通过一种新型的生物矿物化细菌（Proteus mirabilis D2）诱导的碳酸盐沉淀作用，实现Cd2+和Pb2+的固定

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Cd2?+ and Pb2+ immobilization via microbially induced carbonate precipitation by a novel biomineralizing bacterium Proteus mirabilis D2

多重金属电镀废水微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）修复研究，以镉和铅为目标金属，筛选出高耐重金属菌株Proteus mirabilis D2，通过响应面法优化温度（38.43°C）、pH（6.65-6.75）、尿素浓度（2.2-2.62%）实现97.98%-98.87%去除效率，揭示镉以异形置换和共沉淀方式形成奥塔石和镉-方解石，铅通过胞外聚合物吸附和孔雀石形成固定机制。

　　

Fengting Wang|Jing Guo|Dongli Wang|Haiqin Zhang|Hongfei Zhu|Yang Xue|Qili Yang

辽宁工程技术大学环境科学与工程学院，中国辽宁省阜新市中华路47号，123000

摘要

电镀废水成分复杂，含有高浓度的游离重金属离子。传统菌株在受污染的水中难以生存，去除重金属的效果有限。为了解决这个问题，从重金属污染的土壤中分离出了具有生物矿化能力的细菌Proteus mirabilis D2，利用微生物诱导的碳酸盐沉淀（MICP）技术将其用于固定多重金属污染电镀废水中的Cd²⁺和Pb²⁺。实验结果表明，Proteus mirabilis D2具有较高的尿素酶活性（2168.70 U/mL），并对重金属具有很强的抗性，其最小抑制浓度（MIC）分别为600 mg/L和900 mg/L。单因素实验表明，温度、pH值和尿素浓度是影响重金属固定的关键环境因素。通过响应面法（RSM）优化这些因素后，在38.43°C、pH 6.65和2.62%尿素浓度的条件下，Proteus mirabilis D2对Cd²⁺的去除效率达到了97.98%；在39.2°C、pH 6.75和2.2%尿素浓度的条件下，对Pb²⁺的去除效率达到了98.87%。对生物矿化产物的表征和分析（鉴定为otavite（CdCO₃）和含Cd的方解石（Ca_0.67Cd_0.33CO₃）发现，Cd²⁺的矿化途径涉及Ca²⁺的同晶替代和与碳酸钙的共沉淀。相比之下，Pb²⁺的矿化主要依赖于胞外聚合物物质（EPS）的生物吸附和形成白铅矿（PbCO₃）。总之，本研究提供了一种新的菌株（Proteus mirabilis D2），可用于高效去除电镀废水中的多种重金属（Cd²⁺和Pb²⁺），并为优化环境因素提供了有价值的见解。

引言

电镀废水的成分复杂，含有高浓度的多种重金属（如Cd、Cu、Pb、Zn和Cr），以及其他有毒且难以生物降解的物质[1]。特别是，电镀废水中的重金属可通过生物积累、生物放大作用以及沿食物链的转移对健康造成危害[2]、[3]。迄今为止，已经提出了多种处理技术来去除废水中的重金属，如化学沉淀、吸附、离子交换和膜过滤[4]。然而，这些方法在实际应用中仍面临一些挑战，例如：化学沉淀对低浓度重金属离子的处理效果有限；离子交换过程中树脂再生会产生二次污染物；吸附方法的去除效率因吸附材料的类型和性质而不稳定；膜材料容易发生污染[5]、[6]、[7]。近年来，微生物诱导的碳酸盐沉淀（MICP）技术因其高效性和环保性而受到广泛关注，并被广泛应用于重金属污染废水的处理[8]、[9]、[10]。MICP对重金属具有很强的稳定作用，生成的矿物沉淀物是不溶性的生物碳酸盐，大大降低了重金属离子的迁移性[11]。此外，MICP处理不同浓度重金属的效果取决于尿素分解菌株的耐受性，但即使在低浓度下也依然有效。先前的研究已经证实，它能够在低浓度条件下（0.5 mg/L–4.0 mg/L）高效固定Cd²⁺[12]。

