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(xué) 資源環(huán)境與化工學(xué)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(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國家重點實驗室，武漢 430072;3. 美國愛荷華州立大學(xué) 生物經(jīng)濟(jì)研究所，愛荷華州 50011)

隨著經(jīng)濟(jì)的快速增長，道路、橋梁、工民建設(shè)等基礎(chǔ)設(shè)施需求量日趨增長，導(dǎo)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(jīng)廣泛運用于各種基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)和維修中。硅酸鹽水泥生產(chǎn)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(dǎo)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(jié)物質(zhì)使顆粒之間發(fā)生膠結(jié)凝聚作用[6]，從而提高土壤的強(qiáng)度并降低其滲水性。

隨著越來越多的國內(nèi)外學(xué)者對MICP過程研究的不斷深入，此技術(shù)逐步應(yīng)用到各類工程領(lǐng)域。本文闡述了MICP機(jī)理及其過程的影響因素，評述MICP應(yīng)用領(lǐng)域，為生物水泥技術(shù)研究提供參考。

1 MICP技術(shù)機(jī)理

MICP機(jī)制主要為微生物分解尿素誘導(dǎo)產(chǎn)生碳酸鈣沉淀，該機(jī)制誘導(dǎo)生成碳酸鈣的含量與尿素分解速率密切有關(guān)，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(chǎn)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(yīng)提高了周邊環(huán)境的碳酸根濃度，在加入鈣鹽后析出無機(jī)礦物(碳酸鈣)：

(2)

其中控制MICP工藝的機(jī)制包括：1)UPB進(jìn)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(diào)節(jié)方解石晶體與其他粒子結(jié)合方式，具有一定的膠結(jié)能力。圖2為通過MICP工藝產(chǎn)生方解石晶體填滿砂巖的示意圖。

圖1 微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀過程示意圖[11]

圖2 MICP工藝產(chǎn)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(xì)菌的作用，分離出具有礦化作用的細(xì)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(jìn)行分析，每種碳酸鈣都有其特異性(如表1)。

MICP過程中，高細(xì)菌細(xì)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(xì)菌濃度息息相關(guān)。細(xì)菌細(xì)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(guān)重要的[16-17]。由此可知，細(xì)菌濃度越大，膠結(jié)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(xué)者已經(jīng)發(fā)現(xiàn)利用不同類型的鈣鹽誘導(dǎo)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(jié)砂柱，結(jié)果分析得到，氯化鈣固結(jié)砂的物理力學(xué)性能較優(yōu)，而以硝酸鈣作為鈣源時有抑制細(xì)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(dǎo)制備生物水泥，實驗結(jié)果表明，用(CH3COO)2Ca誘導(dǎo)制備的生物水泥的物理力學(xué)性能更優(yōu)。以乙酸鈣作為鈣源進(jìn)行膠結(jié)，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(xì)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(dǎo)生成的晶體結(jié)構(gòu)和大小。

2.3 脲酶活性的影響

彭劼等[22-23]利用巴氏芽孢細(xì)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(dǎo)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(xì)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(dǎo)沉積的環(huán)境溫度[24]。Stocks-Fischer等[25]通過脲酶米氏動力學(xué)來研究脲酶活性，結(jié)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(dǎo)突變等技術(shù)改進(jìn)微生物產(chǎn)脲酶的內(nèi)在因素。Bachmeier等[26]利用重組技術(shù)提高微生物的產(chǎn)脲酶量，發(fā)現(xiàn)采用基因重組技術(shù)的微生物誘導(dǎo)產(chǎn)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(chǎn)量都最高。在今后研究中，將產(chǎn)脲酶細(xì)菌進(jìn)行基因改造和誘導(dǎo)突變是提高方解石沉淀效率的方法之一。

3 應(yīng)用研究現(xiàn)狀

3.1 膠結(jié)砂柱

MICP技術(shù)在全球范圍內(nèi)引起了廣泛關(guān)注，許多學(xué)者對其應(yīng)用進(jìn)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(jīng)SEM觀察和X射線衍射圖譜證實膠結(jié)物質(zhì)是碳酸鈣沉淀。榮輝等[30]利用生物顯微鏡觀察微生物膠結(jié)的全過程，隨著膠結(jié)的進(jìn)行，細(xì)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(jié)液來保證微生物膠結(jié)持續(xù)性。

在當(dāng)今能源匱乏情況下，微生物水泥的經(jīng)濟(jì)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(zhì)培養(yǎng)細(xì)菌并用來固化砂柱且膠結(jié)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(xué)級的鈣源，但這種方法不適于大規(guī)模應(yīng)用或不具有市場競爭力。在進(jìn)一步研究中，Choi等[13]將木質(zhì)纖維素進(jìn)行快速熱解產(chǎn)生木醋液，將其與采石場石灰石粉末反應(yīng)制備可溶性鈣源，并將該產(chǎn)物作為鈣源在游離溶液中驗證微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉積過程，如圖3所示，沉淀即為碳酸鈣。之后進(jìn)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(jié)的砂柱的性質(zhì)，與使用試劑級CaCl2膠結(jié)的砂柱幾乎一致。該方法能有效利用廢棄含木質(zhì)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(shù)是利用機(jī)械能或人造灌漿材料對土壤進(jìn)行物理化學(xué)處理，其中，化學(xué)灌漿技術(shù)是使用傳統(tǒng)的膠凝材料進(jìn)行加固，該方法可能導(dǎo)致地下水污染，土體性質(zhì)改變，對環(huán)境危害也比較大[35]。然而，利用MICP技術(shù)能顯著提高土體的強(qiáng)度，降低滲透性，具有高效、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)的特點，已成為許多國內(nèi)外科學(xué)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(dǎo)處理當(dāng)?shù)馗缓袡C(jī)物的土壤，該有機(jī)土壤的抗壓強(qiáng)度相比對照組增加20%，提高了有機(jī)土的抗剪強(qiáng)度，降低了土壤的壓縮性，表明該方法對有機(jī)土的改良也具有可行性。Harkes等[37]提出了一種加強(qiáng)細(xì)菌細(xì)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(qiáng)化效果。

