微生物地质工程技术及其应用

2022-01-13唐朝生泮晓华董志浩王殿龙程瑶佳

高校地质学报 2021年6期

唐朝生，泮晓华，吕超，董志浩，刘博，王殿龙，李昊，程瑶佳，施斌

南京大学地球科学与工程学院，南京 210023

21世纪是中国经济突飞猛进的时代，也是国家工程建设飞速发展的世纪。东西部协调发展战略的实施，国家上马了南水北调、西气东输、西电东送、青/川藏铁路、“八纵八横”高速铁路网络等一系列重大工程项目。与此同时，城市化进程的加快带动了大量城市间基础设施的建设。然而，大规模的基础设施建设对地质环境产生不可逆的扰动，导致大量的工程地质与环境问题，主要可概括为地震、构造活动、高地应力、强降雨、季节性冻融、高昼夜温差、人类工程活动附加荷载等单因素或者多因素耦合作用下引起的软弱岩土体发生大变形、破坏失稳，从而影响工程正常施工或者安全运营（伍法权, 2001）。对于地震、构造活动、高地应力等区域性不利因素，主要通过合理选址等措施进行规避；对于其他气候性或者局部工程活动等因素，往往需要选取合适的技术对工程范围内软弱岩土体进行降渗加固处理以满足工程建设和人类安全生产活动需要，比如东部及沿海地区软土地基加固、高寒地区冻土的抗冻融变形、黄土高原地区的防水土流失、工程岩质边坡节理裂隙岩体加固等。

传统岩土体加固方法主要是利用机械能、植被或者人造材料对岩土体进行物理/化学加固，取得了显著的防灾减灾成效，同时也存在一定的不足。机械能有强夯（刘建明和任佰俐, 2002）、真空预压（李明东等, 2020）等方法，主要用来处理软土地基，在施工过程中需要消耗大量的能源。植被措施常被用来防止水土流失（邹厚远等, 1985），然而植被生长需要一定周期性和季节性，并严重依赖水源。固化剂是为改性土体工程性质的人造土木工程材料，按照作用机理可分为离子类、无机类、有机类和生物酶类四大类（米吉福等, 2017），每一类固化剂都存在一些不足之处，例如离子类的抗水性能较差，无机类的环境负面影响较大，有机类的使用环境要求较高，生物酶类的使用寿命较短等。注浆是节理裂隙边坡岩体常用加固方法（冯志强等, 2005），注浆浆液主要包括水泥浆液和高分子化学浆液等人造材料，水泥浆液由于渗透性差往往只能对岩体表面起一定保护作用，同时其生产过程是一个高能耗、高污染的过程，高分子化学浆液因为成本高、有毒或者耐久性差等原因也未能得到大规模的应用（Naeimi and Haddad, 2020）。因此，节能减排、生态环保、经济高效的新型岩土体降渗加固技术研究是当前地质与岩土工程领域的重要命题，也是国家生态文明建设和经济社会高质量发展的重大需求。

近年来，基于自然界微生物生化过程的新型岩土体降渗加固技术在工程地质领域掀起了一股研究热潮，拓展了地质工程问题防治技术的范畴。本文将这类利用微生物生化过程来解决工程地质问题的技术称之为微生物地质工程技术。该类技术在近几年得到了非常快速的发展，积累了较多的文献资料。研究表明，微生物成矿作用、微生物产气作用以及微生物膜作用是其中三种能够被加以控制和高效利用的微生物生化过程。与传统加固方法相比，其具有粘性低、流动性好、渗透性强、反应速率和胶结强度可调控、环境污染少等优势，属于低能耗、低排放的绿色可持续技术（Mitchell and Santamarina, 2005; 钱春香等, 2015a; E Portugal et al., 2020）。因此，微生物地质工程技术作为一种基于自然的解决途径，未来将大有可为，是现代工程地质学科的重要发展方向。

本文基于大量文献的调研、归纳和分析，将首先围绕微生物地质工程技术概要介绍上述三种微生物生化过程的原理、岩土体降渗加固机理以及潜在的应用前景。在此基础上，重点对研究最多、应用最广的微生物成矿作用进行介绍，详细阐述其改良岩土体力学特性、渗透特性、抗侵蚀性等工程性质的机理和影响因素，并系统分析其在地基处理、岛礁建设、防风固沙、水土保持、抗裂防渗、文物保护以及地灾防治等领域的应用现状及前景。本文旨在提升地质工程工作者对基于微生物生化过程的这一新型岩土体降渗加固技术的认识，从而推动国内微生物地质工程技术的发展。

1 微生物地质工程技术

1.1 微生物成矿作用

微生物成矿作用是指微生物及其产生的物质通过与周边环境发生一系列生化反应而形成矿产的过程。常见的反应类型主要包括尿素水解作用、反硝化反应、铁还原反应、硫酸盐还原反应等，不同的反应所需的微生物种类和反应条件有所不同，最终成矿产物也有所不同。由于成矿产物通常具有良好的胶结性能，近些年来，基于上述反应类型的微生物成矿作用被广泛用于岩土体加固。

1.1.1 尿素水解作用

尿素水解是自然界土壤氮循环中很重要的一环（Xu et al., 1993），主要是通过产脲酶微生物水解尿素，其反应产物简单、生成转换效率高、反应速率可控。基于尿素水解的微生物成矿作用通常是利用一种自然界中广泛存在的、嗜碱性的、高产脲酶的巴氏芽孢杆菌（Sporosarcina pasteurii; Ferris et al., 1997），其诱导成矿作用过程如图1所示，主要可分为以下几个步骤（Stocks-Fischer et al., 1999）。

图1 产脲酶微生物水解尿素诱导成矿机理Fig. 1 Bio-mineralization mechanism related to urea-producing microorganism

（1）微生物吸附定植。将微生物通过一定手段注入到土体内部，一定时间后微生物吸附、定植于土体颗粒表面逐渐达到平衡，为之后的水解反应提供脲酶（李多, 2018）。

（2）尿素水解与诱导成矿。可溶钙与尿素的混合溶液注入到土体内部，微生物内外产生尿素浓度差，尿素分子通过细胞膜自由扩散至细胞内部，尿素与脲酶的活性位点相结合，被分解为二氧化碳和氨（如式1所示），随二者浓度的积累，内外浓度差再次形成，氨分子与二氧化碳排出细胞，在液体环境内不断电离形成碳酸根离子和铵根离子（如式2所示）。游离态的碳酸根离子与孔隙溶液中的钙离子结合，在细胞外形成碳酸钙（如式3所示）。由于脲酶菌表面呈负电性，能够作为成核位点吸附钙离子促进碳酸钙的形成（DeJong et al., 2010）。

（3）碳酸钙胶结。诱导生成的碳酸钙包裹土体颗粒表面、胶结土颗粒并充填孔隙，提高土体的整体性，宏观表现为力学性质的提高（钱春香等, 2015b）。

产脲酶微生物属于化能异养型微生物，目前最为广泛采用的是巴氏芽孢杆菌（Sporosarcina pasteurii;钱春香等, 2015b），其余的菌种还有巨大芽孢杆菌（Bacillus megaterium, BNCC336739; Nain et al., 2019），E.mexicanum（Bansal et al., 2016）等。目前对于微生物水解尿素诱导成矿的研究最为深入，研究领域也是最广的，在提高土体强度（Pan et al., 2020）、裂隙防渗堵漏（李津达, 2019）、砂土抗液化（刘汉龙等, 2018）、二氧化碳封存（Dupraz et al., 2009）、土体抗侵蚀（谢约翰等, 2019a, 2019b）、岩石抗风化（杨钻, 2013）、石质文物修复（谭谦, 2017）、重金属离子固化（王新花等, 2015）等方向均取得了一定的研究进展。

1.1.2 反硝化反应

反硝化反应也是自然界中氮循环的一种方式（Castanier et al., 2000）。微生物介导的反硝化反应产物通常只有二氧化碳、氮气和水，反应副产物简单、环保（Van Paassen et al., 2010a），能够避免因生成氨气而产生的负面环境效应，适合在环境要求较为严格的情况下使用。微生物反硝化诱导成矿过程中微生物的吸附定植与尿素水解反应一致，反硝化反应是微生物将醋酸盐和硝酸盐混合物中的硝酸根还原为氮气并生成二氧化碳，如式（4）所示。此反应过程中需不断消耗氢离子，提高了溶液的碱度，为碳酸钙的沉淀创造有利条件。相比于其他反应，反硝化作用的标准吉布斯自由能较高，因而其能够在缺氧环境下起到主导作用（Hamdan et al., 2011）。随后二氧化碳与水反应生成碳酸根，在钙离子的作用下析出具有胶凝作用的碳酸钙，碳酸钙对土体的固化作用与尿素水解的固化作用一致（Van Paassen et al., 2008, 2010a）。

反硝化微生物属于化能异养型，类型有兼性厌氧的脱氮假单胞菌Psedomonas denitrificans（Karatas, 2008）、Castellaniella denitrificans（Van Paassen et al., 2010a）、铜绿色假单胞菌Pseudomonas aeruginosa（Cunningham et al., 1991; Ranalli et al., 2000）等。目前反硝化反应诱导成矿已在砂柱固化、调节土体渗透性和孔隙率等方面取得了一系列成果，基于反硝化反应的生物气治理砂土液化也取得了一定进展。

1.1.3 铁还原反应

铁还原反应是基于铁还原细菌的一种诱导成矿反应，其反应主要是铁还原细菌利用厌氧微生物分解糖类产生的有机酸作为电子供体，不断消耗氢离子，将三价不溶铁化合物还原成二价可溶铁（Lovley, 1991），并产生碳酸根。而二价铁离子不稳定，易在生化作用下氧化生成氢氧化铁或碳酸铁等产物，进而能够固化土颗粒、提高土体力学性质、降低渗透性、改善抗液化性能等（Roh et al., 2006; Ivanov et al., 2010）。铁还原细菌反应原理如式（5）—式（6）所示（张浩男, 2019）。此类微生物范围较广，主要有Shewanella alga（Roh et al., 2006）、Shewanella putrefaciens（Zachara et al., 2002）、Stenotrophomonas maltophilia BK、Brachymonas denitrificans MK（Ivanov et al., 2005, 2010）等。

1.1.4 硫酸盐还原反应

硫酸盐还原菌广泛存在于土壤、海水等环境中，是典型的厌氧型微生物，能够在无氧条件下将石膏转换为碳酸钙（张浩男, 2019）。硫酸盐还原菌以有机酸等作为电子供体，将硫酸盐作为电子受体，在缺氧环境下产生二氢硫化物、二氧化碳等（Castanier et al., 1999），提高溶液环境的碱度，为胶结性的不溶物产生创造有利条件。硫化物与铁等金属阳离子反应形成不溶性的金属硫化物，碳酸根与钙离子等发生反应生成碳酸钙（Baumgartner et al., 2006），其反应原理如式（7）—式（8）所示。金属硫化物与不可溶碳酸盐共同作用充填土体孔隙，胶凝土颗粒，从而提高土体强度。硫酸盐还原细菌有Desulfovibrio desulfuricans（Neal et al., 2001）、D. vulgari等（戴永定,1994）。

