微生物诱导沉积碳酸钙提高产量的试验研究

贾强，陈晓瀚，孙增斌，邢建

（1.山东建筑大学土木工程学院，山东济南250101；2.山东建大工程鉴定加固研究所，山东济南250013）

微生物诱导沉积碳酸钙提高产量的试验研究

贾强1，陈晓瀚1，孙增斌2，邢建2

（1.山东建筑大学土木工程学院，山东济南250101；2.山东建大工程鉴定加固研究所，山东济南250013）

微生物灌浆封堵混凝土裂缝具有渗透性好、生成物性质稳定和结合性好等优点。微生物诱导碳酸钙沉积物的产量成为影响裂缝修复效果的重要因素。文章通过对比试验，研究了营养液浓度、钙源溶液种类、钙源浓度和尿素加入方式对微生物诱导碳酸钙产量的影响规律。结果表明：尿素溶液浓度为3 mol／L，钙源溶液采用硝酸钙浓度为2 mol／L，或氯化钙浓度为3 mol／L，单位体积溶液内碳酸钙沉淀物产量分别为0.11和0.12 g／mL；菌液中提前60 min加入尿素，10 min后碳酸钙的产量是不提前加入尿素产量的5.6倍，从而有效地提高了碳酸钙的早期产量，有利于实现裂缝的快速封堵；采用优化组的灌浆比未优化组的灌浆次数明显减少。

混凝土裂缝；碳酸钙；菌液

0 引言

微生物诱导生成碳酸钙的过程是由一系列复杂的生物化学反应组成的，一些嗜碱性的微生物利用自身产生的尿素酶将尿素分解为NH3和CO2，随着生成的氨数量的增加会引起周围环境pH值的升高，使CO2在溶液中以CO2－3的形式存在。此时如果细菌周围有C a2＋，细菌细胞中的带负电荷的有机单层膜就会不断地螯合C a2＋，引起碳酸钙晶体沉积［1－4］。1973年，Boquet等发现了自然中某些微生物可以利用自身的生命活动诱导碳酸钙沉积的现象［5］，此后国外的一些科研机构便不断投入到微生物诱导生成碳酸钙的机理和工程应用研究中。这种新型材料固化前粘性很低，借助负压可渗透到裂缝深处。利用微生物诱导生成的方解石等生成物性质稳定，与混凝土材料结合性好。修复后的混凝土材料抗酸、抗碱、抗渗、抗碳化和抗冻融循环等能力都得到了提高，不会因为材料老化而失效［6－7］。因此，利用微生物诱导矿物沉积技术与现行修复方法相比有着无可比拟的优越性。

该技术应用在混凝土裂缝的封堵和修复中，碳酸钙沉积物的产量成为影响修复效果的重要因素。Cacchio研究了不同微生物物种对沉积物成分的影响以及不同温度对细菌矿化能力的影响。在土壤中分离出了31种能够诱导碳酸钙沉积的细菌，将细菌分别放置于4、22和32℃的环境中，发现在32℃时，细菌的矿化能力最高［8］。Okwadha等研究了不同的微生物的浓度、尿素的浓度、C a2＋的浓度、温度和p H值对尿素酶活性的影响，发现这些因素通过对尿素酶活性的影响，进一步影响到微生物沉积碳酸钙的量［9］。王瑞兴等研究了不同的反应温度、p H值、钙源和C a2＋的浓度对沉积物的影响，以上参数变化都会影响到沉积物的形状，而这种形状变化关系到生成的碳酸钙的稳定性和强度［10］。黄琰等研究了C a2＋浓度、温度、p H值和N i2＋的浓度对巴氏芽孢杆菌诱导沉积方解石的影响，发现C a2＋浓度为0.0252 mol／L时诱导生成的方解石的产量最高，30℃时沉积生成的方解石产量最高，N i2＋的浓度为0.005 mol／L时，方解石的产量最高。p H值为8、9和10时，其产量较为接近［11］。钱春香对底物浓度、培养基浓度、细菌接种量和成核剂等因素进行了正交试验，提出了提高碳酸钙沉积量和单位体积产率的最优参数［12－13］。L i等研究了经突变后的巴士芽孢八叠球菌沉积碳酸钙的产率，试验将细菌进行NTG突变处理，筛选出处理后的细菌，分析发现经B－20突变的微生物沉积的碳酸钙的产量最高［14］。文章通过巴氏芽孢杆菌诱导沉积碳酸钙的对比试验，提出提高碳酸钙产率的方法，为封堵和修复混凝土裂缝提供技术支持。

1 微生物、营养盐和钙源溶液的制备

文中试验选用了巴氏芽孢杆菌（Bacillus pasteurii），培养基成分及含量为：20 g／L的酵母提取物、10 g／L的硫酸铵和10μ mol／L的氯化镍。另配制0.1 mol／L的NaOH溶液用来矫正p H值至9.0（最适宜巴氏芽孢杆菌生长繁殖的酸碱度）。培养过程包括：高温灭菌、接种、恒温振荡培养箱内培养、检验菌液所含酶的活性、取出菌液等步骤。培养时间设定为20 h，温度设定为30℃，为保证供给细菌充足的氧气，振荡床转速为200 r／min。每次可培养1.6 L菌液供试验用。

