周應(yīng)征，管大為，成 亮

1. 河海大學(xué) 海岸災(zāi)害及防護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210024；2. 河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院，南京 210024；3. 江蘇大學(xué) 環(huán)境與安全工程學(xué)院， 鎮(zhèn)江 212013

1 引言

砂土液化和侵蝕是軟弱地基常見(jiàn)地質(zhì)災(zāi)害。大范圍的砂土液化災(zāi)害多由地震引發(fā)，一旦發(fā)生便會(huì)造成巨大經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，例如：1976年中國(guó)唐山大地震、1989年舊金山洛馬普列塔地震、1994年北嶺地震、1995年日本神戶(hù)地震、2011年新西蘭克賴(lài)斯特徹奇地震、2011年?yáng)|日本大地震中均伴隨有砂土液化的發(fā)生（Mote and Dismuke, 2011; 張?zhí)锾锖蜅顬槊? 2020）。局部的砂土液化由內(nèi)部滲流和外荷載的耦合作用引起，多發(fā)生于堤壩或沙丘邊坡，會(huì)造成結(jié)構(gòu)物或土體失穩(wěn)破壞。砂土侵蝕多發(fā)生于涉水結(jié)構(gòu)物和岸灘周?chē)?，由水流和波浪掏刷引起，通常?huì)引起涉水結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)失穩(wěn)以及岸線(xiàn)的退化，同樣會(huì)帶來(lái)巨大經(jīng)濟(jì)損失。據(jù)報(bào)道（Mitchell and Santamarina, 2005），中國(guó)遭受侵蝕的海岸線(xiàn)長(zhǎng)2463.4 km，占全國(guó)砂質(zhì)海岸的49.5%。

為了應(yīng)對(duì)上述砂土液化和侵蝕問(wèn)題，巖土工程領(lǐng)域常通過(guò)一些原位的土體穩(wěn)定或地基改良技術(shù)對(duì)軟土地基進(jìn)行改善。目前常用的軟土地基改良技術(shù)主要有：（1）利用換填、強(qiáng)夯等物理手段來(lái)提高土體承載能力（傅文忠，2020）；（2）在土體里添加可改善土體性質(zhì)的天然或人工合成材料，如：可回收玻璃纖維、環(huán)氧樹(shù)脂、聚丙烯、土工織物等（Ahmad et al., 2012; Mujah et al., 2013, 2015; Mujah, 2016）；（3）灌入水泥、石灰或其他化學(xué)固化漿液（Bahmani et al., 2014; Di Sante et al., 2015）；（4）應(yīng)用沙井、嵌巖樁（Deb et al., 2011; Dash and Bora, 2013）。然而，這些技術(shù)需要消耗大量的人力物資，而且在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中會(huì)由于工程體量大而導(dǎo)致施工成本大幅增加。此外，化學(xué)灌漿有可能會(huì)改變土體pH值，從而引發(fā)嚴(yán)重的環(huán)境污染和生態(tài)系統(tǒng)紊亂。

微生物礦化是指由微生物新陳代謝產(chǎn)物與細(xì)胞內(nèi)、外的金屬陽(yáng)離子結(jié)合形成無(wú)機(jī)礦物的過(guò)程。這類(lèi)無(wú)機(jī)化合物，大多具有膠凝性，可以填充砂土顆粒之間的孔隙并起橋接顆粒的作用，最終將松散的顆粒膠結(jié)成具有一定機(jī)械強(qiáng)度的整體。微生物礦化的技術(shù)種類(lèi)繁多，根據(jù)不同的無(wú)機(jī)礦物可以分為碳酸鈣沉淀誘導(dǎo)技術(shù)、鳥(niǎo)糞石誘導(dǎo)技術(shù)（MAP）、磷酸鈣沉淀誘導(dǎo)技術(shù)等（錢(qián)春香等, 2015; Ivanov et al., 2019a; 董博文等, 2020）；而且根據(jù)不同的微生物代謝行為，同一種無(wú)機(jī)產(chǎn)物也會(huì)有不同的礦化方式，例如碳酸鈣誘導(dǎo)技術(shù)的機(jī)制包括：尿素水解過(guò)程、反硝化過(guò)程以及硫酸鹽還原過(guò)程（錢(qián)春香等, 2015）。其中，基于尿素水解反應(yīng)的微生物誘導(dǎo)碳酸鹽沉積技術(shù)（Microbially Induced Carbonate Precipitation, MICP）是最為常見(jiàn)和高效的一種生物調(diào)控技術(shù)（bio-mediated techniques）（Almajed, 2017）。

