Sporosarcina pasteurii诱导碳酸盐-铀共沉淀修复低浓度铀废水的试验研究

对有钙源条件下Sporosarcina pasteurii诱导碳酸盐-铀共沉淀修复低浓度铀废水的性能开展了试验研究。试验结果表明,该细菌能分泌脲酶水解尿素诱导产生方解石并促使其与铀发生共沉淀,使废水中铀的去除率达到95.38%;该细菌能够耐受的铀浓度高达500 mg/L;铀的去除率随Ca~(2+)浓度的升高而增加;温度在30℃左右和碱性环境有利于方解石与铀的共沉淀。对沉淀产物进行XRD、SEM-EDS表征分析表明,其主要成分为方解石,且包含铀元素;消解分析表明,在方解石形成过程中铀以共沉淀的方式被固定到了沉淀产物中。本研究表明,Sporosarcina pasteurii诱导碳酸盐-铀共沉淀对修复低浓度铀废水有潜在应用前景。

A New Route to the Synthesis of Barium Carbonate Crystals by the Induction of Bacillus Pasteurii

As one of the soil microorganisms, bacillus pasteurii exhibits good urease-produ-cing ability. A novel method is used to prepare BaCO3 crystals by the induction of bacillus pasteurii. The crystals have been characterized by XRD, SEM and FT-IR. X-ray diffraction analysis quantified that the BaCO3 crystals obtained belong to the orthorhombic crystal system. Examination by scanning electron microscopy identified that the BaCO3 crystals have different morphologies under different preparation conditions. FT-IR indicated that surfactant EDTA had great effect on the morphology of BaCO3 crystals. Different morphology crystals had uniform distribution and integral shape. The forming mechanism and influence of EDTA on the morphology of BaCO3 crystals have been discussed.

Evaluation of the Relationship between Bacteria Concentration and the Strength and Durability of Self-compacting Concrete Incorporating Sporosarcina pasteurii

This research was carried out to evaluate the relationship between the incorporation of calcite precipitation bacteria,sporosarcina pasteurii using calcium lactate as nutrient source and the properties of calcined clay and limestone powder blended self-compacting concrete.Ten mixes were designed and designated S0 to S9 with S0 the control(without bacteria and nutrient)and S1 to S9 at varying bacteria and calcium lactate concentrations and the effect of the bacteria cell density and calcium lactate concentration on the compressive strength,sorptivity and tensile strength with age were evaluated using experimental program and statistical packages(ANOVA and post hoc tests).The result of both the experimental program and statistical evaluation shows that the incorporation of sporosarcina pasteurii and calcium lactate as nutrients had a positive impact on the properties of the ternary blended self-compacting concrete.

基于MICP法的巴氏生孢八叠球菌固化镉污染土的试验研究

以重金属污染土的治理为背景,通过毒性浸出、无侧限抗压强度、土柱淋滤试验并结合镉形态分析等其他微观测试方法,探讨了Ca^(2+)的添加、Cd^(2+)浓度、养护时间等因素对驯化巴氏生孢八叠球菌固化镉污染土特性的影响.结果表明:Ca^(2+)对固化土中Cd^(2+)浸出特性影响显著,不添加Ca^(2+)时,当尿素浓度为0.5 mol·L^(-1),固化土的Cd^(2+)浸出质量浓度(0.42~5.64 mg·L^(-1))最低;添加Ca^(2+)后,Cd^(2+)浸出浓度略有增大,胶结液中尿素和Ca^(2+)浓度均为0.5 mol·L^(-1)时,Cd^(2+)的固化效果较好.延长养护时间,固化后土体的抗压强度增加,Cd^(2+)浸出浓度降低且固化效果提高;增大Cd^(2+)浓度,固化后土体的抗压强度降低,Cd^(2+)浸出浓度提高;添加Ca^(2+)有助于增强镉污染土的固化效果,在养护时间为28 d时,当Cd^(2+)浓度为100 mg·kg^(-1)时,添加Ca^(2+)的试样强度达到312 kPa,相较于未添加Ca^(2+)试样强度(234 kPa)提升了33.3%;当Cd^(2+)浓度增大至1600 mg·kg^(-1)时,添加Ca^(2+)的试样强度达到269 kPa,相较于未添加Ca^(2+)试样强度提升了57.3%,试样的浸出浓度降低了15.4%;经淋滤后,添加Ca^(2+)的试样滤出液中Cd^(2+)浓度始终低于未添加Ca^(2+)试样.固化后土中弱酸可提取态镉向可还原态镉和残渣态镉转变,添加Ca^(2+)进一步降低弱酸可提取态镉所占比例,减小了Cd^(2+)的迁移能力.

