微生物诱导碳酸钙沉积研究与应用

张海丽，徐品品，冷立健，姚 池，温志友，刘数华，周文广

(1. 南昌大学 资源环境与化工学院和鄱阳湖环境与资源利用教育部重点实验室, 南昌 330031；2. 武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 430072;3. 美国爱荷华州立大学 生物经济研究所，爱荷华州 50011)

随着经济的快速增长，道路、桥梁、工民建设等基础设施需求量日趋增长，导致建筑材料的消耗也越来越多[1]，其中硅酸盐水泥作为主要建筑材料之一，已经广泛运用于各种基础设施的建设和维修中。硅酸盐水泥生产的“两磨一烧”工艺，消耗大量的自然资源[2]，其中能源消耗占全国总能源的40%，温室气体排放占全国总排放量的20%等[3]。环境友好型可持续建筑材料如生物水泥的开发已提上日程[4]。早在1973年，Boquet等[5]首次发现土壤微生物诱导碳酸钙沉淀(Microbial induced calcium carbonate precipitation, MICP)现象，自然界中大多数的微生物能通过自身的代谢活动生成胶结物质使颗粒之间发生胶结凝聚作用[6]，从而提高土壤的强度并降低其渗水性。

随着越来越多的国内外学者对MICP过程研究的不断深入，此技术逐步应用到各类工程领域。本文阐述了MICP机理及其过程的影响因素，评述MICP应用领域，为生物水泥技术研究提供参考。

1 MICP技术机理

MICP机制主要为微生物分解尿素诱导产生碳酸钙沉淀，该机制诱导生成碳酸钙的含量与尿素分解速率密切有关，利用化能异养型微生物(如脲酶菌UPB)分解尿素获取能量并产生氨和CO2，并在碱性环境下CO2溶于水形成碳酸根[13]：

(1)

该反应提高了周边环境的碳酸根浓度，在加入钙盐后析出无机矿物(碳酸钙)：

(2)

其中控制MICP工艺的机制包括：1)UPB进行代谢活动可以生成方解石晶体，且该晶体性能稳定；2)UPB可以调节方解石晶体与其他粒子结合方式，具有一定的胶结能力。图2为通过MICP工艺产生方解石晶体填满砂岩的示意图。

图1 微生物诱导碳酸钙沉淀过程示意图[11]

图2 MICP工艺产生方解石晶体填满砂岩示意图[13]

2 影响因素

2.1 微生物种类以及浓度的影响

生物矿化过程离不开细菌的作用，分离出具有矿化作用的细菌是必不可少的。Dhami等[14]从石灰性土壤中分离出6种芽孢杆菌，它们具有不同的形态，也有不同脲酶活性，将生成的碳酸钙沉淀进行分析，每种碳酸钙都有其特异性(如表1)。

MICP过程中，高细菌细胞浓度有利于增加尿素的水解速率与方解石含量[15]。因此，尿素水解速率与细菌浓度息息相关。细菌细胞为碳酸钙沉淀提供成核位点，所以成核位点的可用性对方解石沉淀是至关重要的[16-17]。由此可知，细菌浓度越大，胶结生成的碳酸钙沉淀越多。

表1 不同脲酶菌之间的差异[14]

2.2 钙源种类的影响

钙离子是MICP形成过程中不可或缺的重要环节，许多研究学者已经发现利用不同类型的钙盐诱导沉积的物理性能差异显著。Abo-El-Enein等[18]研究CaCl2、(CH3COO)2Ca和Ca(NO3)2作为钙源固结砂柱，结果分析得到，氯化钙固结砂的物理力学性能较优，而以硝酸钙作为钙源时有抑制细菌脲酶活性的作用。徐晶[19]和Zhang[20-21]等探讨了这3种不同钙源诱导制备生物水泥，实验结果表明，用(CH3COO)2Ca诱导制备的生物水泥的物理力学性能更优。以乙酸钙作为钙源进行胶结，能避免氯离子对钢筋的侵蚀，同时乙酸也能作为营养源被细菌所利用。此外研究发现不同类型的钙源，也会影响其诱导生成的晶体结构和大小。

2.3 脲酶活性的影响

彭劼等[22-23]利用巴氏芽孢细菌探讨了不同温度对MICP过程的影响。研究表明，不同温度下诱导的碳酸钙形态无显著差异，但对碳酸钙的生成速率有直接影响。高温环境或低温环境显著降低了细菌的酶活性，降低了碳酸钙的沉积量，其中，30 ℃是最适合的微生物诱导沉积的环境温度[24]。Stocks-Fischer等[25]通过脲酶米氏动力学来研究脲酶活性，结果表明，在较高pH值条件下，脲酶表现出较高的活性和对尿素的亲和力，有利于方解石的沉淀。

