海水環境下MICP的反應機理與影響因素

王子玉，喻文曄,齊超楠,趙翔宇

(海南熱帶海洋學院 a.海洋科學技術學院；b.崖州灣創新研究院;c.生態環境學院，海南 三亞 572022)

微生物誘導碳酸鈣沉淀技術加固土體是近年來發展起來的新興技術，其原理是通過向土體中的微生物提供鈣源和氮源，促進砂土間碳酸鈣生成并沉淀，起到膠結土體的作用，使土體得到固化。MICP是一種在自然界中廣泛存在的生物礦化過程，機理簡單，快速高效，具有成本低、環境友好等特點，非常符合生態建設島礁的需求[1-7]。

近年來，學者們對海水環境下的MICP技術應用進行了探索研究，彭劼等[8]、余振興[9]研究了海水環境下微生物誘導碳酸鈣沉淀的加固效果，發現海水環境會抑制MICP反應的碳酸鈣生成量。張浩男[10]研究了海水環境下巴氏生孢八疊球菌產鈣率的影響因素。付佳佳等[11]在研究海相粉土的加固試驗中發現，采用拌和加固法可使加固過程更簡便，加固試樣更均勻，且加固試樣的脆性破壞現象更明顯。李昊等[12]經無側限試驗發現，海水環境的試樣加固力學效果比淡水好，且海水的弱堿性環境也有利于加固。楊司盟等[13]研究發現，將海水濃縮至3倍,鈣離子含量約為0.033 mol/L，尿素添加量為濃縮海水中鈣離子含量的3倍時,可提高利用膠結液中鈣離子產生沉淀的效率；使用流速為2 mL/min的膠結液注入對5 cm砂柱進行加固，可以得到最佳加固效果。Kannan等[14]進行了MICP技術在海相黏土中有效性的研究，生物增強使海相黏土的液限和塑性指數分別降低到29%和47%左右，海相黏土的性質也實現了從黏土到彈性粉砂的轉變。Daryono等[15]進行了人工灘巖與天然灘巖的對比研究，天然灘巖的膠結機理特性使得在沿海生產人造灘巖方面采用MICP生態環境開發方法具有潛力。董博文等[16]研究發現，天然海水使微生物的生長出現滯后期，但穩定期的微生物數量和脲酶活性與淡水環境下相差不大，與淡水相比，加固后鈣質砂的滲透系數可降低一個數量級。

由于海水環境的特殊性，海水pH值較高，同時，海水中含有多種離子成分，這些離子成分對細菌的活性與沉淀物礦物成分有直接影響。通過查閱大量文獻可知，海水環境下，MICP產鈣的影響因素主要為營養鹽、微生物(菌液)、溫度、海水pH值等。目前對海水環境下MICP技術應用的研究不夠深入，鑒于此，筆者針對上述各項影響因素，同時在海水環境和去離子水環境下改變營養鹽濃度、菌液與營養鹽體積比、環境溫度等條件進行微生物誘導碳酸鈣沉淀試驗；分別取海水和去離子水環境下的礦化反應試樣進行測試，通過對比分析，獲得海水環境下的MICP反應機理。

1 試驗概況

1.1 試驗材料

1)海水：試驗用海水取自三亞大東海附近海域，海水pH值為8.25，含鹽量為3.6%。海水離子成分見表1。

表1 試驗海水離子成分及其濃度

2)微生物：試驗選取大腸埃希氏菌ATCC25922(巴氏芽孢桿菌)作為試驗菌種，購自廣東省微生物菌種保藏中心，該細菌為化能異養型革蘭氏陽性菌，是目前在巖土工程領域MICP應用最普遍的細菌。經活化后，加入液體培養基中培養，培養基成分為(每1 000 mL中)：尿素20 g、蛋白胨15 g、大豆蛋白胨5 g、氯化鈉5 g，并用NaOH溶液將培養基pH調節至7.3，以適宜細菌生長，將培養基放入高壓滅菌鍋中，以121 ℃滅菌30 min，將加入了菌種的培養基(如圖1)放入搖床中，以220 r/min的轉速30 ℃下培養36 h，取出后測量菌液濃度和菌液脲酶活性。

圖1 在搖床培養后的菌液Fig.1 Bacterial solution cultured in a shaking

1.2 試驗方法

1.2.1 微生物濃度和活性測定 利用分光光度計測定菌液濃度，測試其在波長600 nm下的吸光率(OD600)。測定菌液水解尿素的能力，取5 mL菌液與45 mL 1.1 mol/L尿素溶液混合，用電導率儀測量溶液電導率的變化(測量5 min)，所測5 min內平均電導率變化值乘以稀釋倍數(10倍)，即為菌液初始酶活性。試驗測得菌液的吸光度(OD600)為1.027，5 min內電導率變化為1.36 mmol/(L·min)。