MICP的固定效率受细菌细胞浓度和尿素酶活性的显著影响，细胞浓度直接影响尿素酶的产生，进而影响CO₃^2-的沉淀[13]。在MICP过程中，细菌细胞浓度与微生物活性直接相关，提高细胞浓度和尿素酶活性可以增强MICP效果[10]、[14]。然而，由于电镀废水中重金属浓度高且毒性强，传统功能菌株在这种强烈的金属压力下难以维持代谢活性并同时表现出MICP功能[15]、[16]、[17]。例如，有研究报道Sporosarcina sp. UB1通过生物矿化固定了重金属Cd，但当Cd²⁺浓度超过其最小抑制浓度（0.5 mmol/L）时，细菌的尿素酶活性受到显著抑制，导致矿化效率降低[18]。因此，筛选和分离出具有高尿素酶活性和强重金属耐受性的菌株至关重要。研究表明，长期处于严重重金属污染区域的微生物往往会对重金属产生高度耐受性[19]、[20]。利用这些污染严重的区域作为菌株来源，可以获得同时具备MICP能力和高重金属耐受性的细菌。目前，大多数关于MICP技术用于重金属修复的研究都集中在单一重金属的处理上，而电镀废水是一个典型的多重金属污染系统[21]。例如，Anand等人从一处Cd污染区域分离出一种耐Cd的尿素酶产生菌株Enterobacter hormaechei IITISM-SA3（MIC：100 mg/L），在Cd浓度为11.4 mg/L时，其对单一重金属Cd的去除效率达到了97.8%[10]。相比之下，本研究旨在筛选出一种不仅具有高重金属耐受性，还能有效修复高浓度多种重金属污染的实验菌株。

此外，MICP的反应过程和碳酸盐沉淀的形成容易受到各种环境因素的影响，如温度、pH值、尿素浓度和钙浓度[22]、[23]。在实际应用中，不同的尿素酶产生微生物对环境因素的反应各不相同，适应范围也不同。例如，Staphylococcus equorum PL 453在30°C和pH 6.5的条件下对Cu²⁺的去除效果最佳，而Micrococcus sp. NCTC 1716在37°C和pH 7.0的条件下对Zn²⁺和Cd²⁺的去除效果最佳[24]、[25]。为了提高固定效率，优化环境因素并确定微生物菌株的理想反应条件至关重要。这可以通过统计方法实现。响应面法（RSM）是一种广泛用于优化和提升工艺性能的实证统计建模方法[26]。通过评估多个变量的影响，RSM可以确定以最小实验成本实现最大去除效率的理想条件[26]。

本研究从中国辽宁省葫芦岛市一个废弃锌冶炼厂周围严重重金属污染的土壤中分离出一种新的尿素酶产生菌株Proteus mirabilis D2。确定了其尿素酶活性以及对Cd²⁺和Pb²⁺的最小抑制浓度（MIC），以确保该菌株在电镀废水中的生存能力。本研究旨在评估Proteus mirabilis D2通过MICP固定多种重金属（Cd²⁺和Pb²⁺的能力，从而降低它们的迁移性和生态风险。单因素实验系统地评估了关键环境参数（包括pH值、尿素浓度和温度）对细菌生长、尿素酶活性和金属去除效率的影响。随后，利用RSM优化了反应条件，并在实验室规模测试中验证了这些参数。通过扫描电子显微镜（SEM）、能量分散光谱（EDS）和X射线衍射（XRD）等表征技术，系统分析了Cd²⁺和Pb²⁺通过MICP矿化的机制。本研究提出了一种从电镀废水中去除多种重金属的有效方法，突显了基于MICP的修复策略在可持续重金属处理方面的潜力。

细菌的分离与筛选

细菌的分离与筛选

从中国辽宁省葫芦岛市一个废弃锌冶炼厂周围的污染区域收集了用于菌株分离的土壤样本，同时从20公里外的未污染区域收集了背景土壤样本（见图S1）。在两个地点分别进行了五次表面土壤采样，采样深度为0厘米至20厘米。每个地点的样本都经过充分混合，手动去除石块、植物残渣和其他杂质。

菌株的鉴定与尿素酶活性

土壤理化分析（表S1）显示，样品中的Cd、Cu、Pb和Zn浓度分别是背景土壤水平的47倍、2.4倍、8.6倍和10.9倍，表明存在严重的重金属污染，且可能存在携带重金属抗性基因的细菌菌株。因此，在重金属污染的背景下，根据尿素存在时产生的粉红色-红色染色现象，筛选并分离出了一种尿素酶阳性的细菌菌株。

结论

本研究从重金属污染的土壤中分离出一种对Cd2?和Pb2?都具有高耐受性的尿素酶产生菌株Proteus mirabilis D2，为解决电镀废水中的复杂多重金属污染问题提供了潜在的解决方案。通过RSM方法，该菌株对Cd2?的最大去除效率达到了97.98%，对Pb2?的最大去除效率达到了98.87%，证实了其高效且稳定的重金属去除能力。

CRediT作者贡献声明

Fengting Wang：撰写初稿、可视化处理、数据验证、软件应用、方法设计、实验研究、数据分析、概念构建。Haiqin Zhang：撰写与编辑、项目管理、资金筹集、概念构建。Dongli Wang：项目监督、资金筹集。Jing Guo：撰写与编辑、项目监督、资源调配、资金筹集、数据分析、概念构建。

利益冲突声明

作者声明他们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。