微生物誘導碳酸鈣沉積研究與應用

張海麗，徐品品，冷立健，姚 池，溫志友，劉數(shù)華，周文廣

(1. 南昌大學 資源環(huán)境與化工學院和鄱陽湖環(huán)境與資源利用教育部重點實驗室, 南昌 330031；2. 武漢大學 水資源與水電工程科學國家重點實驗室，武漢 430072;3. 美國愛荷華州立大學 生物經濟研究所，愛荷華州 50011)

隨著經濟的快速增長，道路、橋梁、工民建設等基礎設施需求量日趨增長，導致建筑材料的消耗也越來越多[1]，其中硅酸鹽水泥作為主要建筑材料之一，已經廣泛運用于各種基礎設施的建設和維修中。硅酸鹽水泥生產的“兩磨一燒”工藝，消耗大量的自然資源[2]，其中能源消耗占全國總能源的40%，溫室氣體排放占全國總排放量的20%等[3]。環(huán)境友好型可持續(xù)建筑材料如生物水泥的開發(fā)已提上日程[4]。早在1973年，Boquet等[5]首次發(fā)現(xiàn)土壤微生物誘導碳酸鈣沉淀(Microbial induced calcium carbonate precipitation, MICP)現(xiàn)象，自然界中大多數(shù)的微生物能通過自身的代謝活動生成膠結物質使顆粒之間發(fā)生膠結凝聚作用[6]，從而提高土壤的強度并降低其滲水性。

隨著越來越多的國內外學者對MICP過程研究的不斷深入，此技術逐步應用到各類工程領域。本文闡述了MICP機理及其過程的影響因素，評述MICP應用領域，為生物水泥技術研究提供參考。

1 MICP技術機理

MICP機制主要為微生物分解尿素誘導產生碳酸鈣沉淀，該機制誘導生成碳酸鈣的含量與尿素分解速率密切有關，利用化能異養(yǎng)型微生物(如脲酶菌UPB)分解尿素獲取能量并產生氨和CO2，并在堿性環(huán)境下CO2溶于水形成碳酸根[13]：

(1)

該反應提高了周邊環(huán)境的碳酸根濃度，在加入鈣鹽后析出無機礦物(碳酸鈣)：

(2)

其中控制MICP工藝的機制包括：1)UPB進行代謝活動可以生成方解石晶體，且該晶體性能穩(wěn)定；2)UPB可以調節(jié)方解石晶體與其他粒子結合方式，具有一定的膠結能力。圖2為通過MICP工藝產生方解石晶體填滿砂巖的示意圖。

圖1 微生物誘導碳酸鈣沉淀過程示意圖[11]

圖2 MICP工藝產生方解石晶體填滿砂巖示意圖[13]

2 影響因素

2.1 微生物種類以及濃度的影響

生物礦化過程離不開細菌的作用，分離出具有礦化作用的細菌是必不可少的。Dhami等[14]從石灰性土壤中分離出6種芽孢桿菌，它們具有不同的形態(tài)，也有不同脲酶活性，將生成的碳酸鈣沉淀進行分析，每種碳酸鈣都有其特異性(如表1)。

MICP過程中，高細菌細胞濃度有利于增加尿素的水解速率與方解石含量[15]。因此，尿素水解速率與細菌濃度息息相關。細菌細胞為碳酸鈣沉淀提供成核位點，所以成核位點的可用性對方解石沉淀是至關重要的[16-17]。由此可知，細菌濃度越大，膠結生成的碳酸鈣沉淀越多。

表1 不同脲酶菌之間的差異[14]