利用检测菌液电导率的方法检测菌液的酶活性，其原理是：巴氏芽孢杆菌产生的尿素酶可以将尿素分解为N H＋4和C O2－3，细菌产生的尿素酶越多活性越高，则单位时间内分解出的N H＋4和C O2－3越多，则溶液的导电能力越大。用移液枪吸取5 m L培养好的菌液加入到浓度为1.1 mol／L的尿素溶液45 m L中，测得5 min电导率仪的数值变化值。

文中试验为微生物尿素酶的分解提供原料的营养盐是尿素溶液，试验中选用了醋酸钙（C a（C H3COO）2·H2O）、硝酸钙（C a（N O3）2·4 H2O）和氯化钙三种钙源溶液。

2 碳酸钙产量试验

2.1 营养盐浓度对产量的影响

取酶活性1.75 m S／c m的菌液50 m L；取75 m l硝酸钙溶液和尿素的混合物，混合物中硝酸钙浓度为1 mol／L，尿素浓度分别为1、2、3、4和5 mol／L。将菌液掺入混合物中反应1 h后过滤称量碳酸钙沉淀物重量，每种浓度尿素重复试验5次，试验结果见表1。

表1 不同浓度尿素溶液碳酸钙产量／g

由表1可以看出，溶液尿素浓度达到3 mol／L时，碳酸钙沉淀物产量最高，浓度太高、太低都会影响碳酸钙沉淀物产量，这主要是由于尿素浓度低于3 mol／L时，随着浓度的提高菌液获得更多营养物质，因此酶化作用提高；而尿素浓度超过3 mol／L时，另一酶化产物在菌液中的过度积累，会直接抑制菌种的生长繁殖，削弱菌种的酶化作用，影响碳酸钙的沉积。

2.2 不同钙源溶液对产量的影响

取酶活性1.75 m S／c m的菌液50 m L；取75 m L不同钙源溶液和尿素溶液的混合物，尿素浓度为3 mol／L，钙源溶液分别选用醋酸钙、硝酸钙和氯化钙，浓度均为1 mol／L。将菌液掺入混合物中反应1 h后过滤称量碳酸钙沉淀物重量，每种钙源重复试验5次，试验结果见表2。

表2 不同钙源溶液碳酸钙产量／g

由表2可以看出，硝酸钙和氯化钙作为钙源溶液，碳酸钙沉淀物产量相当。醋酸钙的产量稍低。这是由于硝酸钙和氯化钙的溶解度相近，而醋酸钙的溶解度偏小造成的。

2.3 不同钙源浓度对产量的影响

取酶活性为2.0 m S／c m的菌液50 m L；根据不同钙源产率的试验结果，选取75 m L不同浓度（1、2、3、4和5 mol／L）的硝酸钙溶液或氯化钙溶液与3 mol／L浓度的尿素溶液的混合物。将菌液掺入混合物中反应1 h后过滤称量碳酸钙沉淀物重量，每种浓度的硝酸钙溶液或氯化钙溶液重复试验5次，试验结果见表3和4。

由表3和4可以看出，硝酸钙溶液和氯化钙溶液的浓度分别为2和3 mol／L时碳酸钙产量分别为14.1和15.1 g，换算成单位体积溶液的产量为0.11和0.12 g／m L，碳酸钙产量达到最大值。溶液浓度太高或太低都会降低其产量。这是因为最初的碳酸钙沉积在成核位点，方解石晶体将继续生长，这取决于C a2＋在细胞表面的结合。由于方解石母体逐渐生长得更厚，阻止了C a2＋与细胞表面的进一步结合，从而阻碍了微生物进一步诱导方解石的沉积。因此，过低或过高的C a2＋浓度并不能相应产生出较高的方解石产率。

表3 不同浓度硝酸钙溶液碳酸钙产量／g

表4 不同浓度氯化钙溶液碳酸钙产量／g

2.4 在菌液提前加入尿素对产量的影响

取酶活性为2.1 m S／c m的菌液50 m L；选取75 m L浓度为2 mol／L的硝酸钙溶液作为钙源溶液。取尿素13.5 g加入菌液（按钙源溶液3 mol／L浓度折算的重量），分成不提前加入、提前30和60 min加入菌液进行试验。将配好的菌液、尿素混合溶液与钙源溶液混合，记录80 min内碳酸钙沉淀物的产量分别见表5、6、7。

表5 菌液中不提前加入尿素时碳酸钙产量／g

尿素掺入菌液时间不同碳酸钙产量和反应时间关系曲线如图1所示。

由图1可以看出，三种条件下碳酸钙的最终产量是接近的，但菌液中提前加入尿素可以提高碳酸钙的早期产量，提前60 min加入尿素，10 min后碳酸钙产量是不提前加入尿素产量的5.6倍。这是因为菌液在与钙源溶液混合前可使尿素分解出大量的C O2－3离子，另外菌体还提供碳酸钙沉淀的成核地点，反应完成后扰动的减小更有利于碳酸钙的形成。这对于利用灌浆方法封堵混凝土裂缝具有重要意义：只有在较短时间产生大量碳酸钙沉淀才能在较短时间内封堵混凝土裂缝。

