本土巴斯德地杆菌驱动的碳酸盐矿化作用将铅固定与污染斜坡的侵蚀控制相结合

《Journal of Hazardous Materials》：Indigenous Sporosarcina pasteurii-driven carbonate mineralization couples lead immobilization with erosion control in contaminated slopes

　　

- 本土细菌在铅污染土壤中实现了高效的生物矿化作用。
- 在模拟降雨条件下，MICP最多可将泥沙产率降低92.5%。
- MICP同时抑制了溶解态和泥沙结合态铅的迁移。
- 生物矿化将活性态铅转化为稳定的地球化学形态。
- 碳酸钙通过包覆、桥接和孔隙填充作用增强了土壤。

引言

土壤侵蚀和重金属（密度大于5 g/cm3）污染构成了全球范围内相互交织的危险性环境威胁（Chen等，2026）。重金属污染因其高毒性、持久性和生物富集性，对陆地食物链和水生生态系统构成严重威胁（Wang等，2025）。土壤中重金属的毒性水平会改变其物理和化学性质，进而威胁生物多样性、减少粮食产量，并最终通过食物链在人体中累积，造成巨大的健康代价（Song等，2024）。联合国粮农组织警告称，由于土壤侵蚀、肥料和农药的过度使用、工业污染以及有毒重金属污染，到2050年全球90%的土壤资源可能面临风险（FAO，2022）。据估计，2.42亿公顷（-26/+27百万公顷）即全球16%的耕地受重金属污染影响。在风险最高的区域中，中国南方、印度北部和中部以及中东地区因土壤重金属浓度偏高而已有充分记录（Hou等，2025）。特定地点的重金属污染可能长距离传输，从格陵兰岛取回的冰芯证实了这一现象，揭示了古希腊和古罗马时期密集的采矿和冶炼活动导致在半球尺度上产生了显著金属污染脉冲（Hong等，1994）。坡面土壤侵蚀进一步加剧了这种长距离交叉污染，而极端降雨的加剧加速了坡面径流，动员受污染的沉积物并将颗粒结合态金属输送至下游受纳水体（Wang等，2023）。毒性与疾病登记局（ATSDR）指出，汞（Hg）、铅（Pb）、镉（Cd）和砷（As）这四种重金属对植物和人类均有害且毒性极高（Angon等，2024）。例如，铅暴露与心血管、中枢神经系统、肾脏及生育问题存在关联（Hou等，2025，Xie等，2023）。基于1977年至2020年数据的综合分析，七种关键重金属造成的土壤污染风险最高，尤其是铅和砷，其中中国东南地区的情况最为严重，特别是在与采矿、工业活动和建筑工地相关的地点（Shi等，2023）。

青藏高原（QTP）是全球独特的寒冷高山生态缓冲区和关键碳汇，其脆弱的草地和湿地系统极易受到人为干扰和气候变化的影响（Saba等，2026，Zhang等，2023）。若尔盖高原作为黄河源头重要的"水塔"，近几十年来经历了快速退化，这由降水减少和气温上升驱动，加之长期过度放牧导致超过60%的草地荒漠化（Liu等，2025，Luo等，2023）。此外，包括高速公路、铁路和采矿在内的基础设施快速扩张暴露了大量裸工程边坡，进一步加剧了土壤侵蚀的风险（Liu等，2022）。地球化学调查和泥炭核心档案证实，过去200年来，由于大气沉降、工业排放和交通污染，历史上铅富集显著（Zhang等，2023）。沿青藏公路的实地调查显示，坡底铅浓度达到54.50 mg/kg，显著超过区域背景平均值33.20 mg/kg（Shi等，2023）。此外，矿山规模的案例研究表明，铅锌选矿厂周围和历史废弃尾矿库周围的热点区域土壤铅浓度较高。一个典型例子是锡铁山铅锌矿，这是祁连山金属成矿带北部一个长期运营的矿床，其地表土壤铅含量显著升高（Zhao等，2021）。若尔盖高原原生粉砂质黏土高山草甸土壤本身就具有较弱的团粒稳定性，使其容易受到雨滴溅蚀和面蚀的影响（Shen等，2025）。虽然草地退化逐渐使土壤质地变粗，但暴露的工程边坡保留了可侵蚀的细粒表土，作为地表径流将活性态铅轻易输送至源头水体（Fu等，2025）。这种耦合的土壤侵蚀—重金属动员问题无法通过传统水泥或聚合物边坡处理措施得到全面解决，因为这些措施会产生碳排放和持久性微塑料污染（Jiangbo等，2025，Song等，2024）。

