方法文章

使用定制3D打印模具制备和分析用于无侧限抗压强度测试的 Sporosarcina pasteurii 生物水泥砖块

DOI：

10.3791/68065

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2025年3月7日

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1Biology Department, United States Air Force Academy, 2United States Air Force Academy Life Sciences Research Center

本文内容

摘要

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Sporosarcina pasteurii 是一种尿素分解细菌，可将尿素分解为碳酸根和铵离子。碳酸根与钙离子结合形成碳酸钙，产生晶体结构，将周围颗粒固定在一起，从而生成生物水泥。本方案提供了一种便捷的方法，利用3D打印模具制备适用于抗压强度测试的生物水泥砖块。

摘要

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水泥是一种关键的建筑材料，广泛应用于全球各类建筑结构中，从住宅地基到历史纪念碑和道路工程。它是一种在全球范围内至关重要且储量丰富的材料。然而，传统水泥生产是人为大气二氧化碳（CO2）排放的主要来源之一，导致温室气体排放和气候变化。微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）是一种生物过程，其中尿素芽孢杆菌（Sporosarcina pasteurii）或其他细菌可生成强度与传统水泥相当的水泥材料，但生物水泥具有碳中和特性。这种通过MICP方法生产生物水泥的技术前景广阔，目前正受到多家企业、国家和研究团队的积极研究。本文所述方案采用定制设计、可重复使用的3D打印模具，对土壤或砂土进行渗流式MICP处理，制备出符合无侧限抗压强度测试标准要求的圆柱形砖块。这些独立自立、顶部带储液槽的模具便于对多个变量和重复样本进行并行测试。本方案详细阐述了尿素芽孢杆菌（S. pasteurii）介导的MICP反应过程，以及3D打印模具的制作、组装和使用方法，以生成生物水泥圆柱形砖块。

引言

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混凝土是全球建筑项目的主要建筑材料1,2。一项研究发现，水泥是全球消耗量第二大的材料，仅次于水3。每年水泥产量接近41亿吨4,5。传统水泥的生产、加工和应用每年导致全球约8%的CO2排放6。由于传统水泥生产需求量高且对环境具有显著破坏性，开发一种新型的碳中和胶结方法已成为实现全球可持续发展目标的首要任务7,8,9,10。

生物水泥化是指利用微生物产生水泥、粘合剂或可用于形成固体表面或结构的物质的过程1,11。目前研究最为明确的生物水泥化过程是利用尿素分解细菌沉淀碳酸钙，使颗粒相互连接形成坚硬的水泥状材料12

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方案

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所用试剂、设备和软件的详细信息见材料表。

1. 溶液与培养基的配制

  1. 脑心浸液（BHI）-尿素培养基（1 L）
    1. 使用天平称取37 g BHI粉末，加入1 L锥形瓶或烧杯中。
    2. 使用天平称取20 g尿素，加入同一含有BHI粉末的1 L锥形瓶或烧杯中。
      注意：切勿对含尿素的材料进行高压灭菌或添加漂白剂。尿素会分解为氨气，作为挥发性气体可能有害，并可与漂白剂反应生成有毒的芥子气。所有废弃物应按照机构的安全规程作为危险废物处理。
    3. 向含有BHI粉末和尿素的1 L锥形瓶或烧杯中加入1 L H2O。
    4. 混合后使用0.45 µm滤膜过滤灭菌，收集至已灭菌的锥形瓶或烧杯中。
  2. 胶结溶液（1 L）
    1. 使用天平称取20 g尿素，加入1 L锥形瓶或烧杯中。
    2. 使用天平称取10 g NH4Cl（氯化铵），加入同一含有尿素的1 L锥形瓶或烧杯中。
      注意：切勿对含氯化铵的材料进行高压灭菌或添加漂白剂。氯化铵会与氨气形成平衡，作为挥发性气体可能有害，并可与漂白剂反应生成有毒的芥子气。所有废弃物应按照机构的安全规程作为危险废物处理。
    3. 使用天平称取49 g....

