微生物巖土技術(shù)及其應(yīng)用研究新進(jìn)展

劉漢龍，肖鵬，肖楊，楚劍

(1.重慶大學(xué) a.土木工程學(xué)院；b.山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室，重慶 400045；2. 南洋理工大學(xué) 土木與環(huán)境工程學(xué)院，新加坡 639798)

巖土工程是以土力學(xué)、巖石力學(xué)、地質(zhì)力學(xué)等為基礎(chǔ)，解決包括地基與基礎(chǔ)、邊坡以及地下工程等巖土體工程問題的一門學(xué)科。作為巖土工程的研究對(duì)象，巖石和土體一直被認(rèn)為是一種靜態(tài)、力學(xué)性質(zhì)復(fù)雜、無生命的特殊材料，存在于自然界巖土中的微生物及其作用則長(zhǎng)期被人們忽視。究其原因，一方面是因?yàn)榕c微生物活動(dòng)相關(guān)的工程案例較少，另一方面是因?yàn)閹r土工程師對(duì)土體中微生物的作用認(rèn)識(shí)不足，因此，人們認(rèn)為微生物對(duì)巖土體的工程特性影響微小，不足以用來解決實(shí)際工程中的問題。

自20世紀(jì)60年代以來，土壤學(xué)家、地質(zhì)學(xué)家們開始注意到生物圈物質(zhì)循環(huán)和轉(zhuǎn)移過程中的微生物代謝活動(dòng)能直接參與環(huán)境中元素的氧化還原過程，改變地質(zhì)特性，其作用甚至超過單純的物理化學(xué)作用，人們也開始重視地球表層微生物對(duì)地質(zhì)環(huán)境的作用并對(duì)其開展深入研究。同時(shí)，近年來由于人類活動(dòng)造成的溫室效應(yīng)、土地污染等全球性環(huán)境問題變得日益嚴(yán)峻，世界各國(guó)紛紛大力倡導(dǎo)利用綠色天然、節(jié)能環(huán)保型材料，環(huán)境因素在土木工程建設(shè)中開始占據(jù)重要地位，并成為現(xiàn)代施工建設(shè)關(guān)注的重點(diǎn)。與傳統(tǒng)材料相比，生物材料能在巖土基質(zhì)中表現(xiàn)出特有的自發(fā)性、重塑性及重生性等特點(diǎn)，被認(rèn)為是環(huán)境友好、生態(tài)低碳的材料，因此，生物材料受到越來越多科學(xué)家的青睞。

作為巖土工程領(lǐng)域一個(gè)新的研究分支，微生物環(huán)境巖土已經(jīng)發(fā)展了十多年，許多學(xué)者開展了相關(guān)研究。筆者對(duì)環(huán)境巖土工程領(lǐng)域幾種主要微生物種類、相關(guān)生物化學(xué)反應(yīng)過程以及微生物作用機(jī)理進(jìn)行了總結(jié)，并對(duì)微生物巖土技術(shù)在土體加固技術(shù)、巖土體抗?jié)B封堵技術(shù)、金屬污染土修復(fù)技術(shù)等方面的相關(guān)研究及應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)與評(píng)述，以推動(dòng)微生物巖土領(lǐng)域更加全面深入的基礎(chǔ)研究，促進(jìn)該技術(shù)在巖土工程中的推廣與應(yīng)用。

1 微生物巖土技術(shù)

微生物巖土技術(shù)主要是指利用自然界廣泛存在的微生物，通過其自身的代謝功能與環(huán)境中其他物質(zhì)發(fā)生一系列生物化學(xué)反應(yīng)，吸收、轉(zhuǎn)化、清除或降解環(huán)境中的某些物質(zhì)，通過生物過程誘導(dǎo)形成碳酸鹽、硫酸鹽等礦物沉淀，從而改善土體的物理力學(xué)及工程性質(zhì)，達(dá)到環(huán)境凈化、土壤修復(fù)、地基處理等目的。其作用方式主要依靠的反應(yīng)類型包括氧化還原、基團(tuán)轉(zhuǎn)移、水解以及酯化、縮合、氨化、乙?；萚1-2]。

1.1 脲酶菌的反應(yīng)機(jī)理

CO(NH2)2+2H2O→H2CO3+2NH3

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

研究者普遍認(rèn)為,脲酶菌主要起兩個(gè)作用：1)為碳酸鹽的沉積結(jié)晶提供成核點(diǎn)；2)代謝活動(dòng)緩慢釋放高效脲酶水解尿素，從而提高環(huán)境pH值[5-6]，其MICP沉淀示意圖如圖1(a)所示。然而，近來有學(xué)者就脲酶菌的第一個(gè)作用提出不同觀點(diǎn)，Zhang等[7]通過微觀試驗(yàn),觀測(cè)到碳酸鈣并非圍繞細(xì)菌生長(zhǎng)，并認(rèn)為反應(yīng)過程中碳酸鈣首先在溶液中生成，然后,細(xì)菌向碳酸鈣結(jié)晶靠攏并被吸附在晶體表面(如圖1(b)所示)。因此，脲酶水解誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀過程的機(jī)理仍需進(jìn)一步研究。

圖1 微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀示意圖Fig1. Schematic diagram of microbial induced

