基于煤基固体废物渗滤液的微生物菌株在诱导碳酸盐沉淀方面的比较评估与筛选

《Process Biochemistry》：Comparative Evaluation and Screening of Microbial Strains for Induced Carbonate Precipitation Using Coal-Based Solid Waste Leachate

微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）技术在地下注浆等恶劣环境中应用受限，本研究筛选并工程了S. pasteurii、B. alcalophilus和P. denitrificans三株菌株，通过模拟注浆条件分析其生存能力、矿化效率和产物特性，发现S. pasteurii在20℃、pH8时矿化效率最高（4.34g），产物以稳定方解石为主，而P. denitrificans环境适应性最强但矿化能力弱。研究为MICP技术固废资源化应用提供关键数据支撑。

　　

李晓彤|李俊猛|王传旭|丁子钊|芮普成|王浩|黄艳丽

中国矿业大学矿业学院，徐州 221116，中国

摘要

在地下灌浆等恶劣环境中，微生物诱导碳酸盐沉淀（MICP）技术的应用受到严格条件的限制，这些条件包括高碱度、氧气限制和温度波动。本研究旨在通过筛选和改造微生物菌株来提高其适应性和矿化性能，以应对这一生物处理挑战。选定了三种菌株：Sporosarcina pasteurii、Bacillus alcalophilus和Pseudomonas denitrificans。在模拟灌浆条件下系统分析了它们的生存特性、矿化能力和产物性质。结果表明，在20°C和pH 8的条件下，S. pasteurii的表现最佳，沉淀物质量达到峰值4.34克，其主要成分为结构稳定的方解石。P. denitrificans在极端碱度和高温下仍能保持70%以上的存活率，显示出最强的环境适应性，但其矿化能力有限，最大沉淀物质量仅为1.72克。B. alcalophilus具有很强的耐碱性，但矿化效率较低，其产物中含有大量亚稳态的文石。研究揭示了这三种菌株之间的性能差异，并指出了S. pasteurii在可控灌浆场景中的优势应用前景。这些发现为选择菌株和调节MICP技术在绿色灌浆材料中的应用提供了关键数据支持。

引言

微生物诱导碳酸盐沉淀（MICP）作为一种有前景的生物介导技术，已被应用于土壤加固、裂缝修复和碳封存等可持续工程实践中[1]、[2]、[3]。该技术利用微生物的代谢活动沉淀碳酸钙，相比传统方法具有环境兼容性和低能耗的优势[4]、[5]、[6]。然而，将MICP从实验室规模研究转化为实际应用的一个主要瓶颈是理想实验室条件与实际工程环境之间的巨大差异[7]、[8]。这种差异严重限制了MICP的可扩展性。特别是在地下灌浆作业中——MICP的一个潜在高影响力应用场景——微生物面临极端挑战，如高碱度（pH > 10）、氧气限制和显著的温度波动[9]、[10]。这些条件会严重抑制微生物活性，影响矿化的效率和可预测性，从而限制了MICP技术的实际应用。

选择合适的微生物菌株是决定MICP在特定操作条件下成功与否的关键生化工程参数[11]。模型尿素分解菌Sporosarcina pasteurii在标准实验室条件下表现出较高的尿素水解率和稳定的方解石沉淀能力[12]、[13]、[14]，但在典型的灌浆环境下的碱性和缺氧条件下的表现尚不明确[15]。相比之下，从碱性环境中分离出的Bacillus alcalophilus具有天然的高pH耐受性[16]、[17]。Pseudomonas denitrificans通过反硝化作用进行厌氧代谢，在缺氧环境下表现出较强的适应性[18]、[19]、[20]。以往的研究往往只关注单一菌株在最佳条件下的表现，因此需要对这些代谢多样的菌株进行系统和比较评估，应在模拟实际工程压力的条件下进行，以找到适用于特定应用的强效生物催化剂[21]、[22]。

此外，可持续发展要求将废物回收整合到生物过程中。煤炭开采和利用会产生大量固体废物（如煤矸石和粉煤灰），这些废物虽然对环境有潜在风险，但富含钙和硅酸盐矿物[23]、[24]、[25]，可作为MICP反应的钙离子来源，实现废物利用与绿色工程材料开发的协同效应[26]。然而，这些碱性固体废物的浸出液为微生物活动创造了挑战性环境，进一步增加了生物过程设计的复杂性[27]。现有研究大多使用营养丰富的培养基，这导致关于微生物在固体废物浸出液中的行为和矿化效率的知识空白，而实际工程应用中的孔隙液化学成分与此更为接近。

为应对这些生物处理挑战，本研究假设代谢多样的细菌在地下灌浆等恶劣条件下会表现出不同的优势。因此，我们对三种代表性菌株S. pasteurii、B. alcalophilus和P. denitrificans进行了系统比较，在模拟灌浆条件下评估了它们的生存能力、矿化性能和产物特性，旨在为菌株选择提供科学依据，并为MICP技术在可持续地下工程中的实际应用提供关键生化工程参数。

菌株信息

微生物菌株

本研究使用了三种菌株：S. pasteurii（ATCC 11859）和B. alcalophilus（SHBCC D17302），均来自上海微生物菌种保藏中心；P. denitrificans（ATCC 13867）来自北京微生物菌种保藏中心。这三株菌株均最初从土壤环境中分离得到。细菌培养物达到对数生长阶段后，通过平板计数法确定了其浓度。

S. pasteurii的浓度动态

图3显示了S. pasteurii在96小时培养期间的OD₆₀₀变化情况。在所有测试条件下，OD₆₀₀均呈下降趋势，表明密封系统内的活性逐渐减弱。下降最为明显的是在培养初期，12小时内OD₆₀₀迅速下降，随后在12至48小时之间下降速度放缓，48至96小时期间，持续的氧气和营养物质消耗进一步降低了细菌浓度[14]。具体数值支持了这一趋势。

结论

本研究在模拟灌浆条件下评估了三种微生物菌株。通过OD₆₀₀指数筛选了它们的短期活性和存活情况，并通过重量法和矿物特性分析评估了矿化性能。主要结论如下：

(1)

S. pasteurii的矿化效率最高，沉淀物质量达到峰值4.34克，主要成分为棱柱状的方解石，表明其在浆液中的固化作用迅速

作者贡献声明

李晓彤：撰写初稿、方法学设计、数据分析。李俊猛：撰写、审稿与编辑、项目管理、资金申请、概念构思。王传旭：指导、方法学设计、数据分析。丁子钊：撰写初稿、软件开发、数据分析。芮普成：数据可视化、方法学设计、数据分析。王浩：方法学设计、数据分析。黄艳丽：撰写、审稿与编辑、指导。

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了“深地探测与矿产资源勘探-国家重点科技项目”（2024ZD1004104）、国家自然科学基金（项目编号52374245、52534002）以及新疆重点研发专项（项目编号2023B03009-1、2022B03028-3）的支持。