环境科学与生态技术6（2021）100096审查MICP作为处理或捕获自然环境中污染物的潜在可持续技术：综述Adharsh Rajasekara，*，Stephen Wilkinsonb，Charles K.S.MoyCa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（AEMPC），大气环境与装备技术协同创新中心（CIC-AEET），南京，210044b阿拉伯联合酋长国迪拜卧龙岗大学土木工程系c中国江苏苏州Xi交通大学利物浦分校土木工程系我的天啊N F O文章历史记录：接收日期：2021年3月26日接收日期：2021年2021年5月7日接受关键词：生物矿化脲酶重餐截留A B S T R A C T在过去的二十年中，生物矿化领域的发展已经产生了有希望的结果，使其成为一种潜在的环境友好技术，在工程和废水/重金属修复中具有广泛的应用。微生物诱导碳酸盐沉淀（MICP）已经导致了许多专利应用，包括用于生物矿物沉淀的新菌株和营养源。研究不断发表，以优化过程，成为一个有前途的，成本效益高，生态友好的方法相比，现有的传统修复技术，实施解决多种污染/污染问题。重金属污染仍然对生态系统构成重大威胁。由于重金属在环境中的难降解性和持久性，其去除具有重要意义。从这个角度来看，本文回顾了当前和最重要的发现和应用的MICP对重金属转化为重金属碳酸盐和去除污染介质中的钙，如污染的水。从文献调查中可以明显看出，虽然重金属碳酸盐的研究在去除重金属方面非常有效，但仍处于早期阶段，但如果在重金属环境中直接刺激微生物，则可以作为解决方案。©2021作者（S）。出版社：Elsevier B.V.我代表中国环境科学学会哈 尔 滨 工 业 大 学 、 中 国 环 境 科 学 研 究 院 。 这 是 CCBY 许 可 下 的 开 放 获 取 文 章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。1. 介绍1.1. 生物矿化的历史和概念生物矿化是生物体对各种矿物的沉淀[1]。属于所有五个王国的生物都被鉴定为沉淀矿物[2]。矿物形成机制，结构和环境的研究，导致考虑如何在工程项目中指导和应用生物矿物形成以造福人类[3e 5]。已经假设了重金属截留的生物矿化潜力，但很少有研究表明可能存在重金属截留[6e9]。最近，从土壤中分离出的具有产生脲酶的能力的真菌也被证明在沉淀金属碳酸盐方面是成功的[10]。微 生 物 诱 导 碳 酸 盐 沉 淀 法 （ Microbially Induced CarbonatePrecipitation，MICP）用于重金属捕集，导致重金属碳酸盐的产生。在岩土工程中，利用生物矿物的最终目标生物矿化技术被认为具有更高的长期可持续性相比，更传统的技术，如土壤洗涤，堆肥和热焚烧[6，7，11和17]。此外，由于其低能量需求和将碳保留在地下的能力，它作为建筑中可能的碳负技术引起了关注[18，19]。[20]提出，生物矿化通过生物控制或生物诱导的矿化过程发生生物诱导的矿化过程通常在文献中显示为最适合碳酸盐沉淀的机制[21]。*通讯作者。电子邮件地址：870031@nuist.edu.cn（A. Rajasekar）。https://doi.org/10.1016/j.ese.2021.1000962666-4984/©2021作者。由Elsevier B.V.代表中国环境科学学会、哈尔滨工业大学、中国环境科学研究院出版。这是CC BY许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表环境科学与生态技术期刊主页：www.journals.elsevier.com/environmental-science-and-www.example.comA. Rajasekar，S.威尔金森和C. Moy环境科学与生态技术6（2021）100096231.2. 微生物诱导碳酸盐沉淀（Microbially Induced CarbonatePrecipitation，MICP）在过去的二十年里，MICP在科学界获得了很多关注，导致多篇出版物评估了不同的方法和结果[22e30]。