通过微生物诱导的碳酸盐沉淀（MICP）技术解析赖氨酸杆菌（Lysinibacillus xylanilyticus DB1-12）协同去除高盐度废水中Ca2+、Mg2+和Zn2+的协同效应

《Journal of Hazardous Materials》：Unraveling Synergistic Effects of Ca2+, Mg2+ and Zn2+ Co-removal from High-Salinity Wastewater Induced by Lysinibacillus xylanilyticus DB1-12 via Microbially Induced Carbonate Precipitation(MICP)

　　•Zn2? 在共去除过程中起到协同促进作用，而不是抑制作用。•Zn2? 促进 Mg2? 在生物碳酸盐中的固定，有利于形成富镁的方解石。•Zn2? 和 Mg2? 的压力会诱导适应性 EPS 分泌，产生多样化的结构。•活性炭纤维（ACF）固定技术增强了 Ca2?、Mg2? 和 Zn2? 的协同去除效果。

**引言**
采矿和冶金业的快速发展产生了大量含有复杂溶解金属离子混合物的超盐废水。例如，铅锌选矿废水通常含有多种无机离子，如 Ca2?、Mg2? 和 Zn2?。这些离子共同存在时会对矿物沉淀行为和处理效率产生显著影响。然而，这些离子的浓度变化很大，取决于矿石成分、提取工艺和废水管理方式。高浓度的 Ca2? 和 Mg2? 可导致严重的结垢、膜污染和管道堵塞，而 Zn2? 由于其在水环境中的毒性和持久性，还会带来额外的生态风险 [35][51]。此外，Zn2? 是一种有毒重金属，可以在生物体内积累并通过食物链进入人体，从而对生态系统完整性和人类健康构成长期威胁 [24]。因此，开发一种高效且可持续的方法来同时去除超盐废水中的 Ca2?、Mg2? 和 Zn2? 仍是一个紧迫的环境和工程问题。

到目前为止，含有多种金属阳离子的超盐废水已经采用了多种物理化学技术进行处理，如化学沉淀、膜分离、吸附、离子交换和电化学过程 [16][28][47]。然而，这些技术往往伴随着较高的资本和运营成本、能耗高、工艺控制复杂以及大量副产品的产生。在超盐条件下，多种离子的存在显著改变了溶液化学性质，增加了离子竞争，导致去除效率降低和工艺稳定性差。因此，迫切需要开发环保且经济可行的技术来有效处理含多种金属的超盐废水。

**微生物诱导的碳酸盐沉淀（MICP）** 作为一种具有低能耗、环境兼容性和广泛应用性的生物技术，已成为环境生物修复的有前景的方法 [5][7]。MICP 过程中的微生物代谢活动改变了局部微环境，增加了碱度和碳酸盐过饱和度，从而促进了碳酸盐矿物的沉淀。带负电荷的细胞表面和 EPS 上有许多矿物成核位点，通过羧基、羟基和氨基等功能团促进金属吸附和碳酸盐成核 [Li 等；[36]。微生物酶（如碳酸酐酶 CA 和脲酶）催化无机碳的转化并形成碳酸盐，从而促进了生物矿化过程。

与通常受到高化学物质使用、低效率以及共存离子之间竞争性抑制的传统物理化学方法不同，MICP 在处理含多种金属离子的超盐废水方面具有几个固有的优点。首先，微生物矿化过程通过生物调控局部化学环境来控制，而不完全依赖于外部化学试剂。这种生物调控使微生物能够动态适应离子强度的变化，从而在盐水中保持碳酸盐形成。微生物代谢活动可以持续提高碳酸盐过饱和度，并通过生成碳酸盐物质将溶解的金属离子转化为稳定的碳酸盐矿物。这一特性使 MICP 即使在复杂离子条件下也能保持其矿化性能，而传统沉淀过程往往受到共存离子之间竞争性相互作用的影响。此外，微生物及其胞外聚合物物质（EPS）提供了多种功能团和异质成核位点，用于金属吸附、络合和矿物生长。生物界面可能通过吸附、共沉淀和晶格掺杂机制同时固定多种金属离子。特别是，生物碳酸盐能够容纳多种二价阳离子，为控制矿物组成和稳定复杂废水中的有害金属提供了新的可能性。因此，MICP 不仅是传统处理技术的环保替代方案，也是应对高盐度和多金属污染问题的机制驱动策略。

这些独特的优势推动了 MICP 在土壤稳定、碳封存、地下水修复和废水处理等方面的广泛研究 [7]。许多研究表明，MICP 通过直接沉淀、共沉淀、吸附和同质取代机制可以固定氟化物、硝酸盐、重金属和放射性核素等多种污染物 [23][40][42]。人们对 MICP 在复杂多金属系统中的应用越来越感兴趣，因为生物矿化可以显著改变金属形态并降低金属迁移性 [18][4][43]。这些结果突显了 MICP 在处理含多种污染物废水方面的巨大潜力。