1.2 反硝化菌的反應(yīng)機(jī)理

反硝化細(xì)菌是一種典型的兼性厭氧菌，在缺氧環(huán)境下,反硝化細(xì)菌能促使硝酸根接受電子,還原成氮?dú)?，同時(shí)消耗環(huán)境中的氫離子,生成二氧化碳，從而提高環(huán)境堿度；在堿性條件下，溶液中的碳酸氫根與鈣離子(金屬離子)結(jié)合生成沉淀。Karatas[8]、Van Paassen等[9]采用革蘭氏陰性、兼性厭氧菌(Pseudomonasdenitrificant)在液體培養(yǎng)基、瓊脂平板和砂柱等不同條件下的反硝化作用誘導(dǎo)生成碳酸鈣沉淀試驗(yàn)，驗(yàn)證了利用反硝化菌進(jìn)行MICP的可行性；Eran等[10]對(duì)不同反硝化菌進(jìn)行分離、篩選發(fā)現(xiàn)，D.nitroreducens菌和P.aeruginosa菌具有更好的生長(zhǎng)活性和環(huán)境耐受性，更有利于反硝化作用的發(fā)生。反硝化菌誘導(dǎo)碳酸鹽(碳酸鈣)結(jié)晶的反應(yīng)方程式如式(6)～式(8)所示。

4N2+14H2O

(6)

(7)

(8)

由于反硝化作用具有較高負(fù)值的標(biāo)準(zhǔn)吉布斯自由能，因此，在缺氧環(huán)境下，微生物的反硝化作用較其他微生物過程起主導(dǎo)作用，并從硝酸鹽和有機(jī)營(yíng)養(yǎng)物中獲得能量，其他微生物過程會(huì)受到抑制[11]。

1.3 硫酸鹽還原菌的反應(yīng)機(jī)理

硫酸鹽還原菌能利用硫酸鹽作為電子受體，在有足夠有機(jī)質(zhì)的缺氧環(huán)境下,將硫酸根還原為硫化氫，同時(shí)生成碳酸氫根，碳酸氫根與金屬離子(鈣離子)結(jié)合形成碳酸鹽沉淀，同時(shí)，硫酸鹽還原細(xì)菌還原硫酸鹽的過程中,造成周圍水體環(huán)境pH值上升，進(jìn)一步影響碳酸鹽的飽和系數(shù)，誘導(dǎo)碳酸鹽沉淀產(chǎn)生[12]。即便對(duì)于代謝不活躍的硫酸鹽還原菌，也能通過多相成核點(diǎn)誘導(dǎo)碳酸鹽沉淀[13]。硫酸鹽還原菌在白云石的沉淀研究中也起到了先鋒作用[14]。生成的硫化物沉淀可以膠結(jié)土顆粒，提高土壤抗剪強(qiáng)度。常見的硫酸鹽還原菌包括D.desulfuricans,D.vulgaris等[15]。硫酸鹽還原菌反應(yīng)過程的主要化學(xué)方程式如式(9)～式(10)所示。

(9)

(10)

1.4 鐵鹽還原菌的反應(yīng)機(jī)理

鐵鹽還原菌的礦化作用過程主要是將不溶于水的三價(jià)鐵還原為可溶性二價(jià)鐵離子，同時(shí)，生成的亞鐵離子不穩(wěn)定，易發(fā)生氧化反應(yīng),生成不溶性三價(jià)鐵氫氧化物或者鐵鹽產(chǎn)物，并在土顆粒間形成具有粘結(jié)力的填充物質(zhì)，封堵土壤孔隙，增強(qiáng)土壤強(qiáng)度[16-17]。Shewanellaputefaciens是常見的鐵鹽還原菌。鐵白云石的形成主要就是鐵還原菌的反應(yīng)過程，以氫氧化鐵為例，其化學(xué)反應(yīng)方程式為[18]

7OH-+3H2O

(11)

1.5 其他微生物反應(yīng)

水環(huán)境中常見的海藻、藍(lán)藻等微生物可通過光合作用引起碳酸鹽沉積[19]。這類產(chǎn)氧光合微生物的新陳代謝活動(dòng)可將水中的碳酸氫根(HCO3-)進(jìn)行同化作用生成碳酸根(CO32-)，致使環(huán)境pH值提高；當(dāng)溶液中存在鈣離子等金屬離子時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生碳酸鹽沉淀[20]。另外，如產(chǎn)甲烷菌等其他菌類也能誘導(dǎo)生成沉淀，改善土體特性[21]；還有如克雷伯氏桿菌Klebsiellaoxytaca[22]、粘球菌Slime-formingbacteria[23]、熒光假單胞菌Pseudomonasaeruginosa[24]等微生物能產(chǎn)生大量多糖類胞外聚合物，并與細(xì)胞組成生物膜，生物膜雖非礦物沉淀，但能改變土體蠕變量，降低滲透系數(shù)等，并引起土工織物排水系統(tǒng)淤堵，因此，對(duì)土體的工程性質(zhì)也有較大影響[22,25-26]。

2 微生物巖土加固技術(shù)研究

微生物巖土加固技術(shù)主要是利用土體原位微生物或者土體中添加環(huán)境友好的特定微生物菌落以及指定的添加劑，利用微生物菌落群體新陳代謝作用的產(chǎn)物以及生物化學(xué)反應(yīng)的生成物，在土體表面及顆粒間形成膠結(jié)物質(zhì)，以提高巖土體的強(qiáng)度和剛度等力學(xué)特性。其中，膠結(jié)沉淀可能包括含鈣、鎂、鐵、錳、鋁等的化合物。微生物加固技術(shù)未來可能應(yīng)用于提高地基、邊坡、大壩等的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，地下管道的開挖支護(hù)，土工構(gòu)筑物抗侵蝕，砂土抗液化性能改善以及防塵固沙等方面。