巴氏芽孢杆菌对黄铁矿氧化产酸的抑制作用与重金属固定效果实验研究

矿山的开采和选矿活动产生的大量尾矿和废石大多露天堆放,其中的含硫化物经氧气、水和微生物氧化产生的酸性矿山废水(AMD)未经处理接触水体会造成严重的环境污染甚至威胁人们生命健康,被认为是全球采矿业面临的主要环境问题。目前常用的治理方法为末端治理,治标不治本,因此开展有效的源头控制尤为重要。为探究从源头控制AMD的产生,以黄铁矿为研究对象,选用巴氏芽孢杆菌,加入H_(2)O_(2)作为氧化剂模拟氧化环境,进行了为期10 d的实时监测实验和重金属污染溶液修复实验,从pH、Eh、SO_(4)^(2-)和各重金属离子浓度考察细菌对黄铁矿氧化产酸行为的抑制作用与重金属固定效果。结果显示,在细菌提供的碳酸盐缓冲作用下,体系pH提高到中性至偏碱性且Eh维持在低电位还原环境,同时降低了SO_(4)^(2-)浓度。细菌响应其诱导共沉淀和细胞壁吸附机制对各重金属离子的去除率皆达到80%以上。表明了其抑制黄铁矿氧化产酸的有效性和良好的重金属固定效果。

赤泥对磷石膏生物胶结的充填性能影响研究

为了解决充填骨料磷石膏强酸性劣化生物胶结充填体材料性能的问题,提出引入碱性固废赤泥的方法,探究添加不同质量分数的赤泥对磷石膏生物胶结充填料浆和充填体力学性能的影响。结果显示:在微生物诱导碳酸盐沉淀(Microbially Induced Calcite Precipitation, MICP)作用下,充填骨料中赤泥质量分数从0提高至80%时,充填料浆的泌水率由17%增至44%,表观黏度由585 mPa·s降至121 mPa·s,初、终凝时间分别增加了139%和135%。赤泥质量分数影响磷石膏生物胶结充填体的单轴抗压强度(Uniaxial Compressive Strength, UCS)。当赤泥占骨料总质量的20%时,充填体强度最高,为2 070 kPa,而过高的赤泥添加质量分数会导致UCS降低。强度的变化与赤泥的高碱性和干缩性有关。研究为碱性固废赤泥在磷石膏生物胶结充填中的应用提供理论基础和技术支撑,实现了固废资源化利用。

Research status, hot spots, difficulties and future development direction of microbial geoengineering

Microbial geoengineering technology,as a new eco-friendly rock and soil improvement and reinforcement technology,has a wide application prospect.However,this technology still has many deficiencies and is difficult to achieve efficient curing,which has become the bottleneck of large-scale field application.This paper reviews the research status,hot spots,difficulties and future development direction microbial induced calcium carbonate precipitation(MICP)technology.The principle of solidification and the physical and mechanical properties of improved rock and soil are systematically summarized.The solidification efficiency is mainly affected by the reactant itself and the external environment.At present,the MICP technology has been preliminarily applied in the fields of soil solidification,crack repair,anti-seepage treatment,pollution repair and microbial cement.However,the technology is currently mainly limited to the laboratory level due to the difficulty of homogeneous mineralization,uneconomical reactants,short microbial activity period and large environmental interference,incidental toxicity of metabolites and poor field application.Future directions include improving the uniformity of mineralization by improving grouting methods,improving urease persistence by improving urease activity,and improving the adaptability of bacteria to the environment by optimizing bacterial species.Finally,the authors point out the economic advantages of combining soybean peptone,soybean meal and cottonseed as carbon source with phosphogypsum as calcium source to induce CaCO3.