近年來(lái)，隨著微生物學(xué)、地球化學(xué)、土木工程學(xué)等不同領(lǐng)域?qū)W科之間交叉研究的不斷發(fā)展，MICP技術(shù)逐漸受到各領(lǐng)域?qū)W者的青睞。特別是在土體改良方面，與傳統(tǒng)的水泥灌漿等化學(xué)處理技術(shù)相比，MICP技術(shù)由于其具有污染小、擾動(dòng)小、施工較為簡(jiǎn)便、快速高效等優(yōu)勢(shì)，越來(lái)越多地試用于地基加固、海岸防護(hù)、沿海建筑物修復(fù)等工程（劉漢龍等, 2019）。本文將通過(guò)介紹MICP機(jī)制、相關(guān)研究進(jìn)展以及一些巖土工程應(yīng)用，來(lái)闡明這一種綠色可持續(xù)技術(shù)在土體穩(wěn)定方面的應(yīng)用前景。

2 微生物誘導(dǎo)碳酸鹽沉積技術(shù)

2.1 產(chǎn)脲酶菌礦化機(jī)制

MICP本質(zhì)上是一種生物驅(qū)動(dòng)的碳酸鈣沉積技術(shù)，可分為生物控制和生物誘導(dǎo)機(jī)制。在生物控制礦化中，生物控制礦物晶體的成核與生長(zhǎng)，最終限制了晶體的形貌和特征（Barabesi et al., 2007）。這種晶體成核生長(zhǎng)行為與外界環(huán)境無(wú)關(guān)。而生物誘導(dǎo)的礦物晶體則會(huì)受到環(huán)境中生物與非生物因素的影響。當(dāng)環(huán)境中Ca2+和CO32-的濃度超過(guò)碳酸鈣的溶度積（Ksp）時(shí)，溶液中便會(huì)析出沉淀。這種自發(fā)性的化合過(guò)程，主要受到鈣離子濃度、溶解無(wú)機(jī)碳濃度、pH以及有效成核位點(diǎn)的影響（Hammes and Verstrate, 2002）。

在MICP過(guò)程中，產(chǎn)脲酶細(xì)菌可以為碳酸鈣的沉積提供CO32-（尿素水解產(chǎn)物）、適宜的堿條件以及成核的位置（Douglas and Beveridge, 1998; Ehrlich, 1998; Stocks-Fischer et al., 1999; Fujita et al., 2000; Warren et al., 2001; Hammes et al., 2003）。目前，學(xué)者們普遍認(rèn)可且廣泛應(yīng)用的產(chǎn)脲酶菌是一種革蘭氏陽(yáng)性的巴氏芽孢桿菌。這種廣泛存在于土壤中的好氧嗜堿菌，其新陳代謝時(shí)會(huì)通過(guò)分泌大量脲酶產(chǎn)生三磷酸腺苷（ATP）（Ivanov and Chu, 2008），促進(jìn)催化尿素水解生成NH4

+和CO32-，同時(shí)令體系pH上升。在有Ca2+的條件下，CO32-和Ca2+逐漸結(jié)核生成具有較好熱力學(xué)穩(wěn)定性和一定膠凝性的CaCO3沉淀。尿素水解反應(yīng)式如下：（1）~（2）（ Cheng et al., 2013）。

2.2 MICP膠結(jié)機(jī)制

巴氏芽孢桿菌新陳代謝產(chǎn)生脲酶的同時(shí)，會(huì)分泌一種叫做胞外聚合物（Extracellular Polymeric Substances）的代謝產(chǎn)物。如圖1所示，由于胞外聚合物及其微生物自身雙電層結(jié)構(gòu)的存在，微生物趨向吸附在砂顆粒表面（DeJong et al., 2010）。由于羥基、胺基、酰胺基、羧基等帶負(fù)電的官能團(tuán)，導(dǎo)致微生物細(xì)胞壁表面一般也帶有負(fù)電，并不斷吸引環(huán)境中的Ca2+，使大量Ca2+聚集在細(xì)胞表面。同時(shí)，尿素不斷被細(xì)胞吸收與水解，生成的CO32-又從胞內(nèi)運(yùn)輸?shù)桨猓珻a2+與CO32-相遇并以細(xì)胞為形核位點(diǎn)，逐漸生成碳酸鈣晶體。隨著晶體的不斷生長(zhǎng)，微生物細(xì)菌被方解石完全包裹，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的運(yùn)輸受到限制，細(xì)菌逐漸死亡，并在碳酸鈣晶體上留下了許多細(xì)菌的坑蝕（De Muynck et al., 2010），如圖2所示。

圖1 顆粒表面處微生物誘導(dǎo)碳酸鹽沉積過(guò)程示意圖（DeJong et al., 2010）Fig. 1 Schematic diagram showing the microbiologically induced calcium carbonate precipitation on the surface of particles（DeJong et al., 2010）

圖2 微生物誘導(dǎo)碳酸鹽沉積示意圖（De Muynck et al., 2010）Fig. 2 Simplified representation of the events that occur during the microbially induced carbonate precipitation（De Muynck et al., 2010）

