不同環(huán)境因素對MICP實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響

李忠恕　李霖

摘 要：MICP微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉積技術(shù)是一種在土木工程領(lǐng)域具有潛在的、廣泛的應(yīng)用前景和顯著工程技術(shù)價(jià)值的新技術(shù)，可應(yīng)用在液化砂土加固、軟弱路基加固、隧道定向加固、磚石古建裂縫和表面修復(fù)以及土壤重金屬固定等方面中。本文將從環(huán)境溫度，PH值，膠結(jié)液濃度，砂土顆粒粒徑等多種無機(jī)因素出發(fā)，結(jié)合相關(guān)實(shí)驗(yàn)依次綜述。

關(guān)鍵詞：MICP；巴氏芽孢桿菌；外界無機(jī)影響因素

MICP微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉積技術(shù)是一種在土木工程領(lǐng)域具有潛在的、廣泛的應(yīng)用前景和顯著工程技術(shù)價(jià)值的新技術(shù)，可應(yīng)用在液化砂土加固、軟弱路基加固、隧道定向加固、磚石古建裂縫和表面修復(fù)以及土壤重金屬固定等方面中。當(dāng)前在國內(nèi)外MICP領(lǐng)域應(yīng)用較廣泛，文獻(xiàn)記錄較豐富的菌種為巴氏芽孢桿菌，巴氏芽孢桿菌（Sporosarcina pasteurii）在新陳代謝過程中會(huì)產(chǎn)生一種脲酶，該酶可以將尿素分解，形成銨根離子和碳酸根離子。碳酸根離子與溶液中游離的鈣離子結(jié)合產(chǎn)生碳酸鈣沉淀，以晶體的形態(tài)逐漸累積，填充砂土的縫隙并起到膠結(jié)作用，提升土體強(qiáng)度。

MICP固化砂土技術(shù)相較于傳統(tǒng)的化學(xué)固化技術(shù)在注漿過程中對周圍環(huán)境影響極小，這在當(dāng)今注重環(huán)境保護(hù)，主張綠色工業(yè)的大趨勢下，擁有很大的利用價(jià)值。但與此同時(shí)，我們也應(yīng)該注意到，MICP固化砂土技術(shù)的主角：巴氏芽孢桿菌雖然對生存環(huán)境的要求較寬泛，但作為生物，其在MICP固化砂土的過程中仍易受到多種復(fù)雜環(huán)境因素的影響，導(dǎo)致其作用效率的降低。本文的目的就是綜述不同環(huán)境因素對MICP實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，由于MICP作為一個(gè)新的概念，國內(nèi)尚缺少相關(guān)的工程實(shí)例可以借鑒，所以本文主要是圍繞實(shí)驗(yàn)室中對MICP的相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果所作出的綜述。

可以對MICP過程造成影響的因素眾多，AL QABANY A等和OKWADHA G D O等發(fā)現(xiàn)不同的細(xì)菌濃度，膠結(jié)液濃度，環(huán)境PH、都會(huì)對直接參與碳酸鈣生成過程的脲酶的活性產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響沉積碳酸鈣的質(zhì)量. 沈吉云和趙茜通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)細(xì)菌脲酶活性。尿素濃度，鈣離子濃度和環(huán)境PH對MICP過程有明顯影響。本文將從環(huán)境溫度，PH值，膠結(jié)液濃度，砂土顆粒粒徑等多種無機(jī)因素出發(fā)，結(jié)合相關(guān)實(shí)驗(yàn)依次綜述。

一、環(huán)境溫度

溫度是影響微生物生長繁殖的重要因素之一。在適宜的溫度范圍內(nèi)，溫度升高有利于微生物的新陳代謝作用，進(jìn)而促進(jìn)其生長繁殖；超出了這個(gè)范圍，較高或者較低的溫度都會(huì)對微生物產(chǎn)生不利影響。而整個(gè)MICP過程依賴碳酸鈣結(jié)構(gòu)的生成，而直接參與碳酸鈣生成過程的脲酶數(shù)量是與巴氏芽孢桿菌是否能健康地生長繁殖是密切相關(guān)的，山東建筑大學(xué)的趙茜等研究了保存時(shí)間對細(xì)菌脲酶活性的影響，在細(xì)菌溶液擴(kuò)大培養(yǎng)好之后，通過 2 次離心和補(bǔ)充新培養(yǎng)液后，放入 4℃冰箱保存，每隔一段時(shí)間取出進(jìn)行脲酶活性的測定。得出結(jié)論培養(yǎng)好的菌液可以暫時(shí)保存在 4℃冰箱內(nèi)，至少在30 天內(nèi)其脲酶活性不會(huì)受到明顯影響。

而孔繁浩和趙志峰研究發(fā)現(xiàn)高溫（超過 30°C）對脲酶活性有明顯促進(jìn)作用。從 20 到 30℃區(qū)間內(nèi)，隨著溫度增加，細(xì)菌數(shù)量逐漸增加，到 30℃時(shí)達(dá)到最大，接著隨著溫度升高，又開始逐漸下降。菌液脲酶活性的變化情況跟細(xì)菌數(shù)量的變化基本一致。這說明在MICP過程中以30℃為最佳環(huán)境溫度。相比之下，較高的溫度溶液會(huì)使碳酸鈣呈游離狀態(tài)，從而影響碳酸鈣晶體的大小和形態(tài)。因此，對于微生物加固土體技術(shù)而言，溫度并不是越高越有利；適宜的環(huán)境溫度不僅利于碳酸鈣量的生成，更有利于有效碳酸鈣晶體的形成，令實(shí)驗(yàn)效果更加令人滿意 。