微生物岩土工程技术的过去、现在与未来

微生物岩土工程技术作为一种新兴的生态友好型岩土体改良加固技术,应用前景广阔。但限于理论水平和研究手段,该技术仍存在较多不足,难以实现高效固化,由此成为大规模现场应用的瓶颈。而提升固化效率的关键在于明确其作用原理和影响机制。文章梳理了微生物诱导碳酸钙沉积技术(MICP)的研究现状,系统归纳了固化原理和改良岩土体的物理力学特性,并分析得出固化效率主要受到反应物自身和外部环境两方面的影响。当前MICP技术已初步应用于土体固化、裂缝修复、防渗处理、污染修复及微生物水泥等领域,但由于矿化难以均匀、反应物不经济、微生物及脲酶活性期短且受环境干扰大、代谢产物附带毒性、现场应用性差,该技术目前主要限于实验室水平。作者分别提出了可能的突破与改进方向,并结合实验室成果指出豆粕进行菌体扩培和脲酶供给的碳源优势,以及将磷石膏作为现场钙源的环保性和经济性,以期为从事微生物岩土工程研究与技术开发的人员提供参考。

MICP修复重金属污染溶液及矿化垃圾土试验研究

大量非正规垃圾填埋场面临超负荷运营困境,衍生出系列亟待解决的环境问题。重金属含量较高的垃圾渗滤液易对填埋场周边水体造成污染,填埋场开采扩容产生的矿化垃圾土也存在Cd、Pb、Zn和Cr(Ⅲ)等重金属超标现象,在资源化利用过程中容易造成二次污染,因此,垃圾填埋场重金属污染问题亟待解决。近年来,微生物诱导碳酸钙沉淀技术(MICP)固定重金属的能力被广泛探究,其中巴氏芽孢杆菌因环境适应性强、脲酶表达量高而备受关注。但相关研究中的修复对象主要为污染溶液和普通污染土壤,其与垃圾渗滤液以及矿化垃圾土在污染成因和化学成分等方面明显不同。鉴于此,开展巴氏芽孢杆菌修复重金属污染溶液和污染矿化垃圾土试验,探究巴氏芽孢杆菌生物修复重金属的可行性,分析生物修复前后矿化垃圾土中重金属形态变化以及修复机理。结果显示,巴氏芽孢杆菌对溶液中Cd、Pb、Zn和Cr(Ⅲ)修复率可分别达到95%、84%、5%和98%,对矿化垃圾土中可交换态Cd、Pb和Zn修复率亦可分别达到74%、84%和62%,可交换态Cr(Ⅲ)修复处理前含量几乎为0;经生物修复,矿化垃圾土中可交换态和碳酸盐结合态重金属含量降低,铁锰氧化物结合态和残渣态重金属含量增加;同时,矿化垃圾土中含Fe和Al成分以及MICP过程产生的碳酸钙沉淀共同促进重金属向更稳定形态转化。

固定化微生物技术修复镉污染红黏土的室内试验研究

为了探究固定化微生物技术对镉(Cd)污染红黏土物理力学性质和环境污染的修复效应,以活性炭为载体,菌种选取巴氏芽孢杆菌,开展基本物理试验、无侧限抗压强度试验、毒性浸出试验和重金属形态提取试验。试验结果表明:巴氏芽孢杆菌对镉离子有较强的耐受性;对比单加微生物或活性炭,固定化微生物技术的修复效果更显著;14%活性炭微生物土样的无侧限抗压强度为229.7 kPa,较镉污染土提升174.7%;修复21 d后,10%活性炭微生物土样的镉离子浸出浓度降低到0.002 mg/L,较镉污染土样降低99.8%;修复后,土中的镉从弱酸态向可还原态和残渣态转化。总的来说,固定化微生物技术对镉污染红黏土具有良好的修复效果,活性炭的掺量以10%为宜。研究成果可为贵州省镉污染红黏土的治理提供参考。

微生物诱导方解石沉积加固的影响因素

通过比较用巴斯德芽孢杆菌处理介质前后的重量,应用单因素方法研究各种条件和环境对微生物诱导方解石沉积加固的影响。结果表明:①当培养基中Ca2+浓度为25.2 mM时,巴斯德芽孢杆菌诱导沉积的方解石产量最高;②培养基为碱性时,巴斯德芽孢杆菌所诱导沉积出的方解石的产量则较为接近;③巴斯德芽孢杆菌诱导沉积出的方解石的终重量与活菌数呈反比;④在30℃时,巴斯德芽孢杆菌诱导沉积的方解石产量最高;⑤巴斯德芽孢杆菌所诱导沉积出的方解石的产量随石英砂和海砂混合物中海砂所占比例的增大而减小;⑥随着培养基中N i2+浓度增大,巴斯德芽孢杆菌诱导沉积的方解石产量显著降低。

