微生物礦化技術(shù)的風(fēng)積沙膠結(jié)性能實(shí)驗(yàn)研究

張軍輝，蘭 雁，趙紅超，周 健，陳 新，史秀志

（1.新疆大學(xué)a.地質(zhì)與礦業(yè)工程學(xué)院；b.生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，烏魯木齊 830046；2.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410003）

0 引言

土地沙漠化是全球面臨的嚴(yán)重環(huán)境惡化問題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)的沙漠、戈壁和沙漠化土地面積總計(jì)約130.8 萬km2，占國(guó)土面積的13.5%，新疆荒漠化區(qū)域分布最廣，約占全國(guó)沙漠、戈壁面積的60%左右。沙漠地區(qū)風(fēng)積沙分布廣泛，其顆粒均勻且細(xì)小，粒徑級(jí)配較差，沙粒間黏聚力小，沙體極易受風(fēng)蝕作用發(fā)生破壞，沙粒間難以形成自穩(wěn)結(jié)構(gòu)。風(fēng)積沙松散且流動(dòng)性強(qiáng)，沙漠植被難以生存，植被的恢復(fù)與重構(gòu)工作是防治水土流失的重心任務(wù)。沙漠治理的核心是水土保持，前提是沙體固化，只有在降低風(fēng)積沙搬運(yùn)頻率，減緩風(fēng)積沙流動(dòng)速度的基礎(chǔ)上，才能創(chuàng)造有利于植被恢復(fù)的條件，才能在沙漠化治理方面取得長(zhǎng)足進(jìn)步。

微生物礦化技術(shù)可以將松散沙粒固化膠結(jié)，形成具有一定強(qiáng)度的有機(jī)復(fù)合體，充當(dāng)荒漠皮膚，該技術(shù)可在風(fēng)積沙固定和沙漠水土保持方面起到積極作用。沙漠中的氯化鈉和碳酸氫鈉有利于礦化細(xì)菌的生存和代謝，這使沙漠有可能成為全球碳循環(huán)的潛在貢獻(xiàn)者［1-2］。與傳統(tǒng)化學(xué)方法處理沙土體不同，生物膠結(jié)法在固化沙土過程中不產(chǎn)生有毒有害物質(zhì)，是一種環(huán)境友好型的具有創(chuàng)新意義治沙技術(shù)。

本文圍繞沙漠治理的設(shè)計(jì)、選題研究，結(jié)合以學(xué)生為主導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)過程，在培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思維和實(shí)踐能力的同時(shí)，提高了學(xué)生對(duì)新疆生態(tài)的關(guān)注與熱愛，增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)課程的思政教育效果［3-5］，實(shí)驗(yàn)開展在沙漠防治探索和提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果方面均有積極意義。

1 微生物礦化技術(shù)特點(diǎn)

微生物礦化技術(shù)是指利用自然界中具有礦化作用的細(xì)菌誘導(dǎo)產(chǎn)生具有黏結(jié)效果的礦物成分（如碳酸鈣等）來膠結(jié)沙土體、填堵石質(zhì)材料和混凝土材料中的裂隙、裂縫，可用于降低沙質(zhì)土壤液化發(fā)生率，防治建筑物滲漏等病害問題。相比傳統(tǒng)的物理化學(xué)土體改性技術(shù)，微生物礦化技術(shù)施工方法簡(jiǎn)便，幾乎不產(chǎn)生有毒有害物質(zhì)，對(duì)周圍水土環(huán)境的化學(xué)污染較小。相較于傳統(tǒng)化學(xué)漿液，微生物膠結(jié)液在巖土材料中具有更好的滲透性能，從而能夠處理更大尺寸的巖土體。此外，經(jīng)微生物礦化技術(shù)改善后的巖土體，不僅強(qiáng)度得以保證，其力學(xué)、水力學(xué)性能也得以提高。綜上，基于微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀作用的沙土體改性技術(shù)是具有良好應(yīng)用領(lǐng)域及推廣前景的［6］。

