微生物矿化反应原理、沉积与破坏机制及理论:研究进展与挑战

微生物矿化作为地质演变及碳氮循环不可或缺的一环,给岩土、水利及环境等领域带来了新的机遇和挑战,其衍生而来的以MICP为代表的微生物岩土技术已成为环境岩土工程最具革新性的技术领域之一。近20年来,微生物岩土技术从概念验证阶段到相关领域技术示范已取得了重要进展。为推进对该领域更加深入的基础认识与研究,本文系统回顾了MICP技术并针对以下3部分进行了重点阐述:脲酶菌成矿作用的生物化学原理、微生物加固土的沉积模式及加固体破坏机理、涉及生物-化学-水力-力学等多物理场耦合作用下的微生物矿化反应理论。此外,还总结了微生物岩土技术目前亟待解决的问题与挑战,对潜在的研究热点与应用前景进行了探讨和展望。

微生物矿化对黏土渗透性影响的试验研究

为探究矿化对黏土渗透性的影响,采用球形赖氨酸芽孢杆菌属kp-22菌诱导矿化处理黏土,测定了碳酸盐生成率,研究了矿化处理后黏土的渗透性,系统分析了渗透系数随菌液OD600值、胶结液浓度和土中镉含量变化的规律,探讨了各因素对渗透系数的影响规律及机理,建立了考虑菌液OD600值和胶结液浓度影响的矿化后黏土渗透系数的经验公式。结果表明:矿化后的土样中生成了碳酸盐颗粒,填充了部分土体孔隙,渗透系数最多可降低约一个数量级;随着菌液OD600值的增大,矿化后黏土的碳酸盐生成率先升高后逐渐稳定,而土样的渗透系数先减小后趋于平稳,当菌液OD600值大于0.9时,碳酸盐生成率和渗透系数都变化很小;随着胶结液浓度增大,碳酸盐生成率先升高后下降,而渗透系数先减小后增大,当胶结液浓度为0.8 mol/L时,黏土的渗透系数最小;随着土中镉含量的增大,矿化反应受到抑制,渗透系数逐渐增大;矿化后黏土的渗透系数与碳酸盐生成率负相关,两者满足线性关系;所建立的矿化后黏土渗透系数经验公式计算值与试验结果吻合较好。

液滴微流控芯片系统研发与微生物矿化机理研究

微生物诱导碳酸钙沉积(MICP)技术是一种基于生物矿化作用的新型土体加固和修复技术。由于生物反应过程复杂,结晶影响因素多,MICP矿化机理目前还不明确。MICP微流控系统能够对微细尺度下的微生物矿化沉积规律进行可视化研究,但观测晶体生长尺度仍较大。设计了一种液滴微流控芯片,通过调控不相溶两相流体的流速,生成了直径约450μm的扁球体弹状流液滴作为MICP微反应器,从而搭建了精度更高的微生物矿化液滴微流控芯片系统。通过该系统观测表明:碳酸钙结晶点周围的细菌分布均无变化,随着反应进行,晶体尺寸逐渐扩大,形貌不变;在晶体生长过程中,部分细菌吸附到晶体表面,但晶体周围无明显的细菌聚集现象。此外,采用扫描电镜进一步观测到碳酸钙表面细菌吸附部位存在孔洞。液滴微流控芯片系统为微生物矿化提供了一个精细的微米尺度反应器,为探究MICP成核机理提供了一种有效的分析方法。

微生物矿化去除地浸采铀地下水中污染物的试验研究

微生物诱导碳酸钙沉淀(Microbial-induced Calcium Carbonate Precipitation,MICP)技术能较好地矿化去除地下水中的污染物。本文选用巴氏芽孢杆菌,分析其耐酸性以及对铀的耐受性,探究初始U(Ⅵ)浓度、Ca^(2+)浓度、pH值、菌液浓度和矿化作用时间等因素对MICP去除污染物的影响,揭示MICP矿化去污的机理。研究结果表明:巴氏芽孢杆菌在pH为4时具有较好的脲酶活性,可以适应含U(Ⅵ)浓度为100 mg·L^(-1)的地下水;当初始pH为4、铀浓度为50 mg·L^(-1)、Ca^(2+)浓度为8000 mg·L^(-1)、MICP矿化作用时间为48 h时,地下水中的U(Ⅵ)的去除率为61%、钙去除率为54%,但当初始pH升高到7时,U(Ⅵ)的去除率增加到91%。Ca^(2+)浓度的升高有助于MICP矿化去除地下水中的U(Ⅵ),但Ca2+浓度过高时其自身的被去除率相对较低。MICP矿化产物的成分为含铀的碳酸钙,其中,铀主要以共沉淀的方式被固定。