2.1 地基加固處理

2001年，Dutch報(bào)社報(bào)道了利用細(xì)菌加固砂土修復(fù)紀(jì)念碑[27]，并由此開始了利用微生物進(jìn)行巖土加固的研究。2004年,Deltares、Volker Wessels、荷蘭代爾夫特理工大學(xué)以及莫道克大學(xué)展開合作，率先利用基于脲酶菌的微生物技術(shù)，開始了生物灌漿研究。近十年來，研究人員已經(jīng)開展了大量室內(nèi)試驗(yàn)研究，并通過無側(cè)限抗壓試驗(yàn)、彎曲元試驗(yàn)等技術(shù)判別加固效果。圖2為不同研究團(tuán)隊(duì)得到的微生物加固砂土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和剪切波速與碳酸鈣含量的關(guān)系[28-40]。

圖2 不同研究團(tuán)隊(duì)的研究成果Fig.2 Research results from different research

Liu等[41]通過無側(cè)限抗壓試驗(yàn)、巴西劈裂、三軸試驗(yàn)等，系統(tǒng)地分析了MICP加固砂土的強(qiáng)度特性，發(fā)現(xiàn)加固后砂土的黏聚力隨加固因子的增加成指數(shù)增長(zhǎng)；并基于莫爾庫侖破壞準(zhǔn)則提出了未加固鈣質(zhì)砂以及MICP加固鈣質(zhì)砂的統(tǒng)一強(qiáng)度理論。

一些團(tuán)隊(duì)針對(duì)微生物加固的大型模型試驗(yàn)及應(yīng)用也開展了相關(guān)研究。Van Paassen等[27,30]于2008年搭建了100 m3的砂土試驗(yàn)地基場(chǎng)地，并在場(chǎng)地內(nèi)間隔5 m處預(yù)埋兩列管道，分別作為注漿管和出漿管(如圖3(a)所示)。加固試驗(yàn)步驟：首先,通過3個(gè)注漿管灌注5 m3菌液，使其與土體充分接觸；然后,將5 m3細(xì)菌固定液(0.05 mol/L CaCl2)以同樣的方式灌注進(jìn)場(chǎng)地；在隨后的16天里將96 m3的反應(yīng)液(1 mol/L CaCl2+Urea)分10次以1 m3/h的流速分別灌注進(jìn)場(chǎng)地；整個(gè)灌漿過程保持0.3 m/m的恒定水力梯度。灌漿加固完成后，進(jìn)行了一系列檢測(cè)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，細(xì)菌可以在砂土地基里傳輸5 m以上的距離，且仍保持一定脲酶活性誘導(dǎo)礦化作用[42]；加固后剪切波速從100 m/s增加到最大400 m/s；靜力觸探在井口處最大可達(dá)5 MPa；無側(cè)限強(qiáng)度最大達(dá)12.6 MPa。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，經(jīng)過MICP處理后，地基強(qiáng)度顯著提高，但由于灌漿采用一側(cè)灌漿一側(cè)抽漿的方式，導(dǎo)致整個(gè)加固場(chǎng)地的不均勻性較明顯：靠近注漿口生成的碳酸鈣含量較多，最高達(dá)到23.5%；隨著距離增大，到出漿口的碳酸鈣含量明顯降低，僅為3.7%～5.6%。加固試驗(yàn)完成后，進(jìn)行沖刷試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，場(chǎng)地內(nèi)剩余約40 m3可見硬化地基，整個(gè)加固反應(yīng)過程反應(yīng)液的利用率為50%。

圖3 100 m3地基加固場(chǎng)地Fig.3 100 m3 foundation reinforcement

Visser和Smit Hanab在2008年開展了3 m3的礫石MICP加固，并進(jìn)行鉆孔試驗(yàn)(HHD)，證明了微生物加固的礫石同樣具有足夠的穩(wěn)定性；在隨后的2010年，該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步開展了礫石場(chǎng)地的現(xiàn)場(chǎng)加固試驗(yàn)研究，如圖4所示。試驗(yàn)過程為：首先，在水平鉆孔規(guī)劃線附近1 000 m3的場(chǎng)地內(nèi)設(shè)置灌漿井口、出漿井口和監(jiān)測(cè)井口，并按照先灌注200 m3稀釋菌液，然后再灌注300～600 m3反應(yīng)液的順序進(jìn)行施工。灌漿過程中，持續(xù)從出漿口抽出地下水，直到廢液中的電導(dǎo)率和銨離子濃度恢復(fù)初始值。灌漿結(jié)束后，場(chǎng)地整體強(qiáng)度明顯提高，土體具有足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，隨后，也成功進(jìn)行了水平鉆孔和管道的布設(shè)安裝。

圖4 礫石穩(wěn)定性試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用[43-44]Fig.4 Gravel stability test and field

Burbank等[45]利用富集培養(yǎng)基刺激原位場(chǎng)地的特定細(xì)菌，快速生長(zhǎng)成為優(yōu)勢(shì)菌落，利用環(huán)形滲透計(jì)，分9次灌入加固液進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)地基加固處理，加固完成后，通過碳酸鈣含量測(cè)試發(fā)現(xiàn)，從地表到地下0.9 m處的碳酸鈣含量在1%左右，1～2 m深度范圍碳酸鈣含量為1.8%～2.4%，同時(shí)，CPT試驗(yàn)表明，在1～1.3 m間錐尖貫入阻力是未加固的2～3倍，如圖5所示。試驗(yàn)結(jié)果同時(shí)表明，碳酸鈣在1%左右時(shí)，對(duì)土壤力學(xué)性能改變不大，CPT試驗(yàn)無法檢測(cè)出來。