目前已知的微生物礦化菌種主要有產(chǎn)脲酶細(xì)菌、硫酸鹽還原細(xì)菌、脫氮細(xì)菌、氧化細(xì)菌等［7］。其中產(chǎn)脲酶細(xì)菌由于其使用成本低、菌種提取和培育工作相對(duì)容易、菌體礦化膠結(jié)效果好以及反應(yīng)過程容易控制等優(yōu)點(diǎn)，目前相關(guān)研究及應(yīng)用較多。細(xì)菌的礦化過程可簡(jiǎn)化為：細(xì)菌代謝過程中，細(xì)胞表面產(chǎn)生負(fù)電荷，吸附環(huán)境溶液中（添加）的Ca2+，向細(xì)菌菌液加入尿素后，細(xì)胞分泌的脲酶可將尿素分解生成等離子［7-8］，Ca2+與會(huì)在細(xì)胞表面結(jié)合并生成碳酸鈣晶體（見圖1），細(xì)胞隨反應(yīng)時(shí)間推移被碳酸鈣沉淀包裹，變成膠囊狀，外圍的碳酸鈣晶體包裹限制了其生存環(huán)境，最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡。大量晶體膠囊結(jié)合形成了連續(xù)的膠結(jié)體結(jié)構(gòu)，起到黏接微顆粒并填充巖土材料內(nèi)部孔隙和裂隙的作用［9-12］。微生物礦化膠結(jié)反應(yīng)的原理如圖1 所示。細(xì)菌礦化膠結(jié)巖土體主要反應(yīng)過程如下式所示：

圖1 微生物礦化原理示意圖［12］

MICP實(shí)驗(yàn)是利用微生物礦化作用產(chǎn)生的碳酸鈣晶體，膠結(jié)沙土顆粒并在其之間形成橋梁，達(dá)到固化材料的目的［13］。結(jié)晶體在毫米級(jí)顆粒水平的孔隙空間中的分布規(guī)律對(duì)于沙土體的固結(jié)具有直接作用。方解石結(jié)晶體在沙土顆粒周圍可能存在3 種不同的膠結(jié)狀態(tài)（見圖2）。“均勻分布”是指沉淀晶體在土壤顆粒周圍等厚度沉積，這種現(xiàn)象導(dǎo)致顆粒接觸部位的沉積厚度不夠，而非接觸部分的沉積厚度過厚，沙土性質(zhì)僅發(fā)生微小變化，膠結(jié)效果差。“優(yōu)先分布”是指沉淀只發(fā)生在顆粒接觸位置，能最大效率地改善沙土性質(zhì)，是理想狀態(tài)下的晶體沉淀方式。相關(guān)研究結(jié)果揭示，實(shí)際的方解石沉淀分布是介于“均勻分布”和“優(yōu)先分布”之間的一種狀態(tài)［14］。

圖2 顆粒間方解石分布特征示意圖

2 實(shí)驗(yàn)方案

根據(jù)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，首先測(cè)試沙土（樣品取自新疆庫(kù)姆塔格沙漠）pH值，結(jié)果為中性（pH 7.06），處于細(xì)菌最佳pH值生長(zhǎng)跨度區(qū)間（6.80～8.30），沙漠天然的酸堿環(huán)境適宜該菌類的生長(zhǎng)及代謝活動(dòng)。膠結(jié)液配置過程中，鈣離子濃度的選擇是影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的關(guān)鍵因素，反復(fù)對(duì)比試驗(yàn)后，最終選用離子濃度為0.5 mol／L的氯化鈣溶液［15-17］。

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

在超凈工作臺(tái)無菌環(huán)境下，將前期活化的菌種從培養(yǎng)皿接種至營(yíng)養(yǎng)液中，利用恒溫振蕩培養(yǎng)箱（上海一恒，HZQ-X300），在37 ℃，150 r／min 的設(shè)定條件下進(jìn)行24～36 h的振蕩培養(yǎng)。

培養(yǎng)過程中測(cè)試不同時(shí)間段菌液的pH 值和OD600值，繪出圖3 所示的細(xì)菌生長(zhǎng)曲線，并由此確定膠結(jié)實(shí)驗(yàn)細(xì)菌的最佳測(cè)試時(shí)間為細(xì)菌振蕩培養(yǎng)周期內(nèi)的24～36 h。經(jīng)振蕩培養(yǎng)后，菌液表觀上由接種前的清澈透明變成（淡）黃色渾濁態(tài)（見圖4），此時(shí)細(xì)菌處于對(duì)數(shù)活躍期，細(xì)胞代謝活動(dòng)最為旺盛，用于膠結(jié)實(shí)驗(yàn)效果最佳。圖4 為營(yíng)養(yǎng)液的外觀形態(tài)對(duì)比圖，可作為監(jiān)測(cè)細(xì)菌生長(zhǎng)狀態(tài)的一種宏觀手段。

