基于解淀粉芽孢杆菌ATCC 6633的生物矿化修复技术：CO2预处理与钙源调控对大理石表面碳酸钙沉淀的影响及机理研究

《World Journal of Microbiology and Biotechnology》：Biohealing through biocalcification by urolytic bacteria Bacillus subtilis ATCC 6633 on marble surfaces

本研究针对大理石文物因环境应力开裂、孔隙发育导致的耐久性问题，探索了一种微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）的生物修复策略。研究人员利用解尿素细菌Bacillus subtilisATCC 6633，系统比较了活菌/死菌、不同钙源（氯化钙、醋酸钙）及CO2预处理对CaCO3晶型、沉积形态与孔隙填充效果的影响。结果表明，活菌结合CO2预处理可显著促进稳定的方解石和文石形成，有效填充微-宏观孔隙，降低最大孔隙深度，为大理石文化遗产的可持续保护提供了新思路。

　　

大理石作为历史建筑与雕塑的重要材料，长期面临风化、酸雨侵蚀和微裂纹扩展的威胁。传统修复材料如丙烯酸和环氧树脂虽能暂时封闭表面，却存在相容性差、有机溶剂污染及视觉改变等问题。在这一背景下，微生物诱导碳酸钙沉淀（Microbially Induced Carbonate Precipitation, MICP）技术因其绿色、可持续的特性逐渐成为研究热点。该技术利用尿素水解菌代谢产生的碳酸根离子，与环境中的钙离子结合形成碳酸钙（CaCO₃），从而实现裂纹的自修复与表面强化。然而，在实际应用中，如何调控CaCO₃的晶型、提升沉积效率并增强其与基体的结合力，仍是当前研究的难点。

为系统评估Bacillus subtilisATCC 6633在大理石生物修复中的潜力，研究人员设计了一系列对照实验。他们比较了活菌与死菌、两种钙源（氯化钙、醋酸钙）以及是否进行CO₂预处理对矿化效果的影响。通过扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）、原子力显微镜（AFM）等多种表征手段，全面分析了沉积产物的形貌、晶型与表面拓扑结构。

在技术方法方面，研究采用了CO₂预处理以增强大理石表面碳可用性；选用脑心浸出液培养基进行细菌扩增；通过SEM-EDX与XRD分析表面沉积产物的元素组成与晶相；利用AFM定量评估孔隙深度变化；并对不同实验组进行立体显微镜观察比较。所有大理石样本均来自私营大理石加工企业，经切割、乙醇消毒、紫外辐照后用于实验。

宏观与立体显微镜观察结果

经过三个月培养后，仅在经过CO₂预处理且接种活菌的样本（第4组）中观察到白色颗粒状沉积物选择性填充于大理石宏观孔隙内。在氯化钙培养基中，活菌促使微孔被完全填充，宏孔被部分封闭；而死菌组及未预处理组均未发现明显CaCO₃晶体。立体显微镜图像进一步显示，活菌在氯化钙+尿素培养基中形成的晶体更为密集且分布均匀。

活菌/死菌、培养基与CO₂预处理对生物矿化效率的影响

细菌活性、钙源类型和CO₂预处理共同影响CaCO₃沉积效率与晶相组成。活菌主要促进稳定的方解石和文石形成，而死菌与醋酸钙则倾向于生成亚稳态的球霰石。SEM-EDX分析显示，活菌处理组样本钙含量高达48.88%，显著高于无菌对照组的34.95%，说明微生物代谢显著提升了矿化程度。CO₂预处理可提高表面碳含量，促进更均匀的成核过程。

XRD分析结果

X射线衍射谱图显示，从CO₂预处理样本提取的晶体主要为结晶良好的方解石，其主要衍射峰位于29.4° 2θ，对应晶面（104）。其他特征峰也与标准方解石谱图一致，表明在该条件下方解石是优势晶相。

AFM分析结果

原子力显微镜测量表明，生物矿化样本的最大孔隙深度从对照组的35.00±7.07 μm降至22.50±8.20 μm，说明CaCO₃沉积有效填充了表面孔隙与裂纹，使表面更趋于平整。

本研究通过多尺度表征证实，Bacillus subtilisATCC 6633驱动的MICP过程可有效实现大理石的生物修复。活菌与CO₂预处理结合氯化钙钙源时，能够诱导形成以方解石为主的稳定CaCO₃沉积，显著填充表面缺陷。而死菌主要通过表面介导的被动成核机制促进亚稳态球霰石的形成，修复效果较弱。该研究不仅阐明了解尿素细菌在碳酸钙矿化中的关键作用，也为大理石文物的生物保护提供了理论依据与技术参数，对推动绿色、可持续的建筑材料修复技术具有重要科学价值与应用前景。相关成果发表于《World Journal of Microbiology and Biotechnology》，为生物矿化在文化遗产保护领域的应用提供了新见解。