圖5 錐尖阻力與碳酸鈣含量隨處理深度關(guān)系變化曲線[45]Fig.5 Cone tip resistance and calcium carbonate

2.2 抗液化處理

MICP技術(shù)不僅可以用于地基加固，也可以用于場(chǎng)地抗液化處理[46]，近年來，也得到一些學(xué)者的關(guān)注，但相關(guān)問題還處于室內(nèi)試驗(yàn)研究階段。

Burbank等[47]通過循環(huán)三軸試驗(yàn)，驗(yàn)證了經(jīng)過MICP處理后的石英砂動(dòng)強(qiáng)度明顯提高。肖鵬等[48-49]通過一系列試驗(yàn)，研究了不同MICP處理程度、有效圍壓、相對(duì)密實(shí)度、動(dòng)剪應(yīng)力比等因素對(duì)砂土抗液化性能的影響。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，MICP處理后將改變松砂的液化機(jī)理，隨著加固程度的提高，試樣從流滑破壞逐漸變?yōu)檠h(huán)活動(dòng)，如圖6所示。通過SEM分析，發(fā)現(xiàn)顆粒表面和顆粒間生成的碳酸鈣結(jié)晶改變了砂土的表面特性，使得粘聚力和摩擦力都有一定改變[41]，同時(shí)，生成的膠結(jié)物抑制了砂土大應(yīng)變的發(fā)生?？傮w而言，加固后的砂土動(dòng)力特性接近于密砂，但由于膠結(jié)作用的存在，MICP加固的抗液化效果比振沖密實(shí)更有效。Feng等[50]發(fā)現(xiàn)，對(duì)于相同碳酸鈣含量的砂土試樣，由于生成的碳酸鈣空間分布可能不均勻，剪切波速(Vs)越大的試樣，其抗液化能力越強(qiáng)。因此，用碳酸鈣含量值結(jié)合剪切波速值來衡量加固土體的力學(xué)性能更加合理。

圖6 MICP加固砂土循環(huán)三軸試驗(yàn)[49]Fig.6 The dynamic triaxial test of MICP treated

Montoya等[51]利用離心振動(dòng)臺(tái)對(duì)液化砂土自由場(chǎng)進(jìn)行微生物加固試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)經(jīng)MICP處理后，場(chǎng)地內(nèi)不同深度下的孔隙水壓力在不同地震強(qiáng)度下均不同程度減小，加固后場(chǎng)地的震后地表沉降明顯小于未加固松砂，但地表加速度較松砂有一定增強(qiáng)。同時(shí)，程曉輝等[52-53]利用小型振動(dòng)臺(tái)和循環(huán)三軸進(jìn)一步論證了MICP能顯著提高模型地基的抗液化性能。Darby等[54]對(duì)碳酸鈣含量分別為0.8%、1.4%、2.2%的3組不同加固模型進(jìn)行了80g的離心振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，結(jié)果表明，經(jīng)過MICP處理后，砂土的錐尖阻力從2 MPa分別提高到5、10、18 MPa，剪切波速從140 m/s分別提高到200、325、660 m/s，隨著膠結(jié)程度的提高，其抗液化能力也隨之提高，并最終不再液化，模型試樣的力學(xué)性能逐漸由土的性質(zhì)變?yōu)閹r石的性質(zhì)。

除此之外，利用微生物過程產(chǎn)生氣體來降低土體飽和度也是一種防治地基液化的手段。研究表明，對(duì)于飽和砂土，即便飽和度極少量降低，土體的抗液化性能也將會(huì)明顯提高[55-56]。不同的微生物作用能產(chǎn)生不同氣體[57]，相比于如二氧化碳、氫氣、甲烷等其他氣體，微生物作用生成的氮?dú)怆y溶于水，其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、不易分解。因此，通過用氮?dú)鉁p少飽和度來提高抗液化性能是一種很好的選擇。He等[58-59]利用微生物的反硝化作用產(chǎn)生生物氣泡開展了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在加速度0.5 m/s2的情況下，未經(jīng)過微生物處理的飽和松砂完全液化，其超孔隙水壓比接近1，地表發(fā)生明顯沉降，體變達(dá)到5%；經(jīng)過不同程度微生物處理后，砂土的飽和度分別降低到95%～80%，其中，80%飽和度模型在加速度為0.5 m/s2的情況下，超孔隙水壓比僅為0.1，地表幾乎沒有沉降發(fā)生，體變小于0.2%。

2.3 防塵固沙處理

空氣中懸浮的塵土微粒嚴(yán)重影響環(huán)境質(zhì)量和人類健康，研究表明，只要在砂土表面形成一層很薄的硬殼，即可有效控制環(huán)境塵土的飛揚(yáng)和風(fēng)沙土流動(dòng)、風(fēng)蝕[60-61]。近年來，許多研究人員嘗試?yán)梦⑸锛夹g(shù)進(jìn)行砂土表面固化處理，以緩解建筑、道路揚(yáng)塵，改善城市空氣質(zhì)量，通過沙漠土表面生物覆膜處理，解決風(fēng)沙土流動(dòng)、風(fēng)蝕等問題。

