喀斯特源沙雷氏菌的碳固定性能与环境稳定性研究及其在CO2封存中的应用潜力

《Scientific Reports》：Carbon fixation performance and the stability surroundings of Serratia sp. isolated from karst

本研究针对微生物碳固定技术在极端环境应用中菌株适应性不足的问题，从喀斯特土壤中分离筛选高产碳酸酐酶（CA）菌株Serratia sp.，系统评估其在不同温度、pH及离子条件下的碳固定性能。结果表明该菌株在20°C、pH 9时CA活性达2795.84 U/L，碳转化量为39.51 mmol/L，生成3.518 g/L球霰石型碳酸钙，为碱性环境中CO2矿化提供了高效生物催化剂。

　　

在全球碳循环中，二氧化碳（CO₂）的固定与转化是缓解温室效应的关键环节。微生物通过分泌碳酸酐酶（Carbonic Anhydrase, CA）能高效催化CO₂水合生成碳酸氢根（HCO₃^-），进而与钙离子结合形成碳酸钙（CaCO₃），这一过程被称为微生物诱导碳酸钙沉淀（Microbially Induced Calcium Carbonate Precipitation, MICP）。喀斯特生态系统因其高钙离子（Ca²⁺）浓度和碱性环境，被认为是天然的高效CA微生物资源库，但长期以来对其菌种资源的开发仍不充分。现有研究中，多数CA菌株在强碱性或低温等极端条件下酶活性显著下降，限制了其在工业环境（如混凝土裂缝修复、钢渣碳化）中的应用。因此，挖掘适应特殊环境的CA高产菌株，成为推动生物碳固定技术发展的突破口。

针对这一需求，东南大学钱春香团队从中国多地喀斯特土壤样本中开展微生物筛选，最终锁定一株具有超高CA活性的沙雷氏菌（Serratia sp.），系统解析其碳固定性能与环境适应性机制。该研究发表于《Scientific Reports》，为极端环境下的碳固定技术提供了新的微生物资源与理论支撑。

研究主要采用以下关键技术方法：从贵州、宁夏、云南等8个省份的喀斯特土壤样本中分离菌株；通过测定对硝基苯乙酸酯水解活性筛选高产CA菌株；利用16S rDNA测序和系统发育分析进行菌种鉴定；通过测定吸光度（OD₆₀₀）和激光共聚焦显微镜观察菌株生长曲线及死活细胞分布；采用滴定法、热重分析（TG）、扫描电镜（SEM）、X射线衍射（XRD）和傅里叶变换红外光谱（FT-IR）表征碳转化效率和碳酸钙晶型。

菌株筛选与鉴定

通过在不同温度（10°C、20°C、35°C、50°C）和pH（5、7、9、11）条件下对土壤样本进行初筛，获得15株CA活性高于200 U/L的菌株。其中一株编号为PV982387.1的菌株在20°C、pH 7时CA活性达1034.24 U/L，被选为研究对象。经16S rDNA序列分析，该菌株与沙雷氏菌属同源性最高，其在平板培养中形成白色半透明圆形菌落，显微镜下呈末端圆润的扁平石状形态（直径约1 μm）。

环境因子对菌株生长与CA活性的影响

研究发现Serratia sp.的最适生长条件为20°C、pH 9，在此条件下培养24小时CA活性峰值达2795.84 U/L。强碱性（pH 11）或高温（50°C）均显著抑制菌体生长与酶活性。通过激光共聚焦显微镜染色验证，pH 7和9条件下活菌数量显著高于pH 5和11，20°C时菌体活性优于35°C和50°C。

离子效应调控机制

Ca²⁺和Mg²⁺在0.1-1 g/L浓度范围内均促进菌体生长与CA活性，其中5 g/L Ca²⁺时OD₆₀₀值最高。低浓度Fe²⁺（0.1 g/L）对菌株有促进作用，但0.8 g/L及以上浓度产生抑制。阴离子中Cl^-显著提升CA活性，而0.8 g/L以上OH^-则强烈抑制酶功能。

碳固定性能与矿物表征

在20°C、pH 9的最优条件下，Serratia sp.的碳转化量达39.51 mmol/L，生成CaCO₃产量为3.518 g/L，显著高于其他菌株（如Chryseobacterium gambrini的2.884 g/L）。扫描电镜显示矿物产物为5 μm球形纳米颗粒团聚体，能谱（EDS）证实含钙、碳、氧元素，XRD与FT-IR分析表明其主要成分为球霰石（vaterite），特征峰位于745.35 cm^-1（O-C-O面内弯曲振动）。

研究结论表明，喀斯特源Serratia sp.具有卓越的碱性环境适应性与碳固定效率，其CA活性在中等温度（20°C）和碱性（pH 9）条件下达到行业领先水平。离子调控实验揭示了Ca²⁺、Mg²⁺的促进作用及Fe²⁺、OH^-的浓度依赖性抑制效应，为优化MICP工艺提供了关键参数。该菌株生成的球霰石型碳酸钙因其多孔球形结构，在生物医学和催化领域具有高附加值应用潜力。本研究填补了喀斯特环境CA微生物资源开发的空白，为CO₂矿化、混凝土自修复等技术的实际应用提供了优质菌种储备。