该技术依赖于微生物的代谢活性，通过操纵其环境的物理化学条件来沉淀某些类型的生物矿物。许多研究已经从理论上证明，细菌引起的碳酸盐沉淀是“诱导的”，这意味着在该过程中沉淀的矿物类型高度依赖于环境条件[ 31 e40 ]。我们认为，“诱导”背后的理论是指沉淀碳酸盐多晶型物如方解石、白云石、球霰石、羟基磷灰石和文石的结晶性质高度依赖于非生物因素，而不是细菌或酶。来自不同环境的细菌，以及非生物因素（例如，营养成分、盐度）对碳酸盐多晶型物的效率和稳定性有影响[41E 44]。有助于成功和有效碳酸钙沉淀的关键因素是生物和化学过程的组合，包括：（1）pH值，（2）温度，（3）基质介质和（4）微生物的生物利用度[21，45e47]。无论这两个过程，由细菌沉淀的生物矿物通常在纳米至微米尺寸范围内，并且从这些过程产生的组合物通常是各种多晶型物的混合物（图1）。该组合物可用于土壤工程，因为微生物可以进入空隙空间并改变孔隙流体的化学条件，从而允许晶体形成。2. 微生物诱导碳酸盐沉淀（MICP）：尿素酶尽管有几种工艺（如光合作用、氨化、硝化）与碳酸盐多晶型物沉淀能力相关并对其进行了研究，但尿素分解或尿素水解是碳酸钙沉淀的常用技术[21]。已经研究了几种微生物通过脲解沉淀碳酸盐的能力氮源如氯化铵。微生物的尿素酶活性对多个参数敏感，如温度（预期为35℃，活性较好）、pH值（7和 8.5，活性较好）、氮源和培养期[22，26，48]。可追溯至1973年的用于MICP的最多研究的脲酶分泌细菌（USB）之一是芽孢杆菌属[49]。它们是原核需氧细菌，杆状，直径1 -10微米 [50].碳酸盐沉淀通常由可促进矿物质形成的酶诱导。最近，酶如脲酶已被用于改善生物矿物的沉淀[22，24，25，47，51和55]。酶加速化学反应，导致环境的化学变化，促进生物矿物的形成。当尿素酶参与该反应时观察到的模式是pH值升高，最终导致碳酸盐沉淀（图1）。2）。例如，当涉及脲酶时，细菌将尿素分解为氨和氨基甲酸[21]。CONH22H2O/NH2COOHNH3（1）然后氨基甲酸降解为氨和碳酸氢盐[21]。NH2COOH-NH2O/NH3-NH2CO3（2）氨转化为铵释放氢氧离子[56]。NH3-NH2O/NH4-NHOH-（3）随后，碳酸氢盐分解为碳酸盐并释放氢离子，氢离子与氢氧根离子反应，略微降低pH值，在溶液中留下游离碳酸根离子[21]。H2CO3/2H三氟甲烷 2CO32-（4）可以在实验的初始阶段添加钙或镁以实现目标矿物形成。方程（5）和（6）表明可以形成碳酸钙和碳酸镁[43，57]。Ca2水溶性CO32-/CaCO3（5）（表1）。 为了有效的尿素分解，必须供碳酸盐沉淀发生。 尿素是一种氮Mg2碳酸镁CO2-/MgCO（六）来源，也相比之下，在尿素水解过程中，可以发生两种主要的化学变化图1. 碳酸钙多晶型物3A. Rajasekar，S.威尔金森和C. Moy环境科学与生态技术6（2021）1000963表1利用尿素酶辅助的微生物微粒子沉淀法沉淀碳酸钙多晶型物的细菌综述。微生物来源参考[49]第四十九话：巴氏孢子八叠球菌ATCC [73，74]属于芽孢杆菌属和假单胞菌属的多种细菌土壤[32]黄色粘球菌土壤（Rodriguez-Navarro等人，2007年，Gonzalez- Munoz等人，（2010年）假单胞菌属和不动杆菌属水（Zamarrenumbero等人，2009a，ZamarrenZagioetal.，2009年b）盐单胞菌SR4土壤[8]海螺旋体;盐单胞菌;[54 ]中国农业科学院农业科学研究所[55]中国农业科学院农业科学研究所&球形赖氨酸芽孢杆菌CH 5巴氏孢子八叠球菌WJ-2重金属污染矿山&[6、7、53][48]第四十八话多种细菌属于芽孢杆菌属，硝基还原假单胞菌szh_asesj15和鞘氨醇菌属。szh_adharsh[27]第二十七话重金属污染矿山中芽孢杆菌群的多重细菌[第七十五章]图2. 尿素水解导致碳酸钙形成。”（《礼记》），《礼记》）。（2013年）观察到，1）产生大量碳酸根离子，和2）由于氨的释放而发生的pH升高。