1.2 微生物膜作用

生物膜是紧密附着于基质表面的微生物群落及其分泌物等的组合，由多层次的微生物细胞体、胞外聚合物(extracellular polymeric substance, EPS)以及其它具有吸附性的颗粒等组成（Cunningham et al., 1991）。其中EPS是由多糖和蛋白质组成的水合基质（Costerton et al., 1999）。生物膜能为群落提供结构性支撑，保护微生物不受外界物理、化学、生物等因素的影响，维持群落相对稳定的状态。从生物膜的生化结构特性来看，细胞体外聚合物EPS占生物膜有机体质量的50%~90%（Nielsen et al., 1997）。由此可知，即使微生物失活，生物膜中的EPS结构依然能够保持原状（Shaw et al., 1985）。在自然环境中，大部分微生物以生物膜的形式生存。

将生物膜引入地质工程领域主要是利用生物膜充填孔隙，从而降低渗透性，阻碍物质迁移，达到对土体渗透性进行控制的目的。生物膜的形成常分为以下几个步骤：（1）含休眠微生物的培养基通过一定方式注入土体内，并在土体内扩散、迁移；（2）随后注入生长物质激活休眠的微生物（Cunningham et al., 2007），随之胞外聚合物、鞭毛等结构在微生物表面形成，并被吸附到基质表面；（3）在生长物质等作用下，微生物逐渐恢复活性，吸附在基质表面的微生物逐渐生长繁殖，进而散播成生物膜群落（Rickard et al., 2003; 彭琳等, 2014）。生物膜的生长，减小了土颗粒之间的孔隙体积，阻碍了物质流动和运输，降低了地层渗透性（Cunningham et al., 2007）。以往研究表明，生物膜可以将饱和土体渗透性有效降低两个数量级或者更多（Proto et al., 2016; Greer, 2018; Roth and Caslake, 2019）。生物膜的形成及其引起的渗透率降低，与微生物诱导成矿提高土体强度具有一定的相似性（Blauw et al., 2009）。

生物膜技术已在荷兰HSL路基渗漏治理工程（张优龙和杨坪, 2014）、奥地利多瑙河河堤渗流封堵工程中得到了应用（Blauw et al., 2009）。Mitchell等（2009）研究了生物膜在二氧化碳封存领域的应用可行性。此外，该技术还在硝酸盐污染场地隔离与修复（Cunningham et al., 2003）、提高石油二次开采率（Shaw et al., 1985）等方面取得了一定的成果。

1.3 微生物产气作用

生物气是在一定条件下基于微生物反应产生的气体。生物气的产生与介质孔隙特性（Rebata-Landa and Santamarina, 2006）、微生物种群的生长速率等有密切关系，因此可以通过控制营养物质、环境温度等因素来控制细菌的活性和生物气的作用（Sills and Gonzalez, 2001）。在近地表土壤中最常见的生物产气反应包括微生物呼吸作用产生的二氧化碳（如式9），反硝化反应产生的氮气（如式4），有机物发酵产生的二氧化碳和氢气（如式10）以及甲烷（如式11）等（Rebata-Landa and Santamarina, 2012）。反硝化反应产生的氮气具有溶解度低，无毒性，不会引起温室效应等优点而被广泛采用（He and Chu, 2014）。

生物气通过微生物等反应作用产生，在土体内经历成核、生长、运移、聚结、俘获等过程，形成亚微米的气泡，散布在土体孔隙中（Rebata-Landa and Santamarina, 2006）。生物气的减饱和作用对土体孔隙中的流体具有显著影响，往往导致孔隙流体刚度降低，增加液体的循环阻力。由于气体易于压缩，可以增加孔隙空间的压缩性，并抑制在动、静荷载作用下孔隙水压力的累积，显著提高土体不排水抗剪强度（Rebata-Landa and Santamarina, 2012; He et al., 2014; O’Donnell et al., 2017; Pham, 2017），在相对较小的应变下获取更高的刚度和偏应力，从而降低其液化敏感性（Yegian et al., 2007; He and Chu, 2014）。

在其它领域，生物气技术在修复污染场地（Enouy et al., 2011）、提高石油资源开采效率（Bora et al., 2000）、改变地下沉积物的水文或力学特性（Rebata-Landa and Santamarina, 2012; He and Chu, 2014; O’Donnell et al., 2017; Van Paassen et al., 2017）、获取生物质能源（Weiland, 2010）等方面具有一定的应用前景。

2 微生物成矿加固土体工程性质

目前在微生物地质工程技术领域，普遍关注且应用前景最好的是微生物成矿作用，其中又以微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）研究最多、应用最广（Canakci et al., 2015; Choi et al., 2020; Yu et al., 2020）。微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）是利用微生物成矿作用在岩土体的孔隙、裂隙和颗粒表面上诱导生成具有胶结作用的碳酸钙沉淀，增强岩土体的胶结性、密封性和耐久性，改善其力学特性、渗透特性和抗侵蚀特性（Lin et al., 2020; Naveed et al., 2020; Yang et al., 2020a）。同时，微生物成矿作用对岩土材料的改善效果也取决于各种影响因素，例如细菌种类和浓度、温度、pH值、胶结液成分和浓度、土体性质、灌浆工艺等（Terzis and Laloui, 2019; Sani et al., 2020）。了解和研究微生物成矿作用加固土体工程性质以及影响因素可以增强对微生物成矿土体加固技术的认识，从而更好的改善和利用这一技术。

2.1 力学特性

近些年来，微生物成矿土体加固技术在改善土体力学特性方面取得了良好的效果，尤其是以巴氏芽孢八叠球菌为主的MICP土体加固技术广受青睐（张宽等, 2020）。通过MICP技术能够将松散的砂土体胶结成强度为几百kPa甚至几个MPa的整体，这给MICP技术带来了良好的工程应用前景。在MICP反应过程中，碳酸钙作为反应生成的胶结介质是决定土体改良效果的关键因素，其含量直接影响改良后土体的力学特性。图2为国内外不同研究团队得到的在MICP固化作用下砂土的无侧限抗压强度与碳酸钙含量之间的关系（Whiffin et al., 2007; Van Paassen et al., 2010b; Al Qabany and Soga, 2013; Cheng et al., 2013; Stabnikov et al., 2013; Zhao et al., 2014; Cui et al., 2017; Yang et al., 2020b）。从图中可以看出固化后砂土的强度与碳酸钙含量呈现出正相关关系，碳酸钙含量的增加能够有效提高土体无侧限抗压强度。除抗压强度外，经微生物矿化技术加固的土体其抗拉强度也能提升至几百kPa（Liu et al., 2019a），同时有研究表明经MICP技术改良后的砂土其抗剪强度能够增加约50%（Chou et al., 2011）。Montoya 和DeJong（2015）通过三轴剪切试验探究了不同MICP胶结水平下砂土抗剪强度的演化规律，发现峰值抗剪强度随胶结水平的增加而增大，且随着胶结水平的增加，固化后砂土体的应力—应变行为由应变硬化向应变软化转变。其他学者同样发现经过MICP处理后的砂土在三轴试验条件下抗剪强度增加（Yang et al., 2017; Nafisi et al., 2018, 2020; Wang et al., 2018a; Arboleda-Monsalve et al., 2019; Xiao et al., 2021）。经过MICP处理后的土体无论是发生压缩破坏还是剪切破坏，破坏后的土体仍然具有一定的强度，即相较于天然土，改良后土体的残余强度有所提升（DeJong et al., 2010）。考虑到MICP处理后土体呈明显的脆性破坏，因此近年来有学者将纤维加筋技术与微生物成矿土体加固技术相结合，使固化后土体的脆性行为得到了有效抑制，韧性得到了显著加强（Choi et al., 2016; LYU et al., 2020）。除此之外有研究表明经MICP固化后的砂土的抗液化能力得到明显增强（程晓辉等, 2013; 刘汉龙等, 2018）。刘汉龙等（2018）通过动三轴试验对微生物固化后砂土的动力学特性进行了探究，发现经MICP处理后的砂土动剪应力比和抵抗变形的能力得到明显提高，这主要是因为充填在砂颗粒间的碳酸钙使得土体的黏聚力和内摩擦角都有所增大。程晓辉等（2013）通过振动台模型试验验证了在尺度模型上MICP灌浆加固液化砂土地基的可行性，试验结果表明与传统液化地基加固方式相比，微生物灌浆加固砂土体在强震中的抗液化能力更强。

图2 MICP处理后砂土体的无侧限抗压强度和碳酸钙含量的关系Fig. 2 Relationship between unconfined compressive strength and calcium carbonate content of MICP-treated sand

由此可见，微生物成矿技术对土体力学特性的提升是全方位的，固化后的土体无论是抗压强度、抗拉强度、抗剪强度还是动力学特性都有所提升，而碳酸钙作为胶结介质在这其中扮演了关键角色。近些年来，众多学者针对微生物诱导碳酸钙沉淀土体改性技术进行了深入研究，讨论了菌液浓度和活性、胶结液成分和浓度、温度以及pH值等一系列因素对MICP改性后土体的力学特性的影响。究其本质这些因素是对微生物诱导生成的碳酸钙的含量、胶结特性、分布特性等产生了不可逆的作用，从而使得土体的力学行为发生改变。现有研究已经证明碳酸钙含量的增大对MICP改良土体的力学特性的提升十分显著（图2）。但是由于土体孔隙空间是有限的，因此一味的通过提高碳酸钙含量来达到改善土体力学特性的目的是不现实的，从图2中可以看出经MICP处理后的砂土中的碳酸钙含量均低于30%，而在改性后的粉土或黏土中碳酸钙含量则更低。