1.2.2 MICP試驗 試驗過程中營養鹽均選取CaCl2和尿素1∶1的混合溶液，共進行3個批次。第1批：選取溫度為常溫(25 ℃)，菌液和營養鹽體積分別為30、120 mL，設置營養鹽水源分別為去離子水和海水，營養鹽的濃度分別為0.5、0.75、1.0、1.25、1.5 mol/L；第2批：根據第1批結果，選取最優營養鹽濃度為1.0 mol/L，設置營養鹽水源分別為去離子水和海水，溫度分別為4 ℃和常溫(25 ℃)，菌液與營養鹽體積分別為30、60 mL，30、120 mL，30、180 mL，30、240 mL，30、300 mL。試驗均在燒杯中進行，如圖2所示。

圖2 MICP水溶液試驗Fig.2 MICP aqueous solution

試驗過程中使用PXS-270(離子計)及PCa-1-01(鈣離子電極)和232-01(參比電極)、PHS-25(pH計)及E-201-C(pH復合電極)每8 h測量一次鈣離子濃度和pH值，如圖3、圖4所示。離子計每次測量前需使用標準溶液(10-1、10-4mol/L的CaCl2溶液)進行標定，然后使用標準溶液(10-1、10-2、10-3、10-4mol/L的CaCl2溶液)測量出pX值和對應的電位值，繪制pX值和電位值的關系曲線，每次均測量電位值，而后根據關系曲線得到pX值，由于離子計的最低量程為10-1mol/L，而查閱文獻可知，MICP水溶液試驗在反應停止時的最低鈣離子濃度為0.05 mol/L[10]，所以，每次測量前均攪拌均勻后再使用移液管提取1 mL試樣，并加入9 mL去離子水稀釋10倍后攪拌均勻再測量；pH計每次測量前需使用pH值為4.00、6.86、9.18的緩沖溶液進行標定，每次攪拌均勻后再測量。設定環境溫度為低溫(4 ℃)的試樣在每次測量完成后立即放入4 ℃的冰箱中。試驗結束后，用去離子水清洗浸泡24 h，并在烘箱中以60 ℃烘干24 h，測量生成物質量。

圖3 PXS-270(離子計)

圖4 PHS-25(pH計)

2 試驗結果與分析

2.1 營養鹽濃度對礦化反應的影響

在去離子水和海水環境下分別進行水溶液試驗，分析營養鹽濃度對礦化反應過程及生成沉淀物質量的影響規律，如圖5～圖7所示。在兩種水環境反應過程中，鈣離子濃度均隨著營養鹽濃度的增加而降低，隨著反應的進行，鈣離子濃度減小的速率趨于平緩，且在反應時間達到60 h時，鈣離子濃度在0.3 mol/L附近達到平衡。這是由于較低濃度營養鹽提供的鈣離子較少，隨著鈣離子濃度增加，可用于反應消耗的鈣離子變多，促進了反應的快速進行。

圖5 水溶液反應過程中鈣離子濃度變化曲線Fig.5 Curve of the change of calcium ion concentration

圖7 不同水環境生成碳酸鹽質量對比Fig.7 Carbonate quality comparison in different

去離子水環境下，pH值先升高后降低，是因為在反應最初幾小時內，尿素水解量超過了微生物的利用效率，使得溶液中OH-濃度升高，隨后微生物進行了大量的消耗代謝，使溶液中的pH值逐漸降低。比較各種營養鹽濃度的試樣可以得出，最終1.0 mol/L的試樣pH值最低，反應效果最好，海水環境下，pH值呈先下降后逐漸緩慢上升至平穩的趨勢，在前25 h內，微生物對尿素進行了大量消耗，隨后25～60 h內，微生物代謝速率減慢，而尿素水解出的NH3分子又進行了水解，使pH值緩慢提升。雖然海水條件的初始pH值較高，但下降得較快，說明海水的高pH值加速了尿素的水解，使得微生物對營養鹽的利用效率加大，加速了反應的進行。

在海水和去離子水環境條件下，碳酸鹽生成量均隨營養鹽濃度的增加而先增加后減少，并在營養鹽濃度為1 mol/L時達到最大碳酸鈣生成量，去離子水和海水環境下最大碳酸鈣生成量分別為12.21、13.79 g。這是由于營養鹽濃度過高，細菌難以再進行利用，使礦化反應進行得不徹底，而低濃度的營養鹽提供的鈣離子和碳酸根離子較少，碳酸鹽生成量也不高。

2.2 菌液和營養鹽體積比對礦化反應的影響

在兩種水環境下，分別進行不同菌液和營養鹽體積配比條件下的水溶液試驗，獲得鈣離子濃度隨時間的變化規律及生成碳酸鹽的質量，如圖8、圖9所示。由圖可見，在4 ℃時，兩種水環境反應速率均隨著菌液在反應液中比例的增大而增大；在常溫(25 ℃)下，兩種水環境反應速率均隨著菌液在反應液中比例的增大而先增大后降低，峰值在配比為30∶120的反應液中出現。這是由于常溫條件下隨著菌液比例的降低，反應速率逐漸減慢，而在配比為30∶60的試樣中，營養鹽濃度在混合溶液中較低，反應速率不及30∶120的試樣。

