微生物誘導沉積碳酸鈣提高產量的試驗研究

賈強，陳曉瀚，孫增斌，邢建

（1.山東建筑大學土木工程學院，山東濟南250101；2.山東建大工程鑒定加固研究所，山東濟南250013）

微生物誘導沉積碳酸鈣提高產量的試驗研究

賈強1，陳曉瀚1，孫增斌2，邢建2

（1.山東建筑大學土木工程學院，山東濟南250101；2.山東建大工程鑒定加固研究所，山東濟南250013）

微生物灌漿封堵混凝土裂縫具有滲透性好、生成物性質穩定和結合性好等優點。微生物誘導碳酸鈣沉積物的產量成為影響裂縫修復效果的重要因素。文章通過對比試驗，研究了營養液濃度、鈣源溶液種類、鈣源濃度和尿素加入方式對微生物誘導碳酸鈣產量的影響規律。結果表明：尿素溶液濃度為3 mol／L，鈣源溶液采用硝酸鈣濃度為2 mol／L，或氯化鈣濃度為3 mol／L，單位體積溶液內碳酸鈣沉淀物產量分別為0.11和0.12 g／mL；菌液中提前60 min加入尿素，10 min后碳酸鈣的產量是不提前加入尿素產量的5.6倍，從而有效地提高了碳酸鈣的早期產量，有利于實現裂縫的快速封堵；采用優化組的灌漿比未優化組的灌漿次數明顯減少。

混凝土裂縫；碳酸鈣；菌液

0 引言

微生物誘導生成碳酸鈣的過程是由一系列復雜的生物化學反應組成的，一些嗜堿性的微生物利用自身產生的尿素酶將尿素分解為NH3和CO2，隨著生成的氨數量的增加會引起周圍環境pH值的升高，使CO2在溶液中以CO2－3的形式存在。此時如果細菌周圍有C a2＋，細菌細胞中的帶負電荷的有機單層膜就會不斷地螯合C a2＋，引起碳酸鈣晶體沉積［1－4］。1973年，Boquet等發現了自然中某些微生物可以利用自身的生命活動誘導碳酸鈣沉積的現象［5］，此后國外的一些科研機構便不斷投入到微生物誘導生成碳酸鈣的機理和工程應用研究中。這種新型材料固化前粘性很低，借助負壓可滲透到裂縫深處。利用微生物誘導生成的方解石等生成物性質穩定，與混凝土材料結合性好。修復后的混凝土材料抗酸、抗堿、抗滲、抗碳化和抗凍融循環等能力都得到了提高，不會因為材料老化而失效［6－7］。因此，利用微生物誘導礦物沉積技術與現行修復方法相比有著無可比擬的優越性。

該技術應用在混凝土裂縫的封堵和修復中，碳酸鈣沉積物的產量成為影響修復效果的重要因素。Cacchio研究了不同微生物物種對沉積物成分的影響以及不同溫度對細菌礦化能力的影響。在土壤中分離出了31種能夠誘導碳酸鈣沉積的細菌，將細菌分別放置于4、22和32℃的環境中，發現在32℃時，細菌的礦化能力最高［8］。Okwadha等研究了不同的微生物的濃度、尿素的濃度、C a2＋的濃度、溫度和p H值對尿素酶活性的影響，發現這些因素通過對尿素酶活性的影響，進一步影響到微生物沉積碳酸鈣的量［9］。王瑞興等研究了不同的反應溫度、p H值、鈣源和C a2＋的濃度對沉積物的影響，以上參數變化都會影響到沉積物的形狀，而這種形狀變化關系到生成的碳酸鈣的穩定性和強度［10］。黃琰等研究了C a2＋濃度、溫度、p H值和N i2＋的濃度對巴氏芽孢桿菌誘導沉積方解石的影響，發現C a2＋濃度為0.0252 mol／L時誘導生成的方解石的產量最高，30℃時沉積生成的方解石產量最高，N i2＋的濃度為0.005 mol／L時，方解石的產量最高。p H值為8、9和10時，其產量較為接近［11］。錢春香對底物濃度、培養基濃度、細菌接種量和成核劑等因素進行了正交試驗，提出了提高碳酸鈣沉積量和單位體積產率的最優參數［12－13］。L i等研究了經突變后的巴士芽孢八疊球菌沉積碳酸鈣的產率，試驗將細菌進行NTG突變處理，篩選出處理后的細菌，分析發現經B－20突變的微生物沉積的碳酸鈣的產量最高［14］。文章通過巴氏芽孢桿菌誘導沉積碳酸鈣的對比試驗，提出提高碳酸鈣產率的方法，為封堵和修復混凝土裂縫提供技術支持。