微生物矿化粉土的胶结液配比优化试验研究

微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)技术是岩土材料加固的新兴手段,然而当前胶结液配比对微生物加固粉土工程特性的影响尚不明晰,致使其工程应用缺乏理论依据。通过系列宏微观室内试验,探明微生物矿化粉土的最优胶结液(氯化钙∶尿素)配比,研究最优胶结液配比下微生物矿化粉土的抗压特性、抗剪特性、渗透特性以及微观结构特征。结果表明:微生物加固可促使试样的应力—应变关系由弱软化型向强软化型发展,并使得渠基土的渗透系数降低至少一个数量级;当养护龄期为28d时,微生物加固试样黏聚力最大提升幅度达86.51%,表明微生物矿化作用可以有效提升试样的物理力学性能。同时,当胶结液配比(氯化钙∶尿素)为1∶1时,微生物加固粉土的作用效果最为显著。研究成果为微生物岩土加固技术科学研究与工程应用提供参考。

生物炭协同微生物矿化技术修复复合重金属污染农田土壤

以复合重金属污染农田土壤为研究对象,采用生物炭协同微生物矿化修复技术修复复合重金属污染农田土壤。通过调查污染区重金属含量及营养指标分布情况,验证生物炭协同微生物矿化修复技术对复合形态的Pb、Zn、Cd三种重金属的固定效率,同时采取添加钙组和不添加钙的实验方式,解析Ca和Cd竞争成核位点的机制。结果表明:污染区属于Pb、Zn、Cd三种重金属复合污染场地,且土壤养分含量N、P、K等级分布不均匀。处理组较空白组重金属Pb、Zn、Cd的浸出率分别降低了42.49%、45.95%、30.43%,重金属Pb、Cd的可交换态分别下降了25.06%、26.42%,显著降低了土壤中重金属的迁移转化。且生物炭协同微生物矿化修复技术可有效改善土壤的物理结构,导气性及导水性升高,降低土壤容重,同时提升了土壤氮磷钾、有机质等营养指标。该研究为复合重金属污染农田土壤规模化治理提供了科学依据和理论参考。

边坡植被恢复中考虑微生物矿化和植被作用的Green-Ampt模型

在边坡植被恢复中降雨入渗量的估算是很重要的,为探究石漠化边坡格构内微生物矿化联合植被作用的填土降雨入渗过程,在传统Green-Ampt模型基础上,针对表层矿化的土柱引入稳定入渗率,提出考虑微生物表层矿化(M)作用的改进G-A模型(M-G-A);针对含植株土柱,考虑复合土层的入渗过程,分别提出考虑植被(P)作用的改进G-A模型(P-G-A)以及考虑微生物矿化联合植被作用的改进G-A模型(PM-G-A)。利用改进G-A模型进行累计入渗量计算,并将计算结果与土柱试验实测值、Hydrus数值解进行对比分析。结果表明:M-G-A模型可以较好地描述累计入渗量随时间的变化,且矿化程度越高模型计算偏差越小,在强矿化作用下误差可控制在5%以内;P-G-A模型的计算误差随降雨历时而增加,但相较于Hydrus数值解可以减少误差约10%;PM-G-A模型的计算偏差随降雨历时呈现先增加后减小的趋势,总体上优于Hydrus数值解。改进G-A模型能够针对微生物表层矿化石漠化边坡格构内填土的生态恢复技术进行累计入渗量即蓄水量分析,具有一定的工程实用价值。