Bang等[62-63]利用S.pasteurii細(xì)菌對(duì)地表砂土、粉土進(jìn)行揚(yáng)塵抑制試驗(yàn)，設(shè)計(jì)了不同細(xì)菌濃度、不同環(huán)境溫度、不同濕度以及是否對(duì)土表面進(jìn)行沖洗預(yù)處理等不同因素，針對(duì)級(jí)配良好的砂土進(jìn)行表面微生物處理，成功地在砂土表面形成一層堅(jiān)固硬殼層，并獲得碳酸鈣沉積和揚(yáng)塵抑制的最優(yōu)配比，表明該技術(shù)可以用于砂土表面抗侵蝕。Naeimi等[64]進(jìn)一步利用風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)證了微生物處理砂土表面的抑制揚(yáng)塵和抗風(fēng)力侵蝕能力，并估算了生物抑塵劑的用量，發(fā)現(xiàn)與目前應(yīng)用于道路、機(jī)場(chǎng)場(chǎng)地的傳統(tǒng)塵土抑制劑相比，生物抑塵劑所需的劑量更少[65]。為研究現(xiàn)場(chǎng)表面固砂的可行性、穩(wěn)定性以及植被可恢復(fù)性，Gomez等[66]在加拿大一礦區(qū)附近開展了微生物表面固化現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，如圖7所示。試驗(yàn)區(qū)包括4塊不同MICP反應(yīng)液濃度的加固區(qū)域(如圖7(a))，每塊面積2.4 m×4.9 m，設(shè)計(jì)處理深度為0.3 m。表面處理結(jié)束后，動(dòng)力觸探試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，場(chǎng)地貫入阻力明顯提高，結(jié)殼厚度在0.64～2.5 cm之間(如圖7(b))。結(jié)殼表面碳酸鈣含量為2.1%左右，生成的碳酸鈣隨著深度增加而降低，在深度10 cm左右僅為0.5%。隨后又進(jìn)行了長(zhǎng)期標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)，以檢測(cè)加固區(qū)域的耐久性(如圖7(c))。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，第64天時(shí)場(chǎng)地強(qiáng)度沒有明顯退化現(xiàn)象；然而，經(jīng)歷一個(gè)寒冬，在試驗(yàn)第318天后再檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)加固場(chǎng)地強(qiáng)度有一定退化現(xiàn)象。

圖7 微生物表層固沙處理現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)[66]Fig.7 The field application of sand suface

李馳等[67]在中國(guó)內(nèi)蒙古烏蘭布和沙漠地區(qū)進(jìn)行了原位微生物礦化覆膜現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。現(xiàn)場(chǎng)處理面積為3.3 m×1.65 m，觀察深度為0.3 m。試驗(yàn)分別選用巴氏芽孢桿菌和葡萄球菌作為菌液，將菌液和反應(yīng)液按1∶2.5的比例以每天43.5 L細(xì)菌、108.75 L反應(yīng)液(0.5 mol/L，CaCl2∶Urea =1∶1)按照交替噴灑的方式進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)表面噴灑覆膜，處理過程持續(xù)4 d。覆膜試驗(yàn)結(jié)束后，利用微型貫入裝置對(duì)加固區(qū)域進(jìn)行了總計(jì)210 d的貫入試驗(yàn)，同時(shí)測(cè)定了覆膜內(nèi)的碳酸鈣含量。礦化試驗(yàn)第7天檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，兩塊試驗(yàn)區(qū)域覆膜平均厚度均為2～2.5 cm左右，碳酸鈣含量14%左右；礦化210 d，葡萄球菌處理表面覆膜厚度降低約0.2 cm，碳酸鈣含量降低1%，巴氏芽孢桿菌處理表面覆膜厚度降低約1.5 cm，碳酸鈣含量降低約4%。表面覆膜后在貫入深度2 cm時(shí)，貫入阻力從2 N提高到24.3 N和20.3 N，且經(jīng)過210 d后，貫入阻力仍能保持穩(wěn)定。試驗(yàn)表明，沙漠原位葡萄球菌可以用于沙漠的表面覆膜處理，以此抑制沙漠風(fēng)蝕。但需要注意的是，該試驗(yàn)結(jié)果顯示，貫入強(qiáng)度的離散性較大，這可能受到沙漠環(huán)境的晝夜溫差變化以及冬春季節(jié)性變化較大的影響。Zhan等[68]利用膠質(zhì)類芽孢桿菌(Paenibacillusmucilaginosus)的酶促作用，將CO2吸收、轉(zhuǎn)化并生產(chǎn)碳酸根離子，然后與環(huán)境中存在的鈣離子礦化反應(yīng)，形成具有一定力學(xué)性能的方解石膠結(jié)層來抑制揚(yáng)塵，并利用該技術(shù)開展了900 m2的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。經(jīng)過微生物處理之后，現(xiàn)場(chǎng)區(qū)域的固化平均厚度為13.2 mm，肖氏硬度為24.6度。在風(fēng)速為12 m/s的抗風(fēng)蝕試驗(yàn)下，處理后土體的質(zhì)量損失由原來的2 600 g/(m2·h)減小為30 g/(m2·h)；在雨水侵蝕試驗(yàn)中，微生物處理后的土體質(zhì)量損失由原來的750 g/(m2·h)減小為約60 g/(m2·h)，殘余肖氏硬度仍保持雨水侵蝕前的90%以上。同時(shí)，微生物礦化作用形成的方解石表層堅(jiān)硬結(jié)構(gòu)還可以提高土體的保濕性能，通過植物發(fā)芽生長(zhǎng)試驗(yàn)，確認(rèn)了該技術(shù)具有良好的環(huán)境兼容性，微生物處理后更有利于土壤保水和植物生長(zhǎng)。一系列檢測(cè)試驗(yàn)表明，利用微生物進(jìn)行表面處理的場(chǎng)地防塵效果十分顯著，同時(shí)，該技術(shù)綠色節(jié)能，經(jīng)濟(jì)環(huán)保。

