基于脲酶诱导碳酸钙沉积固化土体的研究进展

诱导碳酸钙沉积的土体固化是近年来岩土工程领域新兴起的新型环保地基处理技术, 该技术利用产脲酶菌的微生物诱导碳酸钙沉积（Microbially Induced Calcite Precipitation,即MICP技术）或基于脲酶的酶诱导碳酸钙沉积（Enzyme Induced Carbonate Precipitation,即EICP技术）,将松散的土体颗粒胶结成为整体,达到提高土体抗剪强度的目的。与MICP技术相比,EICP技术不存在生物安全风险,无需考虑是否有氧,且可适用于更小粒径土体的处理,因此具备广阔的实际工程应用前景。文章从脲酶类型与来源、EICP固化土体处理方法及EICP固化土体强度增长等方面,对近20年基于脲酶诱导碳酸钙沉积固化土体的研究进行了回顾与总结。     

微生物诱导碳酸盐在土体加固中的应用进展

微生物矿化是近年来在土体改良工程发展起来的一个新分支,主要研究微生物活性在改善土体颗粒特性方面的应用。微生物诱导碳酸盐沉积（MICP）是实现土体生物胶结最常用的方法之一,该技术借助脲酶菌的代谢行为诱导碳酸钙,将松散的砂颗粒胶结成整体,从而提高了土体的力学性能。文章系统性地介绍了MICP研究中的脲酶菌矿化机理、相关处理方法、影响因素、衍生新工艺脲酶诱导碳酸盐沉积EICP及MICP技术在岩土领域的相关现场试验,并对MICP的实用性进行了总结,最后简要讨论了现研究阶段MICP工程应用所面临的挑战和潜在解决方案。     

黄豆脲酶诱导碳酸钙沉淀多变量试验研究

植物源脲酶诱导碳酸钙沉淀（enzyme induced carbonate precipitation,简称EICP）可以显著改善砂土的工程力学特性,但在具体操作时,参数取值无对应规范,固化效果有待提升。基于黄豆脲酶,研究了温度、脲酶浓度、尿素浓度、钙浓度、pH值、钙源种类等变量对脲酶活性与碳酸钙沉淀的影响,并进行了沉淀物（碳酸钙晶体）的扫描式电子显微镜（scanning electron microscope,简称SEM）与X射线衍射（X-ray diffraction,简称XRD）测试,在此基础上开展了黄豆脲酶固化砂的无侧限抗压强度与固化效果试验研究。结果表明：脲酶活性随脲酶浓度的增加而线性增长,但存在温度阈值,温度超过阈值后,脲酶将完全失活,且阈值随脲酶浓度的增大而降低;尿素浓度与pH值共同影响脲酶活性,二者存在一个最优组合,当尿素浓度在0.1～1.0 mol/L时最优pH值为7,当尿素浓度在1.0～1.5 mol/L时最优pH值为8。脲酶是沉淀反应的催化剂,脲酶浓度越高,反应越完全,碳酸钙沉淀率越高;尿素与钙溶液则主要通过掺入量影响碳酸钙沉淀量,掺量比例宜为1:1,且二者浓度与pH值可通过影响脲酶活性来影响碳酸钙的沉淀情况;不同钙源对碳酸钙沉淀量的影响幅度不大。不同钙源沉淀碳酸钙晶体的成分与密度基本相同,但晶体结构差异较大,氯化钙沉淀碳酸钙晶体以块状为主,表面分布球状、类球状晶体,胶结面大,可作为EICP技术中较为理想的钙源。基于黄豆脲酶和氯化钙钙源固化砂的无侧限抗压强度约为掺粉煤灰砂样的6倍,通过SEM图像可发现,沉淀碳酸钙晶体包裹并黏结砂粒成为整体,固化效果非常理想。     

