综述：微生物诱导碳酸钙沉淀技术用于修复稀土相关放射性核素污染土壤：机制、控制策略与前景

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Microbially Induced Calcium Carbonate Precipitation technology for remediating soil contaminated with rare earth-associated radionuclides: Mechanisms, Control Strategies and Prospects

　　

# 稀土开发生态区放射性核素污染修复中微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）技术研究综述

## 摘要

稀土开发过程中伴生的放射性核素（钍、铀、镭）持续积累于尾矿库区域，形成持久的复合污染，对生态安全和公众健康构成严重威胁。传统修复技术成本高且易产生二次污染，而微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）技术凭借原位应用潜力及相较于传统方法的环境优势，已成为研究热点——前提是能有效解决氨氮产生和药剂足迹等挑战。本综述聚焦于轻稀土和离子吸附型稀土矿区放射性核素的特征性赋存状态与迁移行为，系统总结了MICP技术在固定Th??、U??及其共污染物方面的最新进展。文章阐述了多种协同固定机制，包括：通过同晶替代实现晶格纳入、共沉淀形成固溶体、与生物成因矿物及微生物胞外聚合物（EPS）的表面络合作用，以及微生物介导的U??还原为不溶性U??的价态还原作用。本综述进一步概述了工艺优化和成核剂选择策略，并深入分析了碳酸钙多晶型控制（方解石与文石/球霰石）在决定复杂地球化学条件下放射性核素长期封存稳定性方面的关键作用。最后，文章探讨了功能菌株在极端采矿环境中的环境适应性挑战，并展望了合成生物学驱动的抗性菌株工程、数字孪生赋能的智能修复以及生命周期评估（LCA）等未来方向，旨在为该技术的大规模现场应用提供科学基础。本综述主要聚焦于钍和铀，在数据可用的情况下讨论镭。

## 引言

稀土元素（REEs）是不可再生的战略性关键矿产资源，在新能源、电子信息、国防和绿色技术等领域发挥着不可替代的作用。中国拥有世界上最丰富的稀土资源之一，在全球储量、产量和出口量中均占据主导地位。中国稀土资源呈现高度集中的"北轻南重"分布格局：轻稀土主要集中于内蒙古白云鄂博、山东微山和四川凉山，而中重稀土主要以离子吸附型矿床形式赋存于江西赣州等南方省份[1]。2024年全国稀土开采指标为27万吨，主要分配于中国北方稀土（集团）高科技股份有限公司和中国稀土集团有限公司。然而，稀土资源的开发利用在产生巨大经济价值的同时，也带来了严峻的环境挑战。长期开采导致周边土壤[2]和大气[3]中钍等放射性核素显著富集；赣南离子吸附型稀土开采已造成氨氮水污染、土壤侵蚀以及农业土壤中重金属累积[4]；凉山矿区同样面临放射性环境污染和生态退化问题[5]。

稀土矿床通常伴生天然放射性核素（232Th、23?U、22?Ra），这些核素在采矿、选矿、冶炼和尾矿储存过程中持续释放，形成由放射性核素、稀土元素和重金属组成的多组分污染体系，其特征为长期累积、生态持久性以及对生物毒性的协同增强[2]、[6]。

中国稀土矿区土壤的放射性核素污染呈现显著的区域异质性。在北方轻稀土产区，尾矿主要以氟碳铈矿-独居石组合形式存在，钍资源量达2.214×10?吨（占全国总量的77.3%）。由于当前冶炼工艺的钍回收效率较低，大部分钍进入尾矿库，导致周围土壤中232Th的活度显著偏离区域背景水平[2]、[7]。相比之下，南方离子吸附型稀土矿区面临23?U、232Th与离子吸附型稀土元素（La、Ce、Nd）的共富集问题。这些污染物通过土壤-作物途径迁移，经食物链传递，对矿区居民构成潜在的内照射风险[8]、[9]。地质背景和冶金工艺的差异导致了伴生放射性核素在类型、含量和污染特征上的区别。传统的稀土伴生放射性核素污染修复物理化学技术——包括化学淋洗、水泥固化和水玻璃化——可实现部分固定。然而，这些方法通常伴随高成本、高能耗、二次污染风险以及土壤结构破坏，限制了其与绿色低碳和生态可持续修复策略的兼容性。

微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）是一种基于微生物自然代谢功能的生物矿化过程。它通过微生物代谢活动驱动方解石结晶，并通过共沉淀、同晶替代、表面吸附和生物还原等机制固定放射性核素[10]、[11]。MICP技术具有原位应用、高环境兼容性和较低碳足迹等潜在优势，与传统的物理化学方法相比，使其成为近年来环境修复领域的研究热点。

尽管MICP在重金属固定和岩土工程加固方面的应用已取得显著进展，但关于MICP修复稀土伴生放射性核素污染的固定机制、功能菌株适应性和工程实施的系统研究仍然缺乏。特别是，放射性核素的高毒性、长半衰期和复杂的化学形态特征对MICP过程的晶相控制、长期稳定性和环境适应性提出了特殊挑战[12]、[13]、[14]。

