微生物诱导碳酸钙沉淀影响因素研究进展分析
2022-12-01吕广柳张文琪朱志恩杨悦舒夏振尧
肖 海 胡 欢 吕广柳 张文琪 朱志恩 向 瑞 杨悦舒 夏振尧 旺 杰
(1. 三峡库区地质灾害教育部重点实验室(三峡大学)， 湖北 宜昌 443002； 2. 三峡库区生态环境教育部工程研究中心， 湖北 宜昌 443002； 3. 西藏自治区水利电力规划勘测设计研究院， 拉萨 850000)
工程建设过程中常常遇到土壤承载力不足问题，传统方法常采用夯实法、换填法、化学灌浆法等对土壤进行加固．这些方法往往能耗高、造价大、存在应用局限性以及对周边环境存在一定不利影响[1-3]，并可能造成一定环境污染，也与我国当前提倡的节能减排、生态环保的发展理念相悖．因此，近年来微生物诱导碳酸钙沉淀(microbial induced calcite precipitation, MICP)技术因其施工方法简便，效率高，成本低，对环境污染小等优点得到了广泛关注[4]．MICP技术是利用一些特定的微生物(如脲酶菌、反硝化细菌)，通过为之提供丰富的钙源及氮源的营养盐，快速析出具有优异胶结作用的方解石型碳酸钙结晶[5]．在知网和Web and Science中进行主题“微生物固土”或关键词“MICP”或关键词“微生物诱导碳酸钙沉淀”并勾选“中英文扩展”进行精确检索，发现目前有学术期刊论文700余篇(如图1所示)．
图1 微生物固土相关论文发表数量随时间变化趋势
可见，在2011年之前，国内外对微生物诱导碳酸钙沉淀的研究甚少，此后，研究成果大幅度增加，尤其是近三年来相关论文发表数量急剧增加，这表明微生物诱导碳酸钙沉淀越来越受到国内外学者的关注．因此，本文通过对MICP技术原理进行简单介绍，并对其影响因素进行系统综述，梳理其现有应用范围，并结合现有研究存在的不足，提出未来研究方向，为深入研究MICP固土机理以及扩展MICP应用领域提供重要参考．
1 微生物固土技术原理
MICP技术根据微生物的生理化学反应不同，将其分为尿素水解型、反硝化作用型、三价铁还原型和硫酸盐还原型4种方式，同时由于尿素水解固化效率高，化学反应机制简单，过程易于控制，且对土的成分改变较小，对环境污染小等优点，使得尿素水解成为微生物诱导碳酸钙沉积技术的一种主流方式[3,6]．尿素水解的方式固土是利用土中较易存在及富含的嗜碱性细菌所分泌脲酶，对尿素水解进行催化加速，生成氨气与二氧化碳(式1)．所释放的氨气与水分子结合成为氨水，随着氨水的浓度不断升高，周围环境碱性不断加重(式2)，二氧化碳在碱性环境下成为游离的碳酸根离子(式3)．由于微生物代谢产物胞外聚合物中含有等负离子基团，加上细菌细胞壁的特殊结构使得细菌表面通常带有负电荷，因此可以不断吸附周围溶液中的钙离子，使其聚集在细菌细胞外表面，与所形成的碳酸根结合在细菌表面结合成为碳酸钙(式4)．随着反应的不断进行，碳酸钙在细菌表面不断包裹阻断了细菌汲取周围营养物质以及生理代谢的渠道，导致细菌的死亡．以细菌为晶核聚集形成碳酸钙晶体，利用碳酸钙晶体的胶凝性对土颗粒进行胶结加固(如图2所示)．
CO(NH2)2+H2O→2NH3↑+CO2↑
(1)
NH3+H2O→NH4++OH-
(2)
CO2+H2O→H2CO3→2H++CO32-
(3)
Ca2++CO32-→CaCO3↓
(4)
