本地土著菌挑战实验室王牌：一株河流源Comamonas菌株在低温与高浓度镉锌胁迫下的生物矿化效能研究

《Physics and Chemistry of the Earth, Parts A/B/C》：High concentration heavy metal removal by Indigenous Ureolytic Bacteria: A Comparative Study with Sporosarcina pasteurii for Zn and Cd Bioprecipitation

为了解决高浓度重金属污染水体修复中，实验室模式菌株在现场复杂环境下可能存在的适应性问题，研究人员开展了一项针对土著解脲酶细菌Comamonassp. HMZC (B11)与模式菌株Sporosarcina pasteurii的对比研究。该研究在15°C和30°C、6-8 mM Cd/Zn条件下，评估了二者通过微生物诱导碳酸盐沉淀（MICP）技术去除重金属的效率。结果显示，土著菌B11在多种胁迫条件下展现出与模式菌相当甚至更优的金属去除能力（>90%）和更高的矿物结晶度，为基于生物刺激的原位、高效、可持续重金属生物修复提供了有力的菌株选择和理论支持。

　　

工业排放如同环境挥之不去的阴影，其中锌（Zn）和镉（Cd）等重金属是水体和土壤中常见且危害巨大的污染物。尽管锌是生命必需的微量元素，过量积累却会扰乱生态平衡；而镉则被列为人类致癌物，其毒性和持久性对环境和健康构成严重威胁。传统的重金属修复方法如化学沉淀、离子交换等，虽有一定效果，但往往伴随高成本、产生二次污染或难以大规模应用等局限。因此，寻找环境友好且经济高效的替代方案，成为环境科学领域的迫切需求。

在此背景下，微生物诱导碳酸盐沉淀（Microbially Induced Carbonate Precipitation， MICP）技术作为一种创新的生物修复策略，展现出巨大潜力。该技术利用解脲酶细菌将尿素水解，产生碳酸根离子，进而与溶液中的重金属阳离子结合，形成稳定的不溶性碳酸盐矿物，从而实现重金属的“锁固”。在众多研究细菌中，Sporosarcina pasteurii因其强大的脲酶活性，已成为MICP研究中的模型菌株。然而，一个核心问题逐渐浮现：这些在实验室理想条件下表现优异的“王牌”菌株，在被污染的、温度波动、营养匮乏的真实自然环境中，是否能依然保持其“战斗力”？许多研究表明，引入的外源菌株（生物强化）在复杂现场环境中常面临生存竞争、环境胁迫（如极端pH、低温、高污染物浓度）的挑战，导致修复效果不佳。相反，那些本就生活在污染环境中的“土著居民”——土著细菌，经过长期的“自然选择”，往往对本地环境条件（包括污染物胁迫）具有更强的适应性和耐受性。利用这些土著微生物进行“生物刺激”，即优化环境条件以激活和增强其固有的修复能力，被认为是更具可持续性和应用前景的策略。然而，文献中鲜有研究在相同的环境压力下，系统比较土著解脲酶细菌与经典实验室菌株的MICP效能。

为了填补这一关键空白，一支由中国南京信息工程大学大气环境监测与污染控制江苏省重点实验室的研究人员组成的团队，开展了一项有趣的“同台竞技”研究。他们从中国南京浦口区一处受污染的群英河流域，筛选出一株土著解脲酶细菌——Comamonassp. HMZC（代号B11），让它与从菌种保藏中心购得的“实验室王牌”Sporosarcina pasteurii（SP）同场较量。竞赛的“战场”设定在两种温度（15°C代表较冷的温带水体，30°C接近多数脲酶细菌的最适温度）和两种高浓度重金属（6 mM和8 mM的Cd或Zn，模拟重度污染水平）条件下，比赛项目是看谁能在96小时内更有效地通过MICP过程“捕获”并沉淀重金属。这项研究旨在回答：这株预先适应了金属胁迫环境的土著细菌，在非最适温度和极高金属浓度的双重压力下，其表现是否能挑战甚至超越著名的实验室模型菌株？其研究成果近期发表在《Physics and Chemistry of the Earth, Parts A/B/C》期刊上。