然而，尽管取得了这些进展，共存二价阳离子之间的相互作用机制仍大多未得到解决。生物碳酸盐的矿物学特性（如晶体形态、多态性、结晶度和元素组成）受到溶液化学性质和共存金属离子性质的强烈影响。已知镁离子由于其强水合壳层和缓慢的脱水动力学而抑制方解石成核和晶体生长，从而倾向于形成亚稳态碳酸盐相和含镁碳酸盐 [42]。与其他金属离子不同，Zn2? 在微生物细胞和矿物表面在碳酸盐成核和晶体生长过程中起着重要作用。最新证据表明，共存二价阳离子可能在生物矿化过程中产生协同作用，并影响矿物组成和金属固定效率。然而，目前尚不清楚 Zn2? 是否能主动调节 Mg2? 在碳酸盐矿物相中的固定，而不仅仅是作为共沉淀污染物被固定。在超盐条件下同时去除 Ca2?、Mg2? 和 Zn2? 的机制很少被系统研究。

**实际应用中的挑战**
另一个问题是，在极端环境条件下微生物活性的抑制。高盐度和高金属离子浓度会强烈抑制微生物生长和酶活性，从而降低生物矿化效率。因此，固定技术受到了越来越多的关注，因为固定的微生物通常具有更高的生物量密度、更强的环境适应性、更好的操作稳定性以及更易于回收和再利用 [25][31]。活性炭纤维（ACF）是一种具有高比表面积、良好孔结构和优异吸附能力的固定载体，因此是微生物固定的理想材料。此外，吸附和生物矿化的协同效应还可以进一步提高金属去除效果。然而，关于 ACF 固定的微生物在超盐废水中同时去除 Ca2?、Mg2? 和 Zn2? 的研究仍然有限 [53]。

Lysinibacillus xylanilyticus DB1-12 是一种耐盐细菌，能够在盐环境中介导碳酸盐沉淀，显示出在超盐废水处理中的巨大潜力。然而，其生物矿化特性、Ca2?、Mg2? 和 Zn2? 在矿物形成过程中的相互作用，以及固定对这些过程的影响仍不清楚。目前仍存在三个主要知识空白：首先，很少有研究系统地探讨了在受控超盐多阳离子条件下 Ca2?、Mg2? 和 Zn2? 的耦合生物矿化行为；其次，这些二价阳离子在生物矿化过程中的相互作用机制，尤其是 Zn2? 在碳酸盐成核和 Mg2? 固定中的作用尚不明确；最后，固定耐盐细菌在高盐度和多种金属压力条件下的性能尚未得到系统评估。

鉴于最近在重金属固定方面的生物启发策略的发展，应考虑这些知识空白。与传统物理化学修复技术相比，生物启发方法利用微生物吸附、胞外基质调控、生物矿化和生物混合材料工程等生物过程，通过适应性和环境兼容的途径提高金属固定效果 [3]。最新发展将生物过程的应用范围从基本金属吸附扩展到金属转化的适应性控制、矿物稳定和微环境工程 [41]。基于吸附的方法高度依赖于表面功能团，在复杂废水中容易受到离子竞争的影响，而基于生物矿化的策略可能通过将溶解金属转化为结晶或非晶矿物相来提供替代途径 [50]。

**微生物诱导的碳酸盐沉淀（MICP）** 作为一种有前景的重金属固定策略，因为微生物可以通过代谢活动诱导形成稳定的碳酸盐矿物，从而将溶解的金属离子转化为移动性较低的矿物相 [29]。与被动生物吸附过程不同，MICP 将微生物代谢与矿物转化相结合，允许同时调节碳酸盐可用性、金属形态和矿物结晶路径。最新研究表明，基于 MICP 的系统可以通过整合微生物代谢、碳酸盐沉淀和矿物界面调控有效固定多种有毒金属 [27]。然而，大多数报道的 MICP 基础修复研究都集中在单个金属污染物或相对简单的水环境中，多种共存离子之间的协同作用及其对碳酸盐结晶路径的影响仍不够清楚。

重要的是，新兴的固定辅助 MICP 策略表明，载体材料不仅仅是被动支撑，还是调节微生物活动和矿物演化的功能组成部分。这一概念代表了生物启发修复的新趋势，其中工程化的微生物-材料界面旨在提供保护性环境并积极参与污染物转化。固定基质除了提供更多的金属离子吸附位点外，还可以降低金属毒性，维持微生物的代谢活性，并为异质成核提供平台，从而促进稳定的矿物形成 [41]。这些结果表明，微环境构建和微生物-材料-矿物相互作用调节对于提高生物启发重金属固定的效率至关重要。

最近，除了矿物沉淀本身外，胞外聚合物物质（EPS）和生物膜相关基质在重金属固定过程中的活性生物界面作用也受到了更多关注。EPS 不仅仅是结合金属的聚合物，它们是动态调控平台，介导微生物适应、金属配位和矿物成核。EPS 成分（包括蛋白质、多糖和胞外 DNA）参与金属配位、表面络合、微生物保护和矿物成核，表明 EPS 介导的调控是将微生物适应性与生物矿物形成联系起来的重要机制 [46]。此外，生物启发固定策略表明，有效的金属修复不仅取决于去除能力，还取决于界面过程、矿物演化和微生物稳定性的调节。然而，大多数先前的研究仅限于单一金属系统或相对简单的水环境，共存多种离子之间的相互作用，尤其是在超盐条件下的相互作用及其对微生物生理、EPS 调节、载体-微生物相互作用和碳酸盐晶体演化的影响仍不充分了解。特别是，开发能够在多金属超盐条件下维持代谢活性的耐盐微生物系统是一个关键挑战。因此，理解微生物如何协调代谢活动、胞外基质重塑、固定微环境和矿物相转化的机制是生物启发重金属固定技术的重要前沿。