2.2 鈣源種類的影響

鈣離子是MICP形成過程中不可或缺的重要環(huán)節(jié)，許多研究學者已經發(fā)現(xiàn)利用不同類型的鈣鹽誘導沉積的物理性能差異顯著。Abo-El-Enein等[18]研究CaCl2、(CH3COO)2Ca和Ca(NO3)2作為鈣源固結砂柱，結果分析得到，氯化鈣固結砂的物理力學性能較優(yōu)，而以硝酸鈣作為鈣源時有抑制細菌脲酶活性的作用。徐晶[19]和Zhang[20-21]等探討了這3種不同鈣源誘導制備生物水泥，實驗結果表明，用(CH3COO)2Ca誘導制備的生物水泥的物理力學性能更優(yōu)。以乙酸鈣作為鈣源進行膠結，能避免氯離子對鋼筋的侵蝕，同時乙酸也能作為營養(yǎng)源被細菌所利用。此外研究發(fā)現(xiàn)不同類型的鈣源，也會影響其誘導生成的晶體結構和大小。

2.3 脲酶活性的影響

彭劼等[22-23]利用巴氏芽孢細菌探討了不同溫度對MICP過程的影響。研究表明，不同溫度下誘導的碳酸鈣形態(tài)無顯著差異，但對碳酸鈣的生成速率有直接影響。高溫環(huán)境或低溫環(huán)境顯著降低了細菌的酶活性，降低了碳酸鈣的沉積量，其中，30 ℃是最適合的微生物誘導沉積的環(huán)境溫度[24]。Stocks-Fischer等[25]通過脲酶米氏動力學來研究脲酶活性，結果表明，在較高pH值條件下，脲酶表現(xiàn)出較高的活性和對尿素的親和力，有利于方解石的沉淀。

除了溫度、pH值等外在因素會影響脲酶活性，還可以利用基因重組、誘導突變等技術改進微生物產脲酶的內在因素。Bachmeier等[26]利用重組技術提高微生物的產脲酶量，發(fā)現(xiàn)采用基因重組技術的微生物誘導產生的方解石沉淀顯著增加。Achal等[27]用紫外光照射野生型菌株得到了表型變異體菌株，與野生型相比，變異體菌株的脲酶活性和方解石產量都最高。在今后研究中，將產脲酶細菌進行基因改造和誘導突變是提高方解石沉淀效率的方法之一。

3 應用研究現(xiàn)狀

3.1 膠結砂柱

MICP技術在全球范圍內引起了廣泛關注，許多學者對其應用進行深入研究，Whiffin[28]在2004年就制備出微生物水泥，此后，Dejong等[29]經SEM觀察和X射線衍射圖譜證實膠結物質是碳酸鈣沉淀。榮輝等[30]利用生物顯微鏡觀察微生物膠結的全過程，隨著膠結的進行，細菌濃度的降低以及可溶性鈣被大量消耗。因而，在實驗中需定期更換菌液和膠結液來保證微生物膠結持續(xù)性。

在當今能源匱乏情況下，微生物水泥的經濟可行性也是一個急需解決的問題，利用乳制品行業(yè)的廢棄乳糖母液、玉米漿和扁豆種子粉末等低成本的營養(yǎng)物質培養(yǎng)細菌并用來固化砂柱且膠結效果較好[31-33]。Choi等[34]利用蛋殼和乙酸制成的鈣源取代化學級的鈣源，但這種方法不適于大規(guī)模應用或不具有市場競爭力。在進一步研究中，Choi等[13]將木質纖維素進行快速熱解產生木醋液，將其與采石場石灰石粉末反應制備可溶性鈣源，并將該產物作為鈣源在游離溶液中驗證微生物誘導碳酸鈣沉積過程，如圖3所示，沉淀即為碳酸鈣。之后進行砂柱實驗，裝置如圖4。實驗表明，使用石灰石和乙酸衍生物制備的鈣溶液膠結的砂柱的性質，與使用試劑級CaCl2膠結的砂柱幾乎一致。該方法能有效利用廢棄含木質纖維素材料，具有可持續(xù)性和成本效益性。

圖3 溶液中驗證方解石沉淀[13]

3.2 固化土體

目前，大部分地基加固技術是利用機械能或人造灌漿材料對土壤進行物理化學處理，其中，化學灌漿技術是使用傳統(tǒng)的膠凝材料進行加固，該方法可能導致地下水污染，土體性質改變，對環(huán)境危害也比較大[35]。然而，利用MICP技術能顯著提高土體的強度，降低滲透性，具有高效、環(huán)保、經濟的特點，已成為許多國內外科學家研究的熱點。