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结果

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3D打印模具的构建过程如图1和图2所示。阳性结果应表现为从模具中取出后仍保持形状的砖块，经过3周干燥后，呈现为结构完整、可轻易用手操作且接触时材料损失极少的固体。如果砖块未形成固体，出现碎裂或在触碰或移动过程中发生明显材料脱落，则可能在培养基或培养物制备过程中存在操作错误。阳性与阴性砖块结果的示例如图3所示。

如图4所示，模具用于同时测试两种不同的基质：粗砂和细砂。根据本文所述的S. pasteurii方案，制备了四块粗砂砖和四块细砂砖，并对其进行无侧限抗压强度测试。以往关于使用S. pasteurii形成的生物水泥化土壤的无侧限抗压强度研究结果显示，其强度范围为48–12,400 kPa，具体数值取决于土壤或砂的类型以及S. pasteurii的脲酶活性1.......

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讨论

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关键步骤
该生物水泥化方案利用 S. pasteurii 通过微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）技术制备生物胶结圆柱形砖块 适用于无侧限抗压强度测试。无侧限抗压强度测试中最关键的因素之一是试样的形状和结构。应确保圆柱体试样顶部和底部平整，且试样高度尽可能接近3英寸；略高于3英寸优于略低于3英寸。由于砂/土在处理过程中会发生沉降，导致高度略有损失，因此建议在初始处理前将模具略微过量填充。在施加处理前，于砂/土顶部放置的金属丝网圈有助于均匀分布施加的溶液，并形成更平整的表面16彻底清洁模具、筛网和垫圈对于最大限度降低未来砖块交叉污染的风险至关重要。同时，清洁筛网或使用新筛网也非常重要，因为筛网会随着时间推移发生生物胶结或堵塞，若不及时清洁或更换，可能导致流速下降。13,17.

修改/故障排除

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披露

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作者声明无利益冲突。本稿件已获准公开发布。PA编号：USAFA-DF-2024-777。本文表达的观点仅为作者立场，不一定代表美国政府、国防部或空军部的官方立场或政策。

致谢

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

本材料基于美国空军学院和空军研究实验室在协议编号 FA7000-24-2-0005（MG）下资助的研究。尽管上述材料标注有版权，但美国政府有权为政府目的复制和分发其重印本。

....

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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
3D打印机StratasysObjet 30 V3Objet30 Pro V3.0 桌面型3D打印机
3D打印机材料StratasysOBJ-04066Rigur RGD450 模型材料
3D打印机材料StratasysOBJ-04020Sup 705 支撑材料
氯化铵Fisher ScientificA661-500其他品牌的氯化铵也可使用，生产厂家无关紧要
脑心浸液肉汤Millipore53286其他品牌的脑心浸液肉汤也可使用，生产厂家无关紧要
二水氯化钙VWR BDH9224其他品牌的二水氯化钙也可使用，生产厂家无关紧要
粗砂Ward’s470016-902特殊砂砾混合物与应力粘土
桌面水刀StratasysOBJ-01400用于3D打印件后处理的水刀系统
环氧树脂Gorilla Glue4200102GORILLA 环氧胶：环氧树脂，0.8 fl oz，注射器装，透明，浓稠液体
细砂SandtastikPLA25 亮白色儿童用细砂
垫片材料McMaster-Carr8525T65三元乙丙橡胶（EPDM），厚度1/16”
GrabCADStratasysGrabCAD3D打印机软件
磁铁K&J MagneticsD64-N52钕铁硼N52级磁铁
SolidWorks 2021Dassault SystèmesSolidWorks 2021CAD软件
Sporosarcina pasteurii菌株：ATCC 11859 / DSM 33
真空过滤杯 0.45µmVWR10040-450
钢丝网 1.5” 直径圆片McMaster-Carr2812T43钢丝网材料

参考文献

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  1. Xiao, Y., He, X., Zaman, M., Ma, G., Zhao, C. Review of strength improvements of biocemented soils. Int J Geomech. 22 (11), 03122001(2022).
  2. Hottle, T., et al. Environmental life-cycle assessment of concrete produced in the United States. J Clean Prod. 363

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重印与许可

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标签

3D MICP BHI

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