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。     

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。     

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。     

酶诱导碳酸钙沉淀(EICP)技术及其在岩土工程中的应用

通过酶诱导生成碳酸钙沉淀来改良土壤的技术被称为EICP,由于其应用广泛,在过去十多年来引起了越来越多的关注。文章从EICP的机理出发,总结植物脲酶和细菌脲酶的提取方法,探究脲酶、钙源、尿素、脱脂奶粉、温度和pH等因素对EICP胶结效果的影响,归纳检测EICP加固试样的强度、碳酸钙含量、微观结构和成分的方法,并对EICP在岩土工程的应用进行总结与评述。目的是展示目前国内外关于EICP的研究现状,展望未来的研究方向及需要克服的问题。     

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。     

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...     

大鹏湾海洋地质环境与地质灾害综合分析

广州海洋地质调查局在大鹏湾深圳海域开展了海洋地质环境与地质灾害综合调查研究。笔者根据调查所取得的海水化学、海底表层沉积物和海底工程地质条件(包括潜在地质灾害)等方面的资料，结合实测的海底地形地貌背景，对大鹏湾海域的海洋地质环境进行了单因子评价和多因子综合评价，认为大鹏湾的海洋地质环境总体呈良好状况，并对大鹏湾的海洋开发工程建设提出了有益建议。     

海洋工程地质进展——国际海洋工程地质学术研讨会（ISMEG 2016）总结

2016年10月20~24日,国际海洋工程地质学术研讨会（ISMEG 2016）在中国青岛顺利召开。本次研讨会是在国际工程地质与环境协会（IAEG）架构下,由海洋工程地质委员会（C34）主办的第一届全球规模的海洋工程地质学术研讨会。研讨会的主题为“海洋工程地质与地质灾害防护”,设置了海洋沉积物工程特性、海洋地质灾害、海岸带工程地质、海洋工程地质勘察技术和数据分析、海洋沉积物-工程结构相互作用、海洋新能源开发过程中的工程地质问题等6个专题。研讨会共设13个会议特邀报告、57个专题口头报告、15个优秀展板报告,还安排了会前短期课程、会后考察等会议内容,为全球海洋工程地质工作者搭建了一个交流学术思想、分享科研进展、促进全球合作的平台。研讨会在中国召开,体现了我国在国际海洋工程地质界的学术地位与号召力。总体而言,我国以及世界海洋工程地质发展迅速,但仍处于初期阶段。我国的海洋工程地质研究应顺应国家战略需求,着力解决海洋工程建设中遇到的新问题。     

内蒙古硫酸盐型盐湖中好氧微生物介导的白云石沉淀过程及其机理

<正>白云石[CaMg(CO3)2]作为一种有序结构的碳酸钙镁矿物,无论在理论研究还是经济领域中都有重要的价值。地质历史时期白云石广泛分布于碳酸盐岩台地中。与此迥异的是,尽管现代海水中Ca Mg(CO3)2处于过饱和状态,但海洋沉积物中却罕见白云石沉淀。该现象对"将今论古"原理是一个极大的挑战[1]。正因如此,解开白云石的成因之谜(也称为"白云石问题")一直是沉积学乃至地质学领域中的研究热点之     

大洋钻探对洋底以下生命的探索

    对ODP采集的沉积物样品的地球化学研究揭示，在全世界所有的大洋底以下都发现了细菌活动，洋底沉积物中的生物圈可能构成了地球生物数量的 1／3，该生物圈通过调节海洋沉积物的成岩作用和大洋玄武岩的风化，影响到长期的全球生物地球化学循环。
    DSDP最早提出了海洋沉积物中细菌活动性的证据，ODP的一系列航次提供了各种不同环境下深部生物圈细菌群落以及细菌参与的地球化学过程纪录。ODP201是第一个专门致力于研究洋底以下生命的大洋钻探航次，它记录了从富有机质的边缘沉积到贫有机质的开阔海沉积环境的洋底以下细菌活动性和细菌群落的连续性，201航次还揭示，古海洋环境对现在正活跃于深海沉积物中的原核生物群落造成了影响。     