基于生物诱导碳酸钙沉淀的土体固化研究进展

基于微生物或脲酶诱导碳酸钙沉淀（MICP/EICP）的土体固化技术是近年来岩土和地质工程领域的研究热点之一。在系统回顾基于生物诱导碳酸钙沉淀的土体固化技术发展历程的基础上,重点阐述了MICP/EICP固化机制、土体孔隙结构、菌液和脲酶性质、胶凝液性质和固化方式等方面对碳酸钙特性影响的研究进展。研究结果表明：土体孔隙越小,越不利于微生物或脲酶入渗,固化均匀性越差;土颗粒接触点越多,可为碳酸钙提供的沉积点位越多,碳酸钙与土颗粒间的黏结和桥接作用越强,固化效果越好;一定菌液或脲酶浓度或脲酶活性范围内,碳酸钙的生成速率和生成总量随浓度及活性的增大而增大,但过高的浓度或活性易导致碳酸钙生成速率过快,从而在土体注入端发生堵塞;低浓度胶凝液得到的碳酸钙晶体更小,在土体中的分布更均匀;采用合适的注浆饱和度可提高具有黏结作用的碳酸钙的占比;采用多层交替注入或单相低pH值注入可提高碳酸钙在试样中分布的均匀性。基于碳酸钙沉淀特性的影响因素,提高固化土体的均匀性,验证其耐久性,室内试验结果在现场尺度的适应性和改进方案应该成为以后研究的重点。     

脲酶矿化作用机制及其提升仿古黏土砖瓦阻水性能研究

脲酶诱导碳酸钙沉淀（EICP）是岩土工程古迹和土遗址加固领域具有广阔发展前景的前沿技术。然而,关于脲酶矿化作用机制的研究鲜有报道。以试管试验模拟脲酶矿化过程,研究不同底物浓度、不同镁离子浓度、不同铵根离子浓度对脲酶矿化过程中电导率、酸碱度、碳酸钙沉淀量及沉淀率变化的影响规律,从而揭示脲酶矿化强化及劣化机制,并对个别机制作用下的砖瓦试件进行吸水率、透气率及风蚀试验。结果表明：随着底物浓度的升高,电导率逐渐升高但曲线演变趋势基本不变,pH值变化不显著,沉淀量先升高再降低,沉淀率逐渐降低,其中脲素水解速率和脲酶活性是碳酸根的转化及提高沉淀量和沉淀率的关键;随着氯化镁浓度的升高,沉淀量先增加后降低,沉淀效率逐渐升高,除了生成碳酸钙外,还生成碳酸镁,镁离子在提高脲酶活性从而形成最优矿化效果上具有积极作用;随着氯化铵浓度的增加,电导率逐渐升高,p H值逐渐降低,铵根是导致脲酶活性、沉淀量及沉淀效率劣化的主要原因。吸水率、透气率及抗风蚀性能试验结果突出脲酶诱导碳酸钙沉淀技术用于古迹建筑保护的可行性,为将来实际应用和技术拓展提供数据和理论支持。     

酶诱导碳酸钙沉淀加固遗址土动力特性试验研究

中国西北地区地震频发,土遗址长期受到地震活动的不利影响。为了研究酶诱导碳酸钙沉淀技术（EICP）加固遗址土的动力特性,对1.55、1.65、1.75 g/cm³这3种初始干密度的遗址土进行EICP处理,并设置未经EICP处理的对照组。开展了不同围压、振动频率下的动三轴试验。结果表明：在相同动应力作用下,相比对照组,试验组的动应变更小,耗散的能量更少,阻尼比更小;在EICP加固后,随着干密度、围压、振动频率增大,可以降低动应变的产生,但这种效果依次减弱。动本构关系符合Hardin模型,干密度、围压、振动频率对模型参数a（动弹性模量）的影响程度逐渐减小;微观分析发现,EICP加固后,碳酸钙沉淀在土颗粒表面附着,填充孔隙,并与土颗粒相互胶结成致密结构,土体结构强度增强。     

钙质沉积物天然胶结结构的室内模拟方法研究

海洋钙质沉积物存在天然胶结作用,胶结程度对其力学性质具有重要影响。因天然钙质沉积物的胶结结构具有极大的不均匀性及胶结强度低等特点,使得获取原状试样难度大,加之距大陆遥远,取样成本高,从而限制了对其物理力学特性的研究进程。因此实验室快速制备胶结试样成为有效的解决办法,分别采用物理、化学及生物主导的试验方法开展胶结试样的制备研究,发现微生物诱导碳酸钙沉淀（microbially induced carbonate precipitation,简称MICP）和脲酶诱导碳酸钙沉淀（enzyme induced carbonate precipitation,简称EICP）可以促进碳酸钙晶体产生,从而生成类似天然胶结的人工胶结试样。通过扫描电子显微镜（scanning electron microscopy,简称SEM）、X射线计算机断层扫描（computed tomography scanned by X-ray,简称X-CT）和无侧限抗压试验,发现生物主导法得到的人工胶结物的矿物成分和晶体形貌均与天然胶结钙质沉积物相同,胶结试样峰值无侧限抗压强度能够达到天然弱胶结钙质沉积物的水平,通过X-C...     

