微生物矿化在荒漠化防治的应用研究

李日升

（广东省建设工程质量安全检测总站有限公司；广东省建筑科学研究院集团股份有限公司，广东 广州 510500）

0 引言

荒漠化是由于干旱少雨、植被破坏、大风吹蚀、流水侵蚀、土壤盐渍化等因素造成的大片土壤生产力下降或丧失的自然或非自然现象，是缓变性地质灾害之一。根据全国沙漠、戈壁和沙化土地普查及荒漠化调研结果表明，中国荒漠化土地面积为262.2 万km2，占国土面积的27.4%，近4 亿人口受到荒漠化的影响[1]。土地荒漠化主要受人为活动的影响而不断恶化，在气候变暖背景下，全球沙漠化防治形势变得更加严峻，亟需重视荒漠化的防治和治理。荒漠化的主要治理方法是退耕还林，植被对防治土壤风蚀具有重要作用，但这种方法在短期内防治效率相对较低，人工成本高，需要寻找一种高效且环保的处理方法，以适用于更大面积的荒漠治理。

目前微生物矿化是岩土工程中的热门研究方向，它具有反应速率快、能耗低、污染少、对生态友好等优点，对于大面积的沙漠治理具有一定的应用前景。本文主要介绍微生物矿化在沙漠治理的研究及应用现状，探讨其可能的改进方向，为工程师和学者提供一定的参考价值。

1 微生物矿化的原理

微生物矿化是指利用微生物的生化反应生成碳酸钙沉淀或其他矿物的过程。土壤中的细菌在土颗粒孔隙间控制或诱导矿物产生，将减小土体的孔隙率，增大土颗粒之间的接触，从而改善土的渗透性和强度、刚度等力学性质。由于砂土的孔隙较大，菌液和胶结溶液能通过渗透作用较均匀的分布在砂土的孔隙中进行微生物矿化作用。已经有不少学者将微生物矿化应用在砂土的加固中[2]，提高了砂土的抗液化强度、抗剪强度，降低了砂土的渗透性等。

目前微生物矿化的应用主要通过生物添加或生物激活两种方法[3]。生物添加是指将外来细菌加入土中诱导生成矿物沉淀。生物激活是指在土中添加微生物矿化的原料及营养物质，激活土中原有的细菌诱导生成矿物沉淀。

很多微生物都具有诱导碳酸盐矿物形成的能力，这些微生物按代谢类型来分有好氧型、厌氧型、自养型和异养型，按微生物类型来分有细菌和真菌，其中细菌类型居多，有芽孢杆菌、梭菌和蓝细菌等。目前使用最广泛的微生物矿化机制是利用细菌内的脲酶分解尿素产生碳酸根离子和铵根离子，过程如式（1）所示。

产生的碳酸根离子与环境中的钙离子产生碳酸钙晶体沉淀，在不同的条件下，碳酸钙晶体会以方解石、霰石和球霰石中的一种或多种晶型沉淀，反应过程如式（2）所示。

微生物生成碳酸钙沉淀的速率与尿素水解的反应速率有较大关联。影响尿素水解的因素主要有微生物类型、细菌浓度、pH、温度、尿素浓度和钙离子浓度等，各影响因素存在最佳的应用范围。

2 基于尿素水解的微生物矿化在荒漠化防治中应用

为了治理风沙，Gomez 等[4]进行了基于尿素水解机制的微生物矿化技术改善松散砂的现场试验。他们在现场设置了四个试验区域，每个试验区域尺寸为2.4m×4.9m，其中3 个试验区域用细菌培养液和不同浓度的胶结溶液（尿素和氯化钙溶液）进行喷洒处理，第四个试验区域作为对照。Gomez 等设置的微生物矿化实验场地如图1 所示。

图1 Gomez 等设置的微生物矿化实验场地

一轮微生物矿化处理的流程为一天的细菌改良剂喷洒和三天的胶结剂喷洒。在进行5 轮微生物矿化处理之后，松散砂土表面形成一定厚度的胶结层。微生物矿化处理后形成的胶结层如图2 所示。

图2 微生物矿化处理后形成的胶结层

胶结效果最好的一组是用最低的胶结溶液浓度（15g/L 尿素和13.875g/L 氯化钙）获得，胶结层最大厚度可达2.54cm。在水流速度为22.7L/min 的冲击下，胶结层砂土基本不被冲蚀，而未处理的砂土在水的冲击下冲出了一个小坑。

Gomez 等[4]通过这个现场实验证明了微生物矿化治理风沙的可行性，且为实际应用提供了很好的经验。张军辉等[5]也通过基于尿素水解的微生物矿化技术对沙漠风积沙进行胶结，实验结果表明有菌组胶结体密实度显著提高，经细菌矿化胶结处理后的风积沙在保水方面更具优势。越来越多的研究表明：基于尿素水解的微生物矿化技术可有效用于治理风沙。