实际上除碳酸钙含量之外，碳酸钙在土颗粒间的有效胶结程度以及在土体中的均匀分布程度也是改善土体力学特性的关键（DeJong et al., 2010）。DeJong等（2010）通过观察MICP改良后的土体中土颗粒和碳酸钙之间的接触关系发现大部分碳酸钙都沉淀在土颗粒相互接触处，这一现象可以从生物行为以及过滤原理进行解释，但是并非所有的碳酸钙和土颗粒的接触都是有效接触。Cui等（2017）直接将MICP改性砂土中的碳酸钙分成两类，其中能将砂颗粒胶结起来的碳酸钙被称为有效碳酸钙，而单独沉淀在砂颗粒表面不能发挥胶结作用的碳酸钙被称为无效碳酸钙，显然只有有效碳酸钙才能起到改善土体力学特性的作用，因此如何提高碳酸钙的有效胶结是MICP研究中需要重点关注的问题。关于MICP改性土中碳酸钙的分布特性则与土体本身物理性质有很大关系，尤其是土体粒径的影响。连接土体孔隙的孔喉大小是影响微生物在土体中迁移的关键因素，而土体中孔喉大小一般取决于土体中粒径较小的颗粒。因此一旦土体中细颗粒含量较高，导致大部分孔喉尺寸较小，微生物难以顺利通过，再加上孔喉处容易聚集微生物从而诱导生成碳酸钙沉淀，这将进一步缩小孔喉的尺寸，从而会导致MICP处理效果不均匀甚至表现出无效化。这也是MICP技术能在渗透性较好的砂土或砾石中取得显著效果而在一些黏土中难以完全发挥功效的原因。基于此，有研究者提出了将微生物、胶结液与低渗透性土体一同搅拌的方法来达到充分反应，使碳酸钙均匀分布的目的（DeJong et al., 2010）。也有研究者发现胶结液浓度会对孔隙尺度上的碳酸钙分布模式产生影响，浓度较高的胶结介质容易生成较大的碳酸钙晶体从而堵塞孔隙，而低浓度的胶结介质生成的碳酸钙沉淀分布更加均匀（Al Qabany and Soga, 2013）。除此之外，灌浆工艺对于MICP改良土中碳酸钙分布的均匀性也有重要影响，Whiffin等（2007）首先提出了先注入菌液再注入胶结液的分步式灌浆方法，这在一定程度上避免了菌液胶结液同时灌入出现注浆口堵塞的问题，从而有利于土体内碳酸钙的均匀分布。另外也有研究通过调节菌液的pH从而在短时间内抑制细菌的活性（Cheng et al., 2019），保证菌液和胶结液在灌浆过程中不会发生反应，这同样有利于土体的均匀胶结。

2.2 渗透特性

在土体性质改良方面，微生物成矿技术除了能够提高土体的强度，其反应生成的碳酸钙还能填充土颗粒之间的孔隙，从而有效降低土体的渗透性，这为岩土体防渗处理提供了新的思路。图3为不同研究团队得到的经MICP处理后砂土的渗透系数与碳酸钙含量的关系（Whiffin et al., 2007; Al Qabany and Soga, 2013; Cheng et al., 2013; Martinez et al., 2013; Stabnikov et al., 2013; Zamani et al., 2019; Yang et al., 2020b）。从图中可以看出经过MICP处理砂土的渗透系数能够降至10-4~10-6m/s。由于不同研究团队使用的砂土类型不同、控制的反应条件也不相同，图中数据整体呈现出较大的离散性。但是观察单一研究团队所获得试验数据可以发现，当碳酸钙含量较低时，其对渗透性的影响并不明显，只有当碳酸钙含量超过一定数值后，渗透系数开始显著下降。Chu等（2013）利用MICP技术在砂土表面形成一层碳酸钙胶结层，发现当每平方米砂土表面平均析出2.1 kg碳酸钙时，砂土的渗透系数由10-4m/s降低至10-7m/s，显然在土体表面形成一层致密的碳酸钙壳层能起到良好的防渗作用。

图3 MICP处理后砂土体的渗透系数和碳酸钙含量的关系Fig. 3 Relationship between permeability and calcium carbonate content of MICP-treated sand

除砂土外，使用MICP技术对其他岩土体进行处理也能起到较好的防渗效果。彭劼等（2019b）对有机黏土进行MICP灌浆处理，未处理黏土的渗透系数为7.5×10-7m/s，处理后试样的渗透系数下降约1个数量级。Phillips等（2016）对地面以下340.8 m处的深部砂岩裂隙开展了MICP修复，经多次菌液和胶结液注射后，地下流体流速从1.9 L/min下降至0.47 L/min，并且井内深部压力由处理前的30%下降至7%。相较于传统的水泥等灌浆材料，MICP的反应溶液由于黏度低，更容易被输送到地下深处，以便于对岩石裂隙进行修复。此外Phillips等（2013）还利用MICP技术对直径74 cm的砂岩岩芯中的裂隙进行修复，处理后的岩芯渗透率下降了2~4个数量级，并且经过MICP修复的岩芯裂隙能够承受的最大水压力达到了之前的3倍。

随着微生物成矿技术在普通岩土体防渗方面的应用越发成熟，更多的大型土木工程也开始采用该方法进行防渗处理，例如堤坝和水库的防渗、沟渠和池塘开挖过程中的止水处理等（Chu et al., 2013; 刘璐等, 2016; 谈叶飞等, 2018）。刘璐等（2016）将MICP技术应用于堤坝表层加固，通过喷洒法对堤坝表层进行处理，最终形成了一层2~3 cm厚的碳酸钙硬壳层，经取样测试发现堤坝表层的渗透系数从初始的4×10-4m/s降低至7.2×10-7m/s。谈叶飞等（2018）利用微生物成矿技术对大型水库的黏性土堤坝进行防渗修复，通过灌浆的方式将菌液和胶结液导入渗漏通道中，结果表明MICP处理能够在短时间内迅速降低黏性土堤坝的渗透系数约2个数量级，处理完成后土体的渗透系数降至10-7~10-8m/s。

相较于水泥灌浆、化学灌浆等传统的防渗处理手段，微生物成矿技术作为一种新型的防渗技术既有优势也有不足之处。由于生物灌浆材料的溶液粘度较低，因此它比水泥或其他化学浆液更容易渗入一些孔隙较小的土体材料中（Chu et al., 2014）；再者传统的水泥、化学灌浆材料的使用会给自然环境带来不可逆的变化，而生物灌浆技术显然是更加环保的选择（DeJong et al., 2010）。但是目前微生物成矿技术的平均成本较高，并且成矿过程生成的副产物会给周围环境带来一定影响，这是微生物成矿加固技术开展大规模应用前亟需解决的问题。

2.3 抗侵蚀性

经微生物成矿技术加固后的岩土体不仅强度得以提升，渗透性大幅度降低，同时还能具备较强的抵抗风力和水力侵蚀的能力。这使得这项技术在防止水土流失、控制岸坡侵蚀以及抑制风沙扬尘等方面具备良好的应用前景。降雨侵蚀是水力侵蚀最为常见的方式之一。Jiang等（2019）对经MICP处理的小型室内砂土边坡进行了模拟降雨试验，通过观察土体流失量、流失速率以及土体侵蚀破坏模式来对MICP技术提高坡面抗侵蚀能力的有效性进行评价，结果发现MICP技术对砂土边坡侵蚀的控制效果主要取决于碳酸钙总沉淀量以及处理深度等因素，因此在利用微生物加固技术提高土体抗侵蚀能力中选择合适的胶结液浓度和用量十分关键。另外Jiang和Soga（2017）以及Jiang等（2017）还通过一套自主研发设计的刚性壁圆柱体侵蚀试验装置分别对经MICP加固后的砂—黏土混合物和砂—砾石混合物进行了一系列渗流侵蚀试验，结果表明MICP处理有助于降低土体的累积侵蚀量以及侵蚀速率，并且相较于未经MICP处理的对照样，处理过的土体在渗流侵蚀过程中的体积收缩明显减小。除室内试验外，Gomez等（2015）首先针对MICP技术改善松散砂土的抗侵蚀效果开展了野外现场试验研究（图4），经过为期20天的处理后通过动力触探测试和水流冲击侵蚀试验发现砂土体的有效加固深度达到28 cm，并且在砂土表面形成一层2.5 cm厚的硬壳层，极大提高了土体的抗侵蚀能力。

图4 利用MICP技术改善松散砂土抗侵蚀能力（Gomez et al., 2015）Fig. 4 Improvement of erosion resistance of loose sand by MICP technique (Gomez et al., 2015)

在大多数的海岸和河口都会面临水力波浪侵蚀所带来的工程问题，如岸坡坍塌、堤坝侵蚀等。微生物成矿加固技术作为一种新型环境友好型的土体改良方法能够有效提升土体抗波浪侵蚀的能力（Shanahan and Montoya, 2014; Salifu et al., 2016; 刘璐等, 2016）。Salifu等（2016）对经MICP处理的砂土边坡进行了30个周期的人造潮流侵蚀处理，结果发现砂土边坡9.9%的孔隙被诱导生成的碳酸钙所填充，胶结的砂土能够承受470 kPa的无侧限抗压应力，边坡的稳定性、耐久性和抗侵蚀能力得到显著提升。Shanahan和Montoya（2014）将MICP技术应用于沿海沉积细砂以提高其抗侵蚀能力，对人工堆填的海岸沙丘边坡进行MICP胶结，通过人造波浪试验发现改良后的沙丘边坡其休止角从33°提高到45°，表层边坡的碳酸钙含量达到6%~14%，抗波浪侵蚀能力得以改善。目前关于利用微生物成矿加固技术提高土体抗波浪侵蚀能力的研究主要以室内试验为主，大规模现场试验尚未可见，因此后续需要多开展现场试验进行研究。

风力侵蚀是引发土壤退化、空气污染的主要因素之一（Han et al., 2007; Movahedan et al., 2012），利用微生物矿化加固技术对地面表层土体进行固化可以有效减弱风蚀作用（Bang et al., 2011）。Meyer等（2011）通过风洞试验发现经MICP处理的砂土在风蚀作用下质量损失明显减少，这主要是由于微生物诱导生成的碳酸钙将土体表面的土颗粒联结固化形成一层硬化壳，从而提升了土体的抗风蚀能力。Maleki等（2016）分别探究了不同浓度菌液对砂土抗风蚀能力的改善效果，结果发现在风速45 km/h的风洞试验中经高浓度菌液处理的样品其质量损失最少，仅为对照样质量损失的0.16%，并测得经MICP处理后砂土的最高贯入强度为56 kPa，通过扫描电镜测试发现MICP作用后土体表面形成了大量团聚体，这使得土体侵蚀得到了有效控制。

2.4 加固效果的影响因素

微生物从水解尿素开始，到生成具有胶结作用的沉淀物直至完成对土体的改良加固，其过程中涉及一系列生物和离子化学反应，因此最终的加固效果受多种因素制约和影响（图5）。近年来国内外学者的研究工作表明，MICP技术的加固效果主要受细菌种类、菌液浓度、环境温度、pH值、胶结液、土体性质及灌浆工艺等七项关键因素影响（尹黎阳等, 2019; Rahman et al., 2020; Zheng et al., 2020），通过研究上述不同影响因素，可以优化MICP胶结试验，探求最佳的加固效果。

