微生物土体改良技术研究综述.pdf
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1、微生物土体改良技术就是利用微生物的新陈代谢作用,诱导生成矿物沉淀或生物膜,从而改变土体结构,改善土体的物理力学性能。为帮助岩土工作者更加全面地了解该技术,综述了微生物土体改良技术所涉及的微生物作用机理,分析了该技术的影响因素,归纳了技术的应用情况,并讨论了未来的研究方向。主要结论为:微生物土体改良技术主要运用微生物矿化作用改良土体;其影响因素众多,影响指标的确定尚未形成完整的体系;该技术虽已在土体加固、防渗封堵等多个领域得到应用,但研究仍处于起步阶段,尚未进行大规模实际运用。关键词:微生物土体改良技术;微生物诱导生成碳酸盐沉淀(MICP);生物水泥;综述中图分类号:TU44;P642.16 文
2、献标志码:A近地表处,土体中存在大量细菌、真菌等微生物。据估算,每千克土体中存在 1091012个微生物,但是长期以来人们忽视了微生物活动对土体的影响。随着土木工程学、微生物学、地球物理学等学科间的交叉研究不断深入,研究人员发现土体中的微生物会影响土体的物理力学性质。土体中,微生物通过其新陈代谢作用,诱导生成新物质,新物质胶连土体颗粒,封堵土体孔隙,土体力学性能因此而改变,这种技术被称为微生物土体改良技术。微生物诱导生成的新物质具有胶凝性,因此被称为生物水泥。基于文献调研,综述了运用于微生物土体改良技术的微生物类型及其作用机理,总结了影响微生物土体改良技术的因素,并给出这些影响因素的参考值,归
3、纳了微生物土体改良技术在土体加固、防渗封堵、重金属污染治理等方面的应用。本文旨在对微生物土体改良技术作系统阐述,以便岩土工程工作者对该技术有更全面的认识,进一步推动其在实际工程中的运用。1 微生物土体改良技术原理微生物改良土体的方式可分为两大类,即微生物矿化作用和生物膜作用。微生物土体改良技术较多利用的是微生物矿化作用。微生物可以通过矿化作用诱导生成碳酸盐(MICP)、硫酸盐等矿物。微生物矿化作用主要包含脲酶菌作用、反硝化菌作用、硫酸盐还原菌作用和铁细菌作用。不同微生物对不同土体的适用效果有所不同,需要根据实际情况选择最适合的微生物。1.1 微生物矿化作用1.1.1 脲酶菌作用 巴氏芽孢八叠球
4、菌(Sporosarci-na pasteurii)是一种常见的能分泌高活性脲酶的碱性土壤细菌1。图 1 展示了巴氏芽孢八叠球菌诱导碳酸钙沉淀的全过程。由于其细胞表面带负电荷,因此可以吸附环境溶液中的 Ca2+,起到成核位点的作用,尿素以分子的形式扩散到细胞内部,同时通过细胞分泌的脲酶将尿素分解生成CO2-3、NH+4、OH-等离子,收稿日期:2021-05-10 基金项目:自然资源部深部地质钻探技术重点实验室(中国地质大学(北京)开放基金项目(PY201903)作者简介:吴尚彬(1997),男,硕士研究生,研究方向:微生物岩土工程,604580621 。通讯作者:贾苍琴,博士,副教授,jia
5、cangqin 。引文格式:吴尚彬,贾苍琴,王贵和.微生物土体改良技术研究综述 J.桂林理工大学学报,2023,43(2):224-238.Wu S B,Jia C Q,Wang G H.Review on microbial soil improvement technology J.Journal of Guilin University of Tech-nology,2023,43(2):224-238.图 1 脲酶菌诱导生成碳酸钙示意图2Fig.1 Sketch of urease bacteria inducing calcium carbonate脲酶水解产生的 CO2-3随着细胞