Ferris等（2004）揭示了尿素水解沉積碳酸鈣的三個(gè)階段：（1）溶液中離子濃度逐漸增加；（2）當(dāng)離子濃度達(dá)到飽和臨界點(diǎn)時(shí)，CaCO3開(kāi)始析出；（3）CaCO3在成核位點(diǎn)上逐漸成型長(zhǎng)大。這三個(gè)階段對(duì)土體改良至關(guān)重要，因?yàn)槿芤猴柡蜅l件的不同可能會(huì)導(dǎo)致晶體形貌（類(lèi)型、尺寸、形狀）的不同，而碳酸鈣的類(lèi)型（如球霰石、文石、方解石）則會(huì)影響生物膠結(jié)土體的強(qiáng)度（Al-Thawadi, 2013; Dhami et al., 2013）。

3 MICP相關(guān)研究進(jìn)展

3.1 MICP的處理方法

為了保證MICP能夠順利反應(yīng)，砂土處理中需要提供最基本的微生物菌液、尿素和鈣源（CaCl2）。一般把尿素和鈣源的混合物稱(chēng)為礦化液（CS溶液）。同時(shí)為了讓微生物在土體內(nèi)部水解尿素，常用的處理方法有注漿法、浸泡法、噴涂法和預(yù)攪拌法。

浸泡與噴涂都是利用土體的滲透性對(duì)砂土進(jìn)行處理，前者將試樣完全浸泡在菌液和CS溶液中讓液體自然滲透（李昊等, 2020），后者是將反應(yīng)液噴灑在砂土表面，借助重力作用滲流到土體孔隙中。噴涂法不需要大型機(jī)械，僅依靠液體自然流動(dòng)便可實(shí)現(xiàn)。但是，由于在滲流中菌液和礦化液會(huì)持續(xù)反應(yīng)，細(xì)菌不斷被碳酸鈣包裹而難以通過(guò)砂土孔隙，最終只有少量的試劑抵達(dá)到深層土體，而且噴涂法的處理范圍也會(huì)受到土體自身滲透性的限制，所以此法僅適用于非飽和砂土的表面處理（Cheng and Cord-Ruwisch, 2012, 2014）。

由于砂顆粒對(duì)細(xì)菌的過(guò)濾作用，會(huì)導(dǎo)致微生物膠結(jié)效果沿水流路徑線(xiàn)性降低（Ginn et al., 2001），這也是普通注漿法、浸泡法和噴涂法難以實(shí)現(xiàn)均勻膠結(jié)的原因。為了克服細(xì)菌非均勻分布的這個(gè)缺點(diǎn)，有學(xué)者采用預(yù)先將細(xì)菌懸浮液（或脲酶溶液）與砂土混合攪拌的方法來(lái)提高均勻性（Almajed et al., 2019; Rohy et al., 2019）。Yasuhara等（2012）利用預(yù)攪拌法得到膠結(jié)砂樣，其UCS值可達(dá)到400 kPa到1.6 MPa。Zhao等（2014）發(fā)現(xiàn)83%的碳酸鈣均勻地分布于預(yù)攪拌法處理過(guò)的砂柱內(nèi)。Cheng和Shahin（2016）報(bào)道了一種可以替代細(xì)菌懸浮液的具有脲酶活性的 “Bioslurry” 生物水泥漿，采用攪拌的方式可以實(shí)現(xiàn)砂土內(nèi)部脲酶活性的均勻分布。但是，運(yùn)用機(jī)械進(jìn)行劇烈攪動(dòng)會(huì)引起土體擾動(dòng)，導(dǎo)致土體出現(xiàn)假應(yīng)力，而且還會(huì)復(fù)雜化土體歷史應(yīng)力，這對(duì)巖土力學(xué)工程來(lái)說(shuō)是不利的（Mujah et al., 2017）。

