微流体晶体追踪技术揭示了在微流控电喷雾（MICP）过程中由离子强度驱动的成核-生长转变机制

《Colloids and Surfaces B: Biointerfaces》：Microfluidic crystal tracking reveals an ionic-strength driven nucleation-growth switch in MICP

　　

张淼|李倩薇|魏飚|甘一群|刘道清|陈春茂

中国石油大学重油加工国家重点实验室，北京 102249，中国

摘要

在高盐度介质中，微生物诱导的碳酸盐沉淀（MICP）的动力学过程难以解析，因为传统的批量分析方法将成核和生长过程合并为终点指标，从而掩盖了界面异质性。在这里，我们使用了一个原位微流控平台，结合时间延迟成像和自动晶体追踪技术，探究了离子强度如何重塑细菌-矿物界面相互作用，进而调控由Staphylococcus succinus J3在0–100 g L^?1 NaCl浓度下的CaCO₃沉淀过程。微流控观察揭示了离子强度对成核-生长过程的调控作用：低盐度条件下，微晶迅速形成并早期达到生长饱和；而高盐度条件下，可观测到的成核点较少，但成核后生长持续，形成分布稀疏但体积较大的方解石晶体。这些现象通过经典成核理论和双层相互作用的概念得到了定性解释，表明低离子强度有利于成核，而高离子强度抑制成核但促进已有表面的生长。为了验证这一机制，我们将低盐度的生物成核剂引入高盐度产出水中，从而使硬度去除率从91.32%提高到98.67%，并产生了尺寸更大、更易分离的颗粒。总体而言，本研究为在高离子强度下调节MICP过程提供了基于生物界面的机制解释，并凸显了微流控技术作为解析复杂流体中生物矿化动力学的实用工具的重要性。

引言

盐度（离子强度）是晶体化流体中胶体和界面现象的主要控制变量，因为它决定了静电屏蔽作用和界面相互作用，从而调节生物界面系统中的粘附、沉积和附着过程[1][2]。通过改变离子活度系数、离子配对和静电屏蔽，离子强度会改变有效过饱和度、界面自由能障碍以及决定沉淀是通过成核爆发还是通过已有表面生长进行的电双层相互作用[3]。高盐度、高硬度的废水（如油田产出水）是环境修复的重点目标，因为它们含有高浓度的溶解盐、硬度离子和多种共污染物，限制了传统处理和水质回用的效率[4]。微生物诱导的碳酸盐沉淀（MICP）提供了一种潜在的低能耗途径，可将溶解的硬度离子转化为可分离的碳酸盐矿物，从而有助于废水软化和污染物固定[5]。然而，在实际应用中，MICP并不发生在理想化的溶液环境中，而是处于离子组成复杂的修复条件下，其中微生物活性、离子传输和矿物沉淀过程紧密耦合。在这种条件下，盐度不仅是一个背景属性，还是一个关键的环境因素，它决定了生物矿化是否能够高效进行以实现实际修复效果。

在这种环境和工艺背景下，一个关键未解决的问题是离子强度如何调控MICP过程中细菌-矿物界面的生物矿化路径。在这些系统中，细菌提供了局部微环境和异质表面，这些表面可以促进成核（通过表面功能基团、细胞-矿物粘附和有机基质）或调节多态稳定性[6][7]。然而，在高盐度条件下，压缩电双层的相同电解质背景可能同时抑制微生物活性并改变细菌-矿物胶体相互作用，从而可能反向改变异质成核事件的发生概率和随后的生长动力学[4][8]。尽管MICP在盐水中得到了广泛应用，但对离子强度如何调控细菌-矿物界面生物矿化路径的机制理解仍然有限，特别是成核密度与成核后生长之间的竞争关系。

一个重要的障碍是测量方法：传统的批量分析通常只报告终点沉淀产率或时间平均离子去除量，这混淆了成核和生长过程，掩盖了局部界面的动态变化[9]。微流控技术能够创建可控的微环境并提供实时光学观测，允许在明确的传输条件下直接量化成核事件率、诱导时间分布和单晶生长轨迹[10][11]。这些可观测量对于测试由经典成核理论（CNT）和Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek（DLVO）型相互作用描述的界面机制至关重要。

在这里，我们整合了一个原位微流控平台和自动图像分析技术，量化了由Staphylococcus succinus J3在0–100 g L^?1 NaCl浓度下调控的MICP动力学过程。我们发现离子强度如何改变成核事件统计参数（成核密度和诱导时间）以及成核后的生长速率分布，揭示了从成核爆发模式向生长主导模式的转变。我们结合经典成核理论（CNT）（有效过饱和度和界面自由能障碍）和DLVO型屏蔽效应（双层压缩和电静吸引力减弱）来解释这一转变。最后，我们通过将低盐度的生物成核剂引入高盐度产出水中，绕过了界面成核障碍，从而在复杂介质中实现了以生长为主导的模式。

节选内容

菌种与产出水特性

本研究中使用的产脲酶菌株为Staphylococcus succinus J3，该菌株最初是从中国新疆克拉玛依油田的受石油污染土壤中分离得到的。该菌株经过了脲酶活性和耐盐性的筛选，因其强脲酶活性以及在高盐条件下的硬度去除能力而被选中。关于菌株分离、鉴定和系统发育分析的详细信息已在我们的先前研究中报告[4]。

原始数据

菌株J3的盐度依赖性生理限制

为了确定Staphylococcus succinus J3在高盐度条件下的生理耐受性，首先在高达200?L^?1 NaCl的盐度范围内评估了其细菌活力和脲酶活性。根据这些结果，后续分析选用了与主要生物矿化实验相关的较低盐度范围。通过荧光成像（图S3）进行的初步定性评估显示，在低至中等盐度（0–50 g L^?1

结论

本研究表明，离子强度通过生物界面控制的胶体相互作用调控MICP过程，这种相互作用将成核概率与成核后的生长过程分开。利用原位微流控单晶追踪技术，我们直接量化了盐度驱动的动力学转变：低盐度条件下促进成核爆发模式，表现为高成核密度和快速过饱和度降低；而高盐度条件下抑制成核事件，但增强了已有表面的生长。

CRediT作者贡献声明

张淼：可视化、方法学设计、数据整理、初稿撰写。李倩薇：概念阐述、正式分析、资金申请、方法学设计、初稿撰写及审阅编辑。魏飚：正式分析、方法学设计。甘一群：正式分析。刘道清：资金申请、方法学设计、审阅编辑。陈春茂：资源提供、实验监督。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

国家自然科学基金（项目编号：22478427和中国石油大学重油加工国家重点实验室（项目编号：SKLHOP20250108）以及中国石油大学北京分校科学基金会（项目编号：2462023BJRC006）的财政支持。