我们的研究与现有综述（如Zhang等人[11]关于铀生物还原机制的研究和Wang等人[15]关于MICP固定重金属的研究）有所不同，后者主要聚焦于单一污染物或理想化的实验室条件。相反，我们以稀土矿区的实际复合污染特征为出发点，系统整合了北方氟碳铈矿-独居石型和南方离子吸附型矿床的地球化学条件，并将这些场地特异性参数与MICP的工程适用性相结合。我们的核心贡献在于建立了"从场地到方案"的评估框架，首次定量揭示了极端环境条件——年均温度2.5°C、电导率超过10 mS/cm以及强酸性pH 4-5——对MICP固定效率的约束。这为现场规模修复提供了可操作的技术边界和优化方向。

为全面收集相关研究证据，我们使用MICP、生物矿化、稀土、钍、铀、镭、土壤修复和放射性核素等关键词组合检索了Web of Science、PubMed和CNKI数据库，覆盖2000年至2026年的时间范围。优先选择同行评审期刊论文，同时纳入提供独特场地特异性数据（如当地污染调查和不易在国际文献中获得的地球化学参数）的中文期刊和硕士学位论文。初步筛选得到约120至180条记录，经过严格评估后最终纳入67篇。文献计量分析表明，MICP相关出版物自2015年以来显著增加，中国、美国和欧洲的研究团队贡献最为突出，反映了学术界对该技术日益增长的兴趣。

## 分节摘要

### 稀土元素伴生放射性污染的赋存特征与空间异质性

中国可区分为三大稀土开采冶炼区域：北方的白云鄂博矿区（以轻稀土为主）、南方的赣南离子吸附型矿床（以重稀土著称），以及四川省攀西冶炼区。这三个场地关键地球化学参数的比较综述揭示了根本性差异，这些差异决定了放射性核素的形态和迁移性。

### 土壤pH值依赖的放射性核素形态演化与固液分配

土壤pH值通过质子化-去质子化反应调控矿物表面官能团的电荷特征和放射性核素的水解平衡，从而决定铀和钍在固相和液相之间的分配行为[31]、[32]。在酸性条件下（pH < 5.0），铁铝氧化物表面的羟基质子化可产生净正表面电荷[31]，而大多数黏土矿物则保持负电荷或中性状态。

### 碳酸钙多晶型的生物化学机制与定向调控

MICP的核心在于利用微生物代谢活动驱动碳酸钙（CaCO?）结晶，从而实现孔隙封堵和污染物固定。CaCO?存在多种多晶型，包括方解石、文石和球霰石，它们在热力学稳定性、晶体形貌和胶结性能方面存在显著差异，直接决定了MICP技术的工程适用性。近年来，MICP的工程应用已得到广泛综述。

### MICP修复技术的工程策略与系统优化

尿素分解型MICP过程中产生的氨氮副产物构成重大环境问题[11]、[15]，在离子吸附型稀土矿区尤为突出——硫酸铵（10-30 g/L，pH 4-5）已被广泛用作浸出剂，导致现存的氨氮污染[4]、[25]、[26]、[54]、[55]。每水解1摩尔尿素，便产生2摩尔NH??（CO(NH?)? + 2H?O → 2NH?? + CO?2?）[37]。在以每立方米0.5 mol尿素为典型药剂负荷的条件下……

### 合成生物学驱动的压力耐受定向工程

鉴于这些矿场的年γ剂量约为10 mGy，远低于已知能抑制微生物活性的阈值，抗辐射性并非限制因素，因此合成生物学努力应针对实际限制因素——低pH值、高盐度和低温——进行定向设计。具体目标包括：（i）源自嗜冷生物的冷活性脲酶基因以及CspA和CspB等冷激蛋白……

### 7. 结论

本文系统综合了中国稀土开采中钍、铀和镭的赋存与迁移行为，特别强调了三个代表性场地的独特地球化学条件：白云鄂博北方氟碳铈矿-独居石矿床、赣南南方离子吸附型矿床和攀西冶炼区。文章对MICP固定这些放射性核素的技术进行了批判性评估，阐明了协同固定机制。

### CRediT作者贡献声明

陈明杰：写作-审阅与编辑、指导、项目管理、基金获取、数据整理、概念化。
邵新蕾：写作-初稿、可视化、调查。
张朋祥：调查。
张华义：调查。
杨惠媛：调查。

### 利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本论文所述工作的已知竞争性财务利益或个人关系。

### 致谢

本工作得到了内蒙古自治区自然科学基金（2025MS04046）和内蒙古科技大学基本科研业务费（2023XKJX015）的资助。

陈明杰 | 邵新蕾 | 张朋祥 | 张华义 | 杨惠媛

内蒙古科技大学生命科学与技术学院，包头 014010，中国