3 微生物巖土封堵技術(shù)研究

微生物巖土封堵技術(shù)主要利用微生物作用的代謝物及系列生物化學(xué)反應(yīng)的生成物作為孔隙填充材料來降低滲透性。目前，主要的微生物封堵方式有兩種：一種是利用MICP作用形成碳酸鹽沉淀封堵，另一種是生物膜技術(shù)(biofilm)。生物膜技術(shù)主要通過激發(fā)微生物的新陳代謝，使其產(chǎn)生大量胞外聚合物(EPS)，EPS是一種柔軟、有延性、有彈性的有機(jī)黏滑固體，能促進(jìn)更多細(xì)菌附著并形成一種生物膜[69-70]。在巖土材料生物膜修復(fù)過程中，由于孔隙處的流速最大，新添加的營(yíng)養(yǎng)物持續(xù)在孔隙處供應(yīng)，更容易形成較多EPS，從而降低孔隙率；與此同時(shí)，基底里還添加有一些金屬元素，與EPS一起絮凝成黏土塊，可以填充孔隙、降低滲透特性、并增加延展性。微生物封堵技術(shù)可以用于土體防滲處理、巖石裂隙修復(fù)以及排水管道抗侵蝕、防止土石壩發(fā)生管涌等方面。

3.1 土體防滲處理

大量研究表明，存在于土體中累積的細(xì)菌生物量、不溶性細(xì)菌黏液、不溶性多糖和低溶解度生物氣泡等可以降低土體的滲透性[16,71-72]；在氨氧化過程中，反硝化菌通過空氣中的CO2形成多聚糖，隨著細(xì)菌的聚集和累積，形成一層微生物粘液，也能進(jìn)行土壤封堵[73-74]。Ivanov等[16]發(fā)現(xiàn)，在低濃度葡萄糖砂土環(huán)境中富集培養(yǎng)貧氧細(xì)菌產(chǎn)生多糖物質(zhì)，可使砂土的滲透系數(shù)從10-4m/s降低到10-6m/s。Veenbergen等[75]利用微生物產(chǎn)生的生物粘液進(jìn)行了生物封堵縮尺試驗(yàn)，經(jīng)過6 d處理后，土壤的抗?jié)B性能提高了5倍，隨著營(yíng)養(yǎng)液的繼續(xù)添加，抗?jié)B性能最后提高到30倍；在停止灌注營(yíng)養(yǎng)液3個(gè)月之后，抗?jié)B性能仍保持不變。Cheng等[76]采用碳酸鈣沉積技術(shù)，并結(jié)合海藻酸鈉與鈣離子反應(yīng)，形成凝膠狀海藻酸鈣進(jìn)行砂土防滲處理。試驗(yàn)結(jié)果表明，處理后的砂土滲透性從5.0×10-4m/s降低到2.2×10-9m/s，防滲效果比單純MICP技術(shù)提高1～2個(gè)量級(jí)。

大量室內(nèi)試驗(yàn)已證明多種細(xì)菌種群可用于生物封堵，Blauw等[77]較早地將生物膜技術(shù)應(yīng)用于奧地利多瑙河的一個(gè)黏土心墻堤壩滲漏修復(fù)，該堤壩黏土心墻長(zhǎng)期滲漏，在進(jìn)行混凝土-膨潤(rùn)土墻處理后,仍然沒有解決滲漏問題。Blauw等利用原位微生物的生長(zhǎng)，進(jìn)行了為期23 d營(yíng)養(yǎng)液灌注來降低心墻的孔隙進(jìn)行堵漏。6周后發(fā)現(xiàn)滲透性開始下降，10～14周后發(fā)現(xiàn)，原來大壩的單位時(shí)間滲漏量明顯下降，從修復(fù)前每天17.33 m3減少到2.35 m3。5個(gè)月后再次檢測(cè)灌漿口的滲漏情況，發(fā)現(xiàn)其滲漏量只有處理前的0.1～0.2倍，表明生物膜技術(shù)在土工構(gòu)筑物的修復(fù)中具有可行性。同時(shí)，工業(yè)界存在大量有機(jī)廢水，可以變廢為寶，作為許多發(fā)酵細(xì)菌和胞外多糖產(chǎn)生菌的有機(jī)營(yíng)養(yǎng)源，為現(xiàn)場(chǎng)大規(guī)模微生物封堵應(yīng)用提供原材料。

但需要說明的是，由于生物聚合物的可降解性、熱敏感性及較差的力學(xué)性能，其堵塞作用的耐久性不易保證，不足以滿足大部分土工結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用壽命，因此，該技術(shù)目前還無法大規(guī)模推廣。利用微生物礦化生成的無機(jī)物沉淀具有更好的穩(wěn)定性和力學(xué)性能，因此，此類生物封堵技術(shù)被認(rèn)為更有潛力。其中，利用脲酶菌反應(yīng)形成碳酸鈣沉淀來填充土體孔隙、降低流體流量、降低滲透系數(shù)為最主要的研究方向[5,78-79]。大量研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于土體材料，經(jīng)過微生物處理生成的碳酸鈣含量與滲透系數(shù)存在一定的規(guī)律(如圖8所示)[28,31,33,39,80-82]。