圖4 砂柱實驗裝置[13]

Canakcia[36]利用芽孢桿菌誘導處理當?shù)馗缓袡C物的土壤，該有機土壤的抗壓強度相比對照組增加20%，提高了有機土的抗剪強度，降低了土壤的壓縮性，表明該方法對有機土的改良也具有可行性。Harkes等[37]提出了一種加強細菌細胞在砂土中的固定和分布及提高脲酶活性的方法。實驗過程中注入一種固定液(即高鹽量的溶液)，此過程可以防止表面堵塞并得到均勻的強化效果。

3.3 混凝土裂縫修復

對于混凝土裂縫修復，有多種技術可供選擇。但傳統(tǒng)的修補材料存在污染環(huán)境和危害健康等不利因素，近30年來，利用MICP技術修復混凝土裂縫已經受到國內外研究者的廣泛關注。1995年，Golrapudi[40]和Bang[41]首次將這種新技術引入環(huán)境友好型生物工藝來修復裂縫。Webster等[42]曾對歷史建筑石材表面黑色硫酸鹽殼用MICP過程進行清潔，對建筑石材的內部結構不產生影響。因此，利用MICP技術修復那些歷史悠久、表面經歲月腐蝕的建筑物具有良好的應用前景。

圖5 不同尺寸的土體砂基試驗[39]

Choi等[43]通過人工制備圓柱形砂漿試樣，將其劈裂成不同寬度的裂縫。經MICP修復的試樣的滲水性明顯降低，抗拉強度明顯增強。Achal等[44]對70.6 mm的立方體砂漿的不同深度裂縫進行修復，修復深度可達27.2 mm。利用微生物修復技術能夠將裂縫進行修復，修復的深度和寬度有限且修復效果與生成的碳酸鈣含量是呈正相關的。Tittelboom等[45]發(fā)現(xiàn)在細菌培養(yǎng)中加入膠凝基質可以保護細菌不受環(huán)境影響，使碳酸鈣沉淀在膠凝基質中，經處理后裂縫完全被填充?？梢?，微生物修復方法能與傳統(tǒng)修復方法達到相同效果且不危害環(huán)境。

3.4 混凝土自修復

裂縫自修復技術指混凝土在外部或內部條件作用下，釋放或生成新的物質自行封閉、愈合其裂縫[46]?；炷脸霈F(xiàn)裂縫，將產生昂貴的預防維修費，有研究者提出了混凝土自修復的概念，并驗證了該理論的可行性。

Jonkers等[47]直接在水泥漿混合物中加入細菌孢子，細菌孢子能在水泥石中保持長達4個月的活性，細菌水泥石樣本比對照產生更多的裂縫堵塞礦物質。在此基礎上，Wiktor等[48]探究混凝土的愈合能力，其中，混凝土的自身水化作用可以修復0.21 mm的裂縫，細菌自修復混凝土則能愈合寬達0.47 mm的裂縫。隨著裂縫寬度的增加，修復效果越差，如果開裂時間超過60 d幾乎不能愈合[49]。

自修復混凝土中細菌的作用十分重要，Xu等[50]利用一種低堿膠凝材料作為細菌保護材料，可以長時間維持細菌活性，同時優(yōu)化了載體、愈合劑和混凝土基體的相容性。圖6-a是裂縫在水中修復的修復效果，圖6-b是添加營養(yǎng)成分的混凝土裂縫修復效果，圖6-c是在細菌孢子和營養(yǎng)成分共同作用下的裂縫修復效果。在混凝土中埋入該細菌自愈系統(tǒng)后，裂縫的愈合率接近100%。與普通砂漿相比，抗壓強度恢復率提高130%，水密性提高50%。表明這種新型微生物自愈系統(tǒng)在延長混凝土壽命方面具有潛在的應用前景。

圖6 不同膠結劑28 d的修復效果[50]