图5 MICP加固土体效果的影响因素Fig. 5 The influencing factors of MICP in soil reinforcement

2.4.1 细菌种类

岩土材料的加固依托于碳酸钙的胶结功能，而细菌是MICP反应过程生产碳酸钙的基础和载体，直接控制了碳酸钙的生成效率和晶体类型（Levi et al., 1998; Sugawara and Kato, 2000; Hammes et al., 2003），进而影响最终的加固效果。常见的细菌种类有：巨大芽孢杆菌（Bacillus megaterium）、枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）、巴氏芽孢八叠球菌（Sporosarcina pasteurii）、苏云金芽孢杆菌（Bacillus thuringiensis）、球形芽孢杆菌（Bacillus sphaericus）、迟缓芽孢杆菌（Bacillus lentus）等，它们均可从自然界中分离得到，但碳酸钙的生成效率和晶体的产出类型存在差异（Achal et al., 2009a; 李萌等, 2013; De Muynck et al., 2013; Dhami et al., 2013）。学界普遍认为，细菌脲酶活性越高，碳酸钙的生成速率越快，一定时间内产生的碳酸钙也就越多（Stocks-Fischer et al., 1999; Whiffin, 2004; Okwadha and Li, 2010; Al-Salloum et al., 2017）；而细菌表面由蛋白质和多糖组成的胞外聚合物EPS则可能使碳酸钙以方解石（calcite）（Ercole et al., 2012）、文石（aragonite）（Gorospe et al., 2013）和球霰石（vaterite）（Kralj et al., 1994; Tourney and Ngwenya, 2009）等不同晶型存在，其中以方解石的稳定性最佳（Meldrum and Colfen, 2008; Saracho et al., 2020; Zehner et al., 2020）。张越（2014）通过设置不同脲酶活性对砂柱进行固化，发现高脲酶活性组（26.1 mmol/L·min）的无侧限抗压强度（UCS）均达到低脲酶活性组（12.2 mmol/L·min）的2倍以上。因此，选择脲酶活性高、生成方解石多的细菌能够获得较好的加固效果，如目前在岩土工程领域常用的芽孢杆菌类和芽孢球菌类细菌（Dhami et al., 2013）。

2.4.2 菌液浓度

单位溶液中的细菌数量会影响到周围微环境中H+、Ca2+、CO32-等离子的浓度和过饱和程度（Ferris et al., 1987），且细菌间不同程度的集聚和絮凝会影响碳酸钙在成核位点上的生长模式（Dhami et al., 2013; Al-Salloum et al., 2017），因而菌液浓度对碳酸钙晶体的产量、形貌和试样的固化效果有一定的影响。微观上有研究表明，在巴氏芽孢八叠球菌诱导碳酸钙沉积过程中，尿素分解率和碳酸钙生成量与菌液浓度呈正相关，后者在尿素和钙离子浓度达到一定程度后对尿素分解量和碳酸钙沉淀量起主导作用（Okwadha and Li, 2010）。碳酸钙形貌也与菌液浓度相关，浓度较低时，碳酸钙晶体为规整的立方体或菱形，浓度较高时，碳酸钙晶体为相互团聚重叠的球形（成亮和钱春香, 2006; Cheng et al., 2007a, 2007b）。而在宏观上，学者们通过无侧限压缩试验、直剪试验等力学测试对菌液浓度影响材料固化的效果进行了分析。MICP胶结试样的无侧限抗压强度随着菌液浓度的增大而增大（Zhao et al., 2014; Sharma and Ramkrishnan, 2016），且高浓度菌液试样的抗剪强度更高、体积应变更低（Chou et al., 2011），整体上表现出较好的力学性质。可见，通过控制菌液浓度改善最终的胶结固化效果是可行的。

2.4.3 环境温度

环境温度对细菌的生长繁殖和新陈代谢有着重要影响。对于MICP常用的脲酶细菌而言，温度的变化意味着脲酶活性变化，从而影响碳酸钙生成速率、晶体类型、晶体形貌（Kitamura et al., 2002; Hu and Deng, 2003）和在土颗粒之间的胶结方式，间接改变胶结和加固效果。前人研究表明，MICP加固岩土材料的最适温度区间为20~40℃，在自然气候条件下具有较高的适应性。在区间内较低温度时，生成的碳酸钙颗粒较大，分布均匀，固化试样力学强度更高；在区间内较高温度时，生成的碳酸钙颗粒较小但产量较高，固化试样抗风蚀、抗吸水性能力更强。因此，可以根据固化目的选择合适的温度条件开展研究。

2.4.4 pH值

在微生物的功能代谢过程中，pH值会通过生物化学作用对脲酶活性产生影响。随着pH值升高，脲酶活性逐渐增强，在pH值为7.0~8.0之间达到峰值后略有下降（Stocks-Fischer et al., 1999）。所以，尽管最适宜芽孢杆菌和芽孢球菌生长的pH值在9.0以上，但适当降低pH值更有利于MICP生化反应进行。此外，pH值的变化还会改变溶液中NH3、NH4+、CO32-和HCO3-的浓度，从而影响碳酸钙的生成速率和尺寸大小（Hammes and Verstraete, 2002），当pH值小于8.0时，较低的碳酸根离子浓度和碳酸钙生成速率有助于得到较大尺寸的碳酸钙晶体，增强结晶颗粒之间的联结，进而提高加固效果。因此，pH值在7.0~8.0时MICP对岩土体的强度改善作用最佳。

2.4.5 胶结液

胶结液的成分和浓度较大程度决定了最终的胶结效果，具体体现在微生物生长代谢和碳酸钙沉积过程中，影响细菌活性、脲酶活性，以及碳酸钙晶体类型、尺寸大小、沉积效率和生成量（Xu et al., 2020）。MICP试验中常用的胶结液成分大多为尿素-Ca2+混合溶液（DeJong et al., 2006; Al-Thawadi, 2008; Meldrum and Coolfen, 2008; De Muynck et al., 2010; Al Qabany et al., 2012; 荣辉等, 2013），以氯化钙为钙源时，碳酸钙晶体一般为六面体方解石，其固化试样的稳定性较高，也最为常用。以醋酸钙为钙源时，碳酸钙晶体一般为针状文石，能够较大提升土体强度（Zhang et al., 2014），未来可以多加关注。以乳酸钙为钙源时，碳酸钙晶体一般为尺寸较大的球状球霰石（Gorospe et al., 2013）。

不同的胶结液浓度也会对MICP过程产生较大影响，且不同细菌对胶结液浓度的耐受程度也不一样。以巴氏芽孢八叠球菌的胶结试验为例，当浓度较低（0.25 mol/L）时，碳酸钙晶体的尺寸较小、分布均匀，胶结试样的抗渗性较好，但随着浓度逐渐增加到1.0 mol/L，MICP反应速度加快，晶体尺寸增大、分布不均匀，并在局部出现团聚现象，整体抗渗性变差（Al Qabany et al., 2012）。对于巨大芽孢杆菌而言，胶结液浓度在0.5 mol/L时碳酸钙更易沉积在颗粒之间的接触点上，相比0.25 mol/L和1.0 mol/L试样更加密实、强度更高（Ng et al., 2013, 2014）。有学者指出，过高的浓度会抑制脲酶细菌活性（Kunst and Rapoport, 1995; Nekolny et al., 2000; 孔繁浩和赵志峰, 2017），影响固化效果，胶结液浓度高于1.0 mol/L时，试样无侧限抗压强度明显下降，除细菌自身活性降低外，也因高浓度MICP反应剧烈，大量碳酸钙快速堵塞试样表层孔隙，后续过程胶结液无法进入试样内部，从而导致固化不均匀，力学性质差（朱纪康等, 2019）。

2.4.6 土体性质

MICP过程产生的碳酸钙晶体是微生物固化技术改善土体强度的基础，其作用主要分为填塞孔隙和胶结颗粒，前者可以减小孔隙、增强密实度，后者能够固化散砂、提升强度。上述作用都发生在孔隙之中，而孔隙大小又与颗粒粒径和级配密切相关。只有沉积在颗粒间接触点或孔喉处的碳酸钙才能起到有效胶结作用，粒径过大会导致土颗粒间孔隙增大、接触点减少，碳酸钙大多沉积到粗颗粒表面，有效胶结不足（Kunst and Rapoport, 1995; Ivanov and Chu, 2008; Won et al., 2020）。 Rebata-Landa等（2007）对粒径范围D10 覆盖0.36~11500 μm的11种土进行了土柱胶结试验，得出MICP能够有效固化粒径范围10~1000 μm的试样，崔明娟等（2016）发现粒径较大（1250~2500 μm）时，试样无侧限抗压强度不足粒径较小（40~1250 μm）试样的1/5，可见较小粒径更适合MICP技术。此外有研究表明，颗粒级配良好的砂土体，在力学性质、抗渗性和密实度方面都更优于级配不良试样（梁仕华等, 2020; 靳贵晓等, 2020），良好的颗粒级配意味着粗颗粒之间有更多的细颗粒填充，从而将大孔隙“化整为零”，更利于有效碳酸钙的沉积。综上，在实际工程中可以通过调节砂土粒径、优化颗粒级配方面提升MICP的固化效果。

2.4.7 灌浆工艺

灌浆工艺，包括灌浆方式、灌浆速度和灌浆压力等，也会影响MICP对岩土材料的加固效果（张继生等, 2020; Naeimi and Haddad, 2020）。分步灌浆法、多浓度相灌注法以及电渗灌浆法能够提高土体固化的均匀性，可以得到不错的加固效果。注浆速度低于0.042 (mol/L)/h时胶结液利用效率较高，达到90%，可以有效降低成本，当速率为0.084 (mol/L)/h时利用率仅50%（Al Qabany et al., 2012）。灌浆压力过高时会破坏土体结构，影响加固效果，对于砂土试样，灌浆压力一般为10~30 kPa，而粉黏土试样不宜超过110 kPa（Whiffin et al., 2007; Soon et al., 2014; Zhang et al., 2014）。

3 微生物成矿土体加固技术应用领域

众多室内试验以及现场试验研究表明，以微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）为主的微生物成矿土体加固技术凭借其粘度低、注浆压力小、环境友好等优点在许多领域拥有广泛的应用前景，例如地基处理、岛礁建设、防风固沙、水土保持、抗裂防渗、文物保护以及地灾防治等，甚至在部分领域已经得到了广泛的应用，显示出了这一技术巨大的应用潜力。

3.1 地基处理

微生物成矿土体加固技术在地质工程领域最早即应用于地基土固化处理，经过十余年的发展，从小尺度的砂柱胶结，到室内大型模型试验，再到大尺度的现场加固试验，国内外学者开展了大量的研究，并取得了一系列成果。Whiffin（2004）率先利用菌液和胶结液（尿素-CaCl2）的混合液胶结松散砂颗粒，以提高砂土的整体力学性能，但由于菌液和胶结液快速反应产生的絮凝物堵塞注浆口，影响浆液传输距离，从而降低其有效注浆深度和胶结效果的均匀性。为了解决该问题，有学者首先将菌液注入砂土中进行微生物定植，然后再注入胶结液，采用分步注浆法来胶结砂土（Mitchell and Santamarina, 2005; DeJong et al., 2006; Ivanov and Chu, 2008; Harkes et al., 2010）。该方法通过定植在砂颗粒上微生物的作用逐渐生成碳酸钙，使得生成的碳酸钙多分布在土颗粒接触点周围，从而有效胶结土体，并且显著提升了处理深度和处理效果的均匀性。