虽然利用微生物矿化技术进行沙漠防治是可行的，但如果要对于大面积的沙漠进行微生物矿化处理，则需要大量的菌液，而目前培养细菌菌液的成本较高，因此，微生物矿化技术用于沙漠化防治目前并不经济。此外，很多学者已经注意到利用尿素水解机制诱导碳酸钙沉淀会产生副产物铵根离子。残留在土中的铵根浓度达到一定值时有可能激活土中的氨氧化菌和硝酸细菌[6]发生硝化作用，硝化作用产生的硝酸根离子和氢离子，将降低土中溶液的pH 和碳酸根离子，甚至溶解微生物诱导产生的碳酸钙晶体，对加固土体的强度和稳定性造成不良的影响。

3 微生物矿化用于荒漠化防治的改进措施

3.1 通过生物激活的方式节省菌液培养的成本

针对细菌培养成本高的缺点，可通过生物激活代替生物添加的方式，降低应用成本。由于土中有许多细菌，其中大多数细菌均含有脲酶，可利用土中原有细菌加入营养液和胶结试剂，从而激活本土细菌诱导碳酸钙沉淀。生物激活的优势除了能节省购买菌种的成本外，还有本土细菌更适应环境、存活率更高。李驰等[7]利用沙漠中提取的葡萄球菌和购买的巴氏芽孢杆菌对在内蒙古乌兰布和沙漠腹地进行了试验田实验。现场观测结果显示，微生物矿化处理后砂土表面的胶结层平均厚度为2.0～2.5cm，由沙漠本土的葡萄球菌诱导生成的胶结层强度是巴氏芽孢杆菌诱导生成的胶结层强度的1.05 倍。且在胶结处理后210d 再次进行观察，沙漠本土细菌诱导生成的胶结层的强度和稳定性明显优于巴氏芽孢杆菌生成的胶结层。李驰等[7]的现场实验证明了沙漠中的本土细菌用于微生物矿化的可行性和优越性，但实验仍是通过生物添加的方式进行的，仅证明了用生物激活方式进行微生物矿化的潜在可能性。后续可加强通过生物激活方式的微生物矿化的研究，以降低应用成本、改善胶结效果。

3.2 更环保的沙漠生物防治方法

针对基于尿素水解的微生物矿化会产生副产品铵根离子的缺点，许多学者在寻找不产生或只产生很少量副产品的方法。

通过添加较低浓度的尿素溶液和氯化钙溶液可降低铵根离子的产量。较低浓度的胶结溶液会使尿素水解速率变慢，铵根离子的生成总量相对降低，水解生成的碳酸根离子会随溶液渗入砂土更深的位置，从而使沉淀分布更深，胶结范围更广，从而获得更好的胶结效果。相反，使用高浓度的胶结溶液会使微生物在砂土表面迅速形成一层薄胶结层，阻挡了菌液和胶结溶液在砂土中的渗透作用，难以深入砂土深部进行矿化反应，导致胶结效果更差。

也有学者通过微生物矿化联合荒漠植物种植进行固沙[8]，植物联合微生物矿化技术固沙如图3 所示。沙土表面发生微生物矿化反应，使表层砂粒形成胶结层，提高了表层的抗剪强度。同时，植物的根系固化了深层砂土，进一步提高了固沙效果。其中，微生物水解尿素生成的铵根离子可作为植物的肥料，可进一步提高植物的存活率、促进植物的生长，两者联合使用使固沙效果比单独使用微生物矿化的固沙效果提高了4.25%。

图3 植物联合微生物矿化技术固沙

Yu 等[9]将基于尿素水解产生的NH3作为生成另一种沉淀所需的原料，通过沉淀的方式固定了下来，降低了微生物矿化技术对地下水的影响。他们将磷酸氢钾和氯化镁作为胶结溶液，在微生物水解尿素后在砂土表面生成镁磷酸铵沉淀（鸟粪石）从而达到胶结砂土的效果，其反应式如下。

通过3 次喷洒即可在砂土表面形成较为致密的鸟粪石沉淀，如图4 所示。处理后的样品在风洞试验中，能有效抵抗风速为12m/s 的风蚀，与矿化生成碳酸钙沉淀的固沙效果相似。

图4 砂土表面微生物诱导生成镁磷酸铵沉淀

以上方法是微生物矿化应用于沙漠化防治的新思路，均减少了基于尿素水解机制生成的副产物铵根离子，使得应用微生物矿化进行沙漠化防治时固沙效果更好的同时对环境的影响更小，值得推广。

4 结论

（1）微生物矿化技术能应用于沙漠治理，在生物添加的应用方式中，能使砂土表面形成一定厚度的胶结层，能有效抵抗风蚀和水流的冲蚀，是一种有效且环保的治理方法。

（2）沙漠本土细菌更适应环境、存活率更高，可作为微生物矿化的原料。通过直接添加营养液和胶结试剂激活本土细菌进行沙漠防治是具有潜在可能性的，可通过这种方式降低应用的成本。

（3）基于尿素水解的微生物矿化会产生副产物铵根离子，可通过使用较低浓度的胶结溶液来提高胶结效果同时减少铵根离子的生成。也可以通过植物联合微生物矿化和生成如鸟粪石等其他沉淀，消耗铵根离子以降低对环境的影响，同时提高固沙效果。