多项研究表明，当USB参与时，晶体（生物矿物）附着在细菌细胞壁的表面作为成核位点（图1）。 3）。由于细菌细胞壁是带电荷的，它们吸附并结合Ca2+离子，导致Ca2+离子在细胞壁表面形成多个结合位点，从而导致生物矿物质的沉积。图三. 图示说明尿素和钙沉淀碳酸钙，可以发现作为细菌细胞壁上的印记。修改自（Muynck et al.，2010年a）A. Rajasekar，S.威尔金森和C. Moy环境科学与生态技术6（2021）10009643. 影响MICP的因素3.1. 温度3.1.1. 酶活性每一种酶的相关机制都高度依赖于其环境的温度由于细菌对温度也很敏感，因此当涉及到其在生态系统中的应用时，优化MICP的温度至关重要多项研究表明，涉及USB的MICP的理想温度为30至 35摄氏度[26，44，58]，因为由于细菌快速指数生长，酶浓度更高。Nemati和Voordouw [59]证明，从20 ℃突然升高至50 ℃可改变酶活性，导致碳酸钙沉淀增加10倍，但总体沉淀仍低于30至35 ℃的一致环境。从一般指导原则的角度来看，为了使用USB沉淀足够量的碳酸钙，20至37摄氏度的温度范围是最佳的[22，60]。[48]报道，与25至 35℃的温度范围相比，温度>353.1.2.细菌活性观察到温度，并证明温度对含有脲酶的细菌的生长具有高度影响，因为良好的生长导致更高的酶释放[22，61，62]。从细菌活性的角度来看，确定30℃至35℃的温度范围可产生优异的细菌活性，从而导致更高的碳酸钙沉淀[63]。使用USB对低温（25 ° C）和高温（50 ° C）对碳酸钙沉淀的影响进行的比较研究表明，较高的温度产生了较好的沉淀[64]，但沉淀仍低于30至35°C的组成。 Zr eno等人的一项研究[65]结果表明，分离出的细菌在25℃至 35℃时表现较好，当温度升高（40℃）时细菌死亡，当温度降低（10℃）时，它们导致低生物矿物沉淀。较低的温度减缓或阻碍细菌的生长，导致较低的脲酶活性，从而影响生物矿物沉淀的总量。正如Krakenska等人[ 66 ]所报道的那样，在较低（<15 ℃）和较高（<35 ℃）的温度下，酶对底物的亲和力显著降低。显然，在这些温度下亲和力的降低可以被认为是催化所需的活性部位结构损失的结果。因此，可以得出结论，低温（<20 ℃）可能不适合MICP的应用。3.2.基板大多数MICP-USB工艺需要氮和钙源。由于MICP目前被提议作为常规/传统补救技术的替代方案工业废水因其有机物含量高而被认为是理想的解决方案[67]。工业废水通常也含有大量的钙，可以作为矿物质沉淀的钙源[68e 71]。然而，废水作为潜在的底物和钙源的直接应用需要进一步的研究，因为它们含有可能阻碍细菌生长的难处理的化合物，从而抑制生物矿物沉淀。3.3.pH由于尿素分解诱导MICP，起始pH值起着至关重要的作用当涉及到碳酸盐沉淀。大多数用于MICP研究的细菌是异养兼性细菌，其有利于pH 7或更高[26]。当涉及金属碳酸盐的沉淀时，控制起始pH提供了优势。尿素分解发生的最佳pH值一直存在争议，因为不同的细菌群具有不同的pH值来释放尿素酶[24，55，72e75]。然而，所有关于尿素分解的研究都有一个共同的技术特点，即二氧化碳的释放和氨的产生增加了pH值，这有助于维持适合MICP的pH值。研究金属碳酸盐和岩土工程的研究人员发现，尿素分解发生在24至72小时之间的任何地方，之后开始减少。这与pH值升高的峰值相关，表明碳酸盐可能沉淀[22，24，25，76，77]。在中性至高pH值（>7）条件下进行的研究显示，结果表明，土壤固结性能优越，在酸性至中性pH值（7）条件下性能略低。这使我们相信，大多数细菌更喜欢微酸性到中性的pH值作为金属碳酸盐和岩土工程研究的起始范围。最近对产脲酶的嗜盐菌和嗜碱菌的研究表明，这些细菌能够在高pH条件下存活，并可用于废水处理[17，23，78e 80]。因此，我们应该认识到pH值可以影响重金属和细菌的迁移，从而影响污染土壤中微污染物的沉淀和分布。3.4.沉淀后的细菌再利用据充分记载，对于成功的MICP过程，细菌充当矿物沉淀的成核位点，并且成像技术已经揭示细菌嵌入碳酸盐晶体中。目前减缓MICP应用过程的挑战是由于矿物沉淀后细菌不能再利用，从而由于传质限制导致活性降低。