Precipitation of carbonates by bacteria isolated from wastewater samples collected in a conventional wastewater treatment plant

This research studied the precipitation of calcium carbonate by populations of bacteria from domestic wastewater cultivated in both natural and artificial solid culture media. The only carbonate-forming bacteria detected appeared in an artificial medium added with calcium acetate. Precipitation occurred three days after inoculation, and the percentage was slightly higher than 65 %. Our results showed that nine major carbonate-forming colony types were the dominant heterotrophic platable bacteria growing aerobically in artificial media added with calcium acetate. According to their taxonomic affiliations (based on partial sequencing of the 16S-rRNA), the nine strains belonged to the following nine genera of Gram-negative and Gram-positive bacteria: Caulobacter, Blastomonas, Roseobacter, Staphylococcus, Bacillus, Gemmatimonas, Saccharopolyspora, Microthrix, and Sphingomonas. All of these strains formed calcium carbonate, precipitated as calcite and vaterite in different proportions and shapes (spheres, hemispheres, dumbbells, and pseudopolyhedral forms). The results of this study suggest that in real domestic wastewater, the precipitation of carbonates through bacterial action could not take place in situ because the concentrations of calcium did not create the optimal circumstances for biomineralization. However, in the artificial media, it was possible to induce this process by adding calcium ions.     

The formation and transformation mechanism of calcium carbonate in water

Highly supersaturated solutions of Ca²⁺ and CO²⁻₃ ions rapidly precipitate amorphous calcium carbonate, ACC, the logarithmic thermodynamic solubility product of which is about −6.0 at 25°C. The ACC initially formed is transformed to a mixture of several crystalline calcium carbonate polymorphs within several minutes. The transformed polymorphs are vaterite and calcite at low temperature (14 to 30°C), and aragonite and calcite at high temperature (60 to 80°C). At intermediate temperatures (40 to 50°C) the formation of all three polymorphs was observed. Metastable polymorphs are gradually transformed to the stable form, calcite. It takes about 200 min at 25°C and 370 min at 30°C for the complete transformation of vaterite to calcite, and 1000–1300 min for that of aragonite to calcite at 60–80°C. At 50°C, vaterite is predominantly transformed at first to aragonite within 60 min, and then the aragonite is transformed to calcite in about 900 min. The results of the change in the ion activity product of the solution and the abundances of the polymorphs strongly suggest that the polymorphic transformation of vaterite and aragonite to calcite takes place through dissolution of the metastable phase and growth of the stable phase, calcite. The rate-determining step of the transformation is the growth of calcite. The relative abundance of vaterite becomes higher at 25°C with increasing concentrations of calcium and carbonate ions in the supersaturated solution. When the ion activity product of the initial supersaturated solution is lower than the solubility product of ACC at 25°C, only vaterite directly precipitates after some induction period. The vaterite crystals formed are free of calcite seeds and the vaterite saturated solutions are stable for several days.     

醇羟基对碳酸钙矿物成核物相及界面能影响研究

文章通过对醇类物质参与下的碳酸钙成核过程进行研究,探讨生物流体中常见的羟基对矿物物相以及界面能的影响。研究结果表明多羟基醇有利于亚稳定球文石的形成,醇的加入会增加方解石和球文石的界面能,醇的羟基定向吸附造成的吸附位密度降低是提升矿物界面能最可能的机制,而溶剂氢键数量决定了碳酸根的自由度,有利于对称度低且CO₃^{2 -} 不平行的球文石形成。水和乙醇—水体系氢键作用弱,界面能低的方解石物相成为热力学优势物相。研究结果凸显了生物成矿流体受羟基影响强烈,通过控制流体中羟基物质含量,生物体可以完全掌控碳酸钙物相的形成部位,加深了对生物成因碳酸钙形成过程的理解。     

