多微生物生物矿化技术在煤尘控制中的应用：界面固结、颗粒聚集及对环境干扰的抵抗能力

《Process Safety and Environmental Protection》：Multi-microbial biomineralization for coal-dust control: Interfacial cementation, particle aggregation, and resistance to environmental disturbances

　　**摘要**
通过单菌株微生物诱导的碳酸钙沉淀（MICP）来稳定煤尘的效果可能受到不均匀矿物沉积和颗粒间结合力不足的限制。本研究开发了一种结合了巨大芽孢杆菌（Bacillus megaterium）和酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）的混合微生物处理方法，并系统评估了钙源、胶结溶液浓度和微生物组成的影响。使用0.7 mol·L-1的CaCl2时，碳酸钙沉淀效率达到了67.83%；而巨大芽孢杆菌与酿酒酵母的比例为70:30时，矿化效果最佳。与仅用水处理或单一微生物处理相比，优化后的处理方法在风蚀和反复水蚀实验中的质量损失更低：在12 m·s-1和16 m·s-1的侵蚀速率下，质量损失分别为8.96%和20.45%；经过五次水蚀循环后，质量损失为16.12%。经过72小时的加速蒸发，物料的保水率为10.12%，且粒径大于40目的颗粒占比为39.27%。扫描电子显微镜-能量分散光谱（SEM-EDS）、X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和颗粒粒度分析表明，形成了方解石，并伴随着局部表面涂层、孔隙填充、颗粒间桥接以及细小颗粒融入较大的聚集体中。研究结果表明，混合微生物生物矿化通过原位矿物形成和颗粒稳定提供了一种可持续的煤尘抑制生物介导策略。

**引言**
煤炭仍然是中国的主要能源和工业原料，在开采、破碎、筛分、输送和储存过程中会产生大量细小煤尘颗粒（Wang等人，2023年）。由于这些颗粒粒径小、颗粒间凝聚力弱、分散性高且沉降速度慢，煤尘容易被气流携带，并在整个采矿和矿物加工环境中重新分布（Huang等人，2027年；Chen等人，2026a年）。未经控制的细煤尘迁移不仅会导致材料损失和工作环境恶化，还会加速设备磨损，影响生产系统的稳定性，并增加密闭条件下职业暴露和粉尘爆炸的风险（Han等人，2025a年；Chen等人，2026b年）。从细颗粒处理和矿物工程的角度来看，有效的煤尘控制不仅仅依赖于短暂的湿润作用，还需要调节颗粒与液体的相互作用，增强颗粒间的结合力，并提高粉尘层对空气动力学和机械干扰的抵抗力。因此，开发出耐久性强、环境友好且能调节界面的粉尘控制技术对于提高煤矿开采和加工系统的运行安全、资源利用效率和可持续管理至关重要。

**背景**
为了减轻煤尘的扩散和再悬浮，已经开发了多种粉尘控制策略，包括仿生粉尘抑制剂（Wang等人，2023年）、接枝改性抑制剂（Han等人，2025年）、基于泡沫的系统（Xu等人，2023年）以及基于聚合物的粘合剂（Wang等人，2022年）。这些方法可以改善颗粒的润湿性，增强表面粘附力，并促进在煤尘表面形成致密层。然而，这些方法在采矿和矿物加工环境中的实际应用受到多种限制，如制备成本高、配方程序复杂、对反复空气动力学或机械干扰的抵抗力差，以及在变化湿度和温度条件下的效果降低（Wu等人，2026年；Xu等人，2026年）。此外，高度依赖合成化学试剂的抑制剂可能会在长期现场应用中带来腐蚀风险、残留毒性或二次环境负担（Han等人，2025b年）。因此，煤尘抑制不仅仅是一个表面固定的工程问题，还涉及界面调节、绿色材料设计和耐久的颗粒稳定性等可持续化学挑战。理想的粉尘控制系统应结合快速湿润、有效渗透、稳定胶结和环境兼容性，同时尽量减少持久或有害化学添加剂的使用。

**微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）的发展**
微生物诱导的碳酸钙沉淀（MICP）为绿色高效控制煤尘开辟了新的途径（Li等人，2025a年）。该技术通常依赖产生尿酶的微生物催化尿素水解，从而提高局部pH值并生成CO32-，进而与Ca2+反应形成碳酸钙沉淀物。生成的碳酸钙晶体可以填充颗粒间的空隙，粘合松散的颗粒，并构建致密的表层，从而提高颗粒材料的整体结构稳定性和抗干扰能力（Nie等人，2025年）。由于其环保性、可持续性和在原位形成胶结结构的能力，MICP已广泛应用于混凝土裂缝修复（Zhang等人，2026年）、废物处理（Wang等人，2026年）和重金属修复（Li等人，2025b年）。近年来，其在煤尘抑制中的应用也受到了越来越多的关注。先前的研究表明，基于尿碱分解细菌的微生物粉尘控制系统可以有效改善煤尘颗粒间的结合力，从而降低其重新悬浮的趋势（Li等人，2025a年）。为了进一步提高粉尘抑制效果，现有研究主要聚焦于筛选高效菌株（Zhou等人，2024年；Fan等人，2020年；Song等人，2021年），通过表面活性剂协同增强润湿性（Li等人，2026年；Zhu等人，2021年），优化营养系统和反应条件（Zhao等人，2025年；Feng等人，2025年），以及阐明粉尘抑制层的抗风蚀和抗降雨机制（Zhang等人，2026年；Geng等人，2023年）。然而，这些改进策略仍然主要基于单一功能菌株，优化工作主要集中在尿酶活性、代谢调节或外源添加剂的增强上。在粉尘负荷高、营养物质可用性低、干扰强烈和湿热条件复杂的煤矿环境中，单一菌株往往在环境适应性、代谢稳定性、矿化效率和功能互补性方面存在固有局限性（Zhou等人，2025年），这可能限制了基于MICP的粉尘控制的持久有效性。因此，从单一菌株系统扩展到多微生物联合体，并利用不同微生物之间的协同代谢和生态相互作用来提高系统稳定性和矿化调节，不仅在理论上具有意义，在实践上也充满希望。

