《Journal of Hazardous Materials》：Mechanism and process optimization of a newly proposed carbonate and phosphate co-biomineralization approach for multiple heavy metal stabilization
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两步酶诱导磷酸与碳酸联合生物矿化法有效降低铅锌尾矿中Zn2?、Cd2?、Pb2?浸出率至92%、93%、99%，同步实现>50%氨去除率。该方法通过EIPP优先固定重金属并缓解EICP产生的氨污染，较单一工艺提升稳定效率7%，且降低酶制剂用量18%，兼具环境友好与经济性优势，为松散堆积物原位固化提供新策略。
郭焕清|姜明阳|韩丽军|何星星|孙晓豪|钟锋|王瑶怡|徐康如|李江山
中国科学院岩石与土壤力学研究所地质力学与岩土工程安全国家重点实验室，武汉430071，中国
摘要
通过生物矿化方法进行固化/稳定处理，可以通过简单的喷洒施工来减轻铅锌尾矿中重金属（HMs）的浸出。高效固化的酶诱导碳酸盐沉淀（EICP）过程存在重金属稳定效率低和氨氮污染的问题，而有效的稳定化酶诱导磷酸盐沉淀（EIPP）过程成本较高。为了克服这些限制，本研究提出了一种两步EIPP+EICP联合矿化方法，首先进行EIPP，然后引入EICP反应。该方法显示出约80%的矿化率和超过50%的氨去除率。在第一步EIPP过程中形成的小MgHPO?·3H?O晶体捕获了NH??并转化为MgNH?PO?·6H?O。而较大的晶体形成了多层颗粒，其核心为MgHPO?·3H?O，表面覆盖有MgNH?PO?·6H?O、MgCO?·3H?O和MgHPO?·3H?O微晶体。对于高、中和低联合矿化目标，EICP和EIPP反应溶液的最佳浓度比为1:0.2、0.5:0.2和0.2:0.1。这种共矿化方法显著地将溶液中的游离Zn2?、Cd2?和Pb2?分别以92%、93%和99%的速率捕获为磷酸盐和碳酸盐沉淀，远高于单一EICP的22%、2%和91%。此外，它还将铅锌尾矿中的生物可利用Zn、Cd和Pb分别稳定了44%、53%和23%。总之，两步EIPP+EICP方法可以稳定重金属，具有低成本和环保的优点，为铅锌尾矿等松散堆体的原位固化/稳定提供了新的策略。
引言
铅锌尾矿中的重金属（HMs）如锌（Zn）、镉（Cd）和铅（Pb）会因淋溶和水风侵蚀而被迁移。这些重金属随后可能被植物吸收并通过食物链进入人体，对人类健康构成威胁[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]、[7]。通过固定侵蚀产生的尾矿颗粒并稳定重金属，固化/稳定（S/S）技术已被证明是有效的[8]、[9]。此外，在铅锌尾矿坝进行S/S修复后进行生态恢复是一项重要的改进措施。然而，传统的基于水泥的材料和地质聚合物在原位注入过程中会造成显著的场地扰动，不适合用于未固化的沉积物，如尾矿坝。生物矿化方法可以通过静水渗透原位注入，通过矿物诱导沉淀物包裹土壤颗粒并同时稳定重金属。这种方法具有最小的原位扰动优势，特别适用于铅锌尾矿等松散介质[10]、[11]、[12]、[13]。
