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微生物诱导碳酸钙沉淀技术在水处理中的应用与研究进展

作者及机构
本综述由西安建筑科技大学环境与市政工程学院的Yu Liu、Amjad Ali、Jun-Feng Su（通讯作者）、Kai Li、Rui-Zhu Hu和Zhao Wang共同完成，发表于2023年的《Science of the Total Environment》期刊（Volume 860, Article 160439）。

主题概述
本文系统综述了微生物诱导碳酸钙沉淀（Microbially Induced Calcium Carbonate Precipitation, MICP）技术在水处理领域的研究进展，涵盖其作用机制、影响因素、成核路径及实际工程应用，并探讨了当前技术难点与未来研究方向。

主要观点与论据

1. MICP的作用机制：从胞内到胞外的多路径调控
MICP的核心是通过微生物代谢产生碳酸根（CO₃²⁻），与游离钙离子（Ca²⁺）结合形成碳酸钙（CaCO₃）沉淀。其机制可分为胞外和胞内两条路径：
- 胞外诱导：
- 胞外聚合物（Extracellular Polymeric Substances, EPS）：EPS中的羧基、氨基等负电基团通过吸附Ca²⁺提供成核位点，促进CaCO₃沉淀（如Dupraz和Visscher, 2005的研究）。
- 钙离子泵：微生物通过ATP酶、电压门控通道等将胞内Ca²⁺泵出，形成局部过饱和环境（如Domínguez等, 2015的发现）。
- 晶体生长：分为经典结晶（Ostwald规则）与非经典结晶（介晶形成），受环境参数（如pH、多糖浓度）调控（Wang等, 2022b的SEM观测）。
- 胞内诱导：以球石藻（Coccolithophorids）为例，高尔基体分泌的酸性多糖在囊泡中调控CaCO₃定向沉积（Sviben等, 2016）。

2. 影响MICP的关键环境因素
- 细菌浓度：高菌量通过增加脲酶活性提升CaCO₃产量（Okwadha和Li, 2010）。
- 温度：30℃为最适温度，低温（15℃）需额外尿素补充以维持反应速率（Sun等, 2019）。
- pH：碱性环境（pH 7.0–8.0）促进CO₃²⁻生成（Yang等, 2022）。
- Ca²⁺初始浓度：高浓度（如350 mg/L）可提升沉淀效率，但需平衡溶解度积（Su等, 2017）。
- 碳氮比（C/N）：高C/N（如6:1）增强反硝化，提供更多CO₃²⁻（Wu等, 2021）。

3. MICP在水处理中的工程应用
- 饮用水处理：
- 同步去除Ca²⁺、NO₃⁻-N和F⁻，如Acinetobacter sp. H12在生物膜反应器中实现84.96% Ca²⁺和100% NO₃⁻-N去除（Wu等, 2021）。
- F⁻通过CaF₂共沉淀去除，效率达91.93%（Yang等, 2022）。
- 市政污水除磷：生成羟基磷灰石（HAP）回收磷资源（Xue等, 2021）。
- 重金属污染修复：
- Cd²⁺和Zn²⁺通过Brevundimonas diminuta去除率超99%（Ali等, 2022）。
- 真菌-海绵复合载体（FSC）联合Pseudomonas sp. WZ39对Cd²⁺去除率达92.5%（Sun等, 2022）。
- 工业废水处理：
- 抗生素（如四环素）通过Cu-BTC固定化漆酶降解（Zhang等, 2020）。
- 苯酚在C/N=3.0时去除率99%（Wang等, 2022a）。

4. 技术挑战与未来方向
- 实际工程适配性：复杂水质（如有机络合物）可能抑制MICP效率（Tang等, 2022）。
- 成本控制：目前实验室菌剂成本（0.41美元/升）高于传统工艺（Paassen等, 2010）。
- 跨学科应用：结合基因组学与代谢组学解析胞内Ca²⁺调控机制（Martínez-Cano等, 2015）。
- 碳中和潜力：MIPC可封存CO₂，符合双碳战略（Zhu等, 2021）。

论文价值与意义
本文首次全面整合了MICP从基础机制到工程应用的完整链条，提出多污染物协同去除的创新思路，并为低C/N废水处理提供理论依据。其亮点包括：
1. 多尺度机制解析：从分子（EPS功能基团）到宏观（反应器设计）阐明MIPC调控路径。
2. 工程化指导：总结温度、pH等参数的最优区间，助力实际工艺设计。
3. 资源化视角：强调磷回收与CO₂封存的可持续发展潜力。

未来需进一步探索MIPC在复杂体系中的稳定性及低成本规模化应用，推动其从实验室走向工程实践。