1 微生物、營養鹽和鈣源溶液的制備

文中試驗選用了巴氏芽孢桿菌（Bacillus pasteurii），培養基成分及含量為：20 g／L的酵母提取物、10 g／L的硫酸銨和10μ mol／L的氯化鎳。另配制0.1 mol／L的NaOH溶液用來矯正p H值至9.0（最適宜巴氏芽孢桿菌生長繁殖的酸堿度）。培養過程包括：高溫滅菌、接種、恒溫振蕩培養箱內培養、檢驗菌液所含酶的活性、取出菌液等步驟。培養時間設定為20 h，溫度設定為30℃，為保證供給細菌充足的氧氣，振蕩床轉速為200 r／min。每次可培養1.6 L菌液供試驗用。

利用檢測菌液電導率的方法檢測菌液的酶活性，其原理是：巴氏芽孢桿菌產生的尿素酶可以將尿素分解為N H＋4和C O2－3，細菌產生的尿素酶越多活性越高，則單位時間內分解出的N H＋4和C O2－3越多，則溶液的導電能力越大。用移液槍吸取5 m L培養好的菌液加入到濃度為1.1 mol／L的尿素溶液45 m L中，測得5 min電導率儀的數值變化值。

文中試驗為微生物尿素酶的分解提供原料的營養鹽是尿素溶液，試驗中選用了醋酸鈣（C a（C H3COO）2·H2O）、硝酸鈣（C a（N O3）2·4 H2O）和氯化鈣三種鈣源溶液。

2 碳酸鈣產量試驗

2.1 營養鹽濃度對產量的影響

取酶活性1.75 m S／c m的菌液50 m L；取75 m l硝酸鈣溶液和尿素的混合物，混合物中硝酸鈣濃度為1 mol／L，尿素濃度分別為1、2、3、4和5 mol／L。將菌液摻入混合物中反應1 h后過濾稱量碳酸鈣沉淀物重量，每種濃度尿素重復試驗5次，試驗結果見表1。

表1 不同濃度尿素溶液碳酸鈣產量／g

由表1可以看出，溶液尿素濃度達到3 mol／L時，碳酸鈣沉淀物產量最高，濃度太高、太低都會影響碳酸鈣沉淀物產量，這主要是由于尿素濃度低于3 mol／L時，隨著濃度的提高菌液獲得更多營養物質，因此酶化作用提高；而尿素濃度超過3 mol／L時，另一酶化產物在菌液中的過度積累，會直接抑制菌種的生長繁殖，削弱菌種的酶化作用，影響碳酸鈣的沉積。

2.2 不同鈣源溶液對產量的影響

取酶活性1.75 m S／c m的菌液50 m L；取75 m L不同鈣源溶液和尿素溶液的混合物，尿素濃度為3 mol／L，鈣源溶液分別選用醋酸鈣、硝酸鈣和氯化鈣，濃度均為1 mol／L。將菌液摻入混合物中反應1 h后過濾稱量碳酸鈣沉淀物重量，每種鈣源重復試驗5次，試驗結果見表2。

表2 不同鈣源溶液碳酸鈣產量／g

由表2可以看出，硝酸鈣和氯化鈣作為鈣源溶液，碳酸鈣沉淀物產量相當。醋酸鈣的產量稍低。這是由于硝酸鈣和氯化鈣的溶解度相近，而醋酸鈣的溶解度偏小造成的。

2.3 不同鈣源濃度對產量的影響

取酶活性為2.0 m S／c m的菌液50 m L；根據不同鈣源產率的試驗結果，選取75 m L不同濃度（1、2、3、4和5 mol／L）的硝酸鈣溶液或氯化鈣溶液與3 mol／L濃度的尿素溶液的混合物。將菌液摻入混合物中反應1 h后過濾稱量碳酸鈣沉淀物重量，每種濃度的硝酸鈣溶液或氯化鈣溶液重復試驗5次，試驗結果見表3和4。

由表3和4可以看出，硝酸鈣溶液和氯化鈣溶液的濃度分別為2和3 mol／L時碳酸鈣產量分別為14.1和15.1 g，換算成單位體積溶液的產量為0.11和0.12 g／m L，碳酸鈣產量達到最大值。溶液濃度太高或太低都會降低其產量。這是因為最初的碳酸鈣沉積在成核位點，方解石晶體將繼續生長，這取決于C a2＋在細胞表面的結合。由于方解石母體逐漸生長得更厚，阻止了C a2＋與細胞表面的進一步結合，從而阻礙了微生物進一步誘導方解石的沉積。因此，過低或過高的C a2＋濃度并不能相應產生出較高的方解石產率。

表3 不同濃度硝酸鈣溶液碳酸鈣產量／g

表4 不同濃度氯化鈣溶液碳酸鈣產量／g

2.4 在菌液提前加入尿素對產量的影響

取酶活性為2.1 m S／c m的菌液50 m L；選取75 m L濃度為2 mol／L的硝酸鈣溶液作為鈣源溶液。取尿素13.5 g加入菌液（按鈣源溶液3 mol／L濃度折算的重量），分成不提前加入、提前30和60 min加入菌液進行試驗。將配好的菌液、尿素混合溶液與鈣源溶液混合，記錄80 min內碳酸鈣沉淀物的產量分別見表5、6、7。

