本文介绍了通过浸入法利用微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）技术来改善土壤性质的方法。
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本文内容
摘要
摘要
本文旨在开发一种浸没法，以改善经微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）处理的样品。通过组装批量反应器，将土样浸入胶结介质中，使胶结介质在批量反应器中自由扩散进入土样，而无需注入胶结介质。采用全接触柔性模具、刚性全接触模具和芯砖模具制备不同类型的土样容器。选用合成纤维和天然纤维对MICP处理后的土样进行增强。测量了MICP处理样品不同区域中沉淀的CaCO3含量。CaCO3分布结果表明，采用浸没法可使沉淀的CaCO3在土样中均匀分布。
引言
作为一种生物岩土改良技术，微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）能够改善土壤的工程特性，已被用于提高土壤的强度、刚度和渗透性。该技术在全球范围内受到了广泛关注1,2,3,4。碳酸盐沉淀可自然发生，也可由土壤环境中固有的非致病性微生物诱导产生5。MICP 的生物地球化学反应依赖于产脲酶细菌、尿素以及富含钙离子的溶液的存在5,6。Sporosarcina pasteurii 是一种具有高度活性的脲酶，可催化反应网络，促进方解石的沉淀7,8。尿素水解过程产生溶解态的铵离子（NH4+）和无机碳酸根离子（CO32-）。碳酸根离子与钙离子反应，生成碳酸钙晶体沉淀。尿素水解反应如下所示：
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方案
注意：以下实验步骤中使用的所有相关材料均无危害性。但仍需佩戴个人防护装备（护目镜、手套、实验服、长裤、封闭式鞋子）。
1. 细菌溶液的制备
- 培养基的制备（NH4-YE 培养基）
注意：每升去离子水中的培养基成分为：20 g 酵母提取物；10 g (NH4)2SO4；以及 0.13 M Tris 缓冲液（pH 9.0）。- 将各成分分别进行高压灭菌。
- 将 20 g 酵母提取物和 10 g (NH4)2SO4 溶解于含有 0.13 M Tris 缓冲液的 1 L 去离子水中。
- 灭菌后使用磁力搅拌器将各组分混合均匀。
- Sporosarcina pasteurii 的扩增培养步骤
注意：本实验使用 50 mL 离心管。- 将冻存的菌种小瓶置于室温下解冻。
- 打开小瓶。
- 取 0.1 mL 菌液转移至含有 10 mL 新鲜培养基的离心管中，手动充分混匀（接种比例为 1:100）。另准备 5 个离心管，分别加入菌液与新鲜培养基进行相同操作。另设一个对照管，仅加入 10 mL 新鲜培养基。
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结果
图7展示了经MICP处理的样品中沉淀CaCO3的分布情况。将MICP处理后的样品分为三个不同区域，采用酸洗法测定各区域的CaCO3含量。为溶解沉淀的碳酸盐，将干燥的MICP处理样品置于0.1 M HCl溶液中洗涤，随后冲洗、沥干，并在烘箱中干燥48小时。样品酸洗前后质量的差值即视为MICP处理样品中沉淀碳酸盐的质量。CaCO3含量以样品质量的百分比表示。采用浸没法处理的MICP样品中，CaCO3含量介于9.0%至9.5%之间。结果表明，沉淀的CaCO3在整个土样中分布均匀。而Martinez等2013年19在实验室中采用注入法对50 cm长的砂柱进行了试验，发现方解石在MICP处理的砂柱中分布不均，大部分方解石沉淀集中在进水端附近，阻碍了砂柱 deeper 区域的胶结反应。
通过四点弯曲试验测得的三层棕榈纤维增强生物砖与未增强生物砖的应力-应变曲线如
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讨论
本文介绍了通过浸入法进行的微生物诱导碳酸盐沉淀（MICP）技术。在MICP过程中，将土样浸入批量反应器中，使其完全渗透胶结介质。该方法采用全接触柔性模具、刚性全接触模具和芯状砖形模具来制备经MICP处理的样品。
可根据不同的几何要求设计不同类型的模具。土工布的纤维结构增大了砂土与胶结介质之间的接触面积，有效促进了胶结介质向土样内部的渗透。土工布具有大量孔隙，也有利于在模具内部生成更多的碳酸钙沉淀，从而提高微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）处理后试样的强度。采用这些模具进行浸没法处理，可显著改善MICP处理试样的土体性质，如强度和方解石含量。浸没法在制备预制建筑材料（如生物砖和生物空心砖）方面具有优势。可在土体中添加合成纤维或天然纤维，以增强MICP处理后的试样性能。添加纤维是改善预制型MICP处理材料的有效方法。结合浸没法的MICP技术可用于水泥处理砖块的表面改性，以提升其性能，例如通过降低渗透性来增强水泥处理材料的耐久性。然而，由于操作上的限制，该浸没法在野外现场应用较为困难，未来仍需开展相关研究，以实现该方法在实际工程中的现场应用。
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披露
我们没有需要披露的内容。
致谢
本工作由美国国家科学基金会资助项目（编号：1531382）和 MarTREC 支持。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 氯化铵，>99% | Bio-world | 40100196-3 (705033) | |
| 硫酸铵 | Bio-world | 30635330-3 | |
| 二水合氯化钙，>99% | Bio-world | 40300016-3 (705111) | |
| 营养肉汤 | Bio-world | 30620056-3 | |
| 碳酸氢钠，>99% | Bio-world | 41900068-3 (705727) | |
| Sporosarcina pasteurii | 美国模式培养物集存库 | ATCC 11859 | |
| 合成纤维 | FIBERMESH | Fibermesh 150e3 | |
| Tris碱，生物技术级，>99.7% | Bio-world | 42020309-2 (730205) | |
| 尿素，USP级，>99% | Bio-world | 42100008-2 (705986) | |
| 酵母提取物 | Bio-world | 30620096-3 (760095) |
参考文献
- Cheng, L., Shahin, M. A., Mujah, D. Influence of key environmental conditions on microbially induced cementation for soil stabilization. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering. 143 (1), 04016083-04016091 (2016).
- Whiffin, V. S., van Paassen, L. A., Harkes, M. P.
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重印与许可