我们假设 Zn2? 影响碳酸盐成核并增强 Mg2? 在生物碳酸盐相中的固定，促进富镁方解石的形成，并且固定在活性炭纤维（ACF）上可以提高微生物的耐盐性和矿化效率。为了区分单个离子的效果和共存离子的协同作用，我们通过比较自由状态和 ACF 固定的 Lysinibacillus xylanilyticus DB1-12 在单金属、双金属和三金属系统中的表现来系统验证这些假设。进行了生理分析，包括 pH 变化、碳酸酐酶（CA）活性和碳酸氢盐生成，以明确微生物反应、胞外调控、矿物演化和金属固定之间的联系，揭示了微生物代谢活动如何在多金属压力下调节碳酸盐生成。我们还对 EPS 进行了表征，以了解其在多金属压力下的适应性反应及其在金属结合和矿物成核中的潜在作用，从而在微生物适应性和矿物形成之间建立了机制联系。此外，还使用了 XRD、FT-IR、SEM-EDS、HRTEM 和 XPS 等矿物学和光谱分析方法来研究 Zn2? 诱导的碳酸盐相演变、晶体结构、元素分布和表面功能团的变化。最后，开发了 ACF 固定系统，以评估其提高微生物抗盐能力和改善超盐条件下 Ca2?、Mg2? 和 Zn2? 同时去除的可能性。这些结果为多离子生物矿化提供了机制上的见解，并为处理含有多种二价阳离子的复杂高盐废水提供了一种环境可持续的策略。

**菌株、培养基和试剂**
本研究中使用的耐盐菌株Lysinibacillus xylanilyticus DB1-12是在Geomicrobiology实验室中以-20°C的温度分离和保存的。选择该菌株是因为它之前已被证明能够[44]耐受盐环境并诱导碳酸盐沉淀，这表明其在高盐条件下通过微生物诱导的碳酸盐沉淀（MICP）中具有潜在的应用价值。DB1-12的生理适应性和生物矿化能力使其能够在Ca2+、Mg2+和Zn2+离子的压力下进行生理和生化反应。

**二价阳离子的作用**
这些二价阳离子是Ca2+-Mg2+-Zn2+复合生物矿化系统中的重要调节因素，共同调控着菌株DB1-12的生理状态、代谢活性、酶分泌、离子转化效率以及EPS（微生物 extracellular polymeric substances）的性质。这些阳离子通过调节pH值、碳酸酐酶（CA）活性和微环境的碳酸氢盐产生来控制碳酸盐矿物的成核、沉积和晶体生长。同时，它们还诱导菌株发生适应性变化。

**结论**
本研究揭示了Lysinibacillus xylanilyticus DB1-2在复杂盐条件下诱导多金属离子生物矿化的调控机制。Ca2+、Mg2+和Zn2+并非独立的污染物，而是参与了金属-微生物-矿物之间的耦合网络。微生物的生理适应、EPS的调节以及碳酸盐的结晶共同控制了多种金属离子的固定行为。

**环境意义**
含有Ca2+、Mg2+和Zn2+的高盐废水会导致管道结垢并持续造成生态毒性。传统的化学处理方法成本高昂且会产生二次污染。本研究中仔细研究了由Lysinibacillus xylanilyticus DB1-2介导的协同生物修复过程，包括自由态和固定态的MICP。结果表明，Zn2+作为一种结晶改性剂，可以克服Mg2+的水合作用并将其结合到稳定的Mg-CaCO3晶体中。

**未引用的参考文献**
Davis等人，[19]、[20]、[21]、[33]、[39]、[48]、[52]、[9]

**作者贡献声明**
赵辉：撰写、审稿与编辑、验证、监督、资金申请；韩卓珍：验证、监督、资源提供、资金申请；严华晓：撰写、审稿与编辑、验证、监督、资金申请；徐刚：撰写、审稿与编辑、方法学；王舒琪：调查、数据管理；李泽琪：调查、数据分析；王永欣：数据管理；王希涵：撰写初稿、调查、数据分析；庄欣：

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的财务状况或个人关系可能影响本文所述的研究工作。

**致谢**
本研究得到了中国国家自然科学基金（42472372、42372135）、山东省自然科学基金（ZR2023MD063）、贵州大学喀斯特地质资源与环境国家重点实验室基金（KST202504）以及自然资源部第三海洋研究所海洋生物遗传资源重点实验室（HY202306）的支持。

**作者列表**
王希涵 | 庄欣 | 赵月明 | 梁春来 | 徐刚 | 王舒琪 | 李泽琪 | 王永欣 | 赵辉 | 韩卓珍 | 严华晓