微生物矿化对塔基弃土的固结作用及抗降雨侵蚀效果

输变电线路工程建设过程会产生大量弃土,因土体松散受降雨作用极易饱和形成渗流,从而诱发滑坡和水土流失。本研究在输变电工程水土保持仿真模拟试验平台,通过喷洒方式向塔基弃土添加微生物矿化菌液和胶结液,分析测定土壤试样的干密度、孔隙度、渗透性、液限、塑限、压缩性、抗剪切强度等土力学指标,用射线衍射(X-ray diffraction,XRD)和扫描电镜(scanning electron microscopy,SEM)表征矿化试样的晶体类型和微观形貌,最终将技术工艺在输电线路工程现场进行示范应用。结果表明,喷洒微生物矿化菌液和胶结液,可在塔基弃土孔隙中形成方解石型碳酸钙晶体,使塔基弃土更加密实,增大干密度,降低孔隙度和渗透系数,且液限增高5%,塑限降低5%,赋予土壤更好的可塑性,内摩擦角从29.97°提高到了32.62°,提高土壤的抗剪强度,对塔基弃土浅层具有很好的固结作用,可显著降低受不同等级强度降雨侵蚀的产沙量,从而减少因降雨侵蚀造成的水土流失,现场示范也进一步证明了抗降雨侵蚀效果,微生物矿化技术可非常明显地减少流失斑。因此,微生物矿化技术可作为输变电线路工程建设的一项绿色、环保、简便、高效的水土保持措施。

微生物矿化启迪的仿生功能材料研究进展

微生物矿化现象在自然界中普遍存在,能够生成结构多样、成分各异、性能优越的天然微生物矿物,如生物磷灰石、钙镁碳酸盐、磁铁矿、硅矿物等,其矿物形成的主要机制分为微生物诱导矿化和微生物控制矿化。在微生物矿化过程中,微生物的组织结构及代谢功能活动等均发挥了重要作用,为制备特定成分和功能的仿生矿物材料提供了理论依据。与传统物理或化学方法合成的矿物材料相比,通过模拟微生物矿化发生过程仿生合成的矿化材料不仅结构高度可控,并且生物相容性更高,在生物医学领域有着潜在的应用前景,但精确地模拟微生物矿化仍是一个挑战。本文介绍了微生物矿化过程及其调控因素,并进一步综述了近年来受微生物矿化启发仿生合成的功能材料研究进展。

微生物矿化技术在烧结法赤泥治理中的应用研究

本文研究了采用微生物诱导碳酸盐沉积技术(MICP)处理制铝工业的废弃物拜耳法赤泥。通过试验前后试样的无侧限抗压强度、CaCO3含量及分布、金属离子浸出量、pH值以及应力-应变特性的变化,综合评价了处理赤泥的效果。结果表明:MICP技术可以克服赤泥矿物成分复杂、粒度细小、碱性强、多有害物质特性的不良影响,处理拜耳法赤泥是有效、安全、高效的。在此基础上,通过固结排水三轴剪切试验对不同注浆轮数处理的赤泥试样应力-应变特性进行了研究,发现随着碳酸盐含量的增加,拜耳法赤泥的破坏形态由初始的塑性破坏转变为脆性破坏,抗剪强度有明显的增长。利用多种微观测试手段分析了在这一过程中化学成分、矿物组成、微观结构的变化,揭示了微生物固化赤泥的微观机制。

适于挤出型3D打印的微生物矿化纤维微筋混凝土制备与性能研究

基于现阶段3D打印纤维增强混凝土流动性和抗裂需求,结合微生物诱导碳酸钙沉积(MICP)技术的裂缝自愈合能力,提出一种适于挤出型3D打印的微生物矿化纤维微筋混凝土材料。通过对不同微生物掺量(0、10%、20%、30%)的微生物矿化纤维微筋混凝土进行流动性测试及抗折、抗压强度试验,分析了微生物的掺入对微生物矿化纤维微筋混凝土流动性和力学性能的影响;接着利用灰色关联度理论,进一步探讨了微生物掺量对微生物矿化纤维微筋混凝土力学性能的影响。最后利用跳桌试验和可建造性测试评价了材料的可打印性。试验结果表明:微生物的掺入对微生物矿化纤维微筋混凝土的流动性有明显改善,随着微生物掺量的增多,微生物矿化纤维微筋混凝土拌合物的扩展直径由168 mm分别增加到176 mm、182 mm和178 mm,增幅为4.7%、8.3%和6.0%,流动性和增幅呈先大后小的趋势;当微生物掺量为20%时,微生物矿化纤维微筋混凝土的流动性达到最优,且是影响微生物矿化纤维微筋混凝土抗折和抗压强度的主要因素;进行3D打印可建造性测试时,其具有一定的挤出性和形状保持能力。