微生物自修復混凝土在出現(xiàn)裂縫后微生物能在表層沉積礦物，且與基體的相容性好。但是，該技術的運用也存在一些難點，首先，需要增強礦化微生物對生存環(huán)境的耐受性，延長其在混凝土中的存活和作用時間；其次，減少微生物對水分的依耐性，提升混凝土在空氣或干燥環(huán)境中的修復效果；最后，提高微生物礦化沉積物在裂縫的填充深度和密度，降低微生物混凝土的費用。以上三點將是今后自修復混凝土需要克服的技術問題。

3.5 緩解溫室效應

全球溫室效應主要是由于CO2濃度升高，而導致大氣中CO2濃度升高的原因主要是化石燃料的燃燒[51]、水泥生產[52]和大面積的砍伐森林。其中硅酸鹽水泥制作過程需1450 ℃高溫，需要大量能量，產生大量CO2，而MICP過程中微生物所需要的溫度在20 ℃～40 ℃，能耗低。而且已經有研究者[53-54]發(fā)現(xiàn)可以利用微生物吸收和捕捉大氣中的CO2來進行誘導沉積。

Ferris等[55]早在1994年發(fā)現(xiàn)自養(yǎng)型藍藻細胞可以作為礦化巖殼中碳酸鹽礦物的沉積位點，這一過程中，藍藻細胞能夠吸收大氣中CO2合成無機碳，其增加了誘導沉積的環(huán)境堿度。Kaur等[56]探究了利用CO2代替尿素來進行生物碳酸鹽沉淀，結果顯示細菌碳化試樣的抗壓強度比對照組增加了117%。這些研究表明了某些微生物可以利用環(huán)境中的CO2進行MICP，不僅可以運用到可持續(xù)綠色建材的生產，又可以為緩解溫室效應提供一種有效的途徑。

4 結論

微生物水泥的運用相當廣泛，可用于膠結砂柱、固化土體、裂縫修復、混凝土的自修復、處理土壤、吸收環(huán)境CO2等。微生物水泥作為新型建筑材料，在下一代的可持續(xù)發(fā)展建筑材料中將發(fā)揮重要作用，有以下優(yōu)勢：1)生產微生物水泥能耗顯著降低。在20 ℃～40 ℃的環(huán)境溫度下，可以利用微生物和無機試劑制得生物水泥，而傳統(tǒng)水泥生產所需的溫度高達1450 ℃。2)生產微生物水泥污染排放少。微生物水泥膠結過程不釋放CO2等有害氣體，而傳統(tǒng)水泥煅燒過程中排放大量粉塵和廢氣，造成環(huán)境污染。3)微生物水泥基漿液的黏度遠遠低于硅酸鹽水泥基灌漿，更容易注入地面或與土壤混合。4)微生物水泥粒徑比硅酸鹽水泥更小，更容易滲透到多孔材料(如土壤和混凝土)和密封細裂縫中，對其缺陷進行修復。

5 展望

MICP過程大規(guī)模運用到混凝土等行業(yè)還有很長的路要走，近期的主攻點：1)應用實踐方面，生物膠結時間長達3～4周且對環(huán)境的要求很高，不利于MICP大規(guī)模運用。2)經濟成本降低方面，生物水泥中微生物培養(yǎng)所需的營養(yǎng)物質和鈣源能夠從廢棄物中獲取，如乳制品行業(yè)的乳糖母液玉米漿、大豆種子粉末、尾礦石灰石粉末、雞蛋殼等，但對廢棄物的處理技術及獲得理想目標產物需不斷地完善。3)環(huán)境影響方面，經MICP處理后的廢棄物中的氨氮含量高且尿素和鈣鹽殘留較多，這是一個需要解決的問題。4)社會接受方面，無生物水泥標準，難以在市場上銷售。5)技術瓶頸方面，對于微生物裂縫的修補，其修復的裂縫深度淺，微生物的存活難度大；對于細菌混凝土自修復技術，對加入的細菌孢子的包裹材料研發(fā)也是一大難點。