在此过程中，微生物起到分泌脲酶，水解尿素，吸附溶液中的Ca2+，使其聚集在细胞外表面以及微生物细胞作为碳酸钙结晶的晶核等作用．碳酸钙晶体逐渐增长，会吸附在土颗粒的表面形成包裹以及在土颗粒之间形成搭桥，从而对土体形成了胶结和孔隙填充的作用[7]．碳酸钙晶体在土体中增长，与土颗粒之间的胶结作用形式除了形成搭桥，还有覆膜作用和黏结作用[8]．覆膜作用为生成的碳酸钙覆盖在土颗粒表面，未将相邻土颗粒连接，只起到增大土颗粒体积和表面粗糙度的作用；黏结作用为生成的碳酸钙主要在土颗粒接触点附近，将相接触的土颗粒黏结．
图2 微生物胶结土壤颗粒过程示意图
除了上述尿素水解反应的MICP过程，自然界类似生物固化也普遍存在，如藻类(蓝藻和海藻)可通过光合作用消耗CO2，生成碳酸钙晶体[9]，还有海洋软体动物通过代谢活动生成的贝壳或珊瑚礁等．此外，利用微生物产气泡过程，如反硝化法生成N2，其化学性质稳定且在水里溶解度低，可作为降低土的饱和度的一种技术手段[10]．同时，一些微生物如粘球菌、荧光假单胞菌等，分泌的黏液状多糖类胞外聚合物附着于土体中可形成微生物膜[11-12]，能有效降低土体的渗透性．
MICP技术利用微生物分泌脲酶，而脲酶不仅可由微生物分泌得到，还广泛分布于植物的种子中，包括一些品种的豆类和瓜类[13]．植物源脲酶诱导碳酸钙沉积(enzyme induced carbonate precipitation, EICP)是在MICP技术基础上新的研究成果，原理基本相同，但EICP技术比MICP技术具有两个显著优点：一是该技术直接利用小尺寸的游离脲酶诱导碳酸钙不易发生生物堵塞，且能够穿透更细颗粒的土体；二是游离脲酶可降解，能避免对环境造成长期影响[14]．
2 MICP影响因素研究
影响MICP的因素主要包括MICP反应中钙离子源、温度、pH、胶结液浓度、营养液浓度和土壤颗粒大小等对固化效果的影响．微生物是研究MICP影响因素的前提，通常是选取生长过程中酶活性和数量较高的时间段开展一系列研究．相关研究结果表明，影响因子从大到小依次为：胶结液浓度、营养液浓度、温度和pH值[15-16]，而原材料的钙离子源和待处理的土体的土颗粒大小，也会对固化效果产生一定影响．
2.1 钙离子源的影响
在微生物进行生理反应产生碳酸钙晶体时，不同化学试剂的酸碱性以及提供钙离子存在差异，会直接影响MICP过程中CaCO3晶体产生速率、质量和产量．张国城等[17]研究表明，在反应过程中加入Mg2+能提高固化砂土的无侧限抗压强度，在Mg2+/Ca2+为0.1/0.4时砂样的强度最大，但继续加入Mg2+会降低砂样的强度．然而目前钙源对微生物固化效果的研究结果存在一定差异(见表1)，主要在于实验条件和方案不统一，因此在钙源选择上建议进行相应的试验再进行选择．
表1 钙离子源对微生物固化土体的试验研究
2.2 温度的影响
温度的变化状态会对细菌的生长、微生物酶活性、细菌的生物分解作用以及结合沉淀的过程产生影响，从而影响最终固化效果．一般而言，普遍认为低温会抑制微生物的生长，而高温会杀死微生物，不同微生物对温度的响应存在差异．Krieg等[22]研究指出巨大芽孢杆菌可在3～45℃的温度条件下进行微生物固化．Sun等[23]研究发现，高温条件下巴氏芽孢杆菌和巨大芽孢杆菌这两种MICP常用细菌生长速率差异不大，温度对酶活性影响较大．孙潇昊等[24]研究表明在低温条件对脲酶活性和巨大芽孢杆菌繁衍速度均有明显抑制作用，造成碳酸钙沉淀率较小，随着温度的增加，碳酸钙沉淀率逐渐增加．彭劼等[25]研究表明不同温度下细菌活性均呈现先增强后减弱的变化规律，但衰减速率差异明显，温度越高，细菌活性的衰减速率越快，同时钙离子的消耗速率随着环境温度的增加呈现先增大后减少的变化规律．此外，彭劼等[26]研究却发现温度越高，碳酸钙沉淀速率越快，沉淀含量越多．可见，温度可以通过影响细菌生长速度、脲酶活性和碳酸钙生成速率而影响MICP反应效果，这也意味着MICP在实际工程应用中，应选择尿素水解菌生成碳酸钙沉淀过程的最佳温度，避免在寒冷季节施工．
