微生物群落诱导的碳酸钙沉淀：生长特性、产物特性以及钍和铀的固定作用

《Journal of Contaminant Hydrology》：Microbial community induced calcium carbonate precipitation: Growth characteristics, product traits, and thorium and uranium fixation

本研究利用碳酸矿化微生物群落固定水中的Th(IV)和U(VI)，发现来自稀土废渣的微生物群落A1在复合碳氮源下生长和脲酶活性显著提升，高效去除率达98.7%和96.5%，机制为吸附和共沉淀。

　　

杨俊彦|王坦|张万琪|张婷婷|韩建红|王伟达

中国盐城工程技术学院土木工程学院，盐城224051

摘要

微生物诱导的矿化过程在环境应用中具有巨大的潜力，可用于固定重金属。与单一菌株方法相比，微生物联合体具有更强的环境适应性和成本效益。本研究利用碳酸盐矿化微生物群落诱导CaCO₃沉淀，以实现水溶液中钍（Th）和铀（U）的固定。来自稀土废渣的微生物群落A1表现出强烈的尿素酶活性，并且在复合碳氮源培养条件下，其生长和尿素酶表达显著增强。在不同培养条件下，该微生物群落主要形成了方解石和文石型碳酸钙。该群落实现了高去除效率，可去除高达98.7%的Th(IV)和96.5%的U(VI)，且在不同浓度下表现稳定。机制分析表明，钍主要通过吸附在碳酸钙表面被去除，而U(VI)则通过共沉淀转化为铀酰碳酸盐并纳入碳酸钙晶格中。本研究提出了一种经济、高效且环境可持续的策略，用于修复受放射性核素Th(IV)和U(VI)污染的水体。

引言

稀土元素（REEs）在国防、航空航天、医学、材料科学和可再生能源等高精度领域得到广泛应用，使其成为现代高科技产业不可或缺的关键资源，具有重要的全球战略意义（Chen等人，2024；Shao等人，2025；Wang等人，2025）。稀土元素通常存在于矿物中。在矿物提取和冶炼过程中，钍的富集会产生大量稀土废水（Wang等人，2022；Yan等人，2025）。作为稀土废水中的放射性重金属，铀（U）和钍（Th）既具有放射性，又具有毒性，同时仍具有较高的资源回收价值。此外，它们在环境中难以自然降解（Avivar等人，2023）。如果不能有效控制和利用这些元素，不仅会损害人类的造血系统、免疫系统和生殖系统，还会增加致癌风险（Sharma等人，2024），还会对生态环境造成长期不可逆的破坏，影响生物的生长、繁殖和生存，破坏生态平衡（Huang等人，2025b）。因此，开发一种能够高效分离Th(IV)和U(VI)并实现资源回收的新技术至关重要。

目前，分离Th(IV)和U(VI)的有效方法主要包括溶剂萃取（Shelly等人，2025；Wang等人，2024a）、离子交换（Horikawa等人，1996）、光催化（Fan等人，2025）和吸附（Fu等人，2025；Gan等人，2023；Xie等人，2025；Yang等人，2024；Zhou等人，2025）。Huang等人（Huang等人，2025a）制备了一种核壳磁性复合材料Fe₃O₄@C@PDA-N₃P，通过接枝氨基膦酸酯基团（N₃P）实现了对钍的高选择性捕获，成功将放射性浸出液中的钍浓度从16.6 mg/L降低到0.011 mg/L。Luo等人（Luo等人，2024）合成了一种新型壳聚糖/ZIF-8/硅藻土复合吸附剂（ZIF-8/CP/CT），对U(VI)具有优异的选择性和亲和力。同时，溶剂萃取适用于高浓度体系中贵重离子的富集和分离（Li等人，2025）。Lan等人（Lan等人，2025）在强酸性和杂质存在条件下，使用HEHEHP作为萃取剂，成功实现了Sc(III)和Th(IV)的选择性富集和分离。相比之下，利用微生物方法从水溶液中分离和回收Th(IV)和U(VI)的研究仍然相对有限。