南方湿热区产脲酶菌固化海砂的碳酸钙结晶效果研究

从南方湿热区自然环境中分离得到一株产脲酶矿化菌,并将其高产突变株应用到海砂室内MICP灌浆试验,结合扫描电子显微镜（SEM）、能谱仪（EDS）、拉曼（Raman）对固化后的产物进行细观形貌观测。通过分析碳酸钙的形貌、尺寸、空间分布、结晶状态等基本特征现象,初步探究南方湿热区产脲酶菌在碳酸钙结晶生长方面的调控作用及其固化土体的作用效果。结果表明：南方湿热区产脲酶菌固化土体具有可行性,但碳酸钙晶体形貌并不均一,晶体晶化过程、生物调控作用及土体结构均会对碳酸钙的生成情况造成影响;碳酸钙从无序到有序、分散到聚集、不稳定到稳定,最终生长聚集为完整的结构,在生长空间充足的环境下,碳酸钙更倾向于形成聚集体。研究结论可为进一步研究不同产脲酶菌诱导碳酸钙沉淀的作用过程与调控机制提供借鉴与参考。     

海洋产脲酶细菌的筛选及诱导形成碳酸钙矿物的特征

产脲酶细菌普遍存在于自然界,其对碳酸钙的矿化作用被广泛用于工程地质和环境等各项工程领域;本研究旨在从北戴河新河河口海洋沉积物中分离产脲酶细菌,探讨其诱导形成碳酸钙的特征,为地质与工程领域的应用提供良好的材料.从海洋沉积物样品中共分离出33株细菌,经筛选,其中有10株细菌具有产脲酶活性,16S rRNA基因序列分析表明:...     

南方湿热区新型产脲酶菌加固土体的效果研究

MICP技术可以通过生成的碳酸钙将松散土颗粒胶结为具有一定强度的结石体,而碳酸钙的形貌、尺寸、晶型等均会直接影响到碳酸钙的自身性能及其在土体中的填充、胶结作用效果,继而影响固化土体的力学性能。在MICP加固不良土体相关研究的基础上,将从南方湿热地区土壤中分离得到的产脲酶细菌的突变株YB7应用至4种土的MICP室内灌浆试验,并结合扫描电子显微镜、能谱仪对比分析了各试样中碳酸钙的结晶现象,最后对突变菌YB7的灌浆试样开展直剪及单轴压缩试验,结合宏观力学特性与碳酸钙的细观生长特征分析,系统研究了该细菌加固土体的作用效应。结果表明：南方湿热区新型产脲酶菌加固不良土体具有可行性,但土体结构会对碳酸钙的生成情况造成影响,颗粒级配、矿物形貌适宜的土体中碳酸钙的生成效果更好,相应灌浆试样的胶结效果也更好。试样的力学性能受土的结构、碳酸钙的生长情况以及碳酸钙与土颗粒间的胶结效果共同影响。研究成果可为该技术的进一步推广应用提供研究基础。     

One-phase-low-pH enzyme induced carbonate precipitation (EICP) method for soil improvement

Enzyme induced carbonate precipitation (EICP) is an emerging soil improvement method using free urease enzyme for urea hydrolysis. This method has advantages over the commonly used microbially induced carbonate precipitation (MICP) process as it does not involve issues related to bio-safety. However, in terms of efficiency of calcium carbonate production, EICP is considered lower than that of MICP. In this paper, a high efficiency EICP method is proposed. The key of this new method is to adopt a one-phase injection of low pH solution strategy. In this so-called one-phase-low-pH method, EICP solution consisting of a mixture of urease solution of pH?=?6.5, urea and calcium chloride is injected into soil. The test results have shown that the one-phase-low-pH method can improve significantly the calcium conversion efficiency and the uniformity of calcium carbonate distribution in the sand samples as compared with the conventional two-phase EICP method. Furthermore, the unconfined compressive strength of sand treated using the one-phase-low-pH method is much higher than that using the two-phase method and the one-phase-low-pH method is also simpler and more efficient as it involves less number of injections.

