基于改性巴斯德桿菌的橋梁環境下細菌混凝土技術的研究

魯 林，王興赟，李 棟，李繼德

(1.南華大學 鈾礦冶生物技術國防重點學科實驗室，湖南 衡陽 421001；2.南華大學土木工程學院，湖南 衡陽 421001；3.南華大學 核資源工程學院，湖南 衡陽 421001；4.南華大學 機械工程學院，湖南 衡陽 421001)

基于改性巴斯德桿菌的橋梁環境下細菌混凝土技術的研究

魯 林1,2，王興赟1,2，李 棟3,2，李繼德4,2

(1.南華大學 鈾礦冶生物技術國防重點學科實驗室，湖南 衡陽 421001；2.南華大學土木工程學院，湖南 衡陽 421001；3.南華大學 核資源工程學院，湖南 衡陽 421001；4.南華大學 機械工程學院，湖南 衡陽 421001)

選擇巴斯德桿菌進行培育及礦化實驗，并在亞硝酸鹽溶液的環境下對其進行改性，篩選出了適合混凝土環境、產生碳酸鈣和膠質物最多的巴斯德桿菌菌株M102。然后進行粉砂固化能力的對照實驗，掃描電鏡分析結果表明新菌株M102對粉砂的固化能力遠大于原始巴斯德桿菌。

巴斯德桿菌；改性菌株；橋梁環境；深度修復

1 巴斯德桿菌培養和礦化實驗

本實驗所用巴斯德桿菌來自國家菌種保藏中心。根據參考文獻，制備合適的細菌培養基，培養基成分及相應濃度為：甘露醇40 g/L，大豆蛋白胨25 g/L，氯化銨3 g/L，氯化鈉10 g/L，為了保證產生足量的碳酸鈣和膠體，再加入0.5 mol/L(NH4)2CO3的溶液、0.5 mol/L CaCl2溶液、0.05 mol/LNa2SiO3溶液、0.05 mol/L氯化鐵溶液、0.05 mol/L氯化鎂溶液、0.05 mol/L氯化鋁溶液等，為了提高尿素酶的熱穩定性，最后再加入占總體積20%的甘油。使用所制備的培養基進行菌種培養，再將培養后的菌株進行細菌礦化，礦化過程結合設計，礦化結果如下圖1所示。巴斯德桿菌培養實驗進行14 d后，進行碳酸鈣、細菌膠觀測實驗。實驗結果顯示選用的巴斯德桿菌如參考文獻所述產生了球狀碳酸鈣晶體及細菌膠等修復劑，可以進入下一個實驗。

2 巴斯德桿菌改性實驗

(1)選擇培養環境。想篩選出修復能力更強的巴斯德桿菌菌株，可采取誘變育種法，亞硝酸鹽的培養環境下能夠促使基因發生不定性的變異，有一定概率從中篩選出修復效果更強的菌株。綜上，選擇含微量亞硝酸鹽的堿性培養液作為出發巴斯德桿菌的培養環境；

(2)分離細菌。先用API菌種鑒定系統檢測出細菌團，再用離心機分離出細菌，給此時的菌種編號為MX(X=1,2，3……n)，分成X個細菌組；

(3)篩選優良菌株。用前面的巴斯德桿菌培養液培養14 d，觀察產生碳酸鈣和膠質物最多的細菌組。本實驗中最終在第102組中觀察到了單位時間內產生碳酸鈣和膠質物最多的菌株，篩選出菌株M102。

用基因測序軟件MEGA4.1編程證明是否產生新菌株。MEGA4.1軟件是一種能提供以進化的角度從 DNA 和蛋白序列中提取有用的信息的工具，進而通過編程測算出DNA序列，判別出新菌株。本實驗的MEGA4.1編程結果如圖1所示。

圖1 運用MEGA4.1編制證明M102是新菌株

采用MEGA4.1軟件，鄰位連接法顯示菌株“M102”與相關種的16S rDNA序列系統發育樹，進行1000次的相似度重復計算，圖中發育樹節點只顯示Bootstrap值大于50%數值，上標的“T”表示模式菌株(A.,Anaerobacillus B., Bacillus)。本次程序結果可以確定從亞硝酸鹽培養液中篩選出的菌株M102是一個新菌株，巴斯德桿菌改性實驗成功，可以進入下一個實驗。

3 固化粉砂的對照實驗

選三組等量(25g)的粉砂，取新菌株M102與原始巴斯德桿菌進行固化粉砂對照試驗，第一組只放入培養液(空白組)，第二組放入原始巴斯德桿菌菌株和培養液，第三組新菌株M102和培養液。利用掃描電鏡放大250倍掃描14 d后各組粉砂的表觀形貌。

固化實驗前三組粉砂顆粒之間都存在有明顯的縫隙。實驗14 d后空白對照組粉砂顆粒之間的縫隙幾乎無任何減小，說明培養液并不能使粉砂顆粒有效結合；而原始巴斯德桿菌與新菌株M102作用下粉砂顆粒之間的縫隙被大量的CaCO3晶體填充，使粉砂顆粒之間的縫隙明顯減小，且第三組粉砂的致密程度明顯大于第二組，說明新菌株M102對粉砂固化能力要大于原始巴斯德桿菌。

4 改性巴斯德桿菌橋梁裂縫修復實驗

為確定菌株M102對橋梁裂縫的修復能力，本文采用素混凝土梁進行實驗。首先加載素混凝土梁至其產生裂縫，記錄產生裂縫的抗壓強度并用混凝土裂縫寬度觀測儀記錄裂縫初始圖像。然后用工業隔離膜將裝有改性新菌固定液、培養液的聚亞安脂泡沫固定在混凝土梁裂縫處。將該梁置于橋梁環境下，進行修復實驗，每隔2～3 d用混凝土裂縫寬度觀測儀放大50倍觀測裂縫修補情況。

可以看出，28 d后表觀裂縫被完全修補。并將修復第28 d的混凝土梁進行抗壓強度測試，結果表明抗壓強度已達到斷裂前92.4%，即已近似恢復梁斷裂前的水平。

5 研究結論

(1)選擇巴斯德桿菌進行培育并在亞硝酸鹽溶液的環境中對其進行改性，可以分離出發生變異的新菌株；

(2)粉砂固化能力的對照實驗表明新菌株M102對粉砂的固化能力遠大于原始巴斯德桿菌，改性實驗中分離出的新菌株在修復性能上得到了提升；

(3)橋梁環境下，新菌株M102能完全修補混凝土原本的裂縫，且修復后的素混凝土梁的抗壓強度恢復到斷裂前強度的92.4%，表明新菌株M102受環境影響較小，可以在橋梁環境下有效、深度修復裂縫，達到預防橋梁裂縫擴大的目的。

[1] 黃以凱,劉漢有. 有色灌注漿在橋梁裂縫處理中的應用[J].中國公路,2012,(7):117.

[2] 李中錫.細菌混凝土[J].工程質量學報,2009,27(12):76-78.

[3] 竹文坤,羅學剛.巴斯德芽孢桿菌培養基及培養條件的優化[J].食品工業科技, 2012,33(4):217-222.

2016-09-26

魯林(1994-)，男，江西吉安人，主要從事道路橋梁與渡河工程專業相關的研究。

U442

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：1008-3383(2017)06-0130-02