅助胶凝材料的应用，证实了其在低碳建筑方面的潜力[6]、[7]、[8]。然而，该碳酸化过程的实际应用受到常温下反应动力学缓慢的限制[9]、[10]。

这一动力学限制源于渣颗粒表面致密方解石层的快速形成[11]、[12]。该层阻碍了离子扩散，使碳酸化反应过早终止。化学和物理活化方法可以加速反应，但通常需要较高的能量输入或存在腐蚀风险[13]、[14]、[15]。因此，更温和的生物途径受到了关注[16]、[17]。其中，微生物诱导碳酸盐沉淀（MICP）作为一种有前景的替代方案脱颖而出，因为它在常温条件下运行并使用微生物作为生物催化剂[18]、[19]、[20]、[21]。

MICP依赖于两种主要微生物途径。第一种使用尿素分解细菌，如Paecilomicrobium pasteurii，它们水解尿素产生碱性并驱动碳酸盐沉淀[22]、[23]、[24]。第二种使用产碳酸酐酶（CA）的细菌[25]、[26]。CA催化CO₂可逆水合生成碳酸氢根（${\mathit{CO}}_2+H_{2}O?{\mathit{HCO}}_3^{?}+H_{+}$），这是非生物碳酸化中的速率限制步骤[27]、[28]、[29]。没有CA，该水合反应动力学迟缓[30]。该酶可将其加速数个数量级。在碱性环境中，碳酸氢根脱质子生成碳酸根，然后与溶解的Ca²⁺反应沉淀出CaCO₃[31]、[32]。胞外CA可以在独立于细胞活性的条件下催化CO₂水合，前提是酶保持活性。然而，CA活性依赖于pH，在强碱性条件下可能会下降。这些特性使产CA细菌成为矿物碳酸化的理想选择，因为它们在不释放氨的情况下加速了速率限制步骤[33]、[34]。

尽管具有这种潜力，MICP的工业化部署仍面临两大持续性障碍[35]、[36]、[37]。第一是依赖纯化的实验室培养菌株。这些菌株需要无菌发酵和特定营养供应，使其在处理低价值固体废物时的操作成本高得令人望而却步。此外，中性菌株通常缺乏耐受新鲜碳化渣浆料强碱性条件（pH ≈ 12–13）的韧性，除非进行复杂的预驯化或包埋处理[22]、[38]。第二个障碍是纯化酶的使用。虽然游离CA可以在独立于细胞活性的条件下催化CO₂水合，但其生产需要额外的发酵、提取和纯化步骤，进一步增加了成本[39]、[40]。更为关键的是，游离酶在碱性条件下变性后无法自我复制或补充，且难以回收再利用。因此，纯菌株和纯化酶在经济技术上均不适合大规模处理低价值碱性废弃物[39]。该领域需要一种酶学有效、自我更新且兼容非无菌、成本敏感型工业操作的生物催化剂。

商用农业微生物制剂提供了满足这一需求的潜在解决方案[41]、[42]。这些产品为土壤修复和生物肥料大量生产，经过工程设计以适应恶劣的田间条件，且作为干粉具有优异的储存稳定性[43]、[44]、[45]。许多配方含有复合微生物菌群，如芽孢杆菌属（Bacillus spp.），这些菌株在基因组上具有产生CA酶的能力[40]、[43]。如果这些现成产品能够重新用于碳化渣碳酸化，它们将绕过纯菌株相关的无菌发酵和规模化成本。然而，尚无研究评估这些商用制剂能否耐受碳化渣浆料的强碱性条件并加速碳酸化。

在此背景下，本研究评估了商用农业微生物制剂能否作为实验室培养菌株处理碳化渣碳酸化的实用替代品。筛选了七种制剂，从单菌株细菌到复合细菌配方，评价了其碱耐受性、CA含量、碳酸化动力学和产物特性。与以往聚焦碳酸化机制的MICP研究不同，本研究从生物催化剂来源和碱性适应的角度切入这一问题。

节选片段

材料

碳化渣是一种典型的强碱性工业残留物，采自中国四川省德阳市的一家化工厂。为确保实验均匀性，将原始渣料在105 °C下干燥至恒重，使用行星式球磨机研磨，并通过100目标准筛。经预处理渣料的化学成分通过X射线荧光光谱法（XRF，Axios，PANalytical，荷兰）测定，结果以非归一化氧化物报告

商用微生物制剂的恢复能力及碱性响应

新鲜碳化渣浆料呈强碱性（初始pH ≈ 13）。因此，商用制剂在碱性条件下的恢复能力是其用于碳酸化的先决条件。本节在初始pH 7.0、9.0和13.0下对七种制剂进行了评价。

结论

七种商用制剂均含有活的生物成分，但其碱性条件下的恢复能力差异显著。J4在碱性恢复和碳化渣碳酸化方面均表现出最佳性能。其优势并非源于最高的CA蛋白含量，而可能是更强的碱耐受性和更好的胞外CA可及性。J4的最佳用量为20%（v/v）；更高用量未改善性能，30%则会抑制碳酸化。该

CRediT作者贡献声明

王瑞：可视化、调查研究、形式化分析。李军：软件、资源、资金获取。陆忠元：资源、数据整理。侯立：写作—审阅与编辑、可视化、监督、软件、资源。刘智燕：写作—原稿、可视化、方法论、调查研究、形式化分析、概念化。李沁月：验证、调查研究、数据整理。周紫涵：可视化、调查研究、形式化分析。

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致谢

本工作得到了四川省科技计划项目（2023YFG0379）和西南科技大学科学基金项目（20zx7128）的支持。

竞争利益声明

作者声明不存在任何可能影响本论文所报告工作的已知竞争经济利益或个人关系。

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