6、代谢和浓度差的作用被运输到细胞的表面,在碱性条件下,Ca2+与CO2-3结合可在细胞表面生成大量碳酸钙晶体,碳酸钙能够粘接岩土材料中的微颗粒,并填充岩土材料内部孔隙和裂隙,最终起到改善岩土体性能的作用2-3。处理后土体的电子显微照片和光学显微照片如图 2、3 所示。脲酶菌作用的反应方程式为CO(NH2)2+2H2OH2CO3+2NH3(g);(1)H2CO3+2NH32NH+4+2OH-;(2)H2CO3H+HCO-3;(3)HCO-3+H+2OH-CO2-3+2H2O;(4)Ca2+CO2-3CaCO3(s)。(5)1.1.2反硝化菌作用反硝化菌大量存在于污水、土壤及厩肥中,在缺氧的条件下,
7、能够将硝酸盐还原成氮气5。反应过程中,反硝化菌细胞中会产生多种还原酶,硝酸盐在 NO-3还原酶、NO-2还图 2 经脲酶菌处理土体的电子显微照片4Fig.2 Electron micrograph of soil treated by urease bacteria原酶、NO 还原酶、N2O 还原酶的作用下分步还原为氮气6。该过程中消耗氢离子,释放二氧化碳,因此土壤碱性增强。在碱性土壤中,钙离子易与碳酸根离子结合生成沉淀。反硝化菌作用的反应方程式为72.6Ca2+2CH3COO-+3.2NO-3 2.6CaCO3(s)+1.6N2(g)+1.4CO2(g)。(6)1.1.3 硫酸盐还原菌作用
8、在低温、无氧环境下,硫酸盐还原菌(sulfate-reducing bacteria,SRB)把硫酸盐等含硫物质作为有机物的电子受体进行硫酸盐的还原,在电子传递过程中获得生存所需的能量。进行生长实验时,培养基的 pH 值、硫化物和图 3 经脲酶菌处理土体的光学显微照片4Fig.3 Optical micrographs of soil treated by urease bacteria522第 2 期 吴尚彬等:微生物土体改良技术研究综述碳酸氢盐浓度升高,而有机质和硫酸盐浓度降低。在碱性条件下,碳酸氢根离子与钙离子结合,可生成碳酸钙,反应方程式为8-9 2CH2O+SO2-4+OH-2HCO
9、-3+2H2O+HS-,(7)Ca2+HCO-3+OH-CaCO3(s)+H2O。(8)1.1.4 铁细菌作用 铁细菌分为铁氧化菌和铁还原菌,主要生长在酸性环境中,以有机物为营养源,尤其偏爱铁的化合物。铁氧化菌从二价铁离子中接受电子以获得能量,氧化过程发生在细胞周质或外膜,氧化生成氢氧化铁分子,通过羟基和电离的阳离子作为桥连配体,连接成一种大分子络合物,其具有很强的吸附性10-11。铁还原菌则是将不溶于水的三价铁还原为二价铁离子,二价铁离子不稳定易被氧化为三价铁离子,三价铁离子与阴离子结合生成氢氧化铁以及不溶性铁盐12。以产物为氢氧化铁为例,其生成反应方程式为13(HCOO)3Fe+3OH-+
10、3NH+4Fe(OH)3(s)+3HCOONH4。(9)1.2 生物膜作用微生物在代谢过程中会分泌胞外聚合物(ex-tracellular polymeric substances,EPS),它是一种高分子聚合物,具有很大的比表面积和很强的吸附性14。这些聚合物附着在土体颗粒的表面,形成一种微生物膜,填充于多孔介质的孔隙,导致土体渗透性降低15。EPS 表面带负电,在微生物诱导碳酸钙形成过程中会吸附 Ca2+,起到成核位点的作用,同时 EPS 还影响着碳酸钙晶体的形态16-17。1.3 小结微生物矿化作用包含 4 种矿化类型,不同的矿化类型对应不同的菌株、反应条件及应用领域,详见表 1。在科研