微生物诱导碳酸盐沉淀（MICP）是一种依赖脲解微生物代谢的环保型生物矿化技术，已成为一种有前景的绿色重金属修复技术，具有快速激活、优异的水硬化和可控反应过程等特性（Bai等，2021，Dong等，2023，Fu等，2023）。MICP技术的基本原理是利用脲解细菌分泌的脲酶催化尿素水解，随后释放NH??和CO?2?。CO?2?沉淀的形成（也称为"生物矿化"）被认为对于封装重金属、防止其迁移和降低其生物利用度至关重要（Xie等，2023）。此前，MICP已被广泛用于通过生成方解石（CaCO?）来加固钙质砂，方解石填充土壤孔隙并粘结颗粒，从而提高其抵抗液化和渗流侵蚀的抗剪强度（Cheng等，2017，Cheng等，2021，Dong等，2023，Joo等，2025）。在MICP过程中，重金属可以通过三种主要途径被固定：(i) 替代方解石晶格中的二价阳离子（Ca2?），(ii) 直接与CO?2?反应形成碳酸盐沉淀（如PbCO?），或(iii) 作为共沉淀物被封装在方解石沉淀中（Kumar等，2023，Raymond等，2025，Song等，2024）。这些过程有效地将可溶性重金属转化为难溶性形态，从而实现固定。尽管已发表的文献验证了这些核心的铅保留途径，但几乎所有实验体系所采用的铅浓度均低于400 mg kg?1，这是因为商业外源Sporosarcina pasteurii菌株在高金属污染土壤中会遭受严重的脲酶抑制和生长抑制（Joo等，2025，Xie等，2023）。相反，先前的研究证实本土菌株在重度污染场地中表现有效。这种耐受性源于其长期适应原生栖息地的过程，该过程增强了其胞外聚合物和细胞壁成分的重金属屏障能力（Belanger等，2021；Manzoni和Cotrufo，2024；Wu等，2021）。此外，大多数先前的边坡加固研究侧重于静态或低流量条件下的粗砂基质，仅记录了薄的表面方解石涂层，而未确定驱动长期团粒凝聚的关键表层下方碳酸钙富集层（Liu等，2022，Wang等，2023，Zhang等，2024）。然而，关于MICP在寒冷高寒地区粉砂质黏土边坡的应用中，仍存在几个关键知识空白：a) MICP对降雨驱动条件的动态响应的系统性实验评估和机理分析；b) 在不同边坡和降雨强度组合下的控制效能；以及c) 其对重金属迁移和转化的潜在影响（Liu等，2022，Ma等，2025，Qian等，2025，Zhang，2023）。

当前的机理认识受到一个关键栖息地不匹配的局限：大多数测试菌株分离自温带低地土壤，缺乏对青藏高原寒冷、弱碱性、富含钙的高原环境的适应性耐受。然而，实地调查显示若尔盖地区的本土生物结皮天然具有高的内在脲酶活性，使其非常适合原位生物矿化（Zhang等，2022）。已经证实能够进行重金属微生物诱导沉淀的脲解菌B. pasteurii天然存在于微碱性、富含钙的土壤中（Naveed等，2020）。研究表明，在pH 9.0条件下为B. pasteurii提供生物源钙源可最大化其脲酶活性和MICP效率，将Cd和Pb的生物利用度分别降低23.65%和12.76%（Joo等，2025，Zhang等，2024）。同样，藏族自治州富含钙土壤中的生物结皮表现出高天然脲酶活性，表明其具有强大的本土脲解潜力（Hu等，2024，Zhang等，2022）。然而，将该生物过程应用于该地区紧迫的环境挑战方面仍存在一个关键空白。利用这些本土微生物菌群同时实现边坡稳定和重金属固定的有效性，尤其是在陡峭边坡上降雨动态条件下，尚未得到量化评估。

迄今为止，尚未建立任何机理框架来描述高原适应的本土脲解菌如何在可变水动力条件下同时调节降雨驱动的边坡侵蚀和铅的垂直迁移。此前尚无研究系统阐明将表层下方解石屏障形成与土壤力学加固及地球化学铅稳定联系起来的耦合水文-生物地球化学机理。此外，MICP尿素水解在高寒径流中引发的氮转化机理仍未得到表征，由铵态氮和硝酸盐形态转变引起的相关流域富营养化风险尚未得到量化（Danial等，2025，Fu等，2023，Hou等，2025，Ji等，2024）。