圖3 細(xì)菌生長(zhǎng)曲線

圖4 接種前后菌液形態(tài)對(duì)比

風(fēng)積沙固結(jié)實(shí)驗(yàn)前先對(duì)菌液進(jìn)行濃度測(cè)定，采用的稀釋法涂布計(jì)量步驟如圖5 所示：首先抽取細(xì)菌原液1.0 mL，加入到9.0 mL無菌水中，吹吸3 次使其均勻混合，制成10-1細(xì)菌原液稀釋液，然后取1.0 mL 10-1稀釋液，加入下一支裝有9.0 mL 無菌水的試管中，制成10-2細(xì)菌原液稀釋液，以此類推，直至完成10-7、10-8、10-9稀釋液的制作。使用移液器抽取最終目標(biāo)稀釋菌液0.2 mL在無菌環(huán)境下均勻涂布至培養(yǎng)皿固體培養(yǎng)基上，于恒溫條件（35 ℃）下培養(yǎng)24～48 h，待單個(gè)細(xì)菌生長(zhǎng)至肉眼可見的菌落（見圖6）時(shí)進(jìn)行計(jì)數(shù)，最后計(jì)算獲得初始菌液中的細(xì)菌濃度。本批次實(shí)驗(yàn)方案的細(xì)菌濃度經(jīng)測(cè)定計(jì)算為2 ×109CFU／mL。

圖5 涂布法稀釋示意圖

圖6 菌落生長(zhǎng)形態(tài)（a）及計(jì)數(shù)處理過程（b）

菌落計(jì)數(shù)通常采用6（a）所示的計(jì)數(shù)器法，圖6（b）展示了菌落計(jì)數(shù)的一種新思路，即通過拍攝菌落高清照片，利用ImageJ圖像處理軟件設(shè)定閾值去除背景后統(tǒng)計(jì)菌落數(shù)量，計(jì)量結(jié)果與傳統(tǒng)計(jì)數(shù)法高度一致但效率大幅提升。同時(shí)該方法可獲取所有菌落的形態(tài)和面積數(shù)據(jù)，可以更加精確地監(jiān)測(cè)細(xì)菌生長(zhǎng)過程，評(píng)價(jià)不同批次、不同階段的細(xì)菌培養(yǎng)質(zhì)量。

2.2 實(shí)驗(yàn)過程

試驗(yàn)所用風(fēng)積沙取自新疆庫(kù)姆塔格沙漠，風(fēng)積沙粒徑分布特征如表1 所示，風(fēng)積沙宏-細(xì)觀形態(tài)如圖7所示。由表1 可知，風(fēng)積沙粒徑0.1～0.25 mm 區(qū)間內(nèi)占比高達(dá)81.71%，粒徑級(jí)配較差，可能會(huì)對(duì)膠結(jié)實(shí)驗(yàn)效果產(chǎn)生負(fù)面影響。

表1 風(fēng)積沙粒徑分布特征表

圖7 試驗(yàn)用風(fēng)積沙宏-微觀形態(tài)

采用相同實(shí)驗(yàn)配比進(jìn)行有菌組和無菌組的微生物礦化膠結(jié)實(shí)驗(yàn)，得到如圖8 所示的膠結(jié)體標(biāo)準(zhǔn)試塊（φ50 mm×100 mm）。

圖8 微生物礦化膠結(jié)風(fēng)積沙試塊

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論

細(xì)菌礦化過程生成的結(jié)晶體樣本經(jīng)XRD 分析物質(zhì)成分為碳酸鈣，分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)預(yù)期相符，結(jié)晶體的XRD圖譜如圖9 所示。