11、和工程项目中,选择恰当的矿化类型是实验成功的关键。综上所述,微生物土体改良技术主要通过微生物诱导进行矿化作用生成新矿物,新矿物会在土颗粒的接触点沉积,胶连土体颗粒,同时新矿物还会充填土体孔隙,土体结构因此而改变2,4,10,18。如图 4 所示,白色是碳酸钙晶体,黑色是原有土体孔隙18。土体结构的改变在宏观上主要表现为土体无侧限抗压强度(UCS)、抗剪强度、渗透系数、抗液化性能的改变。大量实验表明,微生物土体改良技术可以有效提高土体无侧限抗压强度7和抗剪强度19-20,大幅度降低土体渗透系数21-22,同时也可以改善土体抗液化性能23。2 微生物土体改良技术的影响因素微生物土体改良技术受菌液浓
12、度、温度、pH表 1 不同矿化类型的反应条件及应用领域Table 1 Reaction conditions and applications of different mineralization types矿化类型菌株 反应条件应用领域脲酶菌作用巴氏芽孢杆菌球形芽孢杆菌巨大芽孢杆菌枯草芽孢杆菌迟缓芽孢杆菌巴氏芽胞八叠球菌有氧、碱性环境,最适 pH 为 9.25 左右,最适温度为 2040,对温度的适应能力强,在低于 10 或高于 50 的环境中反应依然可以进行土体加固、处理液化土体、稳定边坡、防渗封堵、修复混凝土裂缝、生物砖、防尘固沙、重金属污染治理反硝化菌作用反硝化杆菌铜绿假单胞菌脱氮副
13、球菌硝基还原杆菌施氏假单胞菌缺氧、碱性环境,最适 pH 为 7.08.0,最适温度为 30 左右,当温度低于 5 或高于50 时,反应几乎停止,在养分含量较低环境中反应时,Ca2+沉淀率可达 75%土体加固、修复混凝土裂隙、重金属污染治理硫酸盐还原菌作用脱硫弧菌脱硫单胞菌脱硫叶菌脱硫肠状菌脱硫杆菌脱硫八叠菌无氧、碱性环境,最适 pH 为 7.07.8,最适温度为 2838 土体加固、防渗封堵,该类作用的菌种在缺氧的环境下会使环境呈弱腐蚀性,限制了其在混凝土裂隙修复中的应用铁细菌作用氧化亚铁硫杆菌锈铁菌纤毛铁菌嗜铁钩端螺旋菌嘉利翁氏铁柄杆菌纤发菌有氧、酸性环境,最适 pH 为 6.0 左右,最适
14、温度为 25 左右土体加固、防渗封堵、重金属污染治理622桂 林 理 工 大 学 学 报 2023 年图 4 微生物诱导生成碳酸盐沉淀(MICP)固化石英砂样品截面照片18Fig.4 Cross section of microbial induced carbonate precipitation(MICP)solidified quartz sand sample值、土颗粒粒径等因素的影响。从微观上看,这些因素会影响碳酸钙晶体的类型、形貌、尺寸,以及细菌和胶结物在孔隙中的分布情况。宏观上表现为对脲酶活性、碳酸钙产量、无侧限抗压强度、抗剪强度等指标的影响。若能根据实际工程情况确定影响因素的最