在砂柱胶结试验的基础上，部分学者进一步开展了较大尺度的模型试验。Van Paassen等（2009）利用单点注浆法对1 m3的细砂进行胶结，注浆管从砂体表面插入内部中心，周围设置排水过滤管道，在40 d的周期里将100 L菌液和4000 L 1.0 mol/L胶结液分步循环注入，胶结后砂体的碳酸钙含量为 100 kg/m3, 浅部土体的锥尖贯入阻力达到了5 MPa。用水将松散的砂颗粒冲洗后，最终留下了以注浆口为中心的近似球形的胶结砂体。Li（2014）也采用注浆法对1 m3的砂体进行固化，所不同的是在模型箱两侧分别设置多个注浆口和抽浆口，分阶段循环注入菌液和胶结液，最终使1 m3的砂基被完全胶结起来，胶结效率高达93%，平均碳酸钙含量为4.55%（质量百分比），无侧限抗压强度达到1.0~1.4 MPa。此外，Van Paassen等（2010b）还开展了对100 m3砂体的场地加固研究，该研究通过在场地内预设两排注浆管和出浆管，分别将菌液和胶结液注入土体，经过16 d的连续反应后，测量胶结后砂体的碳酸钙含量和剪切波速。经水冲洗后，沿流线方向残留约40 m3胶结体（图6a），其碳酸钙含量为0.8%~24%（图6b），平均含量为6.8%，剪切模量为100~350 MPa（图6c）。由此可见，对于大尺度的场地加固，其处理效果表现出明显的空间差异性，在靠近注浆口的位置，土体的碳酸钙含量和力学强度显著增大，而在远离注浆口的位置，其处理效果明显减弱。

因此，处理效果的均匀性问题仍然是目前微生物成矿土体加固技术应用于实际地基工程的一大挑战，需要对注浆工艺以及微生物矿化技术进行进一步研究和优化。为此，不少学者进行了相关突破性研究。Cheng等（2019）和Wang等（2018a）分别提出通过调节菌液pH值和降低菌液温度的方法来延缓微生物矿化反应，从而避免菌液与胶结液混合后快速产生絮凝物，进而促进处理溶液在土体中入渗，显著改善处理效果的均匀性。此外，通过原位激发土体中原生脲酶细菌来代替外部添加细菌的微生物矿化技术也得到广泛关注（Cheng et al., 2017），该技术在降低微生物培养成本的同时提高了微生物矿化作用的效率和效果均匀性，而且避免了引入外来菌种对生态系统的不良影响。然而，上述方法目前大多还仅停留在初期室内试验阶段，仍需要进一步的研究论证。

3.2 液化防治

针对微生物成矿技术在土体抗液化方面的应用，相关学者也开展了大量试验研究。程晓辉等（2013）通过标准动三轴及振动台试验对微生物灌浆加固石英砂柱及模型地基的抗液化性能进行分析评价，结果表明MICP灌浆加固能够大幅提升砂土的抗液化性能，特别是能够有效抑制土层对地震波的放大作用，从而增强其在强震中的抗液化能力。崔明娟等（2017）研究了菌液注射方式对微生物固化砂土动力特性的影响，并提出通过在纯菌液引入0.05 mol/L氯化钙溶液能够有效提高微生物固化砂土中碳酸钙晶体分布的均匀性，从而增大土样的动弹性模量，提升其动力特性。Xiao等（2019）利用循环三轴剪切仪研究了MICP处理南海钙质砂的抗液化性能，并探讨了不同MICP处理程度、初始密实度等因素对处理效果的影响，结果表明MICP处理显著提升了钙质砂的抗液化性能，随着加固程度的提高，试样从流滑破坏逐渐变为循环活动。

除了利用传统的微生物成矿胶结作用，微生物产气作用也被证实能够有效改善砂土的液化性，该方法主要是通过微生物作用产生的气体占据土体孔隙，从而降低土体的饱和度，进而减小土体在循环荷载作用下的超孔隙水压力，减轻土体发生液化的潜势。He等（2014）利用微生物反硝化反应生成氮气来提高砂土的抗液化性能，并开展了一系列振动台试验来评价处理完成后土体的动力特性。结果表明，在经过不同程度的微生物处理后，土体的饱和度减小到91.9%~76.5%，当饱和度减小到90%以下后，土体在地震荷载下的超孔隙水压力和液化势能显著降低。此外，还有学者提出利用脲酶诱导碳酸钙沉积（EICP）来增强砂土的抗液化性能，相较于MICP，直接采用脲酶的胶结技术可控性和效率更高。Simatupang和Okamura（2017）通过循环三轴剪切试验研究了在不同饱和度下EICP处理砂土的动力特性，发现养护时试样的饱和度越小，最终生成的碳酸钙含量越高，抗液化性能最好。这主要是因为当试样的饱和度较小时，碳酸钙更倾向于在土颗粒接触点周围沉淀，从而有效提升试样的胶结强度。

3.3 岛礁建设

“一带一路”已成为中国全面深化改革的重要组成部分，而南海地区是“21世纪海上丝绸之路”的桥头堡，加速完善南海诸岛的基础设施建设，对保障我国海上贸易安全和能源资源安全有重大的战略意义（胡志勇, 2019）。岛礁工程建设一般就地取材，即通过绞吸式挖泥船将海底海沙礁石切割、破碎、搅动后泵送到指定位置堆积。南海海域砂石多是由珊瑚、贝壳及藻类等海洋生物的骨骼或外壳碎屑经过物理、生物和化学作用后形成的钙质砂，形态结构不规则，多棱角。

钙质砂的碳酸钙含量通常超过50%，其强度和矿物硬度均低于石英砂，且钙质砂中存在大量珊瑚虫、珊瑚藻等生物残骸留下的内孔隙，颗粒受压后极易破碎，在宏观上会表现出较大的压缩性（虞海珍和汪稔, 1999; 孙吉主和汪稔, 2004）。因此，钙质砂地基在荷载作用下易出现较大的变形和沉降，且在动荷载作用下可能发生液化（吴京平等, 1997; 朱长歧等, 2014）。作为一类特殊的岩土材料，钙质砂的上述不良工程地质特性会对岛礁上各类基础设施的安全性和稳定性产生负面影响，如地基强度不足引发地面沉降和塌陷，以及砂土体松散导致岸坡受海浪侵蚀和岛屿面积退化（DeJong et al., 2010; 程晓辉等, 2013）。考虑到钙质砂是南海岛礁工程的主要建筑材料和地基，必须对其进行加固处理。相比传统的地基处理手段，如以强夯、换土垫层为主的物理方法（Hammes et al., 2003; Ivanov et al., 2015）或以水泥、高分子聚合物为主的化学灌浆方法（Sugawara and Kato, 2000），基于自然反应的MICP技术具有低碳绿色、生态环保、经济高效、适应海洋的独特优势。国内方祥位团队（方祥位等, 2015, 2018a, 2018b; 李捷等, 2016）较早围绕微生物固化钙质砂的力学特性和影响因素开展了大量研究工作，并基于三轴压缩试验构建了MICP固化体损伤本构模型；刘汉龙等（2018）通过动三轴试验分析了MICP胶结钙质砂的动力学特性，发现MICP技术显著提升了钙质砂抗液化能力；马瑞男等（2018）利用微生物拌合固化方法降低吹填钙质砂的渗透系数，增强了砂土体抗渗透变形的能力。可见MICP技术能够有效降低钙质砂的渗透性，改善无侧限抗压强度、抗剪强度和抗液化性能（DeJong et al., 2006; Van Paassen, 2011; Chu et al., 2012; Gomez, 2013; Jiang and Soga, 2017; Jiang et al., 2017），并显著提高地基承载力。考虑到岛礁所处的高盐、弱碱环境，有学者探究了模拟海水条件下MICP固化钙质砂的可行性。Cheng等（2014）利用人造海水自有的少量Ca2+作为MICP加固砂土的唯一钙源，经海水冲洗100次后砂柱的无侧限抗压强度为250 kPa，其矿化效率受到钙离子浓度限制；欧益希等（2016）和彭劼等（2019a）使用近似海水盐度的NaCl溶液对珊瑚砂柱进行MICP处理，发现试样在高盐环境下的无侧限抗压强度与淡水环境相差约10%，证明MICP在35‰盐溶液中也能获得不错的加固效果；李昊等（2020）等依据真实海水的主要成分、pH值配置人造海水，并采用浸泡法模拟海洋环境对试样进行MICP处理，结果表明MICP技术能够适用于海水环境，且加固效果优于淡水试样。除常规的力学测试外，Liu等（2020b）针对MICP加固钙质砂边坡的抗侵蚀特性进行模拟海浪冲刷试验，证明MICP技术能够有效减少岸坡侵蚀体积，提高坡面稳定性。

MICP技术施工工艺简单，加固效果明显，为岛礁工程中的钙质砂地基处理、岸坡防护提供了经济环保的新思路。尽管如此，该技术离推广应用仍然还有较长的距离，尤其在固化整体均匀性、时空可控性、复杂海洋环境耐久性和原位处理等方面还需深入研究。

3.4 防风固沙

近年来，面对日益严重的土地沙漠化、沙尘暴以及建筑场地扬尘等环境问题，不少学者提出利用微生物成矿技术对风沙和粉尘颗粒进行表面固化，从而增强其抗风蚀的能力，达到防治沙漠化和防风抑尘的目的（程瑶佳等, 2021; Meng et al., 2021）。Bang等（2011）首先将MICP技术应用于防尘处理，并通过开展一系列风洞试验研究了菌液浓度、温度和湿度以及土样初始状态对处理结果的影响，结果表明在处理完成后，土样表面生成了一层致密的壳体，其在风力作用下的质量损失明显减小，抗风蚀能力显著增强。Naeimi和Chu（2017）进一步对MICP抑尘效果进行定量研究，发现MICP抑尘效果与试样的碳酸钙含量具有明显的相关关系，且相比于其它类型的抑尘剂，在得到相同效果的情况下微生物抑尘剂的用量更少。Woolley等（2020）研究了脲酶诱导碳酸钙沉积技术和黄原胶结合对细砂的防风抑尘效果，试验表明处理完成后试样的渗透系数减小了一个数量级，抵抗风蚀和水力侵蚀的能力明显提升。

针对微生物成矿技术用于荒漠化防治，李驰等（2019）采用从沙漠中提取的葡萄球菌和传统的巴氏芽孢杆菌两种不同的微生物在沙丘上诱导生成碳酸钙覆膜，并通过现场贯入试验对覆膜强度及其耐久性进行研究，经过7天的矿化处理后，覆膜层平均厚度为2~2.5 cm，相较于巴氏芽孢杆菌诱导生成的碳酸钙覆膜，原生葡萄球菌诱导生成的碳酸钙覆膜强度较高，且表现出良好的耐久性，在210天后强度仅较第7天时降低2%。此外，Li等（2020）进一步研究了MICP与草格栅结合治理沙漠化的效果和生态效应，其处理效果如图7所示，草格栅主要起到防风固沙和提供植被生长所需的腐殖质的作用，而MICP技术能够在砂土表面形成一层高强度的壳体，起到抵抗风蚀、抑制蒸发和稳定植被的作用，从而不仅能有效防风抑尘，还能促进沙漠地区的生态恢复，进而从根本上解决沙漠化防治问题。