圖8 滲透系數(shù)-碳酸鈣含量關(guān)系圖Fig.8 Relationship between the permeability and

Chu等[83]利用微生物技術(shù)，按照每平方米砂土表面使用2.1 kg氯化鈣來建造蓄水池，如圖9所示，經(jīng)過MICP表面處理后，砂土的滲透性可以從10-4m/s降低到10-7m/s。隨后，在池底取樣進(jìn)行四點(diǎn)抗彎試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)抗彎強(qiáng)度為90～256 kPa，側(cè)壁和池底的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為215～932 kPa，均具有一定強(qiáng)度。

圖9 MICP修建臨時(shí)蓄水池[83]Fig.9 The construction of temporary reservior

劉璐等[84]通過向模型堤壩噴灑微生物細(xì)菌以及營(yíng)養(yǎng)鹽進(jìn)行加固，并對(duì)處理好的堤壩模型進(jìn)行水槽試驗(yàn)，如圖10所示。經(jīng)過連續(xù)多天的沖刷后，除模型試樣兩側(cè)有少量細(xì)砂被水流帶出外，模型整體無侵蝕破壞現(xiàn)象發(fā)生。對(duì)MICP處理堤壩表層形成的外殼進(jìn)行三軸滲透試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)滲透系數(shù)從4×10m/s降低至7.2×10m/s。對(duì)堤壩表層的試樣進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試，發(fā)現(xiàn)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度可高達(dá)9 MPa。試樣中生成的碳酸鈣含量占試樣重量的18%左右。

圖10 微生物處理堤壩水槽試驗(yàn)[84]Fig.10 The flume test of MICP treated model

談葉飛等[85]在安徽滁州大洼水庫黏性土堤防的3個(gè)區(qū)段開展了MICP防滲現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，利用壩體內(nèi)部測(cè)壓管對(duì)內(nèi)部水頭進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)監(jiān)測(cè)滲漏部位的滲漏量。結(jié)果表明，該技術(shù)能迅速將黏性土堤防壩段滲透系數(shù)降低2個(gè)數(shù)量級(jí)。Gao等[86]提出了基于MICP的防滲溝渠的施工工藝：首先利用注漿管工藝處理待修建溝渠場(chǎng)地，然后進(jìn)行開挖，最后利用噴灑和浸泡技術(shù)處理溝渠表面。結(jié)果表明，該施工工藝能有效減小砂土表面滲透系數(shù)，滿足使用要求。

3.2 巖石裂隙修復(fù)

利用微生物技術(shù)在巖石裂隙修復(fù)方面的研究，目前，國(guó)際上已開展了不少原位試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。Cuthbert等[87]利用MICP修復(fù)地下深25 m、面積為4 m2的一段裂隙巖體，檢測(cè)發(fā)現(xiàn)MICP修復(fù)后滲透性顯著減低，且在環(huán)境地下水作用12周后，滲透性沒有明顯改變。Phillips等[88]開展了地下340.8 m的深部巖石裂隙修復(fù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，對(duì)鉆井孔附近天然存在的水平裂隙進(jìn)行修復(fù)，如圖11所示。在注漿修復(fù)過程中發(fā)現(xiàn)，由于表面封堵的形成，在恒定注漿壓力下注入量隨著時(shí)間的發(fā)展降低。經(jīng)過修復(fù)處理后，灌漿流速從1.9 L/min降低到0.47 L/min；井口關(guān)閉下測(cè)定每5 min的壓力減小值，發(fā)現(xiàn)壓力變化值從修復(fù)前的30%降低到修復(fù)后的7%。結(jié)果表明，井口的完整性和密封性得到很好的提高，修復(fù)后的巖土裂縫再次發(fā)生開裂破壞需要比之前更大的壓力。在此處裂隙修復(fù)完成并投入使用一段時(shí)間后，超聲成像測(cè)井儀檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，深度為310 m的區(qū)域出現(xiàn)了新的水泥性能退化現(xiàn)象，針對(duì)鉆井孔出現(xiàn)退化區(qū)域再次進(jìn)行MICP灌漿修復(fù)，同樣取得了良好效果，修復(fù)后灌漿流速從0.29 m3/h降低到0.011 m3/h，超聲成像測(cè)井儀顯示，此處的固體含量明顯增多[89]。

圖11 深部巖體修復(fù)[88]Fig.11 The remediation of deep rock

Lambert等[90]在加拿大南安大略一處深井旁進(jìn)行了石灰?guī)r裂隙的微生物修復(fù)處理，該巖石裂隙在地下約16 m深處，裂隙大小439～569 μm，通過21 d的營(yíng)養(yǎng)液灌注，其滲漏明顯減小并成功隔絕地下污染水的泄露，52 d時(shí)檢測(cè)抗?jié)B效果提高一個(gè)量級(jí)，但210 d后再次檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，抗?jié)B效果開始出現(xiàn)退化。