圖8 水溶液反應過程中鈣離子濃度的變化曲線Fig.8 Curve of the change of calcium ion concentration

圖9 礦化反應生成沉淀物質量的對比Fig.9 Quality comparison of precipitates

在兩種溫度條件下，隨著營養鹽配比的增加，生成的碳酸鹽質量也逐漸增加，在常溫(25 ℃)條件下，均是海水環境中的生成量略高于去離子水，推測原因為在海水環境中不僅有碳酸鈣生成，同時還有鎂鹽、鋇鹽等生成，而在4 ℃時，海水環境中生成礦物質量與去離子水中相差不大，原因是低溫使菌液活性減弱，且對海水的減弱效果更明顯。兩種水環境下，隨著營養鹽的比例增大，常溫(25 ℃)下的沉淀物生成量均大于4 ℃，說明低溫對生物礦化作用有一定的抑制作用。

2.3 溫度對礦化反應的影響

選取營養鹽濃度為1 mol/L、菌液和營養鹽體積分別為30、120 mL的試樣在低溫(4 ℃)和常溫(25 ℃)兩種條件下進行試驗，分析鈣離子濃度變化規律，如圖10所示。在兩種水環境中，鈣離子濃度均隨著時間降低，且常溫(25 ℃)時的鈣離子消耗較低溫(4 ℃)快，說明低溫對反應的進行有抑制作用；海水環境下的反應在30 h后就趨于穩定，而去離子水環境下的試樣在40 h后才達到穩定值，說明海水中的堿性成分更有利于反應的進行。

圖10 水溶液反應過程中鈣離子濃度的變化曲線Fig.10 Curve of the change of calcium ion concentration

2.4 SEM和EDS結果分析

分別選取1.0 mol/L的去離子水和海水環境下的樣品進行掃描電鏡測試，其形貌如圖11所示。如圖11(a)所示，在10 000倍掃描電鏡下，去離子水環境中的碳酸鈣形成了較好的方解石晶體；如圖11(b)所示，在2 700倍掃描電鏡下，海水環境下也生成了大量的方解石晶體，如圖中紅線圈出部分，海水樣品中還含有少量的堿式碳酸鎂(Mg5(CO3)4(OH)2·4H2O)和碳酸鋇晶體附著在碳酸鈣晶體上，導致碳酸鈣晶體表面不光滑且有小顆粒附著。

圖11 掃描電鏡下生成物結構Fig.11 Structure of product under scanning

去離子水和海水水溶液生成物的能譜分析如圖12所示。可以看出，海水環境下生成的礦物成分較去離子水中多出了鎂、鋇等元素，推測是由于海水中存在的少量鎂離子和鋇離子使得反應過程中除生成碳酸鈣以外，還含有少量的碳酸鎂和碳酸鋇等礦物成分。

圖12 沉淀物能譜圖Fig.12 Energy spectrum of

3 海水環境微生物誘導礦化反應過程

分別選取1.0 mol/L的去離子水和海水環境下的樣品進行XRD測試。由圖13(a)可以看出，在去離子水環境中，只生成了大量的碳酸鈣方解石晶體。由圖13(b)可以看出，在海水環境中，同樣有較多方解石晶體生成。由于海水的堿性環境和其中含有的少量Mg2+、Ba2+，使得海水環境中還生成了少量的球形堿式碳酸鎂(Mg5(CO3)4(OH)2·4H2O)和γ型碳酸鋇。

圖13 沉淀物X射線衍射分析圖Fig.13 X-ray diffraction analysis of

4 結論

通過水溶液試驗方法對海水環境與去離子水環境下的MICP礦化機理與影響因素進行研究，在試驗過程中，通過改變營養鹽濃度、菌液與營養鹽體積比、溫度等條件，分析各因素對微生物誘導碳酸鈣沉淀隨時間的變化規律的影響，得到以下結論：

1)基于MICP技術，在水溶液中誘導碳酸鹽沉淀，通過改變營養鹽濃度、菌液與營養鹽體積比、環境溫度等條件，并進行了海水和去離子水條件下的對比，得出了兩種水環境下的最優條件和不同的反應機理。

2)在海水和去離子水環境下，通過改變營養鹽濃度、菌液與營養鹽體積比、環境溫度等條件進行MICP水溶液試驗，得出碳酸鹽生成量均隨營養鹽濃度的增加而先增加后減少，并在營養鹽濃度為1 mol/L時達到最大生成量，菌液與營養鹽體積比為30∶120時，反應速率最快，效果最佳，常溫(25 ℃)時的鈣離子消耗較低溫(4 ℃)時快，且更早趨于穩定值。

3)對比不同水環境下的礦化反應，發現高pH值可以加速反應的進行，且海水中存在少量的Mg2+、Ba2+等離子，使得沉淀物中除CaCO3外，還生成少量的Mg5(CO3)4(OH)2·4H2O、BaCO3等礦物成分。