振荡与静置条件下细菌诱导形成的碳酸钙矿物类型与形态的对比

为了探究培养方式（振荡和静置） 对细菌诱导形成的碳酸盐矿物种类和形态的影响,本文在B4培养基中分别对蜡状 芽孢杆菌（GW-1菌株）、赖氨酸芽孢杆菌（GW-2菌株） 和微杆菌（GW-3菌株） 三种细菌进行了为期40天的振荡培养实验 及相应的无菌对照实验,重点利用X-射线衍射仪和扫描电子显微镜分别对矿物成分和形态进行了测定和观察,并将观测结 果与静置条件下的结果进行了对比。结果表明：（1） 三种细菌均具有促进碳酸盐矿物沉淀的功能,但能力有所不同,从大 到小的顺序为GW-2＞GW-1＞GW-3;（2） 在振荡和静置两种培养方式下,GW-1和GW-2菌株诱导形成的矿物均为方解石, 而GW-3菌株诱导形成的矿物均为球霰石。这说明细菌种类是影响矿物相的重要因素,培养方式对矿物相无明显的影响; （3） 对于GW-1和GW-2菌株,其在振荡培养条件下诱导形成的矿物形态呈现多样化,而在静置培养条件下形成的矿物形态 则比较单一。对于GW-3菌株,其诱导形成的矿物均为球形,与培养方式无关。     

方解石-白云石-菱镁矿的中远红外光谱学特征研究

利用拉曼光谱和红外光谱研究了方解石、白云石和菱镁矿的光谱学特征,探究了影响三种矿物红外辐射性能的因素。三种矿物的拉曼光谱(Raman)、中红外吸收光谱(MIR)、远红外吸收光谱(FIR)显示随着矿物中镁含量的增大将会影响CO₃^2-的面外弯曲振动(ν₂)、反对称伸缩振动(ν₃)和平面内弯曲振动(ν₄),使各光谱特征峰均向高频端迁移。基于黑体辐射定律以及在80 ℃、400~2 000 cm^-1矿物的辐射能量谱,结果显示方解石、白云石、菱镁矿的发射率依次减少(0.951,0.938,0.895)。三种矿物的红外吸收光谱和发射光谱中的振动位置均受CO₃^2-基频的显著影响,在1 300~1 650 cm^-1均产生宽的低吸收带,该吸收带与CO₃^2-的反对称伸缩振动相关,且吸收带范围(202,236,272 cm^-1)与发射率之间呈负相关关系。因此,当最强化学键的振动出现在发射光谱窄的吸收带范围内会产生相对较高的辐射能和发射率。此外,矿物的晶体结构也会影响发射率,大的离子半径、键长和晶胞体积将降低辐射过程中能量的吸收,增强辐射特性。综上研究结果,方解石、白云石和菱镁矿的拉曼光谱和红外光谱揭示了金属原子的相对质量对光谱学特征的显著影响,其发射率可能受到C—O键的反伸缩振动范围、最强吸收带控制的最低发射率以及矿物晶体结构的共同影响。这项研究呈现了必要的光谱信息和热发射率数据以识别特定的碳酸盐矿物,为类似矿物的光谱特征研究奠定了基础;同时为进一步认识地壳中大量的碳酸盐矿物提供了研究方法,也为地外勘探的深入研究给予相关的理论基础。     

淡水珍珠中球文石的XRD谱

球文石是CaCO3的同质多象变体，在自然界中很少出现。对不同质量淡水珍珠进行XRD物相分析，结果表明不同颜色的优质淡水珍珠中几乎全部由文石组成，方解石不发育；劣质淡水珍珠中主要含有文石、球文石；在劣质的淡水无光珠发现有球文石，可能与这些珍珠混有较多的有机物有关，文中例举了含球文石与不含球文石的淡水珍珠XRD谱。     

室温条件下青海湖水中镁离子浓度对沉淀碳酸钙同质多像类型的调控

青海湖是我国唯一报道过的现代湖底沉积物中白云石、方解石和文石等多种碳酸盐矿物共存的高原内陆咸水湖泊.以青海湖水和除菌青海湖水作为载体,以CaCl2和MgCl2·6 H2O作为反应原料,在实验室常温条件下采取控制变量法制备出不同浓度Mg2+参与下的钙质沉淀物,探讨Mg2+浓度对沉淀物类型的影响.仅添加CaCl2时,青海湖...     