表6 菌液中提前30 min加入尿素后碳酸钙产量／g

表7 菌液中提前60 min加入尿素后碳酸钙产量／g

图1 不同尿素掺入时间碳酸钙产量和反应时间关系曲线图

3 微生物灌浆封堵混凝土裂缝的对比试验

文章进行了封堵混凝土裂缝的对比试验，混凝土试件通过预埋钢板的方法制作裂缝（如图2所示），裂缝深度为150 m m、宽度为1.5 m m。为使菌液、营养盐和钙源溶液充分混合产生化学反应，采用了医用输液器进行滴注的方法，其优点是可有效控制滴注速度。试验一组采用了优化试验的结果，与之对比组采用的是济南伟东新都地下室堵漏工程的参数［15－16］（此处称“未优化组”），具体取值见表8。每次灌注菌液160 m L（酶活性见表9），灌注硝酸钙溶液240 m L。为提高碳酸钙的产率，加入尿素的质量为43.2 g（按钙源溶液3 mol／L浓度折算的质量）。每间隔2 d进行一次灌浆，直至裂缝被完全封堵，灌浆次数见表8。

图2 混凝土试件裂缝的制作图

表8 对比试验的参数

表9 各批次菌液酶活性

由表8可以看出，优化组试验封堵裂缝的次数明显减少，说明优化后碳酸钙的产量明显提高。为了研究碳酸钙沉积在裂缝内的分布情况，将两组试件沿缝深方向横截面上切开（如图3所示），可以观察到靠近裂缝中央的碳酸钙较密实，而裂缝两端的碳酸钙沉积较少。两组试件碳酸钙分布相差不大。对优化组试件的碳酸钙沉积物的质量进行称量，得到沿裂缝深度方向的碳酸钙沉积量曲线如图4所示。

图3 试件沿裂缝深度方向截面图

图4 沿裂缝深度方向的碳酸钙沉积量曲线图

4 结论

经微生物诱导沉积碳酸钙的对比试验和微生物灌浆封堵混凝土裂缝的对比试验可知

（1）当尿素浓度达到3 mol／L时，碳酸钙沉淀物产量最高；采用硝酸钙为钙源，浓度达到2 mol／L时，或采用氯化钙为钙源，浓度达到3 mol／L，碳酸钙产量分别为14.1和15.1 g，换算成单位体积溶液的产量为0.11和0.12 g／m l，碳酸钙产量达到最大值。选取硝酸钙和氯化钙作为钙源溶液，碳酸钙沉淀物产量相当，而醋酸钙的产量稍低。

（2）提前60 min加入尿素，10 min后碳酸钙产量是不提前加入尿素产量的5.6倍，这对于利用灌浆方法封堵混凝土裂缝非常重要。在较短时间产生大量碳酸钙沉淀才能在较短时间内封堵混凝土裂缝。

（3）利用优化参数的微生物灌浆比未优化参数的微生物灌浆对提高碳酸钙产量效果显著，封堵裂缝的次数明显减少；对封堵后混凝土裂缝内的碳酸钙沉积量进行称量可知，靠近裂缝中央的碳酸钙较密实，而裂缝两端的碳酸钙沉积较少。

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（学科责编：吴芹）

The raising calcite yield experiment for bacteria induced precipitation

Jia Qiang1，Chen Xiaohan1，Sun Zengbin2，et al.
（1.School of Civil Engineering，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China；2.Shandong Jianda Institute of Appraisal and Retrofitting in Building Structures，Jinan 250013，China）

The remediation of concrete cracks by bacterially induced calcium carbonate deposition has advantages of high permeability，stable products and associatively.An important parameter for repair efficiency is the yield of calcite precipitated.The comparison experiments were performed to investigate the optimal parameters of raising calcite yield，which was selected to the comparison experiment of concrete cracks remediation by bacterially grouting.The results of the test show that when the CN2H4O solution concentration is 3%and the Ca（NO3）2 solution concentration is 2%，or the Cacl2solution concentration is3%，the calcium carbonate deposition of unit volume is0.11 g／ml or 0.12g／mlwhich reaches the highest yield.When the CN2H4O is added to the bacteria earlier，the quality of calcium carbonate deposition is 5.6 times which acquired in early stage.The comparison experiment of concrete cracks remediation by bacterially grouting shows that the group selected optimal parameters are with less grouting frequency.

concrete cracks；calcium carbonate deposition；bacteria

TU996

A

2015－04－17

山东省科技攻关计划项目（2012GSF12203）；教育部创新团队项目（IRT13075）

贾强（1970－），男，教授，博士，主要从事工程鉴定加固等方面的研究.E-mail：jiaqiang＠sdjzu.edu.cn

1673－7644（2015）05－0423－06