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方法文章

通过浸入法利用微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）改良砂土

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DOI：

10.3791/60059

⸱

2019年9月12日

 ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Civil & Environmental Engineering, Jackson State University, 2School of Civil Engineering and Architecture, Chongqing University of Science and Technology, 3Department of Civil & Architectural Engineering, Tennessee State University

本文内容

摘要

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。

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：

尿素水解反应方程式，CO(NH₂)₂ + 2H₂O → 2NH₄⁺ + CO₃²⁻，化学反应式。

化学反应方程式：Ca²⁺ + CO₃²⁻ → CaCO₃(s)↓；沉淀示意图。

沉淀的 CaCO3 可将沙粒粘结在一起，从而改善经微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）处理后土壤的工程特性。MICP 技术已应用于多种领域，如提高土壤的强度和刚度、修复混凝土以及环境修复9,10,11,12,13,14,15。

Zhao 等16 开发了一种浸渍法用于制备微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）处理的样品。该方法采用由土工布制成的全接触柔性模具。沉淀生成的CaCO₃3 在MICP处理的样品中均匀分布。Bu等17 开发了一种刚性全接触模具，用于通过浸渍法制备经微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）处理的梁状样品。采用该方法并使用刚性全接触模具制备的MICP处理样品可形成理想的梁状结构。将MICP处理后的样品均分为四段，并检测碳酸钙（CaCO₃）含量3 含量进行了测定。CaCO₃3 含量按重量计为8.4 ± 1.5%至9.4 ± 1.2%，表明CaCO₃3 通过浸渍法处理的MICP样品中，碳酸钙分布均匀。这些经MICP处理的样品也表现出更优的力学性能。经MICP处理的生物试样达到了950 kPa的抗弯强度，与20–25%水泥处理样品（600–1300 kPa）相当。Li et al.10 将随机分布的离散纤维添加到砂土中，并采用MICP浸入法对土壤进行处理。他们发现，通过添加适量纤维，MICP处理土体的抗剪强度、延性和破坏应变均显著提高。

MICP的浸入法已得到持续改进10,16,17。该方法可用于制备经MICP处理的土壤样品以及经MICP处理的预制建筑材料，如砖块和梁。已开发出不同几何尺寸的样品制备模具。在MICP处理的样品中添加了纤维以增强其性能。本详细方案旨在记录MICP处理的浸入方法。

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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

  1. 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）。
    1. 将各成分分别进行高压灭菌。
    2. 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。
    3. 灭菌后使用磁力搅拌器将各组分混合均匀。
  2. Sporosarcina pasteurii 的扩增培养步骤
    注意：本实验使用 50 mL 离心管。
    1. 将冻存的菌种小瓶置于室温下解冻。
    2. 打开小瓶。
    3. 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。
      注意：冷冻干燥过程中使用的冷冻保护剂可能抑制初始培养管中菌体的生长。离心管盖应略微拧松，以维持好氧条件。
    4. 将所有离心管置于摇床中，在 30 °C、200 rpm 条件下培养 48 至 72 小时。若培养 48 小时后培养基已变浑浊，则停止培养；否则继续培养至最长 72 小时。
    5. 将含有菌体和培养基的离心管在 4,000 × g 条件下离心 20 分钟。
    6. 弃去上清液，加入 25 mL 新鲜培养基，并使用涡旋振荡器充分混匀。
    7. 重复步骤 1.2.3–1.2.6 两次，以充分激活菌体活性。
    8. 取步骤 1.2.7 所得菌悬液，按 1:100 的接种比例接种至更多含有 25 mL 培养基的离心管中，以扩大菌体培养规模。
    9. 将所有离心管置于摇床中，在 30 °C、200 rpm 条件下培养 48 小时。
    10. 将含有菌体和培养基的离心管在 4,000 × g 条件下离心 20 分钟。
    11. 弃去上清液，加入新鲜培养基，并使用涡旋振荡器充分混匀。
    12. 在进行 MICP 实验前，使用新鲜培养基调节菌液浓度。通过分光光度计测定菌悬液在 600 nm 处的光密度（OD）来计算菌体浓度。本实验中 OD600 值为 0.6。