图7 草格栅与MICP结合治理沙漠化效果示意图（Li et al., 2020）Fig. 7 Desertification control effect of grass grille combined with MICP (Li et al., 2020)

3.5 水土保持

MICP技术还可用于水土保持处理，包括坡面处理、持水能力改善、岸坡防护、抗水力侵蚀等方面（Kou et al., 2020），国内外众多学者开展了相关试验研究。

邵光辉等（2017）通过在粉土表面铺设砂层，采用喷洒法对其进行MICP处理，从而形成微生物砂浆防护层，并分析了微生物砂浆防护层厚度、胶结溶液浓度、喷洒处理次数等影响因素。结果表明：微生物砂浆层用于粉土表面防护具有较好的抗冲刷性，具体表现在土壤剥蚀率明显下降，表面强度提高，水稳性上升等方面。Jiang等（2019）对砂土边坡表面进行MICP处理，设计了倾角30°的模型坡，通过对其进行模拟降雨试验，验证了该方法用于砂土边坡表面侵蚀控制的可行性。相比于2.0 mol/L胶结液浓度，0.2 mol/L和1.0 mol/L浓度胶结液的改性效果较好（图8）。Liu等（2020a）将MICP技术应用于黏土开裂的修复，试验结果表明经过MICP处理的黏土表面裂纹率、裂纹宽度和裂纹长度均显著减小，且随着MICP处理次数的增加，裂纹修复效果越好，这与经过MICP处理后土体的持水能力上升有关。Salifu等（2016）采用MICP技术处理砂土边坡，并开展了潮汐循环模拟试验，以评估海岸边坡的稳定性。结果表明，经过处理后的边坡孔隙被碳酸钙填充，边坡强度提高，侵蚀显著降低，MICP可有效保护海岸边坡的稳定性。刘璐等（2016）将MICP技术应用于加固堤坝表层，经过水槽试验以及强度和渗透性试验，发现经过加固的堤坝模型表层抗侵蚀力提高，可防治由于漫顶引起的堤坝破坏，且加固后的表层试样强度显著提高、渗透性显著降低。Jiang和Soga（2017）采用MICP技术对砾石—砂混合物进行处理，研究表明，经过MICP处理后的混合物渗透性和轴向应变明显降低，内部抗侵蚀能力提高，并说明碳酸钙团簇的形成是土体侵蚀减少的根本原因。Jiang等（2017）开展了MICP改善砂—黏土混合物中由渗流引起的内部侵蚀的试验研究。结果表明MICP处理促进了混合物中侵蚀的减少和体积的收缩，砂—黏土混合物中原有大孔隙的存在有利于碳酸钙的沉淀，从而使得混合物的抗侵蚀性有了较大的提高。

图8 模型边坡表面侵蚀形态的观察（Jiang et al., 2019）Fig. 8 Visual observation of surface erosion patterns of model slopes (Jiang et al., 2019)

3.6 抗裂防渗

目前，众多学者在微生物成矿土体加固技术抗裂防渗方面做了许多尝试和研究，取得了丰富的经验成果，甚至有些已经小规模应用在现场工程中。微生物成矿土体加固技术凭借其低粘度、低灌浆压力、过程可控、几乎无污染等优点在岩土体抗裂防渗上具有天然优势，其应用领域可概括为岩土裂隙修复、混凝土修复加固、堤坝阻流防渗、地下流体封存、钻井防渗加固等方面。

3.6.1 岩土裂隙修复

裂隙是岩土体中一种常见的损伤类型，是降雨入渗的首选途径，对岩土结构性能有重要影响。因此，裂隙修复是工程场地防护加固的重要组成部分（Liu et al., 2020c; Peng et al., 2020）。常规的修复方法往往需要较高的劳动力成本和维护成本，或使用对环境有害的化学品，而MICP技术在最近十几年被证明可作为一种绿色、有效、可持续的裂隙修复方法（Liu et al., 2020a）。

由于低粘度和低注入压力，MICP技术采用的浆液可以更好的渗透到岩石的节理裂隙中（Wu et al., 2020），而且MICP沉积的碳酸钙在裂隙上、下表面都有很强的附着力（图9a），可以有效对裂隙进行修复。Zhong和Islam（1995）研究了MICP对不同裂隙的修复效果，认为裂隙宽度是影响修复效果的重要因素。当裂隙宽度过大时，裂隙中沉积的CaCO3就会被冲刷掉，因而MICP适合修复宽度小于3.2 mm的裂隙。过宽的裂隙可以使用充填物+MICP的方式来修复，花岗岩抗压强度测试结果表明石膏+MICP的方式修复效果最好。对于较小的裂隙，Minto等（2016）通过控制注入速度有效控制了碳酸钙的沉淀速率，防止了注入口附近因快速生成碳酸钙而发生堵塞。诸多试验已证明MICP可以有效提高岩石的力学性能。Liu等（2018）采用MICP技术对花岗岩裂隙进行修复，观察到花岗岩的剪切模量、峰值剪切强度和残余剪切强度随处理时间的增加而逐渐增大。Tobler等（2018）使花岗岩裂隙面经MICP处理后的最大峰值剪切强度达到了733 kPa。Song和Elsworth（2018）利用MICP技术提高了糜棱软煤的结构完整性和力学强度，使煤样的最大单轴抗压强度在4次MICP处理后达到11.9 MPa，脆性指数与硬煤相当。邓红卫等（2019）对预制裂隙砂岩进行MICP修复，使岩样孔隙率降低了36.41%，抗渗能力提高了94.62%，抗压强度提高了30.52%，且修复时间越长，修复效果越好。Wu等（2020）采用MICP修复了花岗岩中的水平节理（图9b），使其获得了4~7 MPa的峰值抗剪强度，表明MICP对岩石节理裂隙具有良好的加固效果。

土体受温度和湿度变化影响易出现开裂，严重影响土体的力学结构和水力性能。有学者采用MICP技术有效修复了土体裂隙或增强了土体的抗裂性能。Liu等（2020a）采用表面喷涂方法，基于MICP技术对黏土进行多次处理，使黏土表面的干缩裂隙宽度、长度、分布范围随处理次数增加而显著减小，对裂隙起到了一定的修复作用，有效缓解了干裂对土体结构的不利影响，为修复黏土开裂提供了新思路。Liu等（2020c）采用MICP技术对三合土试样进行修复，成功修复了5 mm宽的裂隙，使其力学强度恢复79%以上。此外，静态接触角测试结果表明MICP还增强了裂隙的疏水性。Wang等（2018b）采用MICP技术对砂土进行喷淋，在砂土表面形成了一层具有一定强度、薄而硬的壳层，取得了良好的抵抗干裂效果。Vail等（2019）通过MICP技术对膨润土进行喷洒处理，有效地延缓了膨润土开裂，提高了土样的结构完整性和抗开裂能力。即使土样在开裂后，表面裂隙比和平均裂隙宽度较未处理样也更小。在这之后，Vail等（2020）又在膨润土中添加了40%的粉煤灰，经过5次MICP处理后，膨润土的表面干裂减少了80%以上（图9c）。Liu等（2019b）将MICP技术与纤维加筋技术相结合，使土样的强度在多次干湿循环和冻融循环后没有显著降低，即使在pH值为3.5的酸雨溶液中浸泡15天，土样仍保持了原来50%以上的抗压强度。

图9 MICP修复岩土裂隙Fig. 9 MICP repair of geotechnical fractures

3.6.2 混凝土修复加固

混凝土在制备和使用期间，由于低抗拉强度和脆性，易受环境因素和荷载作用影响，在表面出现微裂隙，甚至发育出较大的宏观裂隙，这种情况在混凝土结构中几乎是不可避免的（Choi et al., 2017）。若不能及时修复裂隙，外界水和侵蚀介质不断渗入混凝土内部，加速混凝土劣化，严重影响工程建筑使用年限（钱春香等, 2015b）。近年来，MICP技术显示了其修复混凝土裂隙的良好效果。

目前，基于MICP的混凝土裂隙修复，大致可以分为两种方法（Khaliq and Ehsan, 2016; Choi et al., 2017）：（1）被动修复。是指在混凝土出现裂隙后，基于MICP原理采用菌液浸泡、喷涂、涂刷、灌浆等后处理方式对裂隙进行修复（钱春香等, 2015b）。王瑞兴和钱春香（2008）将高浓缩菌株与砂基拌合，并混合尿素和Ca2+溶液注入到水泥石人造裂隙中，最终将砂粒紧密胶结在裂隙内，修复后其28 d抗压强度提高了76%，恢复至完整试样的84%。Choi等（2017）采用MICP技术修复了砂浆混凝土上宽0.15~1.72 mm的裂隙，有效降低了其渗透性，但并未获得理想的抗拉强度提升。Jongvivatsakul等（2019）对开裂混凝土采用MICP技术修复，使其抗压强度提高了43%，而且MICP产生的碳酸钙有助于降低混凝土吸水率。Sun等（2020）采用MICP技术修复了宽0.05~0.15 mm的混凝土裂隙，使其无侧限抗压强度提升了20%以上，并且修复效果受入渗深度影响，裂隙越宽修复效果越好。（2）主动修复。是在制作混凝土的过程中，将相关微生物和其它所需的营养物提前加入到混凝土中。当混凝土发生开裂时，微生物暴露在水分和氧气中而被激活，新陈代谢增强，进而沉淀出碳酸钙，使裂隙愈合（Wang et al., 2016; Jakubovskis et al., 2020）。Wiktor和Jonkers（2011）将包含细菌和乳酸钙的多孔轻质骨料加入到混凝土中，提高了混凝土的自愈能力，最大可自愈裂隙宽度达到0.46 mm。此外，耗氧量测试结果表明混凝土在养护100天后，细菌仍能继续存活并诱导碳酸钙沉淀。Wang等（2012）采用硅藻土作为MICP细菌载体，使混凝土成功自愈了宽0.15~0.17 mm的裂隙，并且使混凝土表面毛细吸水率降低了50%~70%。Pungrasmi等（2019）将含有微生物和营养物的微胶囊提前埋入混凝土，使混凝土在开裂7 d后，裂隙宽度从0.28 mm降至0.02 mm（图10）。钱春香等（2013）采用陶粒作为细菌载体，研究了混凝土的MICP自修复效果，结果表明修复40 d后，混凝土裂隙就可以被微生物矿化形成的碳酸钙所充填，最大充填宽度超过1 mm。MICP形成的碳酸钙在裂隙开口处最多，随着裂隙深度增加而逐渐减少。Reddy等（2012）将微生物矿化细菌提前与混凝土混合，使混凝土的抗压强度提升了23%，并具备了更好的耐酸腐蚀性能。Suliman和Sarsam（2018）对含有MICP细菌的混凝土进行60次冻融循环测试，结果表明混凝土的抗压、抗拉和抗弯强度分别较普通混凝土高出25.8%、22.7%和22%，再次证明MICP有利于提高混凝土结构的耐久性，减弱冻融开裂的影响。