微生物/酶诱导的碳酸盐沉淀（MICP/EICP）是最广泛应用的生物矿化技术之一。其核心机制依赖于产生脲酶的微生物或直接添加脲酶来催化尿素水解，从而持续生成碳酸根离子（CO?2?）并诱导碳酸盐矿物沉淀[12]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]。MICP/EICP具有较高的生物矿化和生物固化效果，但在高重金属浓度和/或多金属共存条件下，其稳定重金属的能力不足[20]、[21]。此外，酸扰动可能会引发重金属碳酸盐的重新释放[22]、[23]。另外，尿素水解不可避免地会引起二次氨氮污染问题。特别是NH?的挥发不仅会造成气味困扰，还会对施工人员和水生无脊椎动物产生毒性[24]。为了解决这些问题，Wang等人[25]将EICP与电动修复（EK）相结合，并引入了可渗透反应屏障（PRB）来富集和吸附铵离子（NH??）。此外，改进的EK–PRB过程通过添加MgCl?和Na?HPO?沉淀出struvite（MgNH?PO?·6H?O），并通过添加乙二胺二琥珀酸（EDDS）增强了Cu和Pb的去除效果[26]。Su等人[27]提出将MICP与沸石结合，利用沸石去除氨。同时，沸石对微生物/离子的吸附可以增强土壤的固化作用。Yu等人[18]、[28]、[29]进一步将氨控制策略扩展到废水流和注入端，通过（i）向MICP废水中添加HPO?2?和Mg2?形成MgNH?PO?·6H?O沉淀物，以及（ii）额外注入含磷酸盐的细菌溶液和固化溶液在多孔介质中生成MgNH?PO?·6H?O。总体而言，这些方法增加了工程复杂性以及能源消耗和成本，尤其是在依赖电动修复或多单元耦合系统的情况下。这些也可能降低原位渗透灌浆用于生物矿化的优势。例如，直接添加磷酸盐可能会引发快速沉淀，而添加不溶性沸石也可能阻碍过程。因此，有必要开发一种更具工程导向性和简化性的矿化系统，既能保持操作简便性，又能有效固定重金属并减轻氨氮污染。
由于磷酸根离子（HPO?2?）对重金属的强亲和力，微生物/酶诱导的磷酸盐沉淀（MIPP/EIPP）已广泛应用于受重金属污染土壤的修复[27]、[30]、[31]、[32]、[33]、[34]。在MIPP/EIPP中，释放磷酸盐的微生物或直接添加植酸酶来催化甘油磷酸钠（SGP）或磷灰石的水解，从而生成磷酸根（HPO?2?）。重金属磷酸盐通常具有稳定的晶体结构。例如，Pb可以与HPO?2?反应形成高度稳定的氯铅矿（Pb?(PO?)?Cl）。据报道，基于Bacillus megaterium的MIPP系统可以在废水中实现高达99.6%的Pb(II)固定，并确认形成了Pb?(PO?)?Cl磷酸盐沉淀[35]。在尾矿/土壤S/S场景中，Han等人[1]、[30]、[33]提出的基于EIPP的S/S方法同时改善了铅锌尾矿的机械性能，并在模拟酸雨条件下降低了Pb浸出的风险。然而，发现MIPP的生物矿化效率极低，不适合固化/稳定含重金属的尾矿[36]。此外，无论是EIPP还是EICP，酶都是纳米级的，远小于微米级的微生物细胞，因此反应溶液（RS）可以更容易地渗透和分布在多孔介质中[37]。尽管如此，EIPP的实际应用仍面临瓶颈。EIPP通常依赖于商业植酸酶和SGP来提供足够的磷酸盐释放和沉淀产量。与基于大豆粉提取的尿素和脲酶的EICP系统相比，EIPP的材料采购和剂量成本通常更高（见文本S1）。因此，迫切需要开发成本效益高、高效且环保的生物矿化方法。
因此，本研究提出了EIPP+EICP联合矿化方法，结合并优化了EIPP和EICP。在这种耦合系统中，EICP贡献了与尾矿生物固化需求相关的大部分生物矿化作用，从而降低了总成本。此外，EIPP还起到了氨和重金属稳定以及碱度缓解的作用。联合生物矿化过程总结在（1）、（2）、（3）、（4）、（5）、（6）、（7）、（8）、（9）、（10）、（11）、（12）[1]、[19]中。EIPP过程中释放的HPO?2?与Mg2?结合，可以持续捕获EICP过程中生成的NH??，形成MgNH?PO?·6H?O，同时释放H?。MgNH?PO?·6H?O作为一种缓释的N–P肥料，可以提高铅锌尾矿上植被恢复的可持续性[29]、[38]、[39]、[40]。与上述直接添加化学试剂的快速沉淀反应相比，酶驱动的EIPP+EIP反应提供了可控的缓冲期，有助于更均匀地输送和处理溶液在松散沉积尾矿的孔隙网络中渗透，从而降低工程角度下由于快速近场沉淀导致的局部堵塞风险。总体而言，联合矿化方法可以有效实现尾矿的S/S和生态恢复，具有低扰动渗灌施工、成本可控和环保的优点。