2.3 pH的影响
脲酶的主要成分为蛋白质，其酶活性受到环境pH的影响，过酸或过碱都会使脲酶的分子结构遭到破坏而丧失活性．关于pH对微生物诱导碳酸钙沉淀的试验研究，见表2．
表2 pH对微生物诱导碳酸钙沉淀的试验研究
Cheng等[30]通过试验说明了降低pH为MICP过程制造“窗口期”的可行性，适当调节溶液的pH值能够在保证充足的化学转化率前提下延缓MICP反应的进行．综上，适宜的pH值条件有利于微生物更好地分泌诱导碳酸钙沉积的脲酶，提高脲酶活性；脲酶菌最优反应都在弱碱性条件下，pH在7～9范围内，脲酶活性及碳酸钙产量差别并不大．而在酸性和过碱性条件，均会对微生物生长、激发分泌脲酶、诱导产物等方面受到的影响较大．
2.4 胶结液-营养液浓度的影响
胶结液浓度对微生物诱导碳酸钙沉淀的速率和产量有重要影响，从MICP原理上看，胶结液中Ca2+和尿素的增加会沉淀出更多的碳酸钙．而微生物嗜碱性细菌需要一个较适宜的环境进行生长繁殖，其环境物质成分的变化对生长繁殖速率以及固化速率会产生一定的影响作用．营养液主要包括蛋白胨、酵母粉、谷氨酸盐、尿素等物质．此外，尿素为脲酶菌提供营养物质，同时作为胶结液，其含量增多也会改变溶液酸碱性，也会对脲酶活性和碳酸钙的生成产生影响．关于胶结液和营养液浓度对微生物固化土体的试验研究，见表3．
表3 胶结液-营养液浓度对微生物固化土体的试验研究
续表3 胶结液-营养液浓度对微生物固化土体的试验研究
高浓度胶结液下，微生物分泌脲酶的量、微生物水解尿素需要的水分在生化反应中会呈现不足[32]．Okwadha等[39]、Qabany等[40]证实了脲酶的活性随胶结液浓度的增加呈现先增加后减小的变化规律，胶结液浓度过高会抑制微生物活性．王绪民等[41]研究发现胶结效果会随着营养盐浓度变化而达到一个峰值，得出一个最适宜的营养盐浓度．分析表明，过低的营养液浓度可能会造成“供不应求”的局面，所产生的碳酸钙晶体含量过少；过高的营养液浓度可能会造成“供过于求”，并且可能还会抑制酶的活性．且高盐环境下细胞会失水收缩，从而影响微生物生理生化反应过程．因此，细菌的生长繁殖在高渗溶液中受到抑制[42]，所以营养液-胶结液浓度在微生物固化土体研究中十分重要．综上，碳酸钙产量与胶结液浓度在一定范围内呈正相关，但高浓度对微生物诱导生成碳酸钙起到了抑制作用，低浓度下微生物诱导生成的碳酸钙尺寸较小且在土体中分布更均匀．
2.5 土颗粒的影响
从所需要固化的土体角度分析，不同土体颗粒粒径分布存在差异，导致土颗粒与溶液的接触面积以及溶液流速不同，从而影响固化效果．
表4 土颗粒对微生物诱导碳酸钙沉淀的试验研究
总的来说，微生物与土体孔隙存在相容关系[47]，对于粒径很小的细粒土(d<0.075 mm)，土壤孔隙过小，微生物无法更好地进入土壤孔隙及更深处，碳酸钙容易集中在试样上部，均匀性差．对于细砂和中砂(0.075 mm
2.6 菌液注入方式的影响
微生物固化技术在实际应用中经常会将细菌注入待固化的土体中去，诱导产生碳酸钙沉淀进行胶结土体，达到固化的目的(见表5)．由于土的吸附作用，当菌液从注入孔进入砂土时，菌液会在二维平面发生二维渗流扩散，在立式平板试验槽中菌液浓度呈现以注浆口为中心的非对称分布，影响固化效果[48]．学者们在此基础上，考虑微生物活性受到pH值和温度影响明显，尝试通过降低pH值或温度的方法，减缓注浆初期反应速度，以提高溶液注入深度和均匀度．