目前，注漿法是MICP中最常用的處理方式，處理過(guò)程中可以有效控制注漿速率、注漿壓力，而且可以同時(shí)處理土體內(nèi)部的水平面和垂直面。根據(jù)注漿的操作順序不同可以分為“一相注”和“兩相注”?！耙幌嘧ⅰ笔穷A(yù)先把菌液和CS溶液混合后注射到試樣內(nèi)部。這種方式在注漿初期會(huì)產(chǎn)生微生物絮凝和快速生成的碳酸鈣沉淀，從而造成注漿口的嚴(yán)重堵塞（Stocks-Fischer et al., 1999）。“兩相注”是將菌液和膠結(jié)液分階段先后注入土體內(nèi)部，即先注射微生物菌液，再注入CS溶液（Whiffin et al., 2007）。這種方式雖然避免了注漿口的堵塞，但是CS溶液在注漿過(guò)程中對(duì)先期注入的菌液的推動(dòng)作用會(huì)使得微生物在試樣內(nèi)分布不均，從而導(dǎo)致礦化結(jié)果的不均勻。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，Harkes等（2010）在注入第二相CS溶液前先注入了固定液（50 mM的氯化鈣溶液），利用固定液將細(xì)菌固定于砂顆粒表面，從而使得均勻性得到了有效提高。然而，固定液的加入使得施工工藝更加復(fù)雜。Cheng等（2019）提出了一種改性低pH一相注方法，即通過(guò)降低微生物菌液與CS混合液的初始pH值，減緩了碳酸鈣的沉積，同時(shí)抑制了微生物的絮凝，從而得到了在一定時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定存在的微生物菌液和CS溶液的混合溶液。在穩(wěn)定期內(nèi)進(jìn)行一相注漿避免了注漿口堵塞。注漿結(jié)束后，溶液pH隨著脲酶水解反應(yīng)的進(jìn)行逐漸上升，微生物活性升高，碳酸鈣也隨之大量生成。同時(shí)，后續(xù)研究表明此工藝的應(yīng)用大幅度降低了氨氣的釋放，而且生成的試塊強(qiáng)度分布均勻（Cui et al., 2020）。值得一提的是，對(duì)混合注漿液穩(wěn)定時(shí)長(zhǎng)的精確調(diào)控還需要開(kāi)展進(jìn)一步的研究工作，以滿(mǎn)足實(shí)際工程的需要。

3.2 影響CaCO3沉積的因素

經(jīng)MICP處理過(guò)的砂土，其最終力學(xué)性能取決于碳酸鈣的結(jié)晶模式。這是因?yàn)椴煌奶妓徕}尺寸、形狀和分布，都會(huì)導(dǎo)致不同固化強(qiáng)度的膠結(jié)砂樣（Al Qabany and Soga, 2013）。影響碳酸鈣沉積的因素有很多，如：溫度、脲酶活性、環(huán)境pH、CS溶液濃度、砂土種類(lèi)、土體飽和度等。

溫度：溫度通過(guò)多個(gè)方面影響了碳酸鈣沉積。當(dāng)溫度超過(guò)了60℃，細(xì)菌通常因高溫死亡而無(wú)法繼續(xù)生成碳酸鈣（Rebata-Landa, 2007）。在10~50℃內(nèi)，脲酶活性隨著溫度的升高而升高（Nemati and Voordouw, 2003; 彭劼等, 2016），但是溫度的改變會(huì)顯著影響碳酸鈣晶體的形貌。Cheng等（2017）發(fā)現(xiàn)盡管高溫下脲酶活性高，砂土內(nèi)沉積大量碳酸鈣，但是碳酸鈣晶體平均尺寸比常溫下的要小，難以形成足夠的膠結(jié)力。所以在相同碳酸鈣含量的條件下，其強(qiáng)度比常溫下處理的砂土低了60%。

脲酶活性：脲酶活性代表了尿素水解的速率，活性越高在單位時(shí)間內(nèi)就有越多的尿素被分解，碳酸鈣的生成速率就越快。通常來(lái)說(shuō)，菌液濃度與脲酶活性成正相關(guān)，菌液濃度越高脲酶活性也越高。高脲酶活性并不意味著高膠結(jié)強(qiáng)度。這是因?yàn)樵诘蜐舛燃?xì)菌條件下碳酸鈣成核位點(diǎn)少，晶體主要以生長(zhǎng)為主，即碳酸鈣會(huì)在已有晶體上沉積，生成的晶體數(shù)量少尺寸大。較高的細(xì)菌濃度意味著以微生物細(xì)胞為成核位點(diǎn)的晶體成核位點(diǎn)也越多（Hammes and Verstraete, 2002; DeJong, 2010），晶體以成核為主，會(huì)生成大量小晶體（Cheng et al., 2017; 張繼生等, 2020）。對(duì)比兩種晶體生長(zhǎng)情況，研究認(rèn)為大晶體形成的膠結(jié)相比于成片的小晶體來(lái)說(shuō)薄弱點(diǎn)更少，因此相同碳酸鈣含量時(shí)大晶體會(huì)提供更高的強(qiáng)度（Cheng et al., 2017; 張繼生等, 2020）。

土體pH：尿素水解反應(yīng)生成NH3在進(jìn)一步水解時(shí)會(huì)生成OH-，為碳酸鈣沉積提供了所需的堿性環(huán)境，F(xiàn)erris等（2004）證實(shí)了MICP反應(yīng)的適宜pH范圍是6.5~9.3。同時(shí)，不同的土體pH會(huì)影響細(xì)菌傳輸和粘附，進(jìn)而影響了MICP誘導(dǎo)的碳酸鈣晶體在土體中分布的均勻性（朱鐵群等, 2006; Cheng et al., 2019）。