EICP反应：CO(NH?)? + H?O → NH?COOH + NH?NH?COOH + H?O → NH? + H?CO?H?CO? ? HCO?? + H?HCO?? + OH? ? CO?2? + H?ONH? + 2 H?O ? 2 NH?? + 2 OH?Mg2? + CO?2? → MgCO?↓
EIPP反应：C?H?Na?O?P + H?O → Na?HPO? + C?H?O?HPO?2? + Mg2? + 3 H?O → MgHPO?·3H?O↓
EIPP+EICP反应：C?H?Na?O?P + H?O → Na?HPO? + C?H?O?CO(NH?)? + 3 H?O → 2 NH?? + HCO?? + OH?HPO?2? + Mg2? + NH?? + 6 H?O → H? + MgNH?PO?·6H?O↓Mg2? + HCO?? + OH? → MgCO?↓ + H?O
基于这一概念，探索了新提出的碳酸盐和磷酸盐共矿化方法的机制和过程优化。进行了溶液实验，以评估原材料的矿化效率、沉淀物组成和氨去除率。还分析了关键因素的影响。进一步研究了溶液中重金属的稳定效率和机制。最后，验证了该新方法在固化/稳定铅锌尾矿方面的有效性。本研究为高含量重金属尾矿的环保生物S/S处理提供了新的见解。
材料
实验中使用的植酸酶溶液（PS）是从中国新生物技术发展有限公司购买的商业产品，通过黑曲霉的液体发酵后经过超滤纯化制成。PS工作的最佳pH范围为4-6。植酸酶活性指数及其受pH影响的情况如图S1所示。脲酶溶液（US）是从大豆粉中提取的。提取程序和酶活性测定方法如下
PS剂量的影响
使用MgCl?·6H?O作为Mg2?来源，并将c(EICP)固定在0.5 M时，研究了PS剂量对一步EIPP+EICP方法的影响。根据图1a，当c(EIPP) = 0.1 M时，Mg2?的利用率随PS剂量的增加而变化不大。消耗的Mg2?浓度接近单次EICP反应的理论消耗值。当c(EIPP) ≥ 0.2 M时，Mg2?的利用率
结论
本研究将EIPP和EICP结合并优化，建立了用于铅锌尾矿S/S处理的EIPP+EICP联合矿化方法。研究重点在于过程优化、效果验证和机制探索。主要结论如下。
- (1)
以MgCl?·6H?O作为Mg2?来源的两步EIPP+EIP方法更适合联合矿化，提供了7%更高的生物矿化率和18%的PS剂量减少
环境影响
铅锌尾矿中重金属的浸出对人类健康构成威胁。本研究通过结合酶诱导的磷酸盐沉淀（EIPP）和酶诱导的碳酸盐沉淀（EICP）开发了一种新的EIPP+EICP联合矿化方法，实现了协同重金属稳定。该方法克服了传统EICP处理的高氨排放和重金属稳定效果差的问题，以及传统EIP的高成本问题
CRediT作者贡献声明
徐康如：研究。李江山：写作 – 审稿与编辑、监督、项目管理、资金获取。钟锋：研究。王瑶怡：研究。郭焕清：写作 – 原稿撰写、方法论、研究、正式分析。姜明阳：可视化、监督。孙晓豪：研究。韩丽军：写作 – 审稿与编辑、方法论、研究、资金获取、概念化。何星星：研究。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了中国科学院战略性优先研究计划（项目编号XDC0220301）、国家重点研发计划（项目编号2024YFC3909303）和中国国家自然科学基金青年项目（项目编号42407273）的支持。