微生物在石英砂中诱导方解石沉积的实验研究

利用巴斯德芽孢杆菌和培养基来处理石英砂,与不含菌的对照样品相比,其固化效果比较明显。通过X-射线衍射分析处理后的样品,发现其中有方解石晶体生成。通过扫描电子显微镜可观察到石英砂颗粒的缝隙之间紧密地填充有大量的方解石晶体,由于方解石晶体本身具有胶结作用,从而使得石英砂颗粒能够胶结在一起。放大至10000倍可看到这些晶体表面附着有杆状菌体。能谱分析的结果也证明巴斯德芽孢杆菌在石英砂中诱导沉积出了方解石晶体。通过测算得出在本试验条件下(500 mL含活菌5×109个的巴斯德芽孢杆菌菌液用urea-CaC l2重悬后与50 g石英砂混合装入60 mL注射器中,urea-CaC l2以重力作用流过注射器)方解石的产量平均为2.178 g。

海水环境下巴氏芽孢杆菌驯化及钙质砂固化效果研究

为了提升微生物诱导碳酸盐沉淀(MICP)技术在海洋环境下对钙质砂的加固效果,在以往研究的基础上,设计进行了人工海水环境下巴氏芽孢杆菌多梯度人工驯化培养试验,并结合MICP固化钙质砂柱的力学试验和微细观结构分析,对巴氏芽孢杆菌的驯化效果进行了综合评价。结果表明:(1)海水环境下五梯度驯化后细菌的菌液浓度可达到淡水环境的97%以上,其与胶结液作用后碳酸盐的生成量较淡水环境下有一定幅度提高;(2)驯化后的巴氏芽孢杆菌具有很好的温度适应能力,在10~30℃温度下均有较好的MICP性能;(3)海水环境下加固的钙质砂柱无论是碳酸盐生成量还是无侧限抗压强度均较未驯化前高,尤其是五梯度驯化后的细菌,驯化后的细菌菌体变小,在海水环境生成的碳酸盐(碳酸钙和碳酸镁)晶体更小,更加致密,能更好地填充钙质砂颗粒的孔隙并胶结相邻的钙质砂颗粒,具有更优异的MICP性能。相关研究思路和方法可为MICP技术在海洋环境钙质砂地基加固方面的研究与应用提供参考。

微生物追踪固结技术在堤防防渗中的应用

利用微生物固结对岩土体进行防渗加固,在安徽滁州大洼水库黏性土堤防3个区段开展防渗试验,通过培养巴氏芽孢杆菌对尿素进行水解产生大量碳酸根离子并和钙镁离子结合生成碳酸钙沉积,从而堵塞坝体内部孔隙/裂隙。利用坝体内部测压管对内部水头进行监测,同时监测渗漏部位的渗漏量,试验结果表明,该技术能迅速降低黏性土堤防坝段渗透系数2个数量级。整个试验过程中,试验段微生物固结过程分为3个主要阶段:0~80 h为微生物固结发展期; 80~120 h为高峰转折期; 120 h以后为封闭拖尾期。处理后土体渗透系数为10-5~10-6cm/s,同时土样平均强度提高约13%(不固结不排水剪切试验结果)。利用电子显微镜和EDS能谱仪对土体孔隙内部生成物进行成分检测,结果表明碳酸钙是其主要组成物质。

微生物诱导碳酸钡沉淀(英文)

利用巴斯德芽孢杆菌繁殖过程产生的酶化作用,适时引入Ba2+,形成碳酸钡沉淀,通过用X射线粉末衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、综合热分析仪(DSC-TG)对碳酸钙样品形貌、结构、热性质等进行表征。结果表明,巴斯德芽孢杆菌诱导沉淀的碳酸钡与纯水中的不同,含有少量有机物质,晶形转变温度降低。主要为花簇状和放射状,属于正交晶系。菌体和代谢物在碳酸钡晶体成核、生长及堆积过程中扮演重要的角色。