为了释放酶，必须保持细菌的连续供应，以便可以发生进一步的沉淀以进行重金属碳酸盐化。尽管在增加的碳酸盐沉淀方面有这种小的挫折，但嵌入沉淀物中的细菌将提供游离生物质产物，其需要很少或不需要处理来去除它。基于这一理论，重金属碳酸盐的MICP必须是一个多批次反应器系统，其中细菌生长得以维持，并且其不断地供应到重金属碳酸盐沉淀的另一个反应器中。第一个反应器将包含细菌生长所需的基质，而在第二个反应器中，提供碳酸盐沉淀所需的试剂。通过进一步的研究和适当的试点研究，这一想法可能会解决该领域废水中的重金属污染问题。4. MICP去除重金属和钙的应用在过去的几十年里，由于城市化和过度的人类活动，重金属如砷、镉、铬、铅和锌的浓度达到了危险水平（高于指南），可能对生态系统造成严重问题[81e84]。土地填埋场和污水处理厂被重金属浓度淹没，远远超过世界卫生组织发布的指导方针[68，83，85]。因此，土壤和水必须不断监测重金属的存在，因为不安全的水平可能会对生态系统造成长期损害，需要立即清除[70，71，86，87]。A. Rajasekar，S.威尔金森和C. Moy环境科学与生态技术6（2021）1000965当涉及到从污染环境中去除重金属时，环境不友好的传统再介质处理仍在实践中[68，86，88]。这些传统的方法通常从环境中去除不足量的重金属。最重要的是，它们不符合成本效益，环境中仍然可以发现可检测量的重金属此外，还需要大量的化学品和能源[68，85，89]。植物修复和生物吸附剂长期以来一直以其阻止重金属与环境相互作用的能力而闻名[68，90]。一旦植物吸收了重金属，它们就会被燃烧，以集中灰烬中的重金属进行处理。这一过程循环重复，以减少土壤中重金属的浓度。这些处理仍然构成威胁，如果植物或吸附剂分解或自然死亡，重金属可能会释放回环境中这些技术可能成本高且耗时长。一个理想的情况是，可以识别和使用一种不可食用的观赏植物，这种植物可以在高浓度的重金属中生存下来。这可以成为一种经济作物，可以出售，以减少补救费用。近年来，生物矿化被引入以去除污染场地中的重金属或将其从可溶形式转化为不溶形式[37]。多项研究表明，微生物利用尿素分解通过MICP去除重金属（高达 98%）（表2）。Jalilvand et al.[91]证明了S. Rhizophila对Pb、Cd和Zn的去除率分别为96.25%、71.3%和63.91%。此外，他们还表明，另一种新的细菌V. boronicumulans去除95.93%的Pb，73.45%的Cd和73.81%的Zn。所有这些去除都在与细菌孵育72小时内实现。这些重金属碳酸盐的百分比与流行和有效的S。巴氏杀菌法。然而，通过尿素分解导致MICP的细菌并不丰富，因为它们需要理想的环境条件来释放脲酶。在许多应用中，由于不能适应环境，生长或代谢活动受到限制涉及使用从危险环境中分离的具有USB能力的细菌的多项研究表明，由于重金属截留的积极作用，细菌对重金属具有抗性[7，9，92，93]。在MICP过程中，具有二价离子的重金属（如Cd2+、Zn2+和Pb2+）取代了Ca2+，导致重金属碳酸盐沉淀，从而将其从生物可利用形式转化为非生物可利用形式（方程式（7）&图4）[6，7，94]。只有少数几种细菌显示出在暴露于重金属后48小时内去除98%重金属的能力[77]。从重金属污染的土壤中分离的土著细菌，如枯草芽孢杆菌、Oceanobacillus indiciducens和短小芽孢杆菌，都显示出在污染土壤中固定60-75%范围内的重金属如Cr、Cu和Zn方面有前途 [94]。见图4。通过MICP形成的金属碳酸盐的简化图示。改自（Li et al.，2014年）。Pb2OH-HCO-3/PbCO3H2O（7）与传统方法相比，MICP的主要优点之一是其对氧化还原不敏感溶液的耐受性，使重金属碳酸盐保持无毒、不溶和不可接近。 MICP在实验室实验中的应用与人工溶液掺加重金属已显示出潜在的重金属去除。当使用USB沉淀碳酸盐时，观察到97%的铜去除。通过MICP应用蜡状芽孢杆菌成功地去除了污染土壤中75%的铬[37]，从韩国矿山分离的球形赖氨酸芽孢杆菌在孵育48小时后显示出去除了99.95%的镉[6]。