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。

生物矿化固沙长效性分析

荒漠化土地大量分布是沙尘天气频发的根源之一。为有效防沙固沙,需要解决两个关键难题,一是把沙尘固定住,防止沙尘飞起;二是长效固沙,提高固沙的长效性。生物矿化方法是解决长效固沙的一种创新技术。通过室内试验和现场验证,证明生物矿化技术实现长效固沙的可行性和适用性。研究包括脲酶活性试验、钙化试验、固沙风蚀试验等,分析了脲酶活性、胶凝液浓度、pH值、灌注次数、灌注量、温度对生物矿化固沙效果的影响,在此基础上提出了生物矿化-植物-栅栏的联合固沙技术体系,并通过生物矿化固沙风洞试验和现场工程固沙效果进行验证分析,验证表明了联合固沙技术体系的固沙长效性。现场晴天进行生物矿化作业的固沙效果最好,更有利于长效固沙。

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。

聚合物控制模拟生物矿化

近年来,受自然启发的合成思路已日益引起广泛的重视。本文综述了运用各种不同的分子模板对无机晶体的生物矿化过程,多种无机晶体生长和无机-有机复合材料的形貌与结构的调控作用以及分子模板与外界静态模板的协调控制效应等方面的最新进展。重点讨论简单的有机添加剂如水溶性功能聚合物及表面活性剂等对无机晶体晶化的模板效应及其在复杂无机结构形成过程中的相互协同作用、在混合溶液体系中的新的影响效应等。讨论了模拟生物矿化方法在构筑新颖无机纳米材料及无机-有机复合材料的新途径及其自组装机理。目前的研究进展表明,通过选择合适的分子模板和外界静态模板、适当的合成微环境和运用合适的自组装机制,有可能实现对所有无机晶体的形貌控制和复杂杂化结构的合理构筑。展望了这些尺度可控而结构特殊等级材料潜在的重要应用价值。

生物矿化研究现状和展望

生物矿化过程是指在生物体中细胞的参与下,无机元素从环境中选择性地沉淀在特定的有机质上而形成的新矿物.生物矿化矿物的结晶严格受生物体分泌的有机基质的控制,是在有机基质膜板诱导下的晶体生长.生物体内有机基质指导矿物晶体的成核、生长和聚集,使得生物矿物具有特定的形貌、取向和组装方式,从而产生特殊的功能.生物矿化近年来受到化学、物理、生物以及材料学等多学科的关注.综述了生物矿化的类型、过程、机理及常用的研究方法和研究进展,并作了学科展望.

仿生物矿化模板法制备多孔材料的研究进展

综述了运用不同分子模板制备形貌与结构可控的多孔材料以及在多孔材料调控方面的最新进展。对仿生物矿化的机理进行了探讨,最具代表性的就是有机无机界面分子理论。在此基础上给出仿生物矿化研究存在的问题及研究方向。

生物矿化对新型木质复合材料研究开发的启示

生物矿化作用形成的矿物质结构可以提高木材的机械保护作用、强度和刚性,进而提高木材的总体性能。作者尝试性地提出生物矿化原理在木材科学中利用方面的一些构想:①模拟生物矿化过程制造木材生物矿化复合材;②利用天然生物矿物材料及其类似物作为原料制造新材料;③仿生物结构木陶瓷合成;④类生物矿物结构的人造板设计制造。

贝壳珍珠层生物矿化及其对仿生材料的启示

贝壳珍珠层作为一种典型的生物矿化材料而备受关注．本文综述了贝壳珍珠层结构及其文石晶体的结晶学取向,概述了贝壳珍珠层成因的生物矿化机理．同时介绍了贝壳珍珠层特殊的组装方式在仿生材料方面近年来的研究进展,认为选择合适的有机物,使其自组装成各种超分子结构作为无机物沉积的模板,是仿生合成的关键．

