用于抑尘与固碳的双重功能微生物-生物质复合材料的最新进展

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Recent advances in dual-functional microbial-biomass composites for dust suppression and carbon fixation

　　

摘要

过量的碳排放和无组织扬尘污染对生态系统、公共健康和全球气候目标构成双重威胁。传统的化学抑尘剂虽然应用广泛，但受限于环境相容性差、保水性不足以及二次污染风险。为解决这些挑战，双功能微生物-生物质复合材料作为一种可持续的替代方案应运而生，独特地将碳固定与高效抑尘相结合。本综述从材料组成、制备策略、抑尘与碳固存协同机制以及宏观性能评价四个维度，对最新研究进展进行了批判性审视。在此基础上，我们讨论了未来方向，包括新兴技术的整合、工业规模应用的扩展以及标准化评价体系的建立。本工作为推进绿色低碳抑尘策略的技术创新和实际部署提供了基础性指导。

引言

全球工业化和城市化的加速使空气污染成为对人类健康和可持续发展构成严重挑战的关键问题[1], [2]。在集约化采矿作业、矿物开采、运输和大宗物料堆存过程中，会释放大量无组织扬尘，造成严重的健康风险并加速生态系统退化[3], [4], [5], [6]。这种扬尘污染与资源全生命周期的碳排放密切相关，因为高度机械化的采矿以及采出资源的下游使用，特别是煤炭燃烧，消耗大量化石燃料，是全球CO₂排放的主要驱动因素[7], [8], [9]。在全球"双碳"目标下，分别应对这两种危机已日益力不从心，使能够同时抑尘和减缓CO₂排放的集成技术成为当务之急。

为控制无组织扬尘，全球学者开发了多种抑尘剂，其发展历程如图1所示。由于具有高效性、持久性和广泛的适应性，化学抑尘剂得到了最快速的推广应用[10]。CaCl₂和MgCl₂等无机盐主要通过吸湿和保水作用发挥作用[11]，而聚丙烯酸钠等有机聚合物则依赖粘结成膜作用[12]。然而，这些配方面临着公认的问题，包括环境相容性差、保水性有限以及二次污染风险[13]。CaCl₂在干旱环境中容易结晶并损坏路面，聚丙烯酰胺(PAM)的降解则可能释放有毒的丙烯酰胺单体[14]。这些缺陷共同推动了向生物质基替代方案的转变。

微生物抑尘剂具有可再生性、可生物降解性和基本无毒[15]，主要通过细胞外聚合物(EPS)介导的粘结或微生物诱导矿化发挥作用[16], [17]。其中，微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)被最广泛采用[18]。Bacillus pasteurii分泌脲酶，将尿素水解为氨和CO₂，后者溶解为碳酸盐物种（HCO₃?/CO₃^2-取决于pH值），并与Ca²⁺反应沉淀为CaCO₃，从而胶结扬尘颗粒[19]。除尿素水解外，Bacillus mucilaginosus中的碳酸酐酶还能驱动生物矿化，同时将大气中的CO₂捕获并转化为稳定的碳酸盐，提供了一条额外的碳固存途径[20]。然而，MICP衍生的矿物往往松散易碎，且微生物培养成本仍然相对较高。

相比之下，生物质基抑尘剂因其低成本、供应充足和天然环境相容性而受到重视[21]。其主要成分为富含羟基和氨基的聚合物，通过氢键作用、静电吸附和桥联作用捕获细微颗粒[22]。代表性实例包括：经丙烯酸和PVA改性的壳聚糖基抑尘剂，能与煤尘牢固结合[23]；具有强固结性和良好透水性的甘蔗渣-纤维素复合材料[24]；以及在82.3公顷固结区域实现约98.20%抗风性的大豆蛋白分离基质[25]。从碳的角度看，生物质抑尘剂主要作为碳储存介质，将植物同化的碳锁定在土壤表面，而非在应用过程中捕获CO₂。其缺点也很明显：许多需要复杂的化学改性，涉及潜在危险的共聚单体[26]，而生物大分子的链缠结会急剧增加粘度，影响喷涂过程中的雾化和渗透效果[27]。

综合来看，单一体系无法满足高效抑尘和实质性碳减排的双重需求。微生物体系具有生物碳固定和持久的矿化胶结能力，但存在动力学缓慢和产品易碎的问题；而生物质体系能快速成膜且成本较低，但缺乏主动捕获CO₂的能力。因此，将两者在复合材料体系中结合是合乎逻辑的前进之路：生物质载体可以弥补微生物矿化起始缓慢和韧性不足的问题，而微生物则可以弥补生物质配方中缺乏主动碳捕获的不足。