2. 黏结介质的制备

注意：胶结介质用于在微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）处理过程中提供诱导碳酸钙沉淀的化学物质。尿素与Ca2+的摩尔比为1:1。胶结介质的化学成分见表1。以下步骤用于配制20 L、含0.5 M Ca的胶结介质。

  1. 在塑料箱中准备 20 L 水。
  2. 将 200 g NH4Cl、60 g 营养肉汤、42.4 g NaHCO3、600 g 尿素和 1470 g CaCl2∙2H2O 溶解于 20 L 蒸馏水中，用玻璃棒充分搅拌混匀。

3. 模具的制备

  1. 全接触柔性模具（FCFM）的制备
    注：全接触柔性模具由土工布制成。该土工布的握持抗拉强度为 1,689 N，梯形撕裂强度为 667 N，表观孔径为 0.15 mm，透水速率为 34 mm/s，厚度为 1.51 mm，单位面积质量为 200 g/m2。模具尺寸可根据所需试样尺寸进行调整（例如无侧限抗压强度试验试样或直接剪切试验试样）。
    1. 由于 FCFM 包括环形部分、底部和盖子，需将土工布裁剪成 FCFM 的各个组成部分。
    2. 如图 1所示，将 FCFM 的三个部分缝合在一起。
  2. 生物砖刚性全接触模具（RFCM）的制备
    注：刚性全接触模具由柔性层和刚性支架组成。柔性层采用与 FCFM 相同的土工布材料。刚性支架由聚丙烯穿孔板制成，其上分布有直径为 6.35 mm 的交错孔，相邻孔之间的净距为 9.53 mm。一个模具包含三个腔室，每个腔室的尺寸为长 177.8 mm、宽 76.2 mm、高 38.1 mm。RFCM 的尺寸可根据不同试样尺寸进行调整。刚性支架上的孔允许胶结介质自由通过柔性层。
    1. 准备用于刚性支架各部件的聚丙烯穿孔板。
    2. 使用塑料螺钉和螺母组装刚性支架的各个部件。
    3. 准备土工布柔性层的各个组成部分。柔性层包括底部和盖子。
    4. 将柔性层的底部固定在刚性支架内。
    5. 当砂料加入模具后，盖上柔性层的盖子，并在砂样顶部进行缝合固定，如图 2所示。
  3. 空心砖模具的制备
    注：空心砖模具包括刚性支架、柔性层和纸管。纸管尺寸为 60 mm × 140 mm × 60 mm。一个模具包含三个腔室，每个腔室的尺寸为长 177.8 mm、宽 76.2 mm、高 38.1 mm。
    1. 准备用于刚性支架各部件的聚丙烯穿孔板。
    2. 在刚性支架底板上钻孔，孔径为 61 mm。各腔室内孔的位置如图 3a所示。
    3. 使用塑料螺钉和螺母组装刚性支架的各个部件。
    4. 将纸管安装在刚性支架底部的钻孔中。
    5. 准备土工布柔性层的各个组成部分。柔性层包括底部和盖子，且在与纸管对应的位置也需开孔。
    6. 当砂料加入模具后，盖上柔性层的盖子，并在砂样顶部进行缝合固定，如图 3b所示。

4. 批式反应器的准备

注意：如图4所示，反应器由一个塑料箱、胶结介质、用于支撑样品的支架以及空气泵组成。通过该方法，土壤样品可完全浸没于胶结介质中，同时胶结介质可自由扩散进入土壤样品。反应器中的空气泵为细菌提供氧气。为确定不同供氧条件对由Sporosarcina pasteurii催化的微生物诱导碳酸盐沉淀（MICP）处理效果的影响，Li 等人201718在三种不同条件下进行了对比试验：充气条件、限气条件和开放空气条件。他们发现，充足的氧气供应对于提升好氧细菌催化的MICP过程至关重要。