表5 注入方式对微生物固化土体的试验研究
菌液注入方式主要影响的是碳酸钙在土体中的分布．常规注射混合液的固化结果一般不太理想，通过调节生物质浓度、脲酶活性和pH值来控制MICP过程给予一定的滞后时间，从而在注入混合液后暂时不会发生沉淀，在非优先流动路径条件下可以使得混合溶液均匀分布在土基质中．以上一些试验证明在小规模的土体中是可行的，但在实际工程中，大规模的土体改良的效果需进一步研究．
2.7 纤维加筋的影响
微生物固土可以提高土体强度，但是土体在受到破坏时，会表现为一定的脆性，所以部分学者尝试采用纤维加筋的改良方法来平衡固化砂土所表现出来的脆性．通过在土体中掺入均匀的纤维，以增加土体的抗剪性和残余强度(见表6)．
表6 纤维加筋对微生物固化土体的试验研究
纤维加筋可以弥补微生物固土上的劣势．土颗粒能与纤维形成接触点，增强了土颗粒和纤维混合物之间的黏结性，同时碳酸钙的沉积作用，进一步提高了土的强度，改善了MICP固土的脆性问题．但纤维掺量达到一定量后，继续增加纤维掺量，会导致碳酸钙分布不均匀，影响固化效果．
3 应用领域
MICP作为一种新型技术，目前已经在加固土体、减少入渗、岩体修复、防风固沙、减少河(海)岸侵蚀和除重金属等领域开展了一系列应用．
1)加固土体．通过所生成的碳酸钙将土壤颗粒之间进行胶结，从而提高土体强度和刚度．MICP胶结砂土对内摩擦角强度参数的影响较大，特别是中胶结和重胶结砂土；而MICP反应对黏聚力参数的影响较小，尤其是轻胶结和中胶结砂土[59]．在工程中，可运用于土石坝、水坝等内部及外部的加固与防护．土石坝是通过当地的原材料碾压形成的挡水坝，是世界上最常用的挡水坝之一．但是由于坝体内部的土体不断地受到侵蚀，会存在一定的溃坝风险，MICP固化处理有助于减少砂土混合物的侵蚀和体积收缩．通过直接胶结细颗粒和桥接粗颗粒的接触，提高了砂土混合物的抗冲蚀性[60]．并且MICP可以对污泥进行无害化处理，将污泥进行安全填埋或资源的再利用[61]．
2)减少入渗．MICP反应产生的碳酸钙沉淀可填充岩土体缝隙，从而降低渗透性．此外，微生物产生气泡和微生物膜也起到了防渗作用[62-63]．微生物减少入渗在实际工程中有很多应用，如水坝、水库的表层防渗，通过填充混凝土结构内部的缝隙降低渗透性．
3)岩体和文物修复．MICP固化反应产生的碳酸钙沉淀在岩石缝隙中进行填充可以改善岩石的防渗性能、单轴抗压强度以及峰后承压能力，对岩石具有很好的修复效果[64]．裂缝同时也是三合土遗址的一种典型的破坏方式，利用微生物诱导碳酸钙沉淀对其进行修复，可以修复和保护三合土遗址，并且其与遗址的基材兼容性很好，不会产生环境的破坏[65]．近年来，MICP技术快速发展也在部分文物修复中使用，如王瑞兴等[66]利用巴氏芽孢杆菌诱导矿化技术对大理石文物表面进行防护，提高了文物的抗侵蚀能力．岳建伟等[67]通过MICP改性古建筑灰浆，加快提升其修复效果．对传统水泥建筑长时间的侵蚀问题，Jonkers等[68]提出自我修复的生物水泥，利用巴氏芽孢杆菌，不但能够适应碱性的干燥环境，并且其芽孢能够以休眠的状态存活数十年，通过自身的修复能力完成对裂缝的修补工作，环保且省力．
4)防风固沙．风蚀是干旱和半干旱地区土壤和环境退化、空气污染以及悬浮颗粒物运移的主要因素之一．风在风蚀过程中由于沙丘具有低黏聚力，会刮起沙丘上的沙子产生灰尘．这会导致农业生产力低下，污染空气和地表水，危害人类健康．MICP可以显著抵御风蚀，随着时间的增加，喷洒后表层强度增加，可以通过二次喷洒进一步增加强度[69]．