微生物矿化稳定级配碎石的试验方法研究

针对级配碎石基层承载能力不足问题,研究不同微生物矿化试验方法对级配碎石强度的提升效果。试验研究了微生物矿化反应溶液的配置参数,对比分析了不同固结方法的效果及其优劣性。结果表明,当胶结液中的尿素浓度、氯化钙浓度分别为1、2 mol/L,且菌液体积与胶结液体积比为1∶3时,矿化反应效果最好;对于直接拌和法,级配碎石的强度随养护时间的延长而提高,且干法养护方式效果更优;对于预制泥浆法时,试件的强度随碳酸钙泥浆掺量的增加而增大;对于表面渗透法,在单次渗透用水量为最佳含水率两倍时效果最好,多次渗透及过量渗透溶液均会降低试件强度。3种微生物矿化试验方法中,表面渗透法的固化效果最佳,直接拌和法与预制1%泥浆法提升效果相近。

微生物矿化技术固化石墨尾矿的影响因素研究

研究了不同因素对石墨尾矿固化效果的影响,包括菌液浓度、胶结液浓度、胶结液pH和环境温度。采用正交试验设计,以试样无侧限抗压强度(UCS)为指标,评价试样的固化效果,并给出各因素的推荐值及对固化效果影响的优先顺序。

基于微生物矿化混凝土的《土木工程材料》课程教学创新与实践

混凝土是最重要的土木工程材料之一,但存在易开裂的顽疾,严重影响工程耐久性和服役寿命。针对混凝土裂缝修复,科研工作者开发了微生物矿化混凝土,解决了混凝土裂缝及时有效修复的世界性难题。由于教材更新不及时、教案编制严重滞后,众多高校的《土木工程材料》课程未涉及微生物矿化混凝土的相关知识,导致人才培养与社会需求脱节。本文探讨了微生物矿化混凝土在《土木工程材料》课程中的创新实践,为培养高素质土木工程材料专业人才提供借鉴和参考。

微生物矿化成因的铁硫酸盐矿物表面特征初探

研究表明,生物-矿物相互作用是地球表层系统演化的重要地质营力之一。微生物与矿物岩石之间进行着活跃的物质交换,微生物通过营造微观地球化学环境和提供吸附、成核中心影响着矿物的溶解和结晶,其中生物-矿物界面是物质交换和化学反应最为活跃的场所,矿物表界面记录着丰富的微生物作用信息。在综述前人微生物-矿物相互作用界面研究的基础上,利用气体吸附技术,对比分析了微生物矿化成因和无机合成含水铁硫酸盐矿物的表面积、表面分形和表面吸附能特征,初步讨论了微生物矿化成因铁硫酸盐矿物的表面特征和控制机理。

微生物矿化碳酸钙改良土体的进展、展望与工程应用技术设计

利用微生物矿化碳酸钙(Microbial Induced Calcium carbonate Precipitation,简称MICP)沉积出具有胶结功能的碳酸钙,填充土内孔隙、胶结土颗粒,能够提高土体强度、降低渗透性,具有很好的土体改良作用,在微生物注浆、加固土坝、防风固砂、库底防渗、坝体防渗、污染土壤(地下水)修复等方面具有工程应用前景。对MICP土体改良研究进行了总结、分析和展望:利用MICP技术能够将砂土的无侧限抗压强度提高到20MPa以上,渗透系数降低到处理前的1%,剪切波速提高4倍,能够胜任岩土工程任务;认为下一步应重点对处理效果的均匀性、适用的地基土范围、处理土的全面性能开展系统研究,如耐久性、动力性能和防腐性能等。MICP技术已经在砂砾体稳定、地下室堵漏中得到了少量应用,工程应用施工技术是MICP应用的瓶颈。对MICP在岩土工程领域应用的施工技术进行了设计,包括地基加固、液化地基改良、污染土壤(地下水)修复、坝体防渗堵漏和加固砂桩,以推动MICP技术的实际工程应用为盼。