除了温度、pH值等外在因素会影响脲酶活性，还可以利用基因重组、诱导突变等技术改进微生物产脲酶的内在因素。Bachmeier等[26]利用重组技术提高微生物的产脲酶量，发现采用基因重组技术的微生物诱导产生的方解石沉淀显著增加。Achal等[27]用紫外光照射野生型菌株得到了表型变异体菌株，与野生型相比，变异体菌株的脲酶活性和方解石产量都最高。在今后研究中，将产脲酶细菌进行基因改造和诱导突变是提高方解石沉淀效率的方法之一。

3 应用研究现状

3.1 胶结砂柱

MICP技术在全球范围内引起了广泛关注，许多学者对其应用进行深入研究，Whiffin[28]在2004年就制备出微生物水泥，此后，Dejong等[29]经SEM观察和X射线衍射图谱证实胶结物质是碳酸钙沉淀。荣辉等[30]利用生物显微镜观察微生物胶结的全过程，随着胶结的进行，细菌浓度的降低以及可溶性钙被大量消耗。因而，在实验中需定期更换菌液和胶结液来保证微生物胶结持续性。

在当今能源匮乏情况下，微生物水泥的经济可行性也是一个急需解决的问题，利用乳制品行业的废弃乳糖母液、玉米浆和扁豆种子粉末等低成本的营养物质培养细菌并用来固化砂柱且胶结效果较好[31-33]。Choi等[34]利用蛋壳和乙酸制成的钙源取代化学级的钙源，但这种方法不适于大规模应用或不具有市场竞争力。在进一步研究中，Choi等[13]将木质纤维素进行快速热解产生木醋液，将其与采石场石灰石粉末反应制备可溶性钙源，并将该产物作为钙源在游离溶液中验证微生物诱导碳酸钙沉积过程，如图3所示，沉淀即为碳酸钙。之后进行砂柱实验，装置如图4。实验表明，使用石灰石和乙酸衍生物制备的钙溶液胶结的砂柱的性质，与使用试剂级CaCl2胶结的砂柱几乎一致。该方法能有效利用废弃含木质纤维素材料，具有可持续性和成本效益性。

图3 溶液中验证方解石沉淀[13]

3.2 固化土体

目前，大部分地基加固技术是利用机械能或人造灌浆材料对土壤进行物理化学处理，其中，化学灌浆技术是使用传统的胶凝材料进行加固，该方法可能导致地下水污染，土体性质改变，对环境危害也比较大[35]。然而，利用MICP技术能显著提高土体的强度，降低渗透性，具有高效、环保、经济的特点，已成为许多国内外科学家研究的热点。

图4 砂柱实验装置[13]

Canakcia[36]利用芽孢杆菌诱导处理当地富含有机物的土壤，该有机土壤的抗压强度相比对照组增加20%，提高了有机土的抗剪强度，降低了土壤的压缩性，表明该方法对有机土的改良也具有可行性。Harkes等[37]提出了一种加强细菌细胞在砂土中的固定和分布及提高脲酶活性的方法。实验过程中注入一种固定液(即高盐量的溶液)，此过程可以防止表面堵塞并得到均匀的强化效果。

3.3 混凝土裂缝修复

对于混凝土裂缝修复，有多种技术可供选择。但传统的修补材料存在污染环境和危害健康等不利因素，近30年来，利用MICP技术修复混凝土裂缝已经受到国内外研究者的广泛关注。1995年，Golrapudi[40]和Bang[41]首次将这种新技术引入环境友好型生物工艺来修复裂缝。Webster等[42]曾对历史建筑石材表面黑色硫酸盐壳用MICP过程进行清洁，对建筑石材的内部结构不产生影响。因此，利用MICP技术修复那些历史悠久、表面经岁月腐蚀的建筑物具有良好的应用前景。

图5 不同尺寸的土体砂基试验[39]

Choi等[43]通过人工制备圆柱形砂浆试样，将其劈裂成不同宽度的裂缝。经MICP修复的试样的渗水性明显降低，抗拉强度明显增强。Achal等[44]对70.6 mm的立方体砂浆的不同深度裂缝进行修复，修复深度可达27.2 mm。利用微生物修复技术能够将裂缝进行修复，修复的深度和宽度有限且修复效果与生成的碳酸钙含量是呈正相关的。Tittelboom等[45]发现在细菌培养中加入胶凝基质可以保护细菌不受环境影响，使碳酸钙沉淀在胶凝基质中，经处理后裂缝完全被填充。可见，微生物修复方法能与传统修复方法达到相同效果且不危害环境。

3.4 混凝土自修复

裂缝自修复技术指混凝土在外部或内部条件作用下，释放或生成新的物质自行封闭、愈合其裂缝[46]。混凝土出现裂缝，将产生昂贵的预防维修费，有研究者提出了混凝土自修复的概念，并验证了该理论的可行性。

