巴氏芽孢杆菌（Sporosarcina pasteurii）的两阶段环境响应：逐步碱性–低NaCl暴露与后续温度挑战

《Processes》：Two-Stage Environmental Response of Sporosarcina pasteurii: Stepwise Alkaline–Low-NaCl Exposure and Subsequent Temperature Challenge

　　

微生物诱导碳酸钙沉淀（Microbially Induced Calcium Carbonate Precipitation，MICP）受产脲酶细菌对局部环境背景的生理响应影响。本研究是一项液体培养过程筛选研究，考察了巴氏芽孢杆菌（Sporosarcina pasteurii）ATCC 11859在与内陆风沙环境相关的碱性–低NaCl组合背景及升高温度下的响应。培养物在30 °C下依次暴露于五种pH-NaCl背景，随后在三个选定背景下接受温度处理（35–41 °C）。研究人员测定了细胞密度（OD₆₀₀）、脲酶活性以及作为操作性干残留物终点的表观干沉淀物质量（Apparent Dry Precipitate Mass，ADPM）。温度、pH–NaCl背景及其交互作用显著影响脲酶活性和OD₆₀₀，而ADPM表现出显著的温度效应，但未被解释为定量CaCO₃产量。综合分析表明，pH 9.3、1.4‰ NaCl和35–37 °C代表了一个协调的液体培养响应范围。在pH 9.3、1.4‰ NaCl和37 °C条件下，脲酶活性、OD₆₀₀和ADPM分别为1.155 mM urea min^?1、1.662和1.14 g。总体而言，所确定的范围为后续风沙条件下的砂盘稳定化试验提供了实用的液体培养基础。

论文解读：巴氏芽孢杆菌在碱性–低NaCl背景与温度挑战下的液体培养响应

微生物诱导碳酸钙沉淀（Microbially Induced Calcium Carbonate Precipitation，MICP）通过产脲酶细菌水解尿素生成碳酸根，并与钙离子结合形成CaCO₃沉淀，从而胶结砂粒、降低风蚀，是一种有前景的风沙固化与荒漠化防治生物技术。然而，MICP的工程性能不仅取决于碳酸钙沉淀本身，还取决于引入的微生物能否在特定场地环境中维持足够的生长和脲酶活性。本研究的靶区为新疆内陆风沙环境，其环境数据显示pH范围为8.66–9.54（平均9.22），盐度约0.05–1.86‰，夏季日最高气温为28–33 °C。值得注意的是，沙漠裸露地表受太阳加热后温度可显著高于气温，夏季最高地表温度可超过50 °C。现有MICP适应性研究多集中于高盐海洋环境或强碱胶凝体系，而对这种“中等碱性–低NaCl”环境窗口内巴氏芽孢杆菌（Sporosarcina pasteurii）的系统表征仍然不足，尤其是将环境靶向化学背景与后续高温挑战相结合的研究较少。因此，本研究旨在液体培养层面表征S. pasteurii在该环境窗口内的响应，并通过两阶段筛选识别协调的候选响应范围，为后续砂规模验证提供经验基础。

研究人员以Sporosarcina pasteurii ATCC 11859（购自上海微生物菌种保藏中心，中国上海）为对象，采用两阶段液体培养筛选设计。阶段一在30 °C下将菌株依次暴露于五种pH-NaCl梯度背景，阶段二在三个选定背景下进行35–41 °C的温度处理。测定了细胞密度（以OD₆₀₀表示）、脲酶活性（urease activity）以及表观干沉淀物质量（Apparent Dry Precipitate Mass，ADPM）。ADPM作为操作性干残留物终点，并未被解释为定量纯CaCO₃产量。主要关键技术方法包括：两阶段连续暴露设计；电导率法测定脲酶活性（通过5 min电导率变化率乘以经验系数11.11换算为mM urea min^?1）；干重法测定ADPM（菌液与胶结液反应后倒去上清，残余物在对应处理温度下烘干24 h称重）；采用单因素重复测量方差分析（Geisser–Greenhouse校正）和双因素方差分析进行统计检验；进一步结合熵权–主观权重组合分析（α=0.5）及敏感性分析（α=0–1）对21个阶段二处理进行综合评分排序。

3.1 Phase I Responses to the Combined pH-NaCl Gradient (30 °C)

在阶段一，脲酶活性在Group 1（pH 8.4、0.05‰ NaCl）最高（1.3332 mM urea min^?1），在Group 4（pH 9.3、1.4‰ NaCl）和Group 5（pH 9.6、1.9‰ NaCl）仍分别保持1.2221和1.1666 mM urea min^?1。重复测量方差分析显示，暴露阶段对脲酶活性无显著总体效应（p=0.1085），对OD₆₀₀（p=0.0001）和ADPM（p=0.0123）有显著效应。OD₆₀₀在Group 3（pH 9.0、0.9‰ NaCl）达到峰值1.602，ADPM在Group 2（pH 8.7、0.5‰ NaCl）最高（1.26 g）。三项指标的最大值出现在不同阶段，表明细胞密度、脲酶活性和干残留物积累并非同步变化。基于靶区平均pH 9.22，选择Group 3–5（pH 9.0–9.6）进入阶段二温度挑战。

3.2 Temperature Responses After Phase I pH-NaCl Exposure

阶段二的双因素方差分析表明，温度、pH-NaCl背景及其交互作用对脲酶活性和OD₆₀₀均有显著影响（交互p均<0.0001）；对ADPM，温度主效应显著（p=0.0004），而背景主效应（p=0.1776）和交互作用（p=0.0554）不显著。在pH 9.0、0.9‰ NaCl背景下，35 °C时脲酶活性最高（1.355 mM urea min^?1），之后降低。在pH 9.3、1.4‰ NaCl背景下，35 °C时脲酶活性最高（1.378 mM urea min^?1），37 °C时仍保持较高水平（1.155 mM urea min^?1），且OD₆₀₀在37 °C达到阶段二最大值1.662。在pH 9.6、1.9‰ NaCl背景下，37–38 °C的OD₆₀₀升高，但伴随较低的脲酶活性，说明更高的细胞密度不一定对应更高的脲酶响应。

3.3 Results of Multi-Indicator Coordination and Weighting Sensitivity Analysis

熵权法得到客观权重：脲酶活性0.5045，OD₆₀₀ 0.2912，ADPM 0.2043；预设主观权重分别为0.20、0.30、0.50。在α=0.5下，组合权重依次为0.3523、0.2956、0.3522。综合得分最高的处理为pH 9.3、1.4‰ NaCl、37 °C（0.813），其次为同背景下35 °C（0.783）和pH 9.0、0.9‰ NaCl、36 °C（0.782）。最高排名处理并非在每项指标上均最优，而是三项指标协调较好。敏感性分析显示，α=0–0.2时35 °C处理排名第一，α=0.3–1.0时37 °C处理排名第一；与α=0.5排序的Spearman相关系数介于0.9208–1.0000，整体排序结构相对稳定。因此，pH 9.3、1.4‰ NaCl、35–37 °C应视为协调的候选响应范围，而非唯一的最佳工艺点。

讨论部分指出，阶段一中pH和NaCl浓度同时升高，构成混杂设计，无法分离二者的独立效应，结果只能解释为组合背景的响应。阶段二的结果表明，温度响应依赖于