为了开展这项对比研究，研究人员运用了数个关键技术方法。首先，他们从污染河流的沉积物样本中，通过系列稀释和倾注平板法进行细菌分离与筛选，并测试其尿素降解能力，最终鉴定出目标土著菌株B11。其次，通过重金属毒性测试，评估了B11和SP对不同浓度Cd和Zn的耐受性。随后，核心的MICP实验在严格控制温度（15°C， 30°C）、pH（7.0）和摇床转速（180 rpm）的条件下进行，反应体系包含特定浓度的CdCl₂或ZnCl₂以及作为碳酸根来源的尿素，定期取样测定溶液中剩余的尿素和重金属浓度，以量化尿素降解动力学和金属去除效率。实验结束后，收集产生的沉淀物，利用扫描电子显微镜-能谱仪（SEM-EDS）观察沉淀物的微观形貌并进行元素分析，同时采用X射线衍射仪（XRD）精确鉴定沉淀物的矿物晶相和结晶度。所有的实验均设置三次重复，并使用统计软件对数据进行方差分析（ANOVA）和相关性分析，以确保结果的科学严谨性。

研究结果通过一系列详细的分析，清晰揭示了两种菌株在不同条件下的表现差异和共性。

3.1. 尿素降解

研究首先评估了两种菌株在不同温度和金属浓度下的尿素降解能力。结果显示，温度是影响脲酶活性的关键因素，两种菌株在30°C下的尿素降解率均显著高于15°C，在低温下降解水平降低了约20–30%。在特定压力条件下，两种菌株的表现呈现有趣的动态变化。例如，在15°C和6 mM Cd条件下，B11在24小时时的尿素降解率显著高于SP，尽管后续时间点差异缩小。而在30°C和8 mM Cd条件下，SP在前期（24-48小时）降解更快，但B11在72-96小时追平了SP的表现。这些时间模式凸显了菌株对金属胁迫和温度响应的差异，B11在维持长期活性方面显示出韧性。

3.3. 镉去除效率

在镉去除方面，两种菌株均表现出色。在6 mM和8 mM Cd浓度下，无论是15°C还是30°C，经过96小时反应，B11和SP对镉的去除率均超过94%。在6 mM Cd条件下，两者最终去除效率都高于95%。在更具挑战性的8 mM Cd和30°C条件下，B11取得了96.2%的去除率，略高于SP的94.6%。未接种细菌的对照组未观察到任何镉去除，证实了沉淀过程是由微生物驱动的。

3.4. 锌去除效率

锌的去除效率与镉类似，两种菌株在所有测试条件下最终去除率也都超过94%。在6 mM Zn和30°C时，B11去除率为95.1%，SP为94.3%；在8 mM Zn和30°C时，B11为95.6%，SP为94.8%。在15°C低温下，两种菌株的初始动力学较慢，但96小时后仍能达到92%以上的去除率。对照组同样无锌去除。

3.6. Sporosarcina pasteurii和土著细菌对锌和镉去除的比较

进一步的统计分析更细致地描绘了两种菌株的优劣态势。对于锌去除，在15°C的低温胁迫下，B11显示出统计上显著的优势。例如，在6 mM Zn和15°C时，B11的平均去除率为86.00%，显著高于SP的83.00%；在8 mM Zn和15°C时，B11为73.00%，也显著高于SP的70.00%。这表明在寒冷条件下，土著菌B11对锌的固定能力更强。对于镉去除，在多数条件下两者差异不显著，但在8 mM Cd和30°C时，SP（91.43%）反而略优于B11（90.63%）。然而，在更具综合挑战性的条件下（如高金属浓度结合低温），B11常表现出可比拟甚至更优的耐受性和持续去除能力。