Jonkers等[47]直接在水泥浆混合物中加入细菌孢子，细菌孢子能在水泥石中保持长达4个月的活性，细菌水泥石样本比对照产生更多的裂缝堵塞矿物质。在此基础上，Wiktor等[48]探究混凝土的愈合能力，其中，混凝土的自身水化作用可以修复0.21 mm的裂缝，细菌自修复混凝土则能愈合宽达0.47 mm的裂缝。随着裂缝宽度的增加，修复效果越差，如果开裂时间超过60 d几乎不能愈合[49]。

自修复混凝土中细菌的作用十分重要，Xu等[50]利用一种低碱胶凝材料作为细菌保护材料，可以长时间维持细菌活性，同时优化了载体、愈合剂和混凝土基体的相容性。图6-a是裂缝在水中修复的修复效果，图6-b是添加营养成分的混凝土裂缝修复效果，图6-c是在细菌孢子和营养成分共同作用下的裂缝修复效果。在混凝土中埋入该细菌自愈系统后，裂缝的愈合率接近100%。与普通砂浆相比，抗压强度恢复率提高130%，水密性提高50%。表明这种新型微生物自愈系统在延长混凝土寿命方面具有潜在的应用前景。

图6 不同胶结剂28 d的修复效果[50]

微生物自修复混凝土在出现裂缝后微生物能在表层沉积矿物，且与基体的相容性好。但是，该技术的运用也存在一些难点，首先，需要增强矿化微生物对生存环境的耐受性，延长其在混凝土中的存活和作用时间；其次，减少微生物对水分的依耐性，提升混凝土在空气或干燥环境中的修复效果；最后，提高微生物矿化沉积物在裂缝的填充深度和密度，降低微生物混凝土的费用。以上三点将是今后自修复混凝土需要克服的技术问题。

3.5 缓解温室效应

全球温室效应主要是由于CO2浓度升高，而导致大气中CO2浓度升高的原因主要是化石燃料的燃烧[51]、水泥生产[52]和大面积的砍伐森林。其中硅酸盐水泥制作过程需1450 ℃高温，需要大量能量，产生大量CO2，而MICP过程中微生物所需要的温度在20 ℃～40 ℃，能耗低。而且已经有研究者[53-54]发现可以利用微生物吸收和捕捉大气中的CO2来进行诱导沉积。

Ferris等[55]早在1994年发现自养型蓝藻细胞可以作为矿化岩壳中碳酸盐矿物的沉积位点，这一过程中，蓝藻细胞能够吸收大气中CO2合成无机碳，其增加了诱导沉积的环境碱度。Kaur等[56]探究了利用CO2代替尿素来进行生物碳酸盐沉淀，结果显示细菌碳化试样的抗压强度比对照组增加了117%。这些研究表明了某些微生物可以利用环境中的CO2进行MICP，不仅可以运用到可持续绿色建材的生产，又可以为缓解温室效应提供一种有效的途径。

4 结论

微生物水泥的运用相当广泛，可用于胶结砂柱、固化土体、裂缝修复、混凝土的自修复、处理土壤、吸收环境CO2等。微生物水泥作为新型建筑材料，在下一代的可持续发展建筑材料中将发挥重要作用，有以下优势：1)生产微生物水泥能耗显著降低。在20 ℃～40 ℃的环境温度下，可以利用微生物和无机试剂制得生物水泥，而传统水泥生产所需的温度高达1450 ℃。2)生产微生物水泥污染排放少。微生物水泥胶结过程不释放CO2等有害气体，而传统水泥煅烧过程中排放大量粉尘和废气，造成环境污染。3)微生物水泥基浆液的黏度远远低于硅酸盐水泥基灌浆，更容易注入地面或与土壤混合。4)微生物水泥粒径比硅酸盐水泥更小，更容易渗透到多孔材料(如土壤和混凝土)和密封细裂缝中，对其缺陷进行修复。

5 展望

MICP过程大规模运用到混凝土等行业还有很长的路要走，近期的主攻点：1)应用实践方面，生物胶结时间长达3～4周且对环境的要求很高，不利于MICP大规模运用。2)经济成本降低方面，生物水泥中微生物培养所需的营养物质和钙源能够从废弃物中获取，如乳制品行业的乳糖母液玉米浆、大豆种子粉末、尾矿石灰石粉末、鸡蛋壳等，但对废弃物的处理技术及获得理想目标产物需不断地完善。3)环境影响方面，经MICP处理后的废弃物中的氨氮含量高且尿素和钙盐残留较多，这是一个需要解决的问题。4)社会接受方面，无生物水泥标准，难以在市场上销售。5)技术瓶颈方面，对于微生物裂缝的修补，其修复的裂缝深度浅，微生物的存活难度大；对于细菌混凝土自修复技术，对加入的细菌孢子的包裹材料研发也是一大难点。