图10 采用MICP技术的自愈混凝土（Pungrasmi et al., 2019） Fig. 10 Self-healing concrete using MICP (Pungrasmi et al., 2019)

3.6.3 堤坝阻流防渗

防渗是许多基础设施工程如水库、土坝、灌溉沟渠中重要的工程措施。许多水库和沟渠都建在砂质土中，渗透性高，渗漏问题严重。在中国，大约80%的灌溉沟渠没有任何防渗保护措施。农业用水资源的一半以上都浪费在运输过程中（Gao et al., 2019）。在这种情况下，解决运水、储水设施的渗漏问题可以显著提高水资源利用率，减少水资源浪费。MICP技术可以通过降低岩土体的渗透率，达到防渗保水的目的，有潜力应用于建设农业沟渠、养殖池塘或堤坝隔水屏障。

MICP在矿物颗粒表面和空隙处沉淀大量的碳酸钙晶体，使其孔径缩小，形成衬层，降低岩土体渗透性（El Mountassir et al., 2018; Yang et al., 2019）。Stabnikov等（2016）模拟了在干旱沙漠中使用MICP技术密封养殖池塘，使砂土的渗透系数从5.2×10-4m/s降至7.7×10-9m/s，达到了建设养殖池塘的标准，而且成本低于其他已知方法。Chu等（2013）利用MICP技术在砂土中形成低渗透层（图11a），使水槽模型的渗透系数从4×10-4m/s降至3.5×10-7m/s，每平方米的砂土中沉淀了2.1 kg的碳酸钙，形成的硬壳层抗弯强度最大可达256 kPa，无侧限抗压强度最大达到932 kPa，证明MICP在堤坝防渗方面具有潜在的工程价值和广阔的应用前景。刘璐等（2016）通过喷洒微生物以及营养盐的方式，将MICP 技术应用于加固堤坝表层（图11b），试验结果表明MICP形成的硬质表层使堤坝模型渗透系数从4×10-4m/s 降至7.2×10-7m/s，无侧限抗压强度高达9 MPa，有效改善了堤坝表层砂土的力学性能和水力性能，而且模型在连续多天的冲刷下，整体性依然完好。Gao等（2019）基于MICP技术对土质进行改良，来控制灌溉渠和水库的渗漏问题，在砂质土表面形成了厚10~20 mm、碳酸钙含量大于5%的低渗透硬壳层，部分位置的渗透系数降低了379倍，抗渗透能力明显高于未处理的土层。Yang等（2019）提出了一种基于MICP技术的堤坝防渗方法。首先将CaCl2、尿素和产脲酶细菌混合搅拌，产生包含细菌的碳酸钙载体，然后将碳酸钙均匀铺在砂层中间，后期通过输送2~3次胶结液作为催化剂在砂层内部形成了厚2~3 mm的防水屏障，从而使砂层的渗透系数从4.1×10-4m/s下降至4.3×10-9m/s，降低了传统MICP方法所需的处理次数。与传统防渗技术相比，MICP所形成的防水屏障在温度变化时不会收缩或开裂，受环境干湿变化的影响较小。

图11 MICP防渗模型试验Fig. 11 MICP seepage model test

3.6.4 地下流体封存

地下流体泄漏是非常规油气开发、二氧化碳地质封存、核废料地质处置所面临的重要环境风险（Blundell et al., 2012; Phillips et al., 2016; El Mountassir et al., 2018）。在地下，MICP有助于减少不必要的介质流动通道，封堵高渗透或裂隙发育区域，降低渗透率，提高二氧化碳地质封存、核废料地质处置的安全性，或提高油气开采率（Phillips, 2013）。与传统地下密封技术相比，MICP具有粘度低、灌浆压力小等优点，有利于浆液在地层中扩散（Phillips et al., 2016; Wu et al., 2019）。

Cuthbert等（2013）采用MICP技术成功地修复了地下25 m处的岩石裂隙，使数平方米内的裂隙导水系数显著降低。其中，在注水井周围导水系数大幅减小99%，在距离注水井2 m处，导水系数也显著下降35%。Phillips等（2013）对砂岩岩芯采用MICP处理后（图12），使岩芯的渗透率下降了4个数量级，岩芯可承受的水力压裂压力比处理前高出3倍。Bucci等（2016）在不同围压条件下对裂隙砂岩采用MICP处理，结果表明在没有围压的条件下，砂岩的渗透性降低超过80%，而在2 MPa和5 MPa的围压下时，裂隙的渗透率下降了28%以上。彭述权等（2019）在0.2~0.4 MPa围压下对裂隙岩样采用MICP处理，封堵了1~3 mm的裂隙，使其渗透系数降低1~2个数量级，且围压的增大对MICP的阻渗效果影响有限，证明MICP对岩体具有良好的阻渗效果，适宜在有一定围压的地下工程中应用。Minto等（2016）通过控制MICP的反应速率和位置，实现了碳酸钙的大范围均匀沉淀，使裂隙宽度从276 μm降低至22 μm，导水系数从1.71×10-5m2/s下降至8.75×10-9m2/s。Wu等（2019）研究了MICP对岩石裂隙的减渗效果及碳酸钙分布，证明MICP可以使花岗岩裂隙渗透系数下降3个数量级，而且碳酸钙沉淀量与渗透率具有良好的相关性。Wu等（2020）发现2~3次的MICP处理可使花岗岩水平节理的渗流速度降低90%。Song和Elsworth（2020）对三种不同粒径的人工岩芯进行了8次MICP处理，使其渗透率下降了16%~47%，表明MICP是一种有效的密封方法，在密封油气高渗透层，提高油气产量上具有良好的应用前景。Phillips（2013）将MICP处理后的岩芯置于超临界CO2条件（50℃，8.27~8.96 MPa）中保存24小时，取出后依然保持了较低的渗透率。Tobler等（2018）成功地将MICP应用于封堵花岗岩微裂隙，经过17次处理后，花岗岩裂隙的导水系数从7.1×10-7m2/s降至3.2×10-11m2/s，裂隙两侧生成的碳酸钙平均厚度大于6.6 μm，并在部分位置形成“桥接”，超过67%的裂隙空间被填充。MICP沉淀形成的碳酸钙不仅为岩体提供了额外的力学稳定性，并在岩体内部形成了有效的水力屏障，有望在将来应用于地下核废料处置、二氧化碳封存等领域。虽然目前的研究结果显示了MICP在地下工程中的应用潜力，但还需要进行更多的研究，以提高对围压、流体等因素影响MICP时空演化的认知程度（Phillips, 2013）。

图12 MICP在地下流体封存中的潜在应用（Phillips et al., 2013）Fig. 12 Potential applications of MICP in underground fluid containment (Phillips et al., 2013)

3.6.5 钻井防渗加固

钻井环境中存在的离层、孔洞、裂缝和其他渗流通道极大地影响了井筒的完整性。钻井受损可能会导致井筒层间隔离失效，从而产生多种潜在的负面影响，例如油气减产、开采成本增加等。MICP通过沉淀碳酸钙对钻井进行防渗加固，是提高钻井完整性的一种潜在解决方案，具备良好的应用前景（Phillips et al., 2016, 2018）。

Cunningham等（2014）在室内通过MICP技术使直径2.54 cm的砂岩岩芯在7.58 MPa的压力下渗透率降低超过3个数量级，随后将MICP应用于现场试验，对位于地下341 m处的砂岩层钻孔进行处理，成功封堵了裂缝，降低了关井瞬时压力衰减，提高了井筒的完整性，对于钻井防渗具有重要借鉴意义。Phillips等（2016）通过钻井，对地表以下340.8 m处的砂岩层采用MICP技术进行处理，随着时间推移，灌浆速率从1.9 L/min下降至0.47 L/min，井筒压力衰减从处理前的30%/5 min下降至7%/ 5 min，砂岩层的再压裂压力从未处理前的96.6个标准大气压提升至111.6个标准大气压，并在距压裂位置1.8 m处检测到碳酸钙的形成。这项研究结果表明MICP技术在钻孔防渗领域具备良好的应用前景。随后，Phillips等（2018）又在美国Gorgas对一口直径24.4 cm的钻井采用常规油田井下流体输送技术，对地下310.0~310.57 m范围内的受损钻孔进行MICP修复。经过修复后，注入速率从0.29 m3/h下降至0.011 m3/h，钻井内压力衰减明显降低，测井成像同样证明钻井内的固体胶结物明显增加，表明MICP加固钻井试验是成功的。Kirkland等（2020）采用MICP技术对位于美国印第安州的一口油井进行修复（图13）。在修复之前，井筒内存在渗漏通道，且目标地层上方存在渗透率更高的砂岩层，因此一直无法顺利将水注入到696.3~699.4 m的目标地层。Kirkland等人将菌液输送到地下689 m处，经过为期6天的处理后，注入速率逐渐下降约70%，测井结果也表明MICP生成的碳酸钙部分封闭了连接高渗透层的通道。此外，该研究还证明了MICP可以在烃类油气存在的情况下继续反应。随着MICP处理技术走向商业应用，还需要进行更加深入的研究和开发，以改善流体输送方式，增加MICP可处理深度和可适应温度（Phillips et al., 2018）。

图13 MICP在钻井防渗加固中的应用（Kirkland et al., 2020） Fig. 13 Application of MICP in drilling seepage prevention and reinforcement (Kirkland et al., 2020)

3.7 文物保护

文物是人类文化的精华，是一个国家、一个民族文明的体现，是研究历史的实物资料，更是教育子孙后代的好教材。中国是文明古国，有着丰富的土遗址和石质文物资源。如长江中下游的良渚遗址、长江流域的河姆渡遗址、中原地区的大河村遗址、甘肃境内大地湾遗址、新疆境内的交河故城以及蜿蜒在中国北部的长城遗址及其关堡、烽燧等附属设施均为中国优秀土遗址的典型代表（曾俊琴, 2017）。石质文物不仅分布范围广，而且类型多样，包括历代的石窟寺、石雕艺术品、石碑、石质构建筑物遗址等（刘建成等, 2019）。

然而，这些珍贵的历史文化遗产，多处于露天或者半露天环境，在漫长的历史岁月中长期遭受着风化作用的不利影响，再加上不同程度的人为破坏，普遍存在结构性失稳、表层酥粉、开裂破损、剥落、冲沟发育以及生物侵蚀等病害（赵海英等, 2003; 孙满利, 2007; 李宏松, 2011; 于晓敏, 2017; 张永等, 2019）。如不采取保护措施，就会使文物中那些有价值的历史、科学、艺术成分全部或部分丧失，造成无法弥补的损失。因此，对土遗址和石质文物进行科学、系统的主动保护，延长寿命非常有必要，也很重要。