5)减少河(海)岸侵蚀．在许多河口环境中，裂流和相关潮汐流对前滨斜坡的侵蚀是一个主要问题．在大多数海岸和河口环境中，这些潮流导致的边坡破坏和侵蚀仍然是岩土工程方面的挑战[70]．其中沙丘可以作为一种天然的防御机制，抑制波浪侵蚀作用的影响，保护了内陆的基础设施．但是较大的波浪可能会引起的过度冲刷，如果风暴条件持续存在，这可能导致沙丘完全破坏．所以可以采用MICP固化反应对沙丘进行固化，从而抑制风浪侵蚀，减少了岸边基础设备频繁的维护，延长了部署的基础系统的经济寿命周期[71]．
6)除重金属．土壤重金属修复主要是通过清除或固定污染物，减少其迁移性和生物可利用性[72]．MICP除重金属即通过MICP过程使大部分重金属离子由可溶交换态转变为碳酸盐沉淀的形式[73]．目前，国内外对这方面开展了相应的研究，除阳离子型重金属Cu、Pb、Cd等[74-75]及阴离子型重金属Cr、Mn等[76]和类金属As[77]．这些经MICP过程，重金属的去除率达到了50%以上，可见MICP技术具有较好的修复效果．同时，在工业废污处理和提高农业生产力等方面也发挥着重要作用．
7)混凝土裂缝修复和再生骨料强化．混凝土是脆性材料，在使用过程中由于疲劳效应、腐蚀效应和老化等不利因素的影响，混凝土结构将产生损伤积累和抗力衰减，从而不可避免地会产生微开裂和局部损伤[78]．MICP反应产物碳酸钙沉积在混凝土裂纹表面，能防止裂纹继续扩展[79]．混凝土呈碱性，细菌必须能适应碱性的环境，保证后期能修复混凝土．目前利用微生物修复需借助载体，研究者们一般选用微胶囊作为载体，保护微生物修复时避免芽孢与外界接触而过早萌发，保证微生物的活性[80]．同时在MICP强化再生骨料方面，相关研究表明[81-82]，经处理后的再生骨料，其主要物理力学性能表观密度、吸水率和压碎指标有明显改善．
4 存在缺陷及未来展望
本文归纳了钙离子源、温度、pH、胶结液浓度、营养液浓度、土颗粒大小和菌液注射方式等关键因素对MICP技术的影响，但研究成果也存在一定缺陷，需要进一步开展研究：
1)MICP固化反应在不同影响因素条件下会导致固化效果不同，产生的碳酸钙结晶大小及类型也不同，但未对碳酸钙沉淀复杂晶体类型的形成原因以及碳酸钙晶体类型与矿化产物强度关系深入分析和系统探究，并能否在应用过程中有效调控微生物诱导的碳酸钙晶型认识不足．同时，研究MICP固化反应所采用的菌种都是单一菌种，而目前多种菌共同作用加固土体的研究相对较少，这个问题仍需进行探究．
2)MICP固化反应更多的是依靠微生物自身的生理反应而产生碳酸钙沉淀，所以众多环境因素甚至物种间的协同竞争作用都会对固化反应产生影响．目前大多数论文更多的是研究较温和的反应环境，而未对高压、严寒、无氧以及多生物等极端复杂环境进一步研究，包括在极端环境下矿化产物的耐久性和长期强度如何突破的技术问题．
3)上述众多实验文章中对土体的研究更多的是土颗粒对固化反应的影响效果，如砂土的研究．但不同类型、不同土壤母质等因素没进行综合考虑，且固化处理的最适用方式也需要更多的现场试验验证，同时实际施工区域的土颗粒类型并不是局限于某一区间，而是多种多样的颗粒大小混杂在一起，并且实际土体中也会含有众多物质对胶结结果进行影响，如何能将实验结果应用到实际工程中仍需进行深入研究，例如堤坝加固和防渗、海岸河岸侵蚀防护、地基抗液化等应用方案改进．
4)MICP技术的经济效益和环境友好程度还需深入探讨研究．微生物矿化过程中产生的大量NH4+的处理问题；大量脲酶菌加入，是否会对其周围微生物生态系统产生影响等．