  1. 使用塑料软管将空气泵与气源连接。
  2. 将空气泵放入塑料盒中。
  3. 向塑料盒中倒入固结介质。

5. 土壤样品的制备

  1. MICP处理土样的制备
    注意：实验中使用渥太华砂（99.7%石英）。该砂为均质砂，中值粒径为0.46 mm，不含细颗粒。根据统一土壤分类系统（USCS），其被归类为级配不良砂。
    1. 采用气流雨法（FCFM、RFCM、空心砖模具）将干砂加入模具中，以达到中等密实状态（Dr 范围约为42–55%，干密度范围为1.58–1.64 g/cm3）。
      注意：砂的质量根据模具类型不同而有所变化：用于无侧限抗压强度（UCS）测试样品的砂质量为145 ± 5 g，样品尺寸为直径38.6 mm、高76.2 mm。
    2. 将盖子覆盖在样品顶部，并通过缝合固定。
    3. 将具有固定光密度值的菌液通过透水性土工织物盖层注入样品中，确保样品完全饱和。
      注意：菌液用量因样品类型而异：直径38.6 mm、高76.2 mm的UCS测试样品需使用50 mL菌液。
    4. 将样品放置在样品支撑架上，如图5a所示。
    5. 将整个支架浸入装有胶结液的批量反应器中。
    6. 开启气源，调节空气输出量以维持100%空气饱和度。静置7天以完成MICP反应。
    7. 从反应器中取出样品，如图5b所示。
    8. 通过切割全接触柔性模具或脱除刚性夹具后，再切割柔性层，将样品取出。
    9. 用水清洗样品，以去除孔隙中的残留溶液。
    10. 将样品置于105 °C烘箱中干燥48小时，直至其质量保持恒定。烘干后可对样品进行进一步测试或处理。
  2. 纤维增强MICP处理土样的制备
    注意：本实验中使用合成纤维（见材料表）和天然棕榈纤维，如图6所示。
    1. 对于合成纤维，将预定含量的纤维与900 g干砂分小批次手工混合，以获得均匀混合物。本实验中纤维含量固定为干砂质量的0.3%。
    2. 对于天然棕榈纤维，将760 g砂均分为四份。在RFCM中交替加入这四份砂和三层纤维。
    3. 重复步骤5.1.2—5.1.10的相同操作流程，以获得MICP处理样品。
  3. 生物表面处理水泥砖的制备
    注意：本实验中使用比重大为3.15的I/II型波特兰水泥作为水泥处理样品的胶结剂。该水泥早期强度发展较快，允许养护时间范围为7至21天。本步骤中水泥添加比例为干砂质量的10%。
    1. 将900 g砂、90 g水泥和200 mL水混合，形成均匀混合物。
    2. 将混合物加入刚性模具中。刚性模具尺寸为长177.8 mm、宽76.2 mm、高38.1 mm。
    3. 在100%恒定湿度和25 °C恒定温度条件下养护7天。
    4. 将样品置于105 °C烘箱中干燥48小时，直至其质量保持恒定。
    5. 重复步骤5.1.3—5.1.8的相同操作流程。
    6. 将样品置于105 °C烘箱中干燥48小时，直至其质量保持恒定。烘干后可对样品进行进一步测试或处理。

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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

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
氯化铵，>99%Bio-world40100196-3 (705033)
硫酸铵Bio-world30635330-3
二水合氯化钙，>99%Bio-world40300016-3 (705111)
营养肉汤Bio-world30620056-3
碳酸氢钠，>99%Bio-world41900068-3 (705727)
Sporosarcina pasteurii美国模式培养物集存库ATCC 11859
合成纤维FIBERMESHFibermesh 150e3
Tris碱，生物技术级，>99.7%Bio-world42020309-2 (730205)
尿素，USP级，>99%Bio-world42100008-2 (705986)
酵母提取物Bio-world30620096-3 (760095)

参考文献

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