微生物诱导的碳酸盐沉淀（MICP）技术作为一种新兴的绿色环保方法，在环境友好性和经济可行性方面具有显著优势，同时还能保持稀土资源的可回收性，显示出广阔的应用前景（Rajasekar等人，2021；Wang等人，2024b）。该过程依靠微生物代谢生成碳酸根离子，这些离子随后与钙离子结合形成碳酸钙沉淀（Zhang等人，2019）。在此过程中，重金属离子如U(VI)和Th(IV)可以被吸附、包裹或共沉淀在碳酸钙中，从而实现固定和去除。最新研究表明，产生尿素酶的细菌在MICP中具有最高的处理效果（Ren等人，2025）。这为从稀土废水中回收资源提供了新的技术途径。Song等人（Song等人，2022）发现了一种产生尿素酶的菌株UB1，该菌株含有丰富的尿素酶水解基因，能够在初始浓度低于0.5 mmol/L的情况下有效去除Cd²⁺，去除率超过90%。Feng等人（Feng等人，2024）使用尿素水解菌株Bacillus pattervillei增强了MICP对高钙废水的处理效果，减少了高钙对污泥活性的不利影响，延缓了钙化过程，并提高了厌氧颗粒污泥的生化性能，在最佳条件下钙离子去除率为98.29%。此外，Deng等人（Deng等人，2025）使用选定的本土梭菌株（HK?1）将U(VI)的固定效率进一步提高到86.14%，同时显著降低了沉淀物中U(VI)的二次释放率。目前的研究主要集中在单一菌株上，微生物联合体的应用仍较为少见，需要进一步探索。

本研究调查了从稀土废渣中富集的尿素酶产生微生物群落A1的生长特性和产物性质，确定了影响该群落的关键环境因素，并将其应用于通过MICP矿化U(VI)和Th(IV)。通过扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）和能量色散光谱（EDS）分析了这些元素在富集和适应后的碳酸盐矿化微生物群落中的矿化稳定性。研究结果为稀土废水中U(VI)和Th(IV)的处理提供了新的见解，对减轻稀土废水污染、促进资源可持续利用和推动稀土产业的绿色发展具有重要意义。

实验材料

实验中使用的生物试剂包括胰蛋白酶、酵母提取物、葡萄糖、蔗糖、大豆粉和玉米麸质粉，均购自北京鸿润宝顺科技有限公司。化学试剂包括氯化钠、无水氯化钙、醋酸钠、草酸铵和尿素，均由北京的一家化学品制造商提供。所使用的微生物群落为实验室培养的碳酸盐矿化群落A1

不同单一碳源培养基下微生物群落的生长曲线

碳源是碳酸盐矿化细菌的主要能量来源，同时也为细胞生长和代谢物合成提供结构基础。因此，研究了在不同浓度单一碳源培养基中微生物群落A1的生长情况（图1）。当葡萄糖、蔗糖或草酸铵作为唯一碳源时，生长较为缓慢。在15 g·L^?1葡萄糖的培养基中，生物量在28小时时达到峰值，OD₆₀₀为0.24。

结论

本研究研究了使用稀土矿物富集的碳酸盐矿化微生物群落A1的生长特性和产物特性。在测试的碳源中，可溶性淀粉支持最高的生物量，但OD₆₀₀值仅为0.24。尿素酶活性也较低，最大值为0.04 mmol/min。当该群落在复合碳氮培养基中培养时，生长和代谢活性均显著提高。

CRediT作者贡献声明

杨俊彦：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，软件应用，数据分析。王坦：撰写 – 原稿，软件应用，实验研究。张万琪：数据验证，软件应用。张婷婷：数据可视化，资金筹集。韩建红：资金筹集。王伟达：研究指导，资金筹集，概念设计。

未引用的参考文献

Liu等人，2025

利益声明

作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：42167029）、内蒙古自治区自然科学基金（项目编号：2024MS02007）以及盐城工程技术学院校级研究项目（项目编号：xjr2022027；xjr2023015）的支持。