基于生物矿化增强的麦饭石与胶质芽孢杆菌耦合修复铅污染土壤技术的研究

《Agronomy》：Development of a Biomineralization-Enhanced Immobilization Remediation Technology for Pb-Contaminated Soil Based on Coupling Maifanite and Bacillus mucilaginosus Xiaochen Chen, Mingbao Zhu, Zejiao Li, Haochen Fang, Yining Chen, Zhengrong Chen, Qian Guan, Jianyu Zhang, Xuchuan Zhang and Jia Niu + 2 authors

　　

固定化微生物技术为修复重金属污染土壤提供了一种极具前景的方法。本研究开发了一种新型生物矿物复合材料（B-AM），通过将酸改性麦饭石（AM）与胶质芽孢杆菌（Bacillus mucilaginosus）耦合，以增强铅（Pb）的固定化效果。对比实验表明，B-AM在Pb固定化方面优于传统改良剂，包括牡蛎壳、原始麦饭石、AM和胶质芽孢杆菌。B-AM处理优化了土壤pH值，提高了土壤肥力，有效钾（1.06倍）和速效磷（1.28倍）含量增加。此外，B-AM将Pb转化为更稳定的形态，活性Pb组分减少了52.52%，而残渣态增加了88.36%。这些改善导致萝卜根鲜重增加了63.95%，同时Pb积累量减少了83.24%。机理研究表明，增强的修复性能源于AM（吸附能力）和胶质芽孢杆菌（生物吸附和生物矿化）的个体贡献及其协同相互作用。具体而言，AM作为载体和pH缓冲剂，促进微生物增殖并减少细胞裂解引起的Pb再活化。由此产生的持续微生物活动进一步导致了稳定Pb矿物的形成。总之，研究结果为利用B-AM修复Pb污染土壤奠定了理论和实践基础。

该研究针对农田土壤铅（Pb）污染这一全球性环境问题，探讨了固定化微生物技术在修复中的应用。由于传统物理化学方法存在能耗高、成本大及长期稳定性不足等问题，且现有微生物修复技术在复杂土壤基质中易受环境因素影响导致存活率低，研究人员开发了酸改性麦饭石（AM）与胶质芽孢杆菌（Bacillus mucilaginosus）耦合的新型生物矿物复合材料（B-AM）。通过对福建某化工厂附近中度Pb污染农田土壤（总Pb浓度145.2 mg·kg^?1）进行盆栽试验，结合溶液吸附实验、材料表征及土壤理化性质分析，系统评估了B-AM的修复效能与机制。研究结果表明，B-AM通过吸附、生物吸附与生物矿化的协同作用，显著降低了Pb的生物有效性，改善了土壤肥力，并促进了作物生长。该研究成果已发表于《Agronomy》期刊，为Pb污染土壤的绿色可持续修复提供了新的策略。

在关键技术方法方面，研究人员首先采集了福建南平市某化工厂附近的污染表层土壤（0–20 cm），并通过微波辅助酸消解测定其基本理化性质。随后制备了不同浓度盐酸改性的麦饭石（AM），并利用扫描电子显微镜（SEM）、能量色散X射线光谱（EDS）、比表面积分析仪（BET）、X射线衍射（XRD）及傅里叶变换红外光谱（FT-IR）对其形貌与结构进行表征。在此基础上，将预培养的胶质芽孢杆菌通过喷雾干燥法固定在AM上制备B-AM复合材料。通过盆栽试验，以樱桃萝卜为指示作物，设置对照组（CK）、牡蛎壳（OS）、原始麦饭石（M）、酸改性麦饭石（AM）、游离细菌（B）及B-AM共6组处理，分析土壤pH、养分指标、Pb形态分布（Tessier连续提取法）、生物可利用性（DTPA提取法）以及萝卜根部的Pb积累量与鲜重。

研究结果部分显示：

在“3.1. Pb Adsorption and Characterization of Acid-Modified Maifanite”中，研究人员发现经1.0 mol·L^?1HCl处理的AM对Pb²⁺的吸附能力最强（13.29 mg·g^?1），较原始M提高了1.68倍。SEM与BET分析证实AM表面粗糙且多孔，比表面积（13.19 m²·g^?1）和孔容更大，这归因于酸洗去除了表面杂质，暴露了更多吸附位点。

在“3.2. Efficiency and Characterization of Pb Removal by B. mucilaginosus”中，溶液实验表明胶质芽孢杆菌在pH 5.5、30 °C条件下对Pb²⁺的去除率最高可达86.26%。SEM-EDS及XRD分析显示，菌体表面形成了致密的椭球状晶体，主要成分为羟碳铅矿[Pb₃(CO₃)₂(OH)₂]和氯磷酸铅矿[Pb₅(PO₄)₃Cl]，证实了生物矿化机制的存在。

在“3.3. Coupling of B. mucilaginosus and Acid-Modified Maifanite”中，SEM图像直观展示了细菌在AM表面的紧密附着与定植。平板计数法结果显示，AM载体使细菌在喷雾干燥后的存活率从24.15%提升至56.18%，证明AM为微生物提供了有效的物理保护。

在“3.4. Remediation Performance of the Immobilizing Agent”中，盆栽试验数据显示：B-AM处理将土壤pH稳定在约7.1的中性范围，有效钾和速效磷分别增加了1.06倍和1.28倍。在Pb形态转化方面，B-AM使活性Pb组分（T1+T2）减少了52.52%，残渣态（T5）增加了88.36%，生物可利用Pb的固定化效率达到52.46%，均显著优于其他单一处理。作物响应方面，B-AM处理组的萝卜根鲜重较对照组增加了63.95%，而根部Pb积累量降低了83.24%。

在“3.5. Proposed Remediation Mechanisms for Pb-Contaminated Soil”的讨论中，研究人员提出了B-AM的协同修复机制：AM表面的Si–OH基团通过离子交换、静电吸引及络合作用（如形成Si–O–PbOH₂⁺）吸附Pb²⁺；胶质芽孢杆菌则通过分泌胞外聚合物（EPS）进行生物吸附，并利用EPS中的磷酸盐与环境中的Cl^?将Pb转化为低溶性的氯磷酸铅矿。AM作为载体不仅缓冲了微生物代谢产生的有机酸导致的酸化，还通过提高细菌存活率维持了长期的生物矿化活性，从而实现了高效的Pb稳定化。

论文结论部分总结指出，AM凭借其增强的表面粗糙度和比表面积，表现出优于原始M的Pb吸附性能。胶质芽孢杆菌则通过生物吸附和形成稳定矿物沉淀（如Pb₅(PO₄)₃Cl）有效去除Pb。开发的新型耦合剂B-AM在修复Pb污染土壤方面表现优于OS、M、AM和B等单独处理。B-AM不仅调节土壤pH至适宜微生物活动和植物生长的范围，还通过增加速效钾和速效磷改善了土壤肥力。此外，它显著降低了Pb的生物可利用性和在指示作物中的积累，同时增加了萝卜根鲜重。这种增强的性能源于AM和胶质芽孢杆菌的个体贡献及其协同相互作用：AM作为载体和pH缓冲剂，促进微生物增殖并降低细胞裂解引起的Pb再活化风险，而持续的微生物活动促进了稳定Pb矿物的形成。因此，B-AM系统被证明是一种同时固定Pb、改善土壤性质和降低生态风险的极具前景的策略。