3.7. 矿物沉淀物的SEM-EDS表征

扫描电镜观察揭示了沉淀物形貌的温度和菌株依赖性。在镉处理中，两种菌株在15°C下均产生致密的球状沉淀，而在30°C下，沉淀物变得更加致密、球形且光滑，尤其是B11处理的样品。能谱分析证实沉淀物主要由镉（Cd）、碳（C）和氧（O）组成，形成了CdCO₃。在锌处理中，则观察到针状、拉长和角状的晶体形态，在30°C下更为明显，且B11培养物中的晶体结晶度更高。能谱显示了强烈的锌（Zn）、碳和氧信号。重要的是，反应96小时后，在矿物基质外未检测到游离的Cd或Zn信号，表明金属被完全固定于生物成因的结构中。

3.8. 矿物沉淀物的XRD分析

X射线衍射分析为沉淀物的稳定性提供了关键证据。分析确认，无论是镉还是锌处理，形成的沉淀物均为纯净的碳酸盐矿物：CdCO₃和ZnCO₃，未检测到氢氧化物或磷酸盐等杂相。一个关键的发现是，来自B11的沉淀物其XRD衍射峰强度通常高于来自SP的沉淀物，这表明B11诱导产生的矿物具有更高的结晶度。更高结晶度的矿物通常意味着更低的溶解度和更好的长期稳定性，这对于重金属的永久性固定至关重要。

综合以上研究结果，本研究的结论与讨论部分强调了几个核心要点及其重要意义。

首先，研究证实了土著解脲酶细菌Comamonassp. HMZC (B11)在高浓度镉锌污染修复中的应用潜力。在30°C下，B11对6 mM和8 mM Cd/Zn的去除率超过90%，与模型菌株Sporosarcina pasteurii(SP)表现相当或略优。尤其在15°C的低温胁迫下，B11对锌的去除效率显著高于SP，显示出其对亚最适环境条件的更强适应性。这一发现有力地支持了利用本地适应性微生物进行“生物刺激”修复策略的优越性。相较于引入外源菌株的“生物强化”，刺激土著菌群可以规避引入菌株存活率低、竞争性弱以及潜在生态风险等问题，更具可持续性和成本效益。

其次，研究通过SEM-EDS和XRD等矿物学表征手段，不仅证明了MICP过程成功将可溶性重金属转化为稳定的碳酸盐矿物（CdCO₃和ZnCO₃），更重要的是发现B11产生的沉淀物结晶度更高。更高的结晶度预示着这些生物矿化产物在环境中的长期稳定性可能更好，不易因pH或氧化还原条件的变化而重新释放重金属，从而增强了MICP技术修复效果的可靠性和持久性。

再者，研究揭示了温度和环境胁迫对MICP过程的深刻影响。温度通过调控脲酶活性，直接影响碳酸根离子的生成速率，进而决定金属碳酸盐沉淀的动力学和最终效率。B11在低温下仍能保持较高活性的特性，拓宽了MICP技术在温带或季节性寒冷地区污染水体修复中的应用窗口。

当然，研究也指出了当前技术的局限性与未来方向。例如，尿素水解会导致pH升高和氨氮副产物的产生，这在某些水生生态系统中可能构成二次污染风险，需考虑后续处理或替代碳源。此外，实验室的批次实验未能模拟自然环境中复杂的离子竞争（如Ca²⁺、Mg²⁺）、微生物群落相互作用以及长期稳定性挑战。因此，未来的研究需要走向更接近实际场地的中宇宙实验或柱实验，并深入探索B11菌株耐受重金属和低温的分子机制（如通过基因组学、转录组学），同时开展现场 pilot-scale试验，监测生态影响，优化工艺参数，以推动这项基于土著菌的生物修复技术从实验室走向真正的污染治理现场。

总而言之，这项研究通过一场精心设计的“细菌对决”，不仅展示了一株河流源土著菌在挑战性环境下媲美甚至超越实验室王牌菌株的修复能力，更从实践和理论层面，为开发高效、可持续、适应现场复杂条件的重金属污染水体生物修复技术提供了新的菌种资源和科学依据。