3.3 混凝土裂縫修復(fù)

對于混凝土裂縫修復(fù)，有多種技術(shù)可供選擇。但傳統(tǒng)的修補(bǔ)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(shù)修復(fù)混凝土裂縫已經(jīng)受到國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注。1995年，Golrapudi[40]和Bang[41]首次將這種新技術(shù)引入環(huán)境友好型生物工藝來修復(fù)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(jìn)行清潔，對建筑石材的內(nèi)部結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生影響。因此，利用MICP技術(shù)修復(fù)那些歷史悠久、表面經(jīng)歲月腐蝕的建筑物具有良好的應(yīng)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(jīng)MICP修復(fù)的試樣的滲水性明顯降低，抗拉強(qiáng)度明顯增強(qiáng)。Achal等[44]對70.6 mm的立方體砂漿的不同深度裂縫進(jìn)行修復(fù)，修復(fù)深度可達(dá)27.2 mm。利用微生物修復(fù)技術(shù)能夠?qū)⒘芽p進(jìn)行修復(fù)，修復(fù)的深度和寬度有限且修復(fù)效果與生成的碳酸鈣含量是呈正相關(guān)的。Tittelboom等[45]發(fā)現(xiàn)在細(xì)菌培養(yǎng)中加入膠凝基質(zhì)可以保護(hù)細(xì)菌不受環(huán)境影響，使碳酸鈣沉淀在膠凝基質(zhì)中，經(jīng)處理后裂縫完全被填充?？梢?，微生物修復(fù)方法能與傳統(tǒng)修復(fù)方法達(dá)到相同效果且不危害環(huán)境。

3.4 混凝土自修復(fù)

裂縫自修復(fù)技術(shù)指混凝土在外部或內(nèi)部條件作用下，釋放或生成新的物質(zhì)自行封閉、愈合其裂縫[46]?；炷脸霈F(xiàn)裂縫，將產(chǎn)生昂貴的預(yù)防維修費，有研究者提出了混凝土自修復(fù)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(xì)菌孢子，細(xì)菌孢子能在水泥石中保持長達(dá)4個月的活性，細(xì)菌水泥石樣本比對照產(chǎn)生更多的裂縫堵塞礦物質(zhì)。在此基礎(chǔ)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(fù)0.21 mm的裂縫，細(xì)菌自修復(fù)混凝土則能愈合寬達(dá)0.47 mm的裂縫。隨著裂縫寬度的增加，修復(fù)效果越差，如果開裂時間超過60 d幾乎不能愈合[49]。

自修復(fù)混凝土中細(xì)菌的作用十分重要，Xu等[50]利用一種低堿膠凝材料作為細(xì)菌保護(hù)材料，可以長時間維持細(xì)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(fù)的修復(fù)效果，圖6-b是添加營養(yǎng)成分的混凝土裂縫修復(fù)效果，圖6-c是在細(xì)菌孢子和營養(yǎng)成分共同作用下的裂縫修復(fù)效果。在混凝土中埋入該細(xì)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(qiáng)度恢復(fù)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(yīng)用前景。

圖6 不同膠結(jié)劑28 d的修復(fù)效果[50]

微生物自修復(fù)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(shù)的運用也存在一些難點，首先，需要增強(qiáng)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(fù)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(fù)混凝土需要克服的技術(shù)問題。

3.5 緩解溫室效應(yīng)

全球溫室效應(yīng)主要是由于CO2濃度升高，而導(dǎo)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(chǎn)[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(chǎn)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(jīng)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(jìn)行誘導(dǎo)沉積。

Ferris等[55]早在1994年發(fā)現(xiàn)自養(yǎng)型藍(lán)藻細(xì)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(lán)藻細(xì)胞能夠吸收大氣中CO2合成無機(jī)碳，其增加了誘導(dǎo)沉積的環(huán)境堿度。Kaur等[56]探究了利用CO2代替尿素來進(jìn)行生物碳酸鹽沉淀，結(jié)果顯示細(xì)菌碳化試樣的抗壓強(qiáng)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(jìn)行MICP，不僅可以運用到可持續(xù)綠色建材的生產(chǎn)，又可以為緩解溫室效應(yīng)提供一種有效的途徑。

4 結(jié)論

微生物水泥的運用相當(dāng)廣泛，可用于膠結(jié)砂柱、固化土體、裂縫修復(fù)、混凝土的自修復(fù)、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(chǎn)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(jī)試劑制得生物水泥，而傳統(tǒng)水泥生產(chǎn)所需的溫度高達(dá)1450 ℃。2)生產(chǎn)微生物水泥污染排放少。微生物水泥膠結(jié)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(xì)裂縫中，對其缺陷進(jìn)行修復(fù)。

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(yīng)用實踐方面，生物膠結(jié)時間長達(dá)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(jīng)濟(jì)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(zhì)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(shù)及獲得理想目標(biāo)產(chǎn)物需不斷地完善。3)環(huán)境影響方面，經(jīng)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(biāo)準(zhǔn)，難以在市場上銷售。5)技術(shù)瓶頸方面，對于微生物裂縫的修補(bǔ)，其修復(fù)的裂縫深度淺，微生物的存活難度大；對于細(xì)菌混凝土自修復(fù)技術(shù)，對加入的細(xì)菌孢子的包裹材料研發(fā)也是一大難點。