表5 菌液中不提前加入尿素時碳酸鈣產量／g

尿素摻入菌液時間不同碳酸鈣產量和反應時間關系曲線如圖1所示。

由圖1可以看出，三種條件下碳酸鈣的最終產量是接近的，但菌液中提前加入尿素可以提高碳酸鈣的早期產量，提前60 min加入尿素，10 min后碳酸鈣產量是不提前加入尿素產量的5.6倍。這是因為菌液在與鈣源溶液混合前可使尿素分解出大量的C O2－3離子，另外菌體還提供碳酸鈣沉淀的成核地點，反應完成后擾動的減小更有利于碳酸鈣的形成。這對于利用灌漿方法封堵混凝土裂縫具有重要意義：只有在較短時間產生大量碳酸鈣沉淀才能在較短時間內封堵混凝土裂縫。

表6 菌液中提前30 min加入尿素后碳酸鈣產量／g

表7 菌液中提前60 min加入尿素后碳酸鈣產量／g

圖1 不同尿素摻入時間碳酸鈣產量和反應時間關系曲線圖

3 微生物灌漿封堵混凝土裂縫的對比試驗

文章進行了封堵混凝土裂縫的對比試驗，混凝土試件通過預埋鋼板的方法制作裂縫（如圖2所示），裂縫深度為150 m m、寬度為1.5 m m。為使菌液、營養鹽和鈣源溶液充分混合產生化學反應，采用了醫用輸液器進行滴注的方法，其優點是可有效控制滴注速度。試驗一組采用了優化試驗的結果，與之對比組采用的是濟南偉東新都地下室堵漏工程的參數［15－16］（此處稱“未優化組”），具體取值見表8。每次灌注菌液160 m L（酶活性見表9），灌注硝酸鈣溶液240 m L。為提高碳酸鈣的產率，加入尿素的質量為43.2 g（按鈣源溶液3 mol／L濃度折算的質量）。每間隔2 d進行一次灌漿，直至裂縫被完全封堵，灌漿次數見表8。

圖2 混凝土試件裂縫的制作圖

表8 對比試驗的參數

表9 各批次菌液酶活性

由表8可以看出，優化組試驗封堵裂縫的次數明顯減少，說明優化后碳酸鈣的產量明顯提高。為了研究碳酸鈣沉積在裂縫內的分布情況，將兩組試件沿縫深方向橫截面上切開（如圖3所示），可以觀察到靠近裂縫中央的碳酸鈣較密實，而裂縫兩端的碳酸鈣沉積較少。兩組試件碳酸鈣分布相差不大。對優化組試件的碳酸鈣沉積物的質量進行稱量，得到沿裂縫深度方向的碳酸鈣沉積量曲線如圖4所示。

圖3 試件沿裂縫深度方向截面圖

圖4 沿裂縫深度方向的碳酸鈣沉積量曲線圖

4 結論

經微生物誘導沉積碳酸鈣的對比試驗和微生物灌漿封堵混凝土裂縫的對比試驗可知

（1）當尿素濃度達到3 mol／L時，碳酸鈣沉淀物產量最高；采用硝酸鈣為鈣源，濃度達到2 mol／L時，或采用氯化鈣為鈣源，濃度達到3 mol／L，碳酸鈣產量分別為14.1和15.1 g，換算成單位體積溶液的產量為0.11和0.12 g／m l，碳酸鈣產量達到最大值。選取硝酸鈣和氯化鈣作為鈣源溶液，碳酸鈣沉淀物產量相當，而醋酸鈣的產量稍低。

（2）提前60 min加入尿素，10 min后碳酸鈣產量是不提前加入尿素產量的5.6倍，這對于利用灌漿方法封堵混凝土裂縫非常重要。在較短時間產生大量碳酸鈣沉淀才能在較短時間內封堵混凝土裂縫。

（3）利用優化參數的微生物灌漿比未優化參數的微生物灌漿對提高碳酸鈣產量效果顯著，封堵裂縫的次數明顯減少；對封堵后混凝土裂縫內的碳酸鈣沉積量進行稱量可知，靠近裂縫中央的碳酸鈣較密實，而裂縫兩端的碳酸鈣沉積較少。

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（學科責編：吳芹）

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

山東省科技攻關計劃項目（2012GSF12203）；教育部創新團隊項目（IRT13075）

賈強（1970－），男，教授，博士，主要從事工程鑒定加固等方面的研究.E-mail：jiaqiang＠sdjzu.edu.cn

1673－7644（2015）05－0423－06