华北中元古代鱼骨状方解石: 成因机制和古环境意义*

鱼骨状方解石是一种特殊的碳酸盐沉积,由锯齿状亮暗交互的亚毫米级条带组成,主要见于太古宙。以往认为,鱼骨状方解石属无机化学沉淀成因,形成于水体缺氧、碳酸盐过饱和、富Fe²⁺、Mn²⁺等碳酸盐沉淀抑制剂的环境条件;在地质记录中其丰度随时间的减少反映了海洋的长期氧化趋势。文中首次在华北地台中元古界高于庄组四段微生物礁内发现了大量鱼骨状方解石。宏观观察表明,这些鱼骨状方解石主要以微生物礁孔洞充填物形式产出,明显区别于太古宙以海底沉淀形式直接产出在海底的鱼骨状方解石。显微研究发现,鱼骨状方解石晶体纤维具有沿晶体生长方向旋转消光特征,证明其内部亚晶的光学C轴从纤维底部的随机排列逐步旋转至上部垂直纤维生长方向。这符合球状晶体生长模式,需要方解石沉淀抑制剂的参与。鱼骨状方解石产出具有丰度随时间减少以及产出形式由海底沉淀向孔洞胶结物转变的特征。这些特征与海洋氧化逐渐增强以及具氧化还原敏感属性的碳酸盐沉淀抑制剂逐渐从水体中移除相吻合。笔者认为鱼骨状方解石的沉淀抑制剂为Fe²⁺和Mn²⁺,这与微生物岩无明显Ce异常和Fe²⁺极强的抑制能力相一致。因此,鱼骨状方解石可用于指示缺氧环境条件。此外,显微和超微研究也表明鱼骨状方解石晶体内存在有大量与其生长方向一致的菌丝体残余和与之密切伴生的有机矿物,表明微生物为鱼骨状方解石成核和初始沉淀提供了重要垫板。     

应用热脉冲技术对胡杨和柽柳树干液流的研究

应用热脉冲技术对干旱区胡杨(Populus euphrtaicr)和柽柳(Tamaris spp.)树干液流速度进行了研究.结果表明:在正常生长状态下,胡杨树干单位面积液流通量为0 34L·cm^-2·d^-1,柽柳为0 15L·cm^-2·d^-1.树液流速的日变化表现出多峰形特征,在午后有短暂液流急速减小的现象,而晚上植物为了补充体内水分亏缺,保持一定的树液流量.随着胸径的增大,茎流速率和茎流量也随之增大.在生长季节胸径21cm和15cm的胡杨日平均耗水量23.3L和19.25L;基径5cm和4cm的柽柳日平均耗水量0.62L和0.37L.在生长季节(5～10月)胡杨总蒸腾量为3419.4L,柽柳仅为63.9L.     

Calcite and aragonite precipitation from seawater solutions of various salinities: Precipitation rates and overgrowth compositions

The reaction rate and composition of calcite and aragonite overgrowths precipitated from seawater solutions of various salinities (i.e. S=5, 15, 25, 35, 44) were determined at 25°C and 10^−2.5-atm. CO₂ partial pressure using a constant disequilibrium seeded technique. The rate data were fitted to an empirical rate law of the form:

logR=n(ω_{c(or a)}-1)+logk

where n is the empirical reaction order; and k is the rate constant. Calcite precipitation rates in seawater solutions do not vary appreciably as a result of salinity variations over the range investigated, while those for aragonite show an increase in going from the higher (i.e. S=35, 44) to the lower (i.e. S=5, 15, 25) salinity range. This study also confirms previously published findings that above a given saturation state (i.e. Ω_c>/2.6) aragonite precipitates more rapidly than calcite at 25°C.

The incorporation of Sr²⁺ in aragonite and Mg²⁺ in calcite overgrowths are independent of the precipitation rate. The partition coefficient of Sr²⁺ in aragonite is approximately equal to unity and is unaffected by salinity variations between 5 and 44. However, the Mg²⁺ partition coefficient in calcite, increases with decreasing salinity of the parent seawater solutions, possibly as a result of variations in the sulfate content of the solutions and solids.

The experimental results were discussed in the context of a number of geological environments.