减少人为破坏、改善环境和提升岩土体自身的物理力学性能是文物保护的三大核心措施。在人为方面，很多国家已经意识到文物保护的重要性，从法律和教育等层面采取了众多保护性措施（李坤, 2019; 孟令法, 2019; 田原, 2019），破坏得到了很大程度的控制和改善。对于风化侵蚀破坏，其机理和影响因素复杂，但归纳起来可概括为物理风化、化学风化和生物风化三类（Fitzner et al., 2003; Hosono et al., 2006; 张金风, 2008; 任建光等, 2009; 黄四平等, 2010; 孙满利等, 2010; 周霄和高峰, 2015），本质是在风、水、化学物质、生物等外因作用下，文物岩土体软弱部位发生进一步的弱化、破坏、失稳。改善环境和提升岩土体自身的物理力学性能是防治风化作用的两大重要途径。然而，由于土遗址和石质文物数量非常庞大，一一为其改善环境是一个非常困难的过程。国内外学者为此对土遗址、石质文物加固方法开展了大量的研究。研发加固修复材料一直是该领域的热点，同时也是难点。难点在于加固修复材料在耐久性、材料兼容性、反应可控性、外观和谐性以及生态环保等方面有较高的要求。传统化学加固材料无法同时满足这些严厉的要求，比如无机材料是利用溶液中的盐分在岩土体孔隙中凝结或与岩土体发生化学反应，填塞孔隙，但往往化学反应过程过快且不可控，易堵塞表面孔隙，抑制加固剂的进一步渗透，同时也会阻挡孔隙内毛细水蒸发和可溶性盐结晶运动，在遭受冻融和干湿循环时，毛细水结冰和可溶性盐结晶等作用会加剧风化作用且生成的加固物质与岩土体矿物的粘结性差；而有机材料普遍存在与岩石矿物兼容性差、耐候性差以及在紫外线下易变色等缺点（王丽琴等, 2004）。随着科学技术的不断发展，人们对文物保护材料要求也越来越高，性能更加优良、环境更友好的新型保护材料研发势在必行，其中基于微生物矿化技术的生物材料是近年来的一个研究热点。

文献资料统计结果显示，生物材料已有研究主要集中在土遗址和石质文物岩土体表面和宏观大尺度裂隙的MICP加固修复方面。 Orial和Marie-Victoire（1997）利用MICP形成人工矿化层修复加固石质文物并通过矿化层加速老化试验证明人工生物矿化材料可以提高结构长期耐久性能。Le Metayer-Levrel等（1999）在石灰石建筑、纪念碑及雕像表面使用不同属细菌成功诱导碳酸钙晶体沉积层，表明致密的方解石是碳酸钙矿化沉积的主要形式并能够对石质文物起到有效保护。Rodriguez-Navarro等（2003）在石质文物上使用黄色黏球菌（Myxococcus xanthus）诱导碳酸盐沉积形成矿化层, 研究表明矿化层能牢固地粘结在石质基体上, 这种细菌诱导生成粘结加固层的深度能达到500 μm，而且不会堵塞石料原有的孔隙。Tiano等（1999, 2006）通过室内和现场试验研究表明有机基质分子(OMM)等生物诱导大分子(BIMs)可以替代微生物直接诱导控制碳酸盐沉积，实现加固风化石质建筑物，同时实验也表明酶蛋白是晶体成核生长的必要条件, 天冬氨酸可以控制晶体成长尺寸及形貌，并认为有效控制晶体成核与生长对修复加固工作极为重要。李沛豪等（2009）通过对生物矿化修复后的样品进行了超声波振荡清洗，验证了人工矿化层可以与岩石形成有效粘结，矿化层对岩石文物表层结构有较好的保护效果。竹文坤（2011）通过浸泡法和涂覆法在大理石和砂岩表面覆膜试验表明浸泡法和涂覆法均能在两类岩石表面生成碳酸钙矿化膜且矿化膜与基层具有较强的粘结力，矿化膜同时具有良好的耐酸、耐热、抗冻和耐光老化性能。Jroundi等（2012; 2014）研究发现部分石质文物岩体上有一部分原生的细菌在适当条件下活化后可以用于诱导碳酸钙沉淀加固而无需引入新细菌，而且以微生物为核心聚集的碳酸钙晶体首先会胶结在岩石矿物间，不会堵塞孔隙和改变石质文物外观。谭谦（2017）成功对单一槽型裂缝（宽度4~10 mm, 深度2~5 mm）进行了碳酸钙生物矿化填充（汉白玉砂）修复，使得汉白玉石梁样品的抗弯强度得到大幅度恢复。刘士雨等（2020）利用MICP技术在三合土表面形成耐水保护层，研究了MICP技术保护三合土遗址的可行性。此外，刘士雨等（2020）将MICP技术应用于三合土遗址裂缝的修复，表明MICP技术不仅对环境友好、与三合土的兼容性良好，而且能够较好的恢复含裂缝三合土试样的抗弯强度和抗剪强度。

上述研究表明，MICP技术在土遗址和石质文物保护方面潜力巨大，是一个很重要的发展方向。

3.8 地灾防治

中国是地质灾害多发国家，灾害类型多样，每年由地质灾害造成的经济损失巨大。目前，还未见有研究报道微生物成矿技术在地质灾害防治上的应用，但其在加固岩土体方面优越的性能有望为地灾防治提供新的思路。例如，在崩塌防治方面（图14a），可以利用微生物灌浆修复坡顶岩土体的裂隙，提升其整体力学强度，从而显著降低裂隙分割岩土体单元在地震等外力作用下脱离母体的风险。同时，还可利用微生物成矿技术对岩土体表面进行处理，增强其应对气候变化的抗风化能力，从而避免岩土陡坡发生崩塌的隐患。

在应对滑坡灾害和边坡防护方面（图14b），首先可采用微生物灌浆对滑动面或软弱结构面等潜在滑动面进行加固，增加滑动面的抗滑阻力。然后再用微生物成矿技术结合喷洒工艺对边坡坡面进行处理，使坡面上生成一层渗透性小的致密碳酸钙防护层，从而减少降雨入渗量，以达到提高坡面径流、降低坡面水土流失、避免降水弱化坡内岩土体的目的。针对有滑动风险的大型边坡，还可通过在坡脚设置MICP处理的抗滑砂桩来进行防护，从而显著增强坡体的抗滑力，降低其发生滑动的风险。

此外，微生物成矿技术在泥石流防治方面也有良好的应用前景。如图14c所示，微生物注浆技术可对物源区松散碎屑物进行胶结加固，降低渗透性，增强其抵抗降雨侵蚀冲刷的能力，从源头上降低泥石流发生的风险。同时，还可就地取材，利用微生物成矿技术胶结碎屑物在沟谷流通区处设置拦挡坝，起到拦蓄碎屑、减小泥石流规模和削弱泥石流破坏性的作用。

图14 微生物成矿技术防治地质灾害效果示意图Fig. 14 Prevention and control of geological disasters by microbial mineralization technology

4 挑战与展望

微生物地质工程技术在岩土工程的各个领域中具有广泛的应用前景，然而，将其大规模应用于工程施工仍存在一些挑战，需要对其进行更加全面深入的研究（Naveed et al., 2020）。目前，推广MICP技术所面临的主要挑战有以下6点：（1）MICP在尿素水解过程中会产生氨气、铵根离子和高pH值等副产物，对人体和环境具有潜在的负面影响（Van Paassen et al., 2010a, b）；（2）如何让MICP产生的碳酸钙沉淀在土体中充分均匀的分布仍是一个难题（Mujah et al., 2017）；（3）MICP技术处理特定粒径（0.5~3 mm）的砂粒具有良好的效果，但在应用于粉土、黏土等细粒土的改良上仍是一个巨大的挑战（Fragaszy et al., 2011）；（4）微生物的活动依赖于环境因素，细菌在低温下活性降低甚至休眠，而碳酸钙在酸性环境中易分解，因此MICP在寒冷地区的可行性以及在酸雨地区的适用性仍需进一步研究（Ivanov and Chu, 2008）；（5）成本是工程项目中要考虑的重要因素，目前实验室制备MICP所需的菌液和胶结液成本较高，如何降低原材料成本亟待解决（Rahman et al., 2020）；（6）岩土施工通常规模较大，涉及到不同的场地条件和复杂的施工工艺，而微生物本身的生物化学反应又十分复杂，将MICP应用于大规模的复杂工况仍面临许多未知的困难（Ivanov and Chu, 2008; 刘汉龙等, 2019）。

为了减少MICP过程副产物对人体和环境带来的负面影响，需要更多的研究来优化和规范MICP技术（Naveed et al., 2020）。例如，可以使用生产硫酸铵肥料的吸收剂（Ivanov et al., 2019），将氨气转化为硫酸铵，减少氨气排放（Zhao, 2015）。同时，硫酸铵又可以作为一种广泛应用于作物生产的水溶性肥料，为植物提供氮和硫元素，促进植物生长和作物增产。此外，使用低比例的尿素和胶结溶液，也可以有效减少有毒副产物的产生（Naveed et al., 2020）。要解决MICP技术固化土体不均匀问题、细粒土改良问题、复杂环境适宜性问题，则需要对注浆工艺以及微生物矿化技术进行进一步研究和优化，加强细菌种类、菌液和胶结液浓度、环境温度、pH值、岩土体性质、周围理化环境等多方面因素制约MICP过程的认识，掌握MICP在各种耦合条件下的反应机理，以期可以通过控制反应速率、成核位点、晶型尺寸、处理工艺等来解决上述问题（尹黎阳等，2019; Terzis and Laloui, 2019）。有学者提出通过调节菌液pH值和降低菌液温度的方法来延缓微生物矿化反应，提升处理效果的均匀性（Wang et al., 2018a; Cheng et al., 2019）。此外，通过原位激发土体中原生脲酶细菌来代替外部添加细菌的微生物矿化技术近年来也得到广泛关注（Cheng et al., 2017）。然而，上述方法目前大多还仅停留在初期室内试验阶段，仍需要进一步的研究论证。降低成本的关键在于细菌的选育和培养。选育产脲酶多、活性高、适应各种复杂环境的细菌以及开发新的化学胶结液配方可以极大降低MICP成本，因而非常有必要开展跨学科合作，与相关材料学、微生物学、化学研究团队开展深入合作（刘汉龙等, 2019）。目前已有学者采用转基因技术对细菌进行优质选育获得了高活性的菌株（Cussa et al., 1992; Whitaker, 2016），也有学者提出利用工业生产废物来降低营养液成本（Achal et al., 2009b; Fang et al., 2019）。在地质与岩土工程施工过程中，微生物技术的应用必须针对不同的施工环境，选取不同的菌种，得到适合应用环境的最优细菌，同时选择合适的施工方案，满足施工过程中的环境安全性、成本经济性和修复可靠性，这就需要对MICP技术有着全面的认识和掌握，需要对MICP进行更加详细而深入的研究。