基于MICP与MIPP方法的镉固定研究：动力学过程、产物特性、浸出稳定性及转化可行性分析

《Journal of Cleaner Production》：MICP versus MIPP for Cd immobilization: kinetics, products, leaching stability and conversion feasibility

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  使用两种矿化菌株系统地比较了MICP和MIPP的效果。
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  DF-C31/PSB4通过将约98%的Cd²⁺结合到方解石/HAP的晶格中实现固定。
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  MICP能更快地固定Cd²⁺，而MIPP具有更强的耐酸性。
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  在高Cd²⁺浓度下，方解石向HAP的转化受到抑制，即使在50°C时也是如此。

引言

长期以来，重金属污染一直被视为全球环境研究的热点问题。人类活动如采矿、冶炼、过度使用农用化学物质、回收水灌溉以及大气沉积不断导致土壤中重金属含量增加（Deo等人，2024年；Mahmud等人，2021年；Obaid等人，2023年；Zhou等人，2024年）。有害金属离子在土壤-水-作物系统中积累，并通过食物链传播，对人体器官造成不可逆的有机损伤（Khatun等人，2022年）。作为一种高毒性的非必需元素，镉（Cd）主要在人类肾脏和骨骼中积累，其半衰期极长，导致长期的慢性毒性。值得注意的是，中国南方稻田土壤中收获的大米约有5%的镉含量超过了国家安全标准（Yang等人，2024年），然而对人类有毒的镉浓度几乎不会抑制作物生长，这就隐藏了容易被忽视的食物链风险（Ai等人，2022年）。因此，迫切需要开发低成本、环保且可持续的镉修复技术。

与传统物理和化学钝化方法相比，微生物生物矿化方法具有显著的优势，包括反应条件温和且二次污染几乎可以忽略不计（Lai等人，2023年）。其中，微生物诱导的碳酸盐沉淀（MICP）和磷酸盐沉淀（MIPP）是两种代表性的绿色修复策略。这两种技术通过微生物代谢改变微观环境的pH值和磷酸盐/碳酸盐平衡，将可溶性的Cd²⁺转化为热力学稳定的固体矿物沉淀物（Mallick等人，2025年）。MICP依靠尿素分解菌株产生方解石/奥塔维特（CdCO₃）固体溶液以实现快速固定镉，但碳酸盐矿物容易在酸作用下溶解，重新释放游离的Cd离子（Gat等人，2017年；Liu等人，2021年）。相比之下，MIPP生成替代了镉的羟基磷灰石（HAP），其溶度积常数（K_sp）仅为1.58×10^?117，远低于方解石的3.8×10^?9，从而具有更好的长期结构稳定性（Lide，2003年；Xue等人，2024b年）。利用生物方法改善土壤健康为降低农产品中的镉含量提供了一种可持续且经济可行的策略（Xin，2024年）。作为微生物生物矿化技术，MICP和MIPP不仅降低了镉的生物有效性，还通过调节根际微生物群落和养分循环促进了土壤健康，从而提高了食品安全。这种双重效益使它们特别适合用于修复受镉污染的农业土壤。

大量研究表明，标准MICP/MIPP模式菌株在重金属修复方面具有潜力。经典MICP菌株S. pasteurii在低镉负荷下可通过碳酸盐共沉淀去除超过95%的可溶性镉（Xu和Wang，2023年），而商业菌株Bacillus subtilis和Bacillus megaterium在优化的MIPP系统中可去除99%的铅（Han等人，2023年；Xue等人，2024a）。然而，这些菌株在高镉污染的现场应用中存在局限性，严重限制了它们的实际效果。首先，高镉压力会严重抑制模式菌株的核心代谢功能：高浓度的镉显著抑制了S. pasteurii的生长和尿素酶活性，破坏了其碳酸盐矿化能力（Fang等人，2021年）。其次，大多数使用商业Bacillus菌株的MIPP研究主要集中在铅的修复上，而它们在同等金属压力下的镉固定效率记录较少，且通常较低（Zhang等人，2024a；Zhou和Achal，2025年）。第三，与从长期镉污染环境中分离出的本土细菌相比，实验室培育的模式菌株具有明显较低的内在重金属耐受性（Fang等人，2021年；Liu等人，2023年）。