**混合微生物系统在生物矿化和环境工程中的应用**
近年来，混合微生物系统在生物矿化和环境工程中受到了越来越多的关注（Zhou等人，2025年；Gat等人，2014年；Ahmad等人，2024年；Harnpicharnchai等人，2022年）。先前的研究表明，结合具有不同生理或界面特性的微生物可以改变碳酸钙沉淀行为，并在某些条件下提高矿化性能（Gat等人，2014年；Ahmad等人，2024年；Harnpicharnchai等人，2022年）。例如，Gat等人（2014年）报道了在特定微生物联合体中的MICP加速现象，Ahmad等人（2024年）探索了基于碳酸钙沉淀活性的双菌株策略，Harnpicharnchai等人（2022年）表明，含有尿碱分解和非尿碱分解微生物的混合培养物在碱性和高温条件下可以增强碳酸钙沉积。最近，双菌株微生物系统也被引入煤尘抑制领域，证明了利用微生物组合来改善矿物沉积和颗粒稳定的可行性（Zhou等人，2025年）。这些研究表明，混合微生物生物矿化本身并不是一个新概念。然而，仍存在两个重要问题：首先，微生物组成对煤尘矿化和颗粒聚集的影响尚未得到充分理解，特别是对于结合尿碱分解细菌和酿酒酵母的功能性不同的系统；其次，大多数先前的研究仅关注一个或有限的几个性能指标，而处理后的粉尘层完整性可能受到多种干扰模式的影响，包括空气动力侵蚀、反复水蚀、水分流失和机械破坏。因此，系统地理解微生物组成、矿化行为、颗粒尺度结构演变以及对多种干扰的抵抗力之间的一致性仍然缺乏。解决这一问题是评估基于组成的微生物调节是否能提供超越单一性能指标的煤尘稳定改进的关键。

**本研究方法**
基于这些考虑，本研究开发了一种由巨大芽孢杆菌和酿酒酵母共同培养的生物矿化系统，以调节细煤尘颗粒的聚集和稳定行为。系统研究了微生物协同作用对碳酸钙沉淀、界面性质和颗粒结合的影响。首先，通过分析不同钙源、胶结溶液浓度和微生物比例下的碳酸钙生成情况，优化了材料组成和反应条件。其次，从润湿性、抗空气动力悬浮性、保水性和机械干扰下的聚集体稳定性等方面评估了多微生物系统的宏观稳定性能。最后，使用扫描电子显微镜（SEM）、能量分散光谱（EDS）、X射线衍射（XRD）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）从矿物形态、元素分布、晶相演变和颗粒间胶结的角度阐明了生物介导的颗粒聚集的微观机制。预计这些发现将为采矿和矿物加工环境中的颗粒污染控制提供了一种可持续且低影响的生物介导策略。

**材料详情**
煤样采集自中国陕西省榆林市神木烟煤矿。破碎后，使用激光粒度分析仪测量了颗粒粒度分布，d(10)、d(50)和d(90)值分别为5.68 μm、63.81 μm和402.36 μm，表明颗粒粒度分布较广且含有细颗粒。采用LDGFY-6000S自动工业分析仪进行了初步分析，结果显示煤样具有...

**胶结溶液浓度对碳酸钙产量的影响**
在微生物矿化过程中，胶结溶液的选择至关重要，因为它直接决定了矿化产物的大小、形态和晶体结构。如图3所示，在两种钙源系统中，随着胶结溶液浓度的增加，碳酸钙产量先增加后减少，表明存在一个最佳浓度范围。当使用氯化钙作为钙源时...

**混合微生物系统的粉尘抑制机制**
结果表明，混合微生物系统中的煤尘稳定主要依赖于尿碱分解驱动的碳酸盐沉淀，而稳定效果的强度强烈依赖于微生物组成。在本系统中，巨大芽孢杆菌是主要的矿化微生物。通过尿酶介导的尿素水解生成碳酸盐物种，随后与Ca2+反应生成碳酸钙沉淀物...

**结论**
本研究开发了一种基于巨大芽孢杆菌和酿酒酵母的成分控制的混合微生物生物矿化系统，用于煤尘稳定，并评估了其矿化行为、抗多种干扰能力和颗粒尺度结构演变。主要结论如下：
(1) 相较于醋酸钙，氯化钙更有利于碳酸盐沉淀，在0.7 mol·L-1的浓度下获得了最高的碳酸钙沉淀效率67.83%...

**致谢**
本研究得到了国家自然科学基金（批准号42330708）、吉林省科技厅（20260205042GH）和吉林大学研究生创新基金（2026CX238）的资助。

**AI在写作过程中的使用**
ChatGPT被用于语言润色和选定示意图的视觉优化。所有AI辅助内容均经过作者审核和验证，没有使用AI生成或修改任何实验数据、结果或结论。

**作者声明**
作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。

**作者简介**
Huijie Huang是吉林大学工程地质专业的博士候选人，研究方向包括土壤和岩石中的生物诱导矿化（生物岩石和土壤工程）。他在国际顶尖期刊上发表了12篇经过同行评审的SCI索引论文，包括《Engineering Geology》和《Chemical Engineering Journal》。