生物矿化在重金属污染治理领域的研究进展

生物矿化通过生物代谢影响金属及类金属物质的形态分布,进而改变金属及类金属物质的生物有效性及毒性,在环境污染治理领域成为研究热点.文献计量学结果显示,2007—2017年生物矿化研究以微生物为主要对象,在纳米颗粒物和矿区修复等方面形成热点,并在环境学、生物学、化学和工程学等领域形成交叉学科.结合典型矿化菌与重金属间的矿化关联规律和微界面反应对微生物矿化中重金属的钝化机制进行归纳:(1)依据矿化菌与矿化产物的关联性对矿化菌进行分类,从碳酸盐、铁锰氧化物、硫化物和磷酸盐4类矿化产物角度汇总了碳酸盐矿化菌、铁锰氧化菌、硫酸盐还原菌及磷酸盐溶解菌的代表微生物;(2)矿化菌通过诱导矿化的方式固定重金属离子,其中碳酸盐矿化菌、硫酸盐还原菌及磷酸盐溶解菌可以直接促进金属矿物的形成,铁锰氧化菌生成的矿物间接吸附金属离子;(3)微生物矿化是由外及内的过程,细胞壁及胞外多聚物具有丰富基团,在矿化初期提供吸附和成核位点,原生质体也可以提供矿化场所,在矿化中后期继续固定游离离子.但是,由于微生物复杂的细胞结构及独特的生理习性,矿化过程的微界面反应机制研究尚显不足,需要利用生物学、矿物学、环境科学等领域的先进技术进一步的探索;同时也应开展宏观生态水平的生物矿化研究,并结合实际问题完善生物矿化在环境污染治理中的理论,为重金属污染地区的治理提供新的思路和技术.

生物矿化合成纳米针状SiO_2

Two aleos was cultured with cultivation solution containing TEOS and no TEOS, respectively. Many needle like silica nanoparticles was observed by scanning electron microscope in the leaf of aleo cultured with cultivation solution containing TEOS. The results indicated that silica nanoparticles with a special form can be synthesized by biomineral method with leaf cell wall of aleo as templates. [WT5HZ]

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。

生物矿化纳米结构材料与植物硅营养

本文在介绍了生物矿化纳米结构材料化学研究发展的基础上，着重阐述以细胞膜和细胞壁为模板合成组装纳米尺寸ＳｉＯ２的化学过程。这些生物矿化ＳｉＯ２纳米结构材料研究不仅为近代纳米化学提供了有益启示，同时也对阐明Ｓｉ营养提高植物抗环境胁迫机理有重要参考价值。

模拟生物矿化过程原位合成活性纳米碳酸钙

A new method for mimic biomineralization was used to synthesize CaCO 3 . The organized organic substrates, which could associate with Ca 2+ by means of molecular recognition and induce the nucleation and growth of CaCO 3, were synthesized fristly, and followed by the preparation of the CaCO 3 by carbonation of a solution of Ca(OH) 2 with CO 2. Well dispersed spindle-like nano-CaCO 3 particles with an average width of 50 nm and a ratio of diameter to length about 1∶5 were obtained under the given experimental conditions. The products were characterized by FTIR spectra, TGA analysis and transmission electron microscope(TEM).

生物矿化中的无定形碳酸钙

本文综述了无定形碳酸钙的结构、合成和表征方法,阐明了无定形碳酸钙是一种热力学上的不稳定相。具有功能基团的有机高分子、功能蛋白质以及无机镁离子等添加剂对它有一定的稳定作用,抑制它的转化;但是在一定条件下它将转化成结晶态的碳酸钙。无定形碳酸钙具有高可溶性、各向同性和可塑性,正是这些特性使得生物采用它作为生物矿物的前体来矿化,形成具有精美结构的各种生物矿物。通过对无定形碳酸钙的研究,能够更加深入地了解生物矿化的机理,更好地仿生合成和制备各种功能材料。

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%。

华北地台西缘早—中寒武世之交的核形石:微组构与生物矿化机制研究

内蒙古乌海地区毛庄组上部灰岩产大量核形石,其内核与包壳含丰富的矿化细菌和有机质残余。显微观察显示:内核以微晶质为主,含少量生屑和陆源碎屑;包壳由亚毫米级亮/暗纹层交互构成。亮层具微亮晶—微晶混合组构,以自养蓝细菌居多;暗层以微晶质为主,富含异养细菌和黄铁矿莓球;这种差异表明两种纹层具不同的生物矿化机制,但都是微生物-化学过程与环境相互作用诱发碳酸盐沉淀并矿化微生物质的结果。超微研究表明:纹层内含大量纳米球粒(40~200 nm),与非晶质胞外聚合物(EPS)密切共生,可能源于EPS的降解。纳米球粒通过粘结-融合形成多面体(0.2~5μm),并进一步集合形成微米级微晶质球粒,后者常被齿状亮晶质环边包围。在寒武纪核形石内部观察到的这种多级微组构的有序组合及其与细菌残余和有机质的规律性配置关系,与近代矿化微生物席和实验研究中观察到的情况相似。本研究认为寒武纪核形石包壳纹层的形成可能与现代微生物席的矿化机制相近,都是微生物与环境相互作用诱发碳酸盐沉淀并矿化有机质的结果。