海水压力下细菌诱导生成的鸟粪石：特性与应用潜力

生物合成海水中高纯度磷酸铵镁及重金属吸附特性研究。利用耐盐芽孢杆菌Bacillus velezensis在海水应力下诱导合成struvite，实现98.3%总磷去除率，比表面积达140.97 m2/g，Cd2?吸附容量386.10 mg/g，突破传统化学合成依赖镁盐及人工调控pH的限制。

　　

雷蒙 | 王斌

南京师范大学生命科学学院，南京，210023，中国

摘要

生物合成磷酸镁铵（struvite）用于固磷是一种有效的策略，可以缓解水体富营养化问题并从废水中回收磷。然而，其大规模应用受到传统镁盐高成本以及复杂废水环境对细菌生长抑制的制约。在本研究中，利用Bacillus velezensis菌在海水压力下诱导磷酸镁铵的矿化过程。通过SEM-EDS、XRD、FT-IR和BET等手段对矿化产物进行了相组成、结构和形态的分析，并研究了该磷酸镁铵对Cd²⁺的吸附能力。结果表明，在海水压力下，这种菌株能够分泌富含甘氨酸的蛋白质，减轻海水的不利影响；它不仅利用了海水中的Mg²⁺和无机磷，还代谢有机磷以促进磷酸镁铵的合成。实验中，从培养基中移除了98.30%的总磷，其中55.06%的总磷以磷酸镁铵的形式被固定和回收。生物合成的磷酸镁铵比化学合成的磷酸镁铵具有更高的比表面积（140.9718 m²/g vs 79.4863 m²/g），其对Cd²⁺的最大吸附能力也显著更强（386.10 mg/g vs 212.92 mg/g）。此外，本研究阐明了海水压力下细菌诱导磷酸镁铵矿化的机制。这一发现为低成本生物合成磷酸镁铵及沿海水域富营养化的生态治理提供了新的思路。

引言

水污染和富营养化已成为全球性的环境问题，农业径流、生活污水和工业废水中的过量磷排放被认为是导致富营养化和藻类繁殖的主要因素（Liu等人，2025a；Tan等人，2025）。从富含营养物质的废水中回收磷等元素不仅有助于水质净化和环境保护，还能支持生态系统的可持续发展。

近年来，磷酸镁铵（MgNH₄PO₄·6H₂O）的合成被认为是从富营养化水中回收磷的有效方法（Guan等人，2023）。与羟基磷灰石和钒酸镁铵等化合物相比，磷酸镁铵在废水中的沉淀不仅能够同时回收氮和磷资源，减轻环境污染，而且回收的磷酸镁铵还可用作缓释肥料、吸附剂或阻燃剂（Hertzberger等人，2020；Wang等人，2024；Zhang等人，2022, 2024a）。磷酸镁铵的形成发生在pH值7.0至11.5的范围内，最佳pH值为8.5至9.5（Guan等人，2023）。因此，传统的化学沉淀方法通常需要添加NaOH来提高pH值至碱性水平（Wang等人，2023），但这种方法往往只能回收正磷酸盐，而无法利用受污染水中广泛存在的溶解有机磷（DOP）。相比之下，生物矿化过程使微生物能够代谢含氮有机物，释放氨并创造碱性微环境，同时微生物可以直接利用无机磷或利用碱性磷酸酶（ALP）将有机磷矿化，从而促进磷酸镁铵的合成（Hoffmann等人，2021；Saavedra和Baltar，2025；Simoes等人，2020）。值得注意的是，磷酸镁铵的生物矿化在自然生态系统（如水体和土壤）中的有氧和厌氧条件下都很普遍（Zhang等人，2022）。这一过程不仅消除了对外部碱性剂的需求，还克服了化学方法仅针对无机磷的局限性，展现了自然界的自我净化能力。