CS溶液濃度：在脲酶活性相同的情況下，碳酸鈣的生成效率與CS溶液的濃度相關(guān)。事實(shí)上，由于在高濃度CS溶液下，碳酸鈣會(huì)迅速生成，因此成核位置相對(duì)比較集中，最終導(dǎo)致強(qiáng)度的不均勻（Okwadha and Li, 2010）。而低濃度條件下，碳酸鈣的分布更加均勻，這有利于在減少擾動(dòng)的同時(shí)提高膠結(jié)強(qiáng)度（Al Qabany and Soga, 2013; Ng et al., 2014）。

砂土種類(lèi)：在相同碳酸鈣含量下，不同種類(lèi)的砂土顆粒在生物膠結(jié)后獲得的強(qiáng)度是不同的（Martin et al., 2020），這可能歸因于砂土顆粒自身的形狀、大小、性質(zhì)等。由于微生物自身具有一定的尺寸，微生物難以在孔隙小的砂土中移動(dòng)和存活，易導(dǎo)致不均勻膠結(jié)（程曉輝等, 2013）。Mahawish等（2018）發(fā)現(xiàn)相比于100%的粗骨料或細(xì)骨料，由75%的粗骨料和25%的細(xì)骨料組成的砂土在加固后具有的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度是最大的。中國(guó)地貌廣闊，砂質(zhì)類(lèi)型豐富，微生物加固除石英砂以外的其他砂土也愈發(fā)具有戰(zhàn)略意義。近年來(lái)，有學(xué)者對(duì)鈣質(zhì)砂的加固進(jìn)行了相關(guān)研究，發(fā)現(xiàn)MICP技術(shù)可有效提高鈣質(zhì)砂土的強(qiáng)度（董博文等, 2020; 李昊等, 2020）。

晶體沉積位點(diǎn)：由于脲酶菌在松散砂顆粒間不斷地沉積碳酸鈣晶體，最終把砂顆粒膠結(jié)成為一個(gè)具有一定力學(xué)性能（如強(qiáng)度、剛度、滲透性等）的整體。一般情況下，處理后土樣內(nèi)的碳酸鈣含量越多，孔隙越少，其獲得的宏觀(guān)力學(xué)性能也越優(yōu)異。Chu等（2014）發(fā)現(xiàn)膠結(jié)試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度（UCS）和滲透系數(shù)、碳酸鈣含量基本是線(xiàn)性關(guān)系。然而這并不能說(shuō)明砂土之間具有相同碳酸鈣含量，就會(huì)有相同或相似的力學(xué)性能。Cheng等（2013）發(fā)現(xiàn)在相同碳酸鈣含量下飽和砂土的強(qiáng)度不如非飽和砂土，這是因?yàn)樯邦w?？紫秲?nèi)的液面分布限制了碳酸鈣的沉積位置（圖3）。碳酸鈣的分布可能存在兩種極端情況，一是碳酸鈣等厚度均勻地沉積在砂顆粒表面，二是在砂顆粒相互接觸點(diǎn)處集中沉積碳酸鈣。這兩種分布分別代表了固化結(jié)果的最差與最優(yōu)。Dejong等（2010）發(fā)現(xiàn)碳酸鈣主要分布于砂顆粒接觸點(diǎn)附近，介于兩種極端狀態(tài)之間，如圖4所示。

圖3 不同飽和度砂土中孔隙膠結(jié)液分布情況（Cheng et al., 2013）Fig. 3 Conceptual illustration of pore cementation solution distributed in the sand matrix under different saturation conditions（Cheng et al., 2013）

圖4 孔隙中碳酸鈣的分布情況（DeJong et al., 2010）Fig. 4 Illustration of calcite distribution within pore space（DeJong et al., 2010）

從微觀(guān)尺度上，碳酸鈣成核位點(diǎn)決定了碳酸鈣晶體的沉積位置，沉積位置影響了碳酸鈣的分布情況，進(jìn)一步影響了宏觀(guān)力學(xué)。碳酸鈣沉積可以分為有效碳酸鈣沉積和無(wú)效碳酸鈣沉積。有效主要指的是沉積于砂顆粒接觸點(diǎn)，粘結(jié)砂顆粒并提供力學(xué)強(qiáng)度的一類(lèi)碳酸鈣沉積，如圖5所示（Cui et al., 2017）。Poter等（2017）通過(guò)掃描電鏡和能譜儀分析固化后的砂柱，發(fā)現(xiàn)只有一部分碳酸鈣形成顆粒間的有效連接。因此，如何在松散顆粒接觸點(diǎn)附近沉積更多的有效碳酸鈣是實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度微生物膠結(jié)的關(guān)鍵。

圖5 膠結(jié)砂土中無(wú)效和有效碳酸鈣示意圖（Cui et al., 2017）Fig. 5 Schematic diagram showing non-effective and effective calcite crystals in bio-cemented sands (Cui et al., 2017)