二、環(huán)境中pH值

p H 值同樣是影響微生物生命活動(dòng)重要影響之一。其影響主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面，首先是通過改變生物體內(nèi)大分子物質(zhì)（比如蛋白質(zhì)和核酸）的電荷，進(jìn)而影響其生物活性；其次通過改變細(xì)胞膜電荷，降低微生物對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收利用。在實(shí)驗(yàn)中控制好環(huán)境PH值不但可以避免細(xì)菌死亡造成的損失而且可以促進(jìn)碳酸鈣晶體的形成。

CHENG L等對比了酸堿度對膠結(jié)物含量與強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明，在堿性條件下，微生物誘導(dǎo)產(chǎn)生的碳酸鈣質(zhì)量最多，中性條件下次之，酸性條件下最少。孔繁浩等的實(shí)驗(yàn)結(jié)果同樣印證了這一結(jié)論，他發(fā)現(xiàn)碳酸鈣生成量最多的pH為9，巴氏芽孢桿菌在堿性環(huán)境下能夠生成相對多的碳酸鈣。但尚不清楚酸性條件對碳酸鈣生成質(zhì)量的主要負(fù)面影響究竟是因?yàn)榘褪涎挎邨U菌對酸性環(huán)境的不耐受還是生成產(chǎn)物碳酸鈣在酸性環(huán)境下的分解所致。

三、膠結(jié)液濃度

MICP實(shí)驗(yàn)中的膠結(jié)液主要由氯化鈣溶液和尿素溶液配制而成，也是MICP實(shí)驗(yàn)重要生成產(chǎn)物碳酸鈣中鈣離子和反應(yīng)原料的來源。

Qabany研究發(fā)現(xiàn)，膠結(jié)液濃度對微生物誘導(dǎo)產(chǎn)生的碳酸鈣晶體尺寸的影響較大。有研究表明，當(dāng)溶液中加入不同濃度的氯化鹽時(shí)，會(huì)抑制碳酸鈣的生成；氯化鹽濃度越高，對碳酸鈣生成量的影響越顯著。氯離子對碳酸鈣的生成也有著一定的抑制作用。同時(shí)，當(dāng)菌液和膠結(jié)液等比例反應(yīng)時(shí)，碳酸鈣生成量隨膠結(jié)液的濃度上升而增多，但利用率不斷降低?？追焙频鹊难芯拷Y(jié)果則提供了具有參考意義的膠結(jié)液濃度數(shù)值，當(dāng)尿素濃度小1.6 M 時(shí)，增加其濃度，可以提高細(xì)菌脲酶活性，而高濃度 Ca Cl2對脲酶有明顯的抑制作用。提高 Ca Cl2和尿素濃度（小于1.5 M）可以提高 Ca CO3生成量。

四、沙土顆粒粒徑

MICP實(shí)驗(yàn)中承載巴氏芽孢桿菌，吸收膠結(jié)液并作為MICP反應(yīng)的載體的基礎(chǔ)物質(zhì)是砂土，市面上的砂土，顆粒粒徑多有不同。崔明娟等研究發(fā)現(xiàn)砂土顆粒粒徑對微生物固化試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度有顯著影響，對碳酸鈣含量和孔隙率的影響則相對較小沈吉云從他的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中提出：隨著砂粒粒徑的增加，生物量和酶活性流失率也隨之增加，細(xì)砂的固定效果明顯好于粗砂，他認(rèn)為原因可能有兩點(diǎn)：1、相比粗砂，細(xì)砂的比表面積更大，可以吸附更多的微生物；2、粗砂的孔徑大于細(xì)砂，粗砂中的微生物更容易被膠結(jié)液沖走。

未來MICP技術(shù)在未來的應(yīng)用不會(huì)只局限于實(shí)驗(yàn)室中，而是應(yīng)用在環(huán)境更復(fù)雜的室外環(huán)境中。目前，國內(nèi)的相關(guān)研究主要集中在實(shí)驗(yàn)室，缺乏對MICP技術(shù)的具體的實(shí)踐成果。在室外條件下，MICP技術(shù)將面對更加復(fù)雜的環(huán)境因素的影響，這是當(dāng)下研究人員需要集中精力考慮并解決的問題。

參考文獻(xiàn)：

（1）趙茜.微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀（MICP）固化土壤實(shí)驗(yàn)研究 [D].北京：中國地質(zhì)大學(xué)（北京），2014.

（2）孔繁浩，趙志峰。溶液環(huán)境下微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉積影響因素研究。南京林業(yè)大學(xué)土木學(xué)院。林業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，2（4）

（3）崔明娟，鄭俊杰，賴漢江。顆粒粒徑對微生物固化砂土強(qiáng)度影響的試驗(yàn)研究。華中科技大學(xué) 巖土與地下工程研究所。巖土力學(xué)第37卷增刊。2016.09.

作者簡介：

李忠恕（1997年5月-），男，朝鮮族，黑龍江省大慶市，身份證號(hào)：230603199705114012，本科學(xué)生，土木工程

李霖（2000年11月-），男，漢，山西省大同市南郊區(qū)，身份證號(hào)：140203200011083217，本科學(xué)生，土木工程