尽管前景广阔，但关于复合材料体系的研究仍然碎片化。关键问题，如微生物与生物质载体的最佳配对、EPS与生物聚合物之间的协同作用，以及复合材料在极端条件下的稳定性，尚未得到系统性解决。与以往根据作用机制（如润湿型、粘结型、絮凝型和复合型）对抑尘剂进行分类的综述不同，本综述基于原材料组成对其进行分类和阐述。此外，现有文献主要聚焦于单一组分的生物质基抑尘剂，仅强调其抑尘功能，很少将复合材料体系视为一个独立的材料类别或探讨其碳固定能力。为弥补这一空白，本综述首次系统地总结了兼具抑尘和碳固存双重功能的微生物-生物质复合材料。近期进展围绕三个相互关联的主题展开：(i) 功能微生物和生物质载体的选择与整合；(ii) 抑尘与碳固存的耦合机制；(iii) 复合配方的表征、性能评价、环境影响和技术经济可行性。最后，讨论了未来方向，包括新兴技术的整合、工业规模应用的扩展以及标准化评价体系的建立，以支持绿色低碳抑尘策略。

本综述系统地总结了双功能微生物-生物质复合材料在抑尘和碳固定方面的最新进展。通过六个电子数据库进行了系统的文献检索：Web of Science、Scopus、ScienceDirect、PubMed、CNKI和Google Scholar。检索涵盖了2010年1月至2026年6月发表的文献，以捕获最新进展，同时确保微生物和生物质基抑尘剂发展过程中有足够的历史背景。主要检索关键词组合为：("微生物-生物质复合材料"或"微生物生物质抑尘剂")且("抑尘"或"控尘")且("碳固定"或"碳固存")。补充检索词包括MICP、生物基抑尘剂、生物矿化、脲解细菌、生物质载体。纳入标准：(i) 与微生物/生物质基抑尘、生物矿化和生物碳固定相关的高质量论文；(ii) 涉及抑尘剂材料制备、性能表征、潜在机制或现场应用的研究；(iii) 尽管不在检索时间范围内，但具有开创性意义的基础文献。关键词检索后，去除重复文档。首先筛选标题和摘要，然后对剩余论文进行全文阅读，筛选出适合本综述的参考文献。

章节片段

材料组成

微生物抑尘剂通过功能微生物的代谢活动及其合成的生物聚合物来固结扬尘颗粒，从而减少扬尘向大气的排放。这些抑尘剂通常由三个核心组分组成：功能微生物、营养补充剂和辅助添加剂。尿素和氯化钙是主要的营养补充剂，在抑尘中具有不同但互补的作用。尿素既作为氮源维持

抑尘与碳固定机制

在阐明碳固定机制时，关键在于区分三条不同的碳相关途径：实际CO₂固定、生物质中的碳储存以及矿化为CaCO₃。实际CO₂固定是指通过自养（光合自养或化能自养）或碳酸酐酶催化的异养途径，将大气或烟气中的CO₂净捕获到无机碳库（碳酸氢盐/碳酸盐）或有机生物质中。如果捕获的

表征与性能评价

为确立抑尘剂的工程实际适用性，必须进行全面性能评价。该评估涵盖三个核心方面：抑尘效率、环境影响和技术经济分析(TEA)。首先，抑尘性能评价对于验证所应用材料的有效性至关重要。关键指标，如抑尘效率、风蚀损失率和保水能力，

新兴技术的整合

基因编辑、纳米技术、人工智能(AI)和模拟等新兴技术的集成应用，对于克服微生物/生物质复合抑尘剂的现有性能瓶颈并拓宽其应用场景至关重要，从而为多场景适应开辟了新的技术途径。微生物/生物质复合抑尘剂的未来展望如图7所示。

基因编辑是指对目标

CRediT作者贡献声明

李庚军：数据整理。金帆博：资金获取。程辉：正式分析。黄雨婕：资金获取。周安康：资金获取。金昊：指导。胡书达：指导。刘晶晶：写作——原稿撰写，可视化，概念化。涂坤坤：写作——审阅与编辑，指导，项目管理。侯军：指导。王杰：写作——原稿撰写，数据整理，概念化。韩沐泽：写作——原稿撰写。李佳怡：写作——

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所报告的工作。

致谢

本研究得到国家自然科学基金[项目编号52474259、52404265、52604399]和江苏省自然科学基金[项目编号BK20241648]的资助。

王杰|刘晶晶|李佳怡|韩沐泽|李庚军|程辉|金帆博|周安康|黄雨婕|胡书达|金昊|侯军|涂坤坤|李诗航