3.3 脲酶誘導(dǎo)碳酸鹽沉積技術(shù)（EICP）

盡管MICP技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯、潛在應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，但對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用來(lái)說(shuō)需要培養(yǎng)大量的高活性脲酶微生物，從而提高了工程成本，限制了其應(yīng)用。在MICP體系中，微生物細(xì)胞內(nèi)脲酶對(duì)尿素水解起到了關(guān)鍵作用，因此，研究者們提出了直接利用脲酶進(jìn)行碳酸鹽礦化的思路?；谶@個(gè)想法，Nemati和Voordouw（2003）提出了一種直接利用游離態(tài)脲酶的仿生（bio-inspired）技術(shù)，即脲酶誘導(dǎo)碳酸鈣沉積技術(shù)（EICP）。一般來(lái)說(shuō)，脲酶菌的尺寸一般為300 nm到2000 nm之間。與之相比，脲酶蛋白分子尺寸僅有12 nm左右（Blakeley and Zerner, 1984），溶于水后可以在更加微小的砂?？紫吨凶杂赏ㄟ^(guò)，從而可以有效地用于細(xì)顆粒土壤（粉砂、黏土）的生物礦化加固（楊豐等, 2019; Gao et al., 2019; He et al., 2020）。而且，隨著EICP過(guò)程的進(jìn)行，游離脲酶的活性降低十分迅速。因此，吸附于土顆粒的脲酶在完成礦化作用后會(huì)被自然降解而不會(huì)對(duì)環(huán)境造成長(zhǎng)期的影響（Almajed, 2017）。

近10年來(lái)，學(xué)者們對(duì)EICP的潛在應(yīng)用進(jìn)行了大量研究，如：土體加固（Yasuhara et al., 2012; Hamdan et al., 2013; Dilrukshi et al., 2018; Almajed et al., 2019）、混凝土裂縫修復(fù)（Dakhane et al., 2018）、滲漏封堵（Nemati and Voordouw, 2003; Larsen et al., 2008; Beser et al., 2017）、揚(yáng)塵治理（Lo et al., 2020）、地表水侵蝕控制（Ossai et al., 2020）、土體抗沖刷（Liu et al., 2020）。雖然EICP有著廣泛應(yīng)用前景，但是使用商業(yè)高純度脲酶成本高昂，不適合大規(guī)模的工程應(yīng)用（Khodadadi et al., 2017）。作為一種含鎳的寡聚酶，脲酶廣泛存在于許多高等植物的種子里如：刀豆、大豆、西瓜籽等（Khodadadi et al., 2020）。因此，有學(xué)者提出了利用上述植物種子提取粗脲酶來(lái)進(jìn)行EICP處理的方法。Larsen等（2008）發(fā)現(xiàn)刀豆粕脲酶產(chǎn)碳酸鈣的效率比添加了穩(wěn)定劑的高純度商業(yè)脲酶更高，這說(shuō)明刀豆粕有望替代純化脲酶進(jìn)行EICP反應(yīng)。Park等（2014）、Dilrukshi等（2018）、楊豐等（2019）通過(guò)簡(jiǎn)單的研磨、浸泡與離心，分別從刀豆、西瓜籽和大豆中獲得了粗脲酶，并證實(shí)了從這些植物種子中提取的粗脲酶在土體改良方面的應(yīng)用潛力。Gao等（2020）也嘗試了利用粗提取的大豆脲酶進(jìn)行粉砂固化試驗(yàn)，結(jié)果證實(shí)砂土力學(xué)性能得到顯著改善，并且不易造成注漿口堵塞。Khodadadi等（2020）對(duì)比了四種不同植物種子提取的粗脲酶的活性并與兩種商業(yè)高純度脲酶進(jìn)行了比較。表明利用粗提取的刀豆脲酶更有利于加固砂土，表現(xiàn)在相同情況下經(jīng)過(guò)粗提取脲酶處理的砂柱強(qiáng)度更高。相比于MICP工藝所需的脲酶微生物的培養(yǎng)，基于粗脲酶的EICP工藝在一定程度上可以降低工程成本。然而，如何進(jìn)行大規(guī)模存儲(chǔ)和遠(yuǎn)距離運(yùn)輸脲酶將是EICP技術(shù)未來(lái)能否大規(guī)模工程應(yīng)用的關(guān)鍵。

4 MICP現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

為了驗(yàn)證在原位土體利用MICP實(shí)施生物礦化的有效性，一些學(xué)者進(jìn)行了大規(guī)模的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，包括：井眼穩(wěn)定、抗液化、邊坡穩(wěn)定、抗風(fēng)蝕、裂縫修復(fù)、海灘抗沖刷等。

van der Star等（2011）在荷蘭東部的水平定向鉆井工程（Horizontal directional drilling）中現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施了MICP灌漿處理。該工程目標(biāo)是鋪設(shè)一條橫穿瓦爾湖的天然氣管道，但是瓦爾登湖下多數(shù)為礫石層，這對(duì)施工有很大的障礙。通過(guò)預(yù)先插入土體中的注射管與排水管將細(xì)菌與礦化液注入到土層內(nèi)，經(jīng)過(guò)7天的處理，松散的礫石層得到了有效加固，讓水平定向鉆井工程得以成功實(shí)施。然而，為了避免MICP反應(yīng)副產(chǎn)物（NH4+）對(duì)地下水體的污染，所有反應(yīng)產(chǎn)物通過(guò)排水管收集并集中處理。據(jù)估算，反應(yīng)產(chǎn)物處理費(fèi)用占整個(gè)工程費(fèi)用的三分之一。

