Additive-Synergized MICP for Heavy Metal Immobilization and Tailings Ecological Restoration

Abstract

Microbially Induced Carbonate Precipitation (MICP) offers a promising pathway for heavy metal immobilization, yet its practical application is constrained by four interconnected bottlenecks: loss of microbial activity under metal stress, poor control over mineralization kinetics, environmental risks from ammonia and chloride byproducts, and failure to restore soil ecological functions after treatment. To overcome these limitations, this study established a four‑dimensional additive engineering framework targeting bioactivity maintenance, mineralization process control, byproduct risk mitigation, and ecological recovery. Four functional additive systems were systematically investigated. In Chapter Ⅲ, yeast extract was shown to act as a double‑edged sword: moderate dosages promoted microbial growth and Cu²⁺ tolerance, whereas excessive concentrations chelated Cu²⁺ and suppressed carbonate precipitation, revealing a critical nutrient–ligand balance for maintaining bioactivity under metal stress. In Chapter Ⅳ, montmorillonite‑composite microcapsules provided a physical protective barrier that shielded microorganisms from lead toxicity, improved microbial survival and metabolic stability, and enhanced Pb immobilization through coupled adsorption and biomineralization. In Chapter Ⅴ, surface‑functionalized polystyrene nanoplastics were repurposed from pollutants into efficient MICP accelerators; carboxyl‑functionalized nanoplastics supplied heterogeneous nucleation sites, accelerated mineralization kinetics, and achieved simultaneous removal of Cu²⁺ and nanoplastics via interfacial coordination. In Chapter Ⅵ, a peat‑coupled MICP system was developed for copper tailings, which stabilized Cu through carbonate precipitation, transformed harmful ammonia into plant‑available nitrogen, improved soil carbon and nitrogen pools, and reconstructed indigenous microbial communities—thereby overcoming the “remediated but infertile” limitation of conventional MICP. Collectively, this study elucidates the synergistic mechanisms of functional additives within the four‑dimensional framework, optimizes key parameters for each system, and establishes a green, sustainable integrated technology for heavy metal immobilization and tailings ecological restoration. The findings enrich the theoretical foundation of MICP additive engineering and provide critical technical support for mine tailings management and ecological restoration.

La precipitación de carbonato inducida por microorganismos (MICP, por sus siglas en inglés) constituye una estrategia prometedora para la inmovilización de metales pesados; sin embargo, su aplicación práctica se ve limitada por cuatro cuellos de botella interrelacionados: (i) la pérdida de actividad microbiana bajo estrés metálico, (ii) el escaso control de la cinética de mineralización, (iii) los riesgos ambientales asociados a subproductos como el amoníaco y los cloruros, y (iv) la incapacidad de restaurar las funciones ecológicas del suelo tras el tratamiento. Para superar estas limitaciones, el presente estudio estableció un marco de ingeniería de aditivos en cuatro dimensiones, orientado al mantenimiento de la bioactividad, el control del proceso de mineralización, la mitigación de riesgos por subproductos y la recuperación ecológica. En este contexto, se investigaron sistemáticamente cuatro sistemas de aditivos funcionales. En el Capítulo III, se demostró que el extracto de levadura actúa como una espada de doble filo: dosis moderadas promovieron el crecimiento microbiano y la tolerancia al Cu²⁺, mientras que concentraciones elevadas quelaron el Cu²⁺ y suprimieron la precipitación de carbonato, evidenciando un equilibrio crítico entre nutrientes y ligandos para mantener la bioactividad bajo estrés metálico. En el Capítulo IV, las microcápsulas compuestas de montmorillonita proporcionaron una barrera protectora física que protegió a los microorganismos frente a la toxicidad del plomo, mejoró su supervivencia y estabilidad metabólica, y potenció la inmovilización de Pb mediante la adsorción acoplada con la biomineralización. En el Capítulo V, los nanoplásticos de poliestireno funcionalizados en superficie fueron reutilizados, pasando de ser contaminantes a actuar como aceleradores eficientes de la MICP; en particular, los nanoplásticos funcionalizados con grupos carboxilo proporcionaron sitios de nucleación heterogénea, aceleraron la cinética de mineralización y permitieron la eliminación simultánea de Cu²⁺ y nanoplásticos mediante mecanismos de coordinación interfacial. En el Capítulo VI, se desarrolló un sistema MICP acoplado con turba para relaves de cobre, el cual estabilizó el Cu mediante precipitación de carbonato, transformó el amoníaco nocivo en nitrógeno disponible para las plantas, mejoró los reservorios de carbono y nitrógeno del suelo, y reconstruyó las comunidades microbianas autóctonas, superando así la limitación de “remediado pero infértil” asociada a la MICP convencional.