Li等人[77]报告了使用从土壤中分离的MICP-USB去除90% 的钴USB 去除重金属（如铅（ Pb2H2 ）、钴（Co2H2 ）、铬（Cr2H2）、镉（Cd2H2）和铜（Cu2H2））的效率背后的化学原理是，这些金属与钙（Ca2H2）具有相似的二价离子形成，并且在细胞表面上具有较大的表面积和丰富的负离子（Wong ， 2015 ）。Lauchnor等人[95]提出了将脲解MICP应用于重金属碳酸盐的沉淀，作为重金属修复的环境友好工程应用已经详细检查了由尿素分解活性诱导的MICP ，并且还显示其增加碳酸盐沉淀的速率并导致锶（Sr2O3）共沉淀[96]。巴氏芽孢杆菌的MICP在24小时内将Sr 2+的浓度降低了95%[9 7]。 某些科学研究表明，只要以最佳方式注入金属溶液以实现优异的金属碳酸化，锶可以与其他具有二价阳离子的重金属一起共沉淀[95，96]。矿化的重碳酸盐中的金属表2捕获或去除重金属的细菌概述。微生物重金属研究参考阴沟肠杆菌;韩国孢子八叠球菌铅[7，77]人参孢子八叠球菌砷[9]球形赖氨酸芽孢杆菌;膨胀土杆菌镉[6，77]Kocuriapecuava; Bacillussubtilis; Oceanobacillusindiciducens; BacilluspumilusCopper [92，94]孢子八叠球菌属;枯草芽孢杆菌;海洋芽孢杆菌indiciducens;短小芽孢杆菌锌[77，94][77]第77话[77]第十七话枯草芽孢杆菌; Oceanobacillusindicreducens;短小芽孢杆菌铬、铜和锌[94]S. 胞菌诉硼积云铅、镉和锌[91]A. Rajasekar，S.威尔金森和C. Moy环境科学与生态技术6（2021）1000966另外的优点在于，在高pH下，重金属的流动性较低，并且如果它们重新进入溶液，它们将不会被运输，直到溶液的pH降低。固相钙和金属碳酸盐的存在高比例的碳酸盐需要溶解，以使pH值充分降低，使重金属离子再次变得可移动。因此，该技术对于长期固定重金属污染物特别有用。4.1. MICP在废水利用USB技术实现的微电解电容器可应用于高钙离子废水的处理。钙是导致硬度的矿物质之一，最常从生产碳酸钠的废水处理和反渗透装置中的高浓度钙表明管道和膜中的水垢沉积更高。结垢是由于化学反应导致形成多种钙产物而发生的。由于钙（Ca2+）是碳酸钙形成的重要元素，可溶性钙可以转化为不溶性碳酸钙，并使用MICP过滤 Hammesetal. [32]表明，用MICP可去除工业废水中90%以上的Ca2+Dong等人[30]还显示使用MICP从海水中去除91.8%的钙。5. 总结发言生物矿化的知识体系已经慢慢建立起来，使其成为污染物处理和捕获方面有前途的可持续解决方案。各种各样的微生物与尿素酶已被证明能够尽量减少损害造成的生态系统，通过城市化和污染。属于芽孢杆菌属的多种微生物最有可能用于MICP。许多研究已经探索了用于环境清理的各种常规方法，但是这些方法在从环境中完全去除污染物或污染物方面是无效且昂贵的。因此，MICP已成为一种有效且环保的方法，用于修复污染环境中的污染物，如重金属。目前对重金属碳酸盐的研究大多是在实验室条件下进行的，或者是利用从重金属环境中分离出来的微生物进行的。此外，仍然缺乏大规模的研究来证明其有效性，特别是，仍然不清楚MICP土著微生物是否能够从污染场地中去除重金属。竞争利益作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，可能会影响本文中报告的工作。引用[1] E. Boquet，A.Boronat，A.Ramos-Cormenzana，土壤细菌产生方解石（碳酸钙）晶体是一种普遍现象，自然246（1973 a）527e 529。[2] H.A. Lowenweigh ， Minerals formed by organisms ， Science 13 （ 1981 ）1126e 1131。[3] A.H. 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