尽管在富营养化水中合成磷酸镁铵具有巨大的潜力，但其大规模应用仍面临诸多挑战。主要问题是，尽管废水中含有丰富的氮和磷，但往往缺乏足够的Mg²⁺，因此需要添加MgCl₂或MgSO₄等镁盐，这大大增加了实施成本（Kumar和Pal，2015；Liang等人，2024；Luo等人，2018）。先前的研究已经探讨了使用低成本镁源（包括天然菱镁矿、海水、盐水和海水淡化过程的副产品）化学合成磷酸镁铵的方法（Battaz等人，2024）。其中，海水由于其丰富性和易获取性而被认为是一种经济可行的选择，并且通过化学沉淀已经实现了高水平的无机磷回收（Battaz等人，2024；Ha等人，2025）。然而，海水具有复杂的离子组成和高盐度，这些因素通常不利于微生物生长和微生物诱导的矿化作用（Yan等人，2023）。尽管如此，最近的研究表明某些海洋或嗜盐微生物仍能在高盐度条件下诱导磷酸镁铵的沉淀。例如，Zhao等人（2019）证实了在不同NaCl浓度下微生物诱导磷酸镁铵形成的可行性，并指出盐度会影响磷酸镁铵的结晶和生长。此外，一些研究表明海洋细菌可以通过调节胞外多糖（EPS）的分泌和改变局部化学微环境来促进高盐度环境中的磷酸镁铵成核和生长（He等人，2023；Liu等人，2025b）。不过，这些研究主要在人工制备的NaCl体系或简化的离子溶液中进行。实际上，真实的海水中含有更多种类的阳离子和阴离子，尤其是Ca²⁺和SO₄^2?等竞争离子，它们可能通过竞争性沉淀、晶体结构调节或表面吸附显著干扰磷酸镁铵的形成和纯度。González-Mu等人（2008）在真实的海水条件下使用四种嗜盐细菌进行了微生物诱导矿化的研究，但未能获得纯相磷酸镁铵。这一结果进一步突显了在自然海水系统中实现纯相磷酸镁铵生物矿化的技术挑战和研究空白。同时，现有研究表明，在金属离子浓度高或离子强度高的环境中，某些细菌通常表现出更强的矿化反应，这是它们调节自身代谢和减轻离子毒性的关键适应策略（Huang等人，2022；Li等人，2022, 2025；Han等人，2020）。因此，在海水系统中，选择兼具强耐受性和矿化潜力的功能性细菌是实现纯相磷酸镁铵生物矿化的关键步骤。Bacillus velezensis是一种分布广泛、耐受性强、安全且能促进植物生长的细菌（Su等人，2024）。该菌株能在高盐度水中生长，甚至能耐受高达17%的NaCl浓度（Masmoudi等人，2019）。我们的实验室已经证实了其强烈的矿化能力（Wang等人，2022a，2024）。因此，选择该菌株来探索在真实海水系统中生物合成纯相磷酸镁铵的可行性。

本研究使用海水配制的培养基培养B. velezensis，研究了其在海水压力下的矿化特性及矿化磷酸镁铵的性质，并进一步评估了该方法从废水中回收氮和磷等营养元素的可行性，以及细菌诱导的磷酸镁铵对重金属Cd²⁺的吸附能力。同时，进一步阐明了海水压力下磷酸镁铵的生物矿化机制，为利用海水资源和生物方法合成磷酸镁铵提供了理论基础。

实验菌株和培养

本研究使用的菌株为B. velezensis LB002，其完整基因组序列已存入GeneBank（登录号：CP037417）。

LB002菌株保存在-80°C下，在Luria-Bertani（LB）培养基（1%（m/v）色氨酸、0.5%（m/v）酵母提取物、1%（m/v）NaCl；添加1.8%（m/v）琼脂制成固体培养基）中活化。活化后的菌株被转移到含有100 mL灭菌LB液体培养基的250-mL锥形瓶中，在30°C和130 rpm的摇床中培养12小时。

海水对菌株生长和代谢的影响

LB002菌株在纯水培养基（PW）和海水培养基（SW）中的生长情况及其对周围pH值的影响如图1a和b所示。LB002菌株在SW中的生长速度低于PW中的生长速度，在SW中表现出明显的延迟期，表明海水环境对其生长具有抑制作用。在PW中，pH值最终稳定在约9.2（图1b）。而在SW中，pH值的升高明显延迟。

结论

本研究旨在从富营养化水中回收磷，结果证实Bacillus velezensis能够在实际海水压力条件下直接利用海水中的Mg²⁺通过微生物诱导的矿化作用合成高纯度的磷酸镁铵。这种方法克服了传统方法对外部镁盐和特定无机磷形式的依赖。结果表明，该菌株在高盐度和复杂环境下仍能保持活性。

CRediT作者贡献声明

雷蒙：写作——审稿与编辑、初稿撰写、软件使用、数据整理。王斌：写作——审稿与编辑、监督、资源调配、项目管理、资金争取、概念构思。

利益冲突声明

作者声明没有已知的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（资助编号：92351302）的支持。