15、佳配置,就可以大大提高该技术的可靠性和实用性,为该技术大规模工程应用打下坚实基础。2.1 菌液浓度菌液浓度是影响微生物土体改良技术的关键因素之一。由脲酶菌诱导碳酸钙生成的作用机理可知,细菌是反应过程中的成核位点24,其代谢作用产生的脲酶可以分解尿素。在适宜的温度下,菌液浓度越高,尿素的分解速率越高,碳酸钙的产量也越高25-27。Liu 等25发现在 OD600为 1.5 的菌液中,尿素水解的速率最快,其次是 OD600为 1.0的菌液,在 OD600为 0.5 的菌液中,尿素水解速率最慢,碳酸钙的产量也符合相同的规律。赵茜26发现当 OD600从 0.3 增加到 0.6、0.9、1.2、1.5
16、 时,石 英 砂 固 化 样 品 无 侧 限 抗 压 强 度 增 加 了200%、237%、324%、378%。Chou 等28使用不同浓度的巴氏芽孢八叠球菌固化石英砂时发现,高浓度菌液处理后的试样抗剪强度较高、体积应变较低。在一定浓度范围内,菌液浓度的提高可以有效改善土体无侧限抗压强度、抗剪强度、体积应变等各项性质。综上,在应用微生物土体改良技术的过程中,OD600应高于 1.0,在条件允许的情况下,菌液浓度尽可能高。菌液浓度同时还会影响碳酸钙晶体类型及尺寸。成亮等29在使用巴氏芽孢八叠球菌诱导碳酸钙沉淀时发现,当 OD600为 0.4 时,生成的碳酸钙晶体呈规则长方体状;当 OD600为
17、1.6 时,生成的碳酸钙晶体则多为球状。同时还发现,当菌液浓度较高时,成核位点数众多,因此会形成众多尺寸小的晶体;当菌液浓度较低时,成核位点数较少,因此高浓度的钙和尿素溶液会导致沉淀在已形成的晶体上累积,进而形成更大尺度的晶体27。2.2 温度温度对微生物土体改良技术的影响是间接的。以脲酶菌为例,它通过影响细菌的生长代谢过程进而影响菌液浓度和脲酶活性,从而影响碳酸钙产量、晶体类型、晶体大小,以及碳酸钙胶结土颗粒的方式等。温度会影响碳酸钙产量。赵茜26发现,当温度由 10 升至50 时,脲酶活性由6.9 mmol/min提升至 11.8 mmol/min(以每分钟水解的尿素计)。脲酶活性的增加使
18、得尿素水解速率增加,Ferris等30发现,温度从10 升至20,尿素分解速率由 2.2 mmolL-1d-1升至 5.5 mmolL-1d-1。碳酸钙的产率同样随温度的升高而上升,Nemati等31发现在脲酶浓度为 0.02 g/L 的系统中,温度从 20 升至 50,碳酸钙产率由 0.038 gL-1h-1上升至 0.34 gL-1h-1,碳酸钙的转化率也由70%上升至 100%。脲酶活性、碳酸钙产率等因素影响着碳酸钙产量,在一定范围内,碳酸钙产量随着温度的升高而增加,但值得注意的是,温度并非越高越好,每种细菌都存在最适生长温度,这影响着碳酸钙的生成。在赵茜26的实验中发现,巴氏芽孢杆菌的
19、最适温度为 30,在此温度下,其诱导生成的碳酸钙产量最高。在黄琰等32的实验中,30 时碳酸钙产量为 2.178 g;20 和 40 时,碳酸钙产量分别为 0.455 和 0.524 g。温度不仅影响碳酸钙的产量,同时也影响碳酸钙晶体的尺寸。以巴氏芽孢杆菌为例,其在不同温度下诱导生成的碳酸钙晶体尺寸不同。如图 5 所示,25 时,碳酸钙晶体尺寸最大,约为 4 时产生的碳酸钙晶体体积的 10 倍,其能够很好地胶连颗粒间的接触点,因此固化土体的无侧限抗压强度最大;而50 时,虽然碳酸钙生成量高,但由于碳酸钙晶体尺寸小,无法起到胶连颗粒的作用,因此固化土体的无侧限抗压强度较低27。低温条件本不适宜微