Burbank等（2011）在離美國(guó)華盛頓Lower Granite大壩約8000 m的現(xiàn)場(chǎng)原位激發(fā)土著脲酶菌，實(shí)現(xiàn)了MICP土體加固抗液化處理。通過(guò)往土體提供脲酶微生物生長(zhǎng)所需的特定培養(yǎng)基，成功原位激發(fā)富集了耐堿和耐高鹽的土著脲酶微生物。通過(guò)進(jìn)一步注入礦化液來(lái)誘導(dǎo)碳酸鈣原位沉積，土體的圓錐靜力觸探阻力有了明顯的提高。利用原位激發(fā)富集土著脲酶微生物進(jìn)行MICP處理的方法，既解決了碳酸鈣分布不均的問(wèn)題，又降低了微生物的培養(yǎng)成本。同時(shí)，該方法避免了引入外來(lái)菌種，有效降低了傳統(tǒng)MICP方法對(duì)土體的原生環(huán)境的干擾。

Gomez等（2015）在加拿大的不列顛哥倫比亞省進(jìn)行了小面積（約7.5 m2）的現(xiàn)場(chǎng)抗風(fēng)蝕實(shí)驗(yàn)。這項(xiàng)工程重點(diǎn)是固定地表松散砂顆粒和提高松散砂土的抗風(fēng)蝕能力，為未來(lái)沙漠綠化和揚(yáng)塵治理提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。研究結(jié)果表明，低濃度礦化液（0.125 M CaCl2）的處理效果優(yōu)于中、高（0.25~0.5 M CaCl2）濃度。同時(shí)，通過(guò)進(jìn)一步工藝優(yōu)化，MICP可以用于更大的現(xiàn)場(chǎng)處理。

Cuthbert等（2013）嘗試?yán)肕ICP技術(shù)修復(fù)了地表下巖石裂隙，有效降低了破裂巖石的滲透性。Cuthbert等（2013）將細(xì)菌固定于縫隙后注入礦化液，促進(jìn)碳酸鈣在裂縫內(nèi)沉積，經(jīng)過(guò)17小時(shí)的處理，生成了750 g的碳酸鈣，導(dǎo)致單個(gè)裂縫在單位面積上的透水性明顯降低。Phillips等（2016）利用傳統(tǒng)的油井下流體輸送技術(shù)，將脲酶菌與礦化液輸送到距地表340.8 m的深層砂巖裂隙中進(jìn)行生物礦化。相比于處理前，處理后的裂縫的滲透性明顯降低（流速?gòu)?.9 L/min降到了0.47 L/min），巖石的抗破裂性能也得到了提升。結(jié)果表明，MICP技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)中能有效地修復(fù)深層巖石裂縫降低其滲水性。

5 MICP技術(shù)工程應(yīng)用挑戰(zhàn)

現(xiàn)階段，將MICP技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際工程之前仍有許多工程科學(xué)問(wèn)題亟待解決，例如工藝技術(shù)成本、工程質(zhì)量（均勻性）控制以及生態(tài)環(huán)境影響等方面。傳統(tǒng)的MICP技術(shù)在細(xì)菌培養(yǎng)、礦化液的制備等方面成本較高，難以大規(guī)模的工程應(yīng)用。因此，利用天然產(chǎn)物制備MICP所需的原料是提高M(jìn)ICP技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性的方法之一。一方面可以利用刀豆、大豆、西瓜籽等植物種子提取脲酶代替微生物進(jìn)行礦化反應(yīng)。目前來(lái)說(shuō)，制備純化脲酶步驟繁多、工藝復(fù)雜，使用商業(yè)高純度脲酶的成本是微生物的50倍（Ivanov et al., 2019b）。因此，急需尋找一種簡(jiǎn)易、經(jīng)濟(jì)的方法能夠從植物種子內(nèi)大規(guī)模提取滿(mǎn)足工程應(yīng)用所需的脲酶。另一方面，生物礦化所需的尿素和鈣源可以利用天然原料來(lái)代替工業(yè)化學(xué)原料，如：動(dòng)物尿液、海水、石灰石、鈣鎂白云石等。Lambert 和Randall（2019）利用滅菌后的尿液作為尿素原料制備生物磚。Choi等（2017）利用木質(zhì)纖維素?zé)崃呀猱a(chǎn)生的醋酸溶解石灰?guī)r粉末制備MICP反應(yīng)所需的鈣源。上述方法在降低MICP技術(shù)成本上做了初步的嘗試，但在大規(guī)模工程應(yīng)用的可行性方面還需進(jìn)一步展開(kāi)研究。