圖9 實(shí)驗(yàn)結(jié)晶體XRD圖譜

3.1 密實(shí)度改善

對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)z結(jié)試塊進(jìn)行表面及橫截面形態(tài)取像，處理后得到有菌組與無菌組試塊的不同模式圖像（見圖10、11），其中白色部分代表結(jié)晶體覆蓋部位，白色占比越大代表實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生的晶體越多，風(fēng)積沙膠結(jié)效果越明顯。利用密實(shí)度統(tǒng)計(jì)分析軟件可知，有菌組試塊中晶體覆蓋率為25.69%，無菌組試塊中晶體覆蓋率為17.44%，有菌組相較無菌組試塊晶體覆蓋面積提升47.31%。結(jié)晶覆蓋程度與膠結(jié)體密實(shí)度直接相關(guān)，實(shí)驗(yàn)表明，在細(xì)菌參與作用下，風(fēng)積沙膠結(jié)體內(nèi)晶體覆蓋率更高，膠結(jié)體密實(shí)度顯著提高，實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)于改善風(fēng)積沙性質(zhì)及沙漠防治具有積極意義。

圖10 有菌組試塊密實(shí)度分析

圖11 無菌組試塊密實(shí)度分析

3.2 吸水性差異

將實(shí)驗(yàn)?zāi)z結(jié)試塊置于70 ℃環(huán)境下烘干，直至試塊24 h內(nèi)質(zhì)量減少低于0.1%。試塊除下表面留作吸水面外，其他面均采用密封膠分批多次刷涂封閉，待密封膠完全干透后將試塊置于水槽中進(jìn)行吸水性能測(cè)試（見圖12），測(cè)試過程中定時(shí)取出試塊進(jìn)行稱重并記錄試塊質(zhì)量變化數(shù)據(jù)，直至試塊達(dá)到飽和吸水狀態(tài)為止。整個(gè)實(shí)驗(yàn)在室溫23.7 ℃，濕度44%的環(huán)境中進(jìn)行，試驗(yàn)測(cè)得不同試塊組的吸水性能變化曲線如圖12 所示。有菌組和無菌組試塊的吸水性差異明顯，整個(gè)測(cè)試過程中無菌組試塊吸水速率始終高于有菌組試塊，經(jīng)統(tǒng)計(jì)無菌組吸水率W1＝17.16%，有菌組吸水率W2＝12.99%，有菌組試塊吸水率較無菌組降低24.3%，數(shù)據(jù)間接表明無菌組試塊內(nèi)孔隙較大或較多，防滲性能差，實(shí)驗(yàn)結(jié)論與試塊密實(shí)度分析數(shù)據(jù)一致。在保水性方面，孔隙較大或較多的膠結(jié)體其內(nèi)部水分蒸發(fā)也會(huì)更快，保水將更加困難。實(shí)驗(yàn)證明，經(jīng)細(xì)菌礦化膠結(jié)處理后的風(fēng)積沙在保水方面具有優(yōu)勢(shì)，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)及沙漠治理提供了一種新的思路。

圖12 實(shí)驗(yàn)試塊吸水性能曲線

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于微生物礦化特性，通過風(fēng)積沙固化膠結(jié)實(shí)驗(yàn)，研究了微生物礦化技術(shù)在風(fēng)積沙膠結(jié)過程中的重要作用，并得出以下結(jié)論：

（1）MICP 技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，將實(shí)驗(yàn)室研究快速、穩(wěn)定的轉(zhuǎn)化到工程應(yīng)用中是目前存在的技術(shù)難題，有序控制和簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)條件是實(shí)現(xiàn)大范圍工程應(yīng)用的有力保障。

（2）風(fēng)積沙粒徑級(jí)配較差是限制實(shí)驗(yàn)?zāi)z結(jié)效果的主要因素，如能添加少量粗骨粒，沙土固化效果還將大幅提高。實(shí)驗(yàn)過程證實(shí)了微生物礦化技術(shù)在風(fēng)積沙固化膠結(jié)方面的可行性，該技術(shù)對(duì)環(huán)境友好，為沙漠防治提供了一種新的思路。

（3）跨學(xué)科實(shí)驗(yàn)課程，在培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思維和實(shí)踐能力的同時(shí)，增加了學(xué)生對(duì)于交叉學(xué)科的興趣與熱愛，提高了學(xué)生對(duì)于新疆生態(tài)的關(guān)注程度和責(zé)任感，增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)課程的思政教育效果。