基于微生物矿化沉积的裂缝自修复混凝土抗压强度试验研究

混凝土结构构件容易发生开裂,裂缝的存在会影响其整体性和耐久性。以科氏芽孢杆菌为裂缝修复剂,以表面为开放孔的膨胀珍珠岩作为修复剂的载体,研制出一种基于微生物矿化沉积的裂缝自修复混凝土。为了保证该混凝土既具备良好裂缝自修复能力,又具有足够的基本力学性能,考察了膨胀珍珠岩载体(以下简称CEP)掺量对裂缝自修复混凝土抗压强度的影响,并考察了硅灰掺量对混凝土抗压强度的提高程度。试验结果表明,CEP掺量对裂缝自修复混凝土抗压强度影响显著,当CEP掺量占混凝土体积比为0~75%时,混凝土抗压强度随着CEP掺量的增加而降低;当掺量为75%时,混凝土抗压强度相比0掺量时降低了53%。随着硅灰掺量的增大,混凝土抗压强度呈增长趋势;硅灰的最优掺量为7%,相比0掺量时混凝土抗压强度增加了9.3%。

基于脲酶诱导碳酸钙沉积的微生物矿化技术在分散性土改良中应用的试验研究

将基于脲酶诱导碳酸钙沉积(EICP)的微生物矿化技术运用于分散性土的改良。以内蒙古呼伦贝尔某水库工程的筑坝土料作为岩土基质,通过针孔试验、双密度计试验和碎块试验,对微生物矿化改良前后的土样进行分散性试验鉴定和评价。试验结果显示,经过微生物矿化改良后的土样抗分散能力明显增强,特别是以脲酶溶液制备的微生物改性剂,改良后土样在针孔试验中经历了50、180、380 mm以及1020 mm的水头后,流出水始终保持清澈透明的状态,且出水口平整;针孔尺寸保持不变,收集针孔试验后的土样进行碎块试验,未出现胶粒的分散状况。双密度计试验中测得经脲酶溶液改良后土样的分散度低于30%,较原土样的分散度降低约50%,土样由分散性转变为非分散性;经微生物菌液改良后土样的分散度为41.1%,较原土样的分散度降低22%,土样由分散性转变为过渡性。以脲酶溶液制备的微生物改性剂,在粒径细小的黏性土中发挥矿化作用更加充分,就分散性土的改良和提高抗分散能力而言,优于以微生物菌液制备的微生物改性剂。首次将脲酶诱导碳酸钙沉积(EICP)技术应用于分散性土的改良,这是绿色微生物矿化技术与水利筑坝材料改良相结合的创新,在筑坝填料分散性土的改良中有着良好的应用前景。

盐蚀环境下微生物矿化岩土材料的冻融特性研究

基于MICP技术将松散砂粒改良成微生物矿化岩土材料,通过室内冻融循环实验,研究矿化材料在4种不同的冻融环境中的表观形貌、质量损失率、饱和含水率、无侧限抗压强度随冻融循环周期的变化规律,以及利用NMR测试手段分析材料的孔隙变化。结果表明:随着冻融周期增加,在4种冻融液中矿化材料均伴随剥落现象,无侧限抗压强度均呈逐渐减小趋势,质量的损失和饱和含水率的增加严重影响了材料的抗冻性能,且在5%Na2SO4溶液中矿化材料的粉化速度较快,质量损失最大,劣化速度最快,NMR图谱中弛豫时间大于200ms的未冻水含量在冻融过程变化最大,是造成样本质量的损失和强度的破坏的主要原因;在去离子水溶液中样本的抗冻能力也较弱,次于Na2SO4溶液;在3%NaCl溶液和混合溶液中由于NaCl的存在降低材料的凝固点,使得材料的抗冻能力延长,此研究为微生物矿化岩土材料在寒冷地区的工程应用提供基础实验依据。

菱锰矿的微生物矿化实验研究

菱锰矿是沉积锰矿的主要矿石矿物类型,有研究表明生物作用有助于菱锰矿的形成和沉积.本文从栖霞山石炭系含锰沉积风化产物中分离获得两株芽孢杆菌属细菌,在使用PCR技术鉴定菌种的基础上,通过模拟实验研究了该菌在含Mn2+溶液中促进锰矿物沉淀的现象.利用X射线衍射分析、扫描电子显微镜和X射线吸收精细光谱等分析方法,研究了细菌参与下形成的富锰沉淀的矿物物相组成.实验结果表明,细菌显著促进了菱锰矿的沉淀,在此基础上进一步探讨了细菌在锰矿化过程中的贡献.本项实验丰富了富锰沉积的微生物成因研究.