     

生物固土用于防风固沙的研究进展

文章对近年来基于生物固土技术的防风固沙研究进行了回顾和分析。常用于防风固沙的生物过程包括基于微生物或酶诱导碳酸钙沉积（MICP或EICP）的矿化固土技术,加入黄原胶等生物高聚物作为辅助剂,可获得更好的固土效果。土壤风蚀过程中,除了风力本身,风携带的跃移颗粒对土的撞击,也是侵蚀破坏的重要因素,这在生物固化土风蚀试验中体现明显。生物固化防风固沙的处理过程简单易行,以尿素和钙盐作为处理材料,用细菌或脲酶作为催化诱导媒介,对土体进行单遍喷洒处理即可获得很好的抗风效果。室内抗风试验中,将风蚀速率与临界起动风速两个指标结合是较为合理的评估方法。在室内和现场条件下,表面贯入强度测试可用来快速测定处理效果和抗风性能。目前的现场试验研究表明,生物固化土中植物可以生长,但是极端条件下生长受限。为了将该方法推向实用,需要从多重侵蚀因子作用下的抗风力侵蚀能力、生态恢复能力和现场施工技术等方面进一步研究探索。     

碳酸钙颗粒的细菌诱导形成

为研究胶质芽孢杆菌（Bacillus mucilaginosus）在特定条件下能否诱导合成碳酸钙,作者采用胶质芽孢杆菌两种常用 基本培养基（有氮培养基和无氮培养基）,以磷灰石矿物为钙源,进行了利用胶质芽孢杆菌促进碳酸钙形成的实验,借助扫 描电镜（SEM）、能谱定量分析（EDS）和X-射线衍射（XRD）等手段观察分析形成碳酸钙的晶体结构和化学组成。结果表 明,胶质芽孢杆菌能促进碳酸钙晶体的形成,在有氮加磷矿粉的细菌培养液中形成的碳酸钙多于无氮加磷矿粉的细菌培养 液,在有氮加磷矿粉的细菌培养液中观察到柱状碳酸钙的形成。作者认为,胶质芽孢杆菌通过其风化作用及较强的吸附功能, 利用其分泌的碳酸酐酶（CA）和溶解CO2在分解磷灰石的过程中促进了碳酸钙的形成。     

不同水动力下陆相碳酸钙沉积的蓝藻钙化试验的初步研究

 地表钙华,是喀斯特地区普遍存在的一种沉积体,是陆相碳酸钙沉积的重要类型。长期以来陆相碳酸钙沉积的水动力成因观点为大多数人所熟悉(1)（2）,生物成因观点则研究较少,在实际中生物作用过程也是不可忽略的,特别是藻类的沉积作用。论文以几种典型的蓝藻为例,通过对自然界水动力条件的模拟,对蓝藻藻类进行了几种水动力条件下的碳酸钙生物沉积试验研究,对比研究了在不同水动力条件下,蓝藻钙化沉积过程。试验得出了钙藻生长与钙化沉积的最适宜水动力为0~60 rpm,在过强的水动力条件下,蓝藻的生长将受到抑制,从而降低蓝藻的钙化沉积速率。文章讨论了在瀑布条件下的陆相碳酸钙沉积是以水动力成因为主导,而在水动力条件较弱的河流中以生物成因为主导,从而提出了,陆相碳酸钙沉积的水动力-生物双成因观点。文章还探讨了在静止状态下,藻类沉积对碳酸钙沉积的贡献大小,叠层石所指示的安静的沉积环境。      

Kitchen waste for Sporosarcina pasteurii cultivation and its application in wind erosion control of desert soil via microbially induced carbonate precipitation

Kitchen waste and wind erosion are two worldwide environmental concerns. This study investigated the feasibility of using kitchen waste for Sporosarcina pasteurii cultivation and its application in wind erosion control of desert soil via microbially induced carbonate precipitation (MICP). Enzymatic hydrolysis was adopted to improve the release and recovery of protein in kitchen waste for subsequent microorganism production. After conditions optimized, the maximum biomass concentration (OD₆₀₀) and urease activity of Sporosarcina pasteurii in the kitchen waste-based medium reached 4.19, and 14.32 mM urea min^?1, respectively, which were comparable to those obtained in conventional standard media. The harvested Sporosarcina pasteurii was then used to catalyze the precipitation of calcium carbonate in the desert soil, and its performance in wind erosion control was evaluated through wind tunnel tests. The microbially mediated calcium carbonate could significantly decrease wind erosion loss of the desert soil even after 12 wet–dry or freeze–thaw cycles. Scanning electron microscopy (SEM) with energy-dispersive X-ray (EDX) confirmed the bridge effect of calcium carbonate crystals in the soil matrix. The kitchen waste, as a cost-effective alternative nutrient for bacterial cultivation and carbonate precipitation, showed great potential for large-scale applications in wind erosion control of desert soils.