鉴于镉对微生物的强毒性，从受镉污染的土壤中筛选出天然的尿素分解菌株和磷酸盐溶解菌株是一种可靠的方法，以获得内在耐镉的微生物（Yu等人，2021年）。例如，Huang等人（2024年）从受镉污染的根际土壤中分离出一种高效的磷酸盐 Mineralizing细菌Enterobacter sp. PMB-5。该菌株的最低抑制浓度（MIC）为540-1220 mg/L，远高于标准S. pasteurii菌株的5 mM阈值（Fang等人，2021年）。此外，新兴的适应性实验室进化（ALE）技术可以在不损害核心生物矿化能力的情况下进一步提高微生物的金属耐受性（Mavrommati等人，2022年）。Qin等人（2019年）报告称，ALE技术将E. coli的镉MIC提高了八倍，达到8 mM。然而，展示这种增强效果需要一个具有前后表型对比的明确亲本系。当从混合环境社区开始连续转移时，该过程也会富集现有的抗性本土微生物，除非保存预选分离株，否则两种过程无法分开。除了独立使用MICP或MIPP菌株进行镉固定外，磷酸氢二铵（DAP）可以在常温下提供足够的磷酸根离子，将碳酸盐沉淀物转化为羟基磷灰石（HAP）（Sheng等人，2024年；Wang等人，2019年），而热处理可以加速这一相变过程（Wang等人，2022年；Yoshimura等人，2004年；Zhu等人，2016年）。

然而，仍存在三个关键的知识空白。首先，缺乏对MICP和MIPP系统之间镉固定效率、矿物演变及长期稳定性的系统定量比较，这阻碍了针对不同污染情况的最佳策略选择。其次，尽管MICP的快速固定能力和MIPP的卓越稳定性具有结合潜力，但高镉负荷下方解石向HAP转化的可行性尚未通过实验验证。为解决这些研究空白，本研究旨在实现三个目标：（1）建立标准化流程，用于从受镉污染的土壤中筛选、鉴定和评估本土MICP/MIPP菌株的镉抗性；（2）系统比较MICP和MIPP系统中镉²⁺的固定效率、矿物演变及沉淀物形态，并利用多光谱和显微镜技术解析它们的差异固定机制；（3）评估生物矿化产物的长期稳定性，并验证从方解石到HAP的相变可行性。

部分片段

逐步多金属富集和微生物分离

从中国毕节市（北纬27°5′57.67″，东经105°34′15.92″）的一个煤矿和黔南布依苗族自治州（北纬27°0′50.96″，东经107°22′51.62″）的一个磷酸盐矿收集了受重金属污染的土壤。将10克土壤悬浮在200毫升NBU培养基（含有10克/升蛋白胨、5克/升NaCl、3克/升牛肉提取物和20克/升过滤消毒的尿素）中，并加入HM储备溶液（Text S1）以富集产生尿素酶的细菌（UPB）。另外10克土壤悬浮在200毫升培养基中

UPB和PSM菌株的选择

经过初步分离，从土壤样本中筛选出了25种尿素分解菌株和4种磷酸盐溶解菌株。大多数尿素分解菌株属于Sporosarcina属，少数为Bacillus属。仅获得了4种耐重金属的磷酸盐溶解微生物，包括1种真菌和3种细菌。所有分离株的完整分类信息列在表S1中，它们的菌落形态特征分别展示在图S1和S2中。

结论

本研究建立了一个系统框架，用于筛选和评估具有生物矿化能力的功能细菌菌株。成功筛选并鉴定了两种高效耐镉菌株：用于MICP的Sporosarcina sp. DF-C31和用于MIPP的Burkholderia orbicola PSB4。镉被结合到矿物晶格中，形成了MICP沉淀物中的Ca_1-xCd_xCO₃和MIPP沉淀物中的Ca_10-xCd_x(PO₄)₆(OH)₂。细菌的胞外聚合物（EPS）提供了吸附和络合镉²⁺的成核位点。

CRediT作者贡献声明

Jialing Wang：写作 – 审稿与编辑，原始草稿撰写，可视化，软件使用，方法论设计，实验研究。Xueping Tian：写作 – 审稿与编辑，可视化，验证，经费获取。Qingyang Lyu：写作 – 审稿与编辑，验证。Yang Liu：可视化，软件使用，方法论设计。Dan Xing：写作 – 审稿与编辑，实验研究。Guili Yang：方法论设计，实验研究。Zhiying Yan：监督，经费获取，概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能会影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了四川省科技计划（2024NSFSC0881）和成都市科技项目（2025-YF05-00331-SN）的支持。作者还要感谢Scientific Compass（https://www.shiyanjia.com）在结构表征方面的支持。

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