4 微生物金屬污染土修復(fù)技術(shù)研究

微生物金屬污染土修復(fù)技術(shù)主要利用微生物誘導(dǎo)碳酸鹽沉積的過程中，一些金屬離子和放射性元素會(huì)與碳酸根離子結(jié)合發(fā)生共沉淀，將這些金屬固定在其晶體結(jié)構(gòu)中。該技術(shù)可用于固化污染土中的重金屬離子使其不再擴(kuò)散[91]。不同研究者[92-98]從不同地區(qū)提煉出多種細(xì)菌，利用MICP技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)Cu、Pb、Zn、Cd、Cr、Sr、As等多種不同重金屬污染土壤的穩(wěn)定化處理，重金屬去除率達(dá)到50%～99%，證明MICP可以在惡劣的自然條件下對(duì)重金屬污染土壤進(jìn)行固化作用。另外，Ganesh等[99]還利用鐵鹽還原菌(Shewanellaalga)和硫酸鹽還原菌(Desulfovibriodesulfuricans)將六價(jià)鈾還原為四價(jià)鈾，然后將四價(jià)鈾沉淀形成瀝青鈾礦(UO2(S))從水溶液中移除。目前，利用MICP技術(shù)進(jìn)行重金屬污染治理的研究仍主要集中在室內(nèi)試驗(yàn)階段，有報(bào)道的重金屬處理現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究?jī)H有兩個(gè)：Fujita等[100]在華盛頓的一塊場(chǎng)地開展了90Sr污染治理試驗(yàn)，試驗(yàn)添加尿素和糖漿來促進(jìn)場(chǎng)地土著脲酶菌的生長(zhǎng)和重金屬的固化沉積，并利用注漿管道在相隔幾米的地方一邊注漿一邊抽取，循環(huán)處理，試驗(yàn)結(jié)果表明，MICP技術(shù)是一種可以用于現(xiàn)場(chǎng)90Sr污染物處理的技術(shù)手段；許燕波等[101]在也開展了MICP去除重金屬離子的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，試驗(yàn)選用革蘭氏陽性菌作為礦化菌種，對(duì)某廢棄鐵礦場(chǎng)進(jìn)行處理，現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)深度20 cm，面積1 000 m2，處理前污染土中As、Pb、Cd、Zn、Cu的交換態(tài)濃度分別為14.01、4.95、0.64、33.46、12.95 mg/kg，進(jìn)行MICP現(xiàn)場(chǎng)噴灑處理的環(huán)境溫度為30 ℃、pH值為5.5、尿素用量12.65 kg、菌液用量160 L，修復(fù)后上述重金屬的交換態(tài)濃度分別減少為2.37、1.25、0.311、16.67、3.42 mg/kg,試驗(yàn)表明，利用鹽礦化菌噴灑處理受重金屬污染土壤效果顯著，重金屬去除率最高達(dá)到83%，重金屬離子被作物吸收的風(fēng)險(xiǎn)明顯降低。以生物礦化為基礎(chǔ)，通過固結(jié)重金屬離子修復(fù)受重金屬污染土壤的微生物修復(fù)技術(shù)方法簡(jiǎn)單、易于操作，能有效降低金屬離子對(duì)環(huán)境的危害，具有很好的應(yīng)用前景。

5 結(jié)論與展望

對(duì)微生物巖土領(lǐng)域涉及的幾種主要微生物的生物化學(xué)反應(yīng)過程及其作用機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)介紹，并對(duì)已開展的相關(guān)研究及應(yīng)用進(jìn)行總結(jié)與評(píng)述，以促進(jìn)對(duì)微生物巖土領(lǐng)域更全面深入的了解。微生物環(huán)境巖土作為巖土工程領(lǐng)域一個(gè)新的研究分支，在中國(guó)已經(jīng)發(fā)展了十多年，除了文中提到的幾種微生物巖土應(yīng)用，根據(jù)研究者的研究成果和設(shè)想[44]，微生物技術(shù)未來還會(huì)在巖土和建筑領(lǐng)域的更多方面實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，如二氧化碳的封存、沙漠綠化、填海造地、混凝土修復(fù)、古建筑修復(fù)等。與此同時(shí)，由于巖土工程的建設(shè)施工項(xiàng)目通常十分龐大，涉及到不同的場(chǎng)地條件、復(fù)雜的施工工藝，而微生物本身的生物化學(xué)反應(yīng)又十分復(fù)雜，因此，微生物技術(shù)的應(yīng)用必須針對(duì)不同的施工環(huán)境，選取不同的菌種，并識(shí)別、篩選、優(yōu)化細(xì)菌，以得到適合應(yīng)用環(huán)境的最優(yōu)細(xì)菌及生物活性，滿足生態(tài)安全性及修復(fù)的可靠性。同時(shí)，細(xì)菌參與過程中的一系列副產(chǎn)物也需要特別關(guān)注和去除，如脲酶菌水解過程產(chǎn)生的銨根離子，反硝化過程中不完全反應(yīng)產(chǎn)生的有毒亞硝酸鹽、一氧化二氮等中間產(chǎn)物等都可能導(dǎo)致環(huán)境污染等問題。雖然目前對(duì)微生物技術(shù)已開展較多研究，但在當(dāng)前技術(shù)方法下，微生物技術(shù)的推廣仍面臨巨大的挑戰(zhàn)：成本是工程項(xiàng)目中要考慮的重要因素，但該技術(shù)并不成熟，更無法與水泥為主的傳統(tǒng)巖土加固方式形成成本上的優(yōu)勢(shì)。降低成本的關(guān)鍵和瓶頸在于細(xì)菌的選擇和培養(yǎng)，因而非常有必要開展跨學(xué)科合作，與相關(guān)材料學(xué)、微生物學(xué)、化學(xué)研究團(tuán)隊(duì)開展深入合作。

總體來說，微生物巖土技術(shù)及應(yīng)用的研究還處于起步階段，微生物巖土技術(shù)走向真正大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用還有很多問題需要克服，這也需要新一代巖土工作者加倍努力，建立跨學(xué)科學(xué)習(xí)與合作機(jī)制，共同打造環(huán)境友好型巖土技術(shù)新體系。