現(xiàn)有研究結(jié)果表明大范圍土體MICP加固處理容易造成加固強(qiáng)度的分布不均勻（van Paassen et al., 2010）。其主要原因是微生物（脲酶）土體內(nèi)部不均勻分布從而導(dǎo)致其所誘導(dǎo)的碳酸鈣不均勻沉積。因此，優(yōu)化注漿工藝是關(guān)鍵。Cheng等（2019）提出的低pH一相注漿是一種有效提高微生物及碳酸鈣均勻性的新工藝，但在實(shí)際工程施工過(guò)程中如何精確調(diào)控混合注漿液pH值還需進(jìn)一步開(kāi)展研究。

基于尿素水解反應(yīng)的MICP技術(shù)在應(yīng)用過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量NH4+，并且在堿性條件下NH4+會(huì)轉(zhuǎn)化成可揮發(fā)性氨氣（NH3）。這是MICP技術(shù)未來(lái)大規(guī)模應(yīng)用于實(shí)際工程時(shí)最亟待解決的環(huán)境問(wèn)題。由于MICP反應(yīng)處于堿性環(huán)境（pH=9.0~9.4），尿素水解的副產(chǎn)物NH4+有大部分會(huì)轉(zhuǎn)化為NH3釋放到環(huán)境中。通常認(rèn)為，當(dāng)空氣中的NH3高于10 μg/m3時(shí)就會(huì)對(duì)人體有很大危害（Anker et al., 2018）。據(jù)估算，如果將基于尿素水解過(guò)程的MICP技術(shù)應(yīng)用于1000 m3的大壩的裂縫修復(fù)，產(chǎn)生的有害氣體（NH3）將會(huì)污染大約100 km3大氣（Ivanov et al., 2019b）。因此，需要一種能替代尿素水解的、可減少NH4+（或NH3）排放或零排放的、更加環(huán)境友好的生物礦化工藝，如生物誘導(dǎo)鳥(niǎo)糞石（MAP）沉積（董博文等, 2020）、反硝化誘導(dǎo)生物礦化（Zhu et al., 2019）、生物誘導(dǎo)磷酸鈣鹽沉積（Ivanov et al., 2019a）、微生物氧化誘導(dǎo)碳酸鈣沉積（Ivanov et al., 2019c）等。除此之外，利用嗜酸性脲酶乳酸菌（如：發(fā)酵乳桿菌）也是一種潛在的解決方案。這是由于嗜酸性脲酶乳酸菌的最優(yōu)pH一般是3~6，尿素水解會(huì)接近于中性的環(huán)境下發(fā)生。中性環(huán)境下僅有0.4%~1.0%的氨氣轉(zhuǎn)化率（Emerson et al., 1975），也就是大量的副產(chǎn)物NH3以銨根離子（NH4+）的形式存在于水中，減少了NH3排放。但是，環(huán)境中的酸堿性會(huì)影響碳酸鈣的沉積，所以能否克服中性環(huán)境對(duì)碳酸鈣沉積的抑制作用，是嗜酸性脲酶乳酸菌能否用于生物礦化的關(guān)鍵。

6 結(jié)論

本文講述了利用MICP技術(shù)提高土體性能的相關(guān)研究進(jìn)展，通過(guò)多個(gè)角度說(shuō)明MICP在巖土工程、水利工程等多個(gè)領(lǐng)域內(nèi)有著廣泛的應(yīng)用前景。與傳統(tǒng)的土地改良技術(shù)相比，基于碳酸鈣沉淀機(jī)制的MICP技術(shù)具有干擾小、施工較為簡(jiǎn)單、工期短等優(yōu)勢(shì)。在許多現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中，MICP已經(jīng)充分展示了其在大范圍工程實(shí)施中的可行性、高效性以及一定的經(jīng)濟(jì)性，可用于軟土地基加固、邊坡穩(wěn)定、揚(yáng)塵治理、海岸防護(hù)、裂縫修復(fù)等。然而，從目前發(fā)展來(lái)看，想要真正地應(yīng)用MICP技術(shù)于工程實(shí)踐中仍然面臨著許多挑戰(zhàn)：（1）細(xì)菌培養(yǎng)成本高；（2）大范圍工程難以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度的均勻性；（3）尿素水解產(chǎn)物NH3的大量排放會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題?？傮w來(lái)說(shuō)，MICP技術(shù)在諸多應(yīng)用方面已經(jīng)被證明具有潛在可行性，下一階段需要更多的科研工作者們一同努力去克服實(shí)際工程應(yīng)用所將遇到的諸多挑戰(zhàn)。