巴氏芽孢八叠球菌诱变选育脲酶高产菌株

脲酶催化尿素的水解生成形成铵根离子和碳酸根离子,具有广泛的应用价值。以巴氏芽孢八叠球菌ATCC11859为出发菌株,通过亚硝基胍诱变,得到高产脲酶突变株。其中菌株B-20的脲酶活性最高,为28.4mmol/min,较出发菌株提高了207%。对该菌株接种量、氮源种类培养条件进行优化,结果表明接种量为10%,且采用大豆粉为氮源时,脲酶活性最高为32.9 mmol/min。对脲酶高产菌株的选育表明该方法是一种行之有效的方法。

产脲酶芽胞杆菌的微波诱变育种

巴氏芽胞杆菌是目前微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)方法中应用最为热门的一种细菌。为提高巴氏芽胞杆菌尿素分解以及矿化能力,以巴氏芽胞杆菌YB-B为出发菌株,采用微波诱变育种技术,通过诱变菌株特性筛选及其遗传稳定性检测,成功选育出2株突变菌株YB-3和YB-4。与出发菌株相比,诱变菌株尿素分解能力较原菌株提高1.5倍左右,矿化能力提高114%。诱变菌株具有生长速度快,环境适应性强,矿化能力高等优点,这为MICP更广层次的应用奠定了坚实的基础。

一株固化珊瑚砂的巴斯德芽孢杆菌的特性研究

将一株具有分解尿素能力的巴斯德芽孢杆菌在不同温度、pH值、NaCl浓度下培养,通过测定脲酶活性探讨其最适生长条件;而后将最适生长条件下培养的菌悬液用于珊瑚砂固化实验,研究其固化珊瑚砂的能力。结果表明,该巴斯德芽孢杆菌最适生长条件为：温度30~33℃、pH值8.0、NaCl浓度20g·L-1;将其用于固化珊瑚砂,可使松散的珊瑚砂颗粒胶结形成具有一定强度的砂柱,但受模具限制和砂柱固化过程中渗透性的影响,砂柱各部分固化强度不一致。

巴斯德芽孢杆菌培养基及培养条件的优化

通过单因素和正交实验对巴斯德芽孢杆菌(Bacillus pasteurii)培养基组分及培养条件进行研究。结果表明,最适培养基配方(g/L)为甘露醇40、大豆蛋白胨25、氯化铵3、氯化钠10,pH为8.0;最适培养条件为温度30℃,摇床转速200r/min,接种量4.0%(V/V),装瓶量75mL/250mL;在优化条件下,菌体培养24h达到生长高峰期,活菌数达9.52×109cfu·mL-1,分别是普通LB培养基和牛肉膏蛋白胨培养基的1.71、1.55倍。

微生物无固相钻井液体系构建及其固壁作用机理研究

钻探过程中,常遇到破碎性地层,容易发生井壁失稳而诱发井下复杂事故。增强破碎块之间的胶结力,提升井壁围岩力学强度,是解决该类地层井壁失稳的有效途径之一,微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)技术为实现这一途径提供了很好的借鉴。为此,通过实验研究,分析了巴氏芽孢杆菌在无固相钻井液体系中的生长情况,得到适合巴氏芽孢杆菌生长的无固相钻井液,由此构建微生物无固相钻井液体系。利用岩心浸泡实验和扫描电镜(SEM)分析方法,探讨了微生物无固相钻井液体系的固壁效果及其作用机理。结果表明:巴氏芽孢杆菌在由植物胶、聚丙烯酰胺(PAM)、羧甲基纤维素钠(CMC)组成且含有培养基的无固相钻井液中的生长情况最好,经过24 h的生长,600 nm波长处的吸光值(OD600)达到1.54。故确定微生物无固相钻井液体系的配方为:0.1%植物胶+0.1%PAM+0.1%CMC+巴氏芽孢杆菌(OD600=0.8)+0.25%氯化钠+1%尿素+0.75%酪蛋白胨+0.25%大豆蛋白胨。在微生物无固相钻井液体系中添加钙源,可以获得更好的固壁效果,固结后试样的抗压强度达到0.183 MPa。该体系的固壁机理是微生物在松散颗粒间诱导生成碳酸钙晶体,填充于孔隙中,增强了松散颗粒间的胶结力,使原本松散的碎石土形成整体,从而发挥固壁作用。