20、生物矿化作用的应用,但为扩展微生物土体改良技术的应用范围,研究人员已开始着手研究如何在低温条件下提高微生物矿化效率。Sun 等33发现,在低温下,巨大芽孢杆菌诱导生成碳酸钙的722第 2 期 吴尚彬等:微生物土体改良技术研究综述图 5 不同温度下微生物胶结样本的电子显微照片27Fig.5 Electron micrographs of microbial cement samples at different temperatures含量及速率均大于巴氏芽孢杆菌。使用巨大芽孢杆菌,在接种过程中向其营养液中添加尿素,可使碳酸钙的沉淀效率提高至常温时的水平。综上所述,不同菌种的最适生长温度不同,巴
21、氏芽孢杆菌在 2535 条件下可以生成含量较高、晶体尺寸最大的碳酸钙。该温度在自然环境中比较常见,因此巴氏芽孢杆菌适合在大部分地区使用;而在一些极端气候地区,应该选用适合该地区温度的菌种来处理。2.3 pH 值微生物土体改良技术使用的多数细菌适宜生长在碱性环境中。在宏观上,pH 值会对微生物生长情况、脲酶活性、碳酸钙产量、无侧限抗压强度产生影响。Keykha 等34采用巴氏芽孢八叠球菌胶结过 425 m 筛的粉土,设置菌液 pH 值分别为5、6、7、8,结果显示,随着菌液 pH 值的升高,土体的碳酸钙含量、无侧限抗压强度均有提升。不同细菌对 pH 值的敏感性有所不同,以巴氏芽孢杆菌为例,当 p
22、H 值为 69 时,pH 值对巴氏芽孢杆菌的生长和脲酶活性的影响较小26。此外,pH 值会影响碳酸钙晶体大小。Whiffin18发现,当 pH 值小于 8 时,碳酸根离子过饱和浓度较低,因此碳酸钙生成速率较低,导致生成的晶体较大,且晶体颗粒间的联结强度较高。因此,可以通过控制 pH 值调整碳酸钙晶体大小。pH 值也会对碳酸钙晶体形态造成影响。张浩男35发现,当 pH=7 时巴氏芽孢八叠球菌诱导生成的碳酸钙晶体呈不规则多边形板状;而当 pH=7.5时呈菱形;当 pH=8.0 时呈双球状。2.4 胶结液成分及浓度不同微生物作用所使用的胶结液成分有所不同,脲酶菌作用一般采用尿素及钙盐,反硝化菌作用一
23、般采用硝酸盐及钙盐,硫酸盐还原菌作用一般采用硫酸盐及钙盐,铁细菌作用一般采用有机质和铁盐。不同成分的胶结液会产生不同的处理效果。朱纪康等36发现,虽然以氯化钙作为钙源的胶结效果优于乙酸钙(以氯化钙为钙源的固化土体的无侧限抗压强度大约是以乙酸钙为钙源的固化土体的无侧限强度的 2 倍),但使用硝酸钙作为钙源,固化土体的无侧限抗压强度更高。使用乳酸钙作为钙源胶结效果与无机钙源(硝酸钙、氯化钙)相比较差,原因在于使用无机钙源生成的碳酸钙沉淀尺寸较有机钙源大37。在利用生物膜作用封堵孔隙的实验中,微生物会分解有机碳源从而产生胞外聚合物,进而可以封堵孔隙。有机碳源起到的作用类似胶结液,不同的有机碳源会产生
24、不同的封堵效果。Al-Saedi 等38利用生物膜作用进行砂柱封堵实验,将蔗糖和乙醇作为碳源加入砂柱,成功实现砂柱的封堵,结果表明,乙醇的处理效果优于蔗糖。胶结液浓度会对碳酸钙产量、脲酶活性、碳酸钙晶体尺寸以及土体力学性能产生影响。在 MICP作用中,尿素和氯化钙的浓度越高,碳酸钙的产量越大39,土体的渗透系数也会越低40。但胶结液浓度不能过高,过高的胶结液浓度对脲酶活性有抑制作用,表现为随着胶结液浓度的增加,碳酸钙的生成速率降低。在相同碳酸钙产量的情况下,采用低浓度胶结液(0.5 mol/L)获得的碳酸钙晶体尺寸较小;而采用高浓度胶结液(1.0 mol/L)获得的碳酸钙晶体尺寸大41。胶结液
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