因此，本研究的核心在于揭示源自本土生物结皮的MICP实现边坡稳定和极端铅固定的多尺度整合机理链，包含四个核心机理研究目标：1) 阐明从若尔盖生物结皮中分离的本土S. pasteurii在2000 mg kg?1极端铅胁迫下保持完全脲酶表达和增殖的适应性生理机理，从而克服商业外源菌株的金属毒性限制；2) 确定MICP诱导的碳酸盐矿化及其在表层0–30 mm土壤剖面内的垂直分布如何有助于在45°和70°坡度以及6和18 mm h?1降雨强度下增加表面入渗阻力并减少泥沙损失；3) 通过铅垂直分布变化、BCR化学形态、碳酸盐矿化和微观结构特征来评估铅的稳定化效果，从而评估物理截留和地球化学固定化的共同贡献，而不分配未经验证的单一矿物结合机理；4) 检查MICP诱导的尿素水解如何改变径流氮化学性质，特别是铵态氮积累和硝酸盐耗竭，并评估相关水质影响。

研究区域概况
研究地点位于青藏高原东部若尔盖高原（32°20′–34°00′ N，101°30′–103°30′ E），靠近四川、甘肃和青海省交汇处。若尔盖高原平均海拔3400–3800 m，是青藏高原与四川盆地之间的过渡带，在黄河上游地区发挥着重要的水源涵养区和生态屏障功能，通常被称为"中国水塔"和"高原生态屏障"。

分离的本土细菌菌株脲酶活性及铅耐受性
从青藏高原东部若尔盖高原采集的生物土壤结皮中成功分离出一株本土产脲酶细菌。通过16S rRNA基因序列分析，该菌株被鉴定为S. pasteurii，与模式菌株的序列相似度超过98.5%（图2）。显微镜检查显示短杆状至球杆状细胞，单个或成对排列，不形成孢子（图S2）。在LB琼脂平板上，菌落呈……

本土MICP通过生物矿化驱动土壤加固和水文调节的耦合效应
MICP生物修复的有效性取决于脲解细菌在污染环境中的存活和代谢活性，其对重度重金属污染场地的有限耐受性是实际应用的首要瓶颈（Hu等，2024，Zhang等，2023）。例如，脲解菌S. pasteurii是MICP生物矿化的典型菌株，但大多数实验室菌株（如ATCC 11859）在重金属……

结论与未来展望
本研究证明，MICP是在不同坡度和降雨条件下同时控制土壤侵蚀和固定铅污染的有效策略。成功分离出一株耐铅且高脲解活性的本土S. pasteurii菌株，为碳酸盐矿化提供了坚实的生物学基础。MICP诱导形成的连续CaCO?硬化层增强了土壤稳定性，并减少了不同水文条件下的泥沙损失。

研究意义声明
当前针对重金属污染土壤的修复方法很少考虑青藏高原上污染物迁移与侵蚀驱动输送的耦合过程。在此，我们揭示，本土耐铅Sporosarcina pasteurii的微生物碳酸盐沉淀建立了一个自发生成的矿物屏障，将土壤加固与铅固定化功能有机整合。

通过碳酸盐沉淀、晶体桥接和矿物转化，MICP将可移动的铅转化。 资助信息本工作得到了四川省科技计划（2025YFHZ0116；2025YFHZ0256；2025YFHZ0130，2025HJRC0025，2025HJRC0055，2023YFN0068，2024NSFSC1196，2024YFNH0005，2024YFHZ0224，2024YFHZ0249），国家自然科学基金委（32241035，32301506），国家外国专家计划（H20240393，Y20240052），成都市科技局计划（2024-ZJ00-00047-YZ）以及四川省发展环境研究所项目的支持。 CRediT作者贡献声明Natasa Hulak：软件，项目管理，数据整理。Igor Bogunovic：验证，资源，概念构思。Tahseen Saba：初稿撰写，可视化，验证，软件，概念构思。Geng Sun：审阅与编辑，验证，监督，项目管理，获取资助，概念构思。Rui Gong：软件，调查，形式分析，概念构思。Muyao Wang：可视化，方法学，形式分析，数据整理。Yanbao Lei： 利益冲突声明作者声明，他们没有任何已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。 致谢作者感谢所有参与者在野外和实验室提供的协助。我们衷心感谢Geng Sun和所有合作者为稿件修改和技术支持所提供的资金和研究资源。Rui Gong|Muyao Wang|Yanbao Lei|Jie Shen|Lin Liu|Natasa Hulak|Igor Bogunovic|Tahseen Saba|Geng Sun