土建場(chǎng)地和建材的生物改良技術(shù)研究進(jìn)展

郝大程 魯蘭蘭

（1. 大連交通大學(xué)環(huán)境化工學(xué)院生物技術(shù)研究所，大連 116028；2. 大連交通大學(xué)土木工程學(xué)院，大連 116028）

隨著生物技術(shù)的迅猛發(fā)展，一門新的生物技術(shù)學(xué)科——建造（或建筑/建設(shè)）生物技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。土木建設(shè)領(lǐng)域的生物材料和生物工藝近年來開始受到關(guān)注。建造生物技術(shù)的各個(gè)方面開始形成一個(gè)新的跨學(xué)科領(lǐng)域，涉及環(huán)境和工業(yè)微生物學(xué)，生物地球化學(xué)以及生物技術(shù)在巖土工程和土木工程中的應(yīng)用［1-2]。其主要研究方向分兩部分，一是生物技術(shù)用于建材的工業(yè)生產(chǎn)；二是建造工藝現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的微生物或其產(chǎn)物。但目前缺乏對(duì)現(xiàn)有和潛在的建造生物技術(shù)的概括和評(píng)述。實(shí)際上該領(lǐng)域已經(jīng)有許多主題值得討論，包括生物技術(shù)生產(chǎn)新的建造材料，如自愈混凝土［3]，建筑生物復(fù)合材料，建筑生物塑料，以及生物技術(shù)水泥摻合料等。還有建造相關(guān)的工藝過程，如生物水泥［4]、生物堵塞、土壤表面固定和生物密封、微生物水泥和灌漿［5]、建筑材料表面的生物涂層、建筑環(huán)境的微生物和生物安全、生物腐蝕的預(yù)防，以及土木工程中的生物降解和生物污損等。需要從巖土工程、化學(xué)和微生物學(xué)的角度綜合考慮土壤中鈣、鎂和鐵化合物（如碳酸鹽、磷酸鹽、硫化物和硅酸鹽礦物）的生物介導(dǎo)沉淀［6]，以優(yōu)化生物堵塞和強(qiáng)化的效果。本文概述了土建場(chǎng)地和建材的微生物技術(shù)改良研究和應(yīng)用進(jìn)展，拋磚引玉，討論土木/環(huán)境工程師和相關(guān)研究者需要了解的建造相關(guān)的生物地球化學(xué)過程。從實(shí)際出發(fā)，簡(jiǎn)要討論了不同現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的設(shè)計(jì)原則和注意事項(xiàng)。

1 生物技術(shù)改良土建場(chǎng)地的工序

1.1 土壤生物處理的準(zhǔn)備

用于土壤生物處理的培養(yǎng)基、設(shè)備和微生物接種物的制備［7]；準(zhǔn)備土壤進(jìn)行處理；培養(yǎng)和儲(chǔ)存接種物。生物制劑的制作，用化學(xué)計(jì)量微生物生長(zhǎng)方程設(shè)計(jì)培養(yǎng)基，包括合成生物質(zhì)所需的C、H和O源消耗，和其他必需元素如N、P、S、K、Na、Mg、Ca和Fe消耗量，以及Cr、Co、Cu、Mn、Mo、Ni、Se、W、V和Zn等微量元素，其需要量為數(shù)mg / L。某些菌株的生長(zhǎng)和活性需要有機(jī)生長(zhǎng)因子，如維生素、氨基酸和核苷［8]。比較氯化鈣和硝酸鈣作為營(yíng)養(yǎng)液中的鈣源對(duì)微生物固化砂土物理力學(xué)指標(biāo)的影響［9]，發(fā)現(xiàn)利用硝酸鈣固化后的砂柱整體密實(shí)度更高，其破壞裂縫在飽水和干燥狀態(tài)下比氯化鈣固化后的砂柱更??；硝酸鈣固化后的砂柱滲透系數(shù)和吸水率更低，干密度和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度更高。電鏡結(jié)果顯示，硝酸鈣形成碳酸鈣沉淀量較多，以球狀或立方體為主，包裹住砂粒，團(tuán)聚更明顯。

生物處理可以通過土壤的土著微生物進(jìn)行，無需微生物接種物的制備和供應(yīng)，但前者可能使得病原性或機(jī)會(huì)性微生物在土壤中繁殖。在生物技術(shù)處理之前制備土壤或顆粒包括以下步驟：（1）土壤/固體顆?；蜍涴ね恋钠扑?、研磨、篩分及均質(zhì)化；（2）用堿、酸、鹽溶液或表面活性劑對(duì)土壤或顆粒進(jìn)行化學(xué)預(yù)處理；（3）在場(chǎng)外生物處理的情況下，利用生物反應(yīng)器開挖、運(yùn)輸、儲(chǔ)存和供應(yīng)土壤或顆粒。

1.2 生產(chǎn)生物水泥（Biocement）或生物水泥漿（Biogrout）

微生物培養(yǎng)是在適宜條件下進(jìn)行的，通常是在最適宜的溫度、pH值、滲透壓和氣體（氧氣、二氧化碳和氫氣）濃度下，在半固態(tài)或液體培養(yǎng)基上進(jìn)行的，培養(yǎng)基中含有菌株生長(zhǎng)所需的所有物質(zhì)。用于生物處理的微生物生物質(zhì)以液體懸浮液，冷凍懸浮液，濃縮糊狀物，干燥（通常凍干）生物質(zhì)等形式儲(chǔ)存和使用。微生物培養(yǎng)基和土壤/顆粒處理劑可通過化學(xué)試劑與農(nóng)業(yè)肥料的混合，以溶液、懸浮液或漿液的形式混合或單獨(dú)使用。不同類型的廢棄物或殘余物，如采礦和農(nóng)業(yè)廢棄物、城市固體廢棄物的有機(jī)組成部分、城市污水處理廠的污泥和廢水，可作為降低大規(guī)模生物巖土工程成本的菌培養(yǎng)基。在微生物培養(yǎng)或生物處理之前，為了長(zhǎng)期保存這些培養(yǎng)基，可以對(duì)其進(jìn)行酸化、冷卻、冷凍、干燥、巴氏殺菌或滅菌。最后，將液體或干燥的生物制劑分別與試劑混合供應(yīng)到土壤中。該混合物可以作為商品以干燥生物水泥［10]或生物水泥漿［5]的形式預(yù)付，用于土壤生物處理。

1.3 土壤生物處理的主要類型

土壤的生物聚集（Bioaggregation）［11]是一個(gè)增加細(xì)顆粒尺寸的過程，這將減少水和風(fēng)對(duì)土壤的侵蝕，沙的移動(dòng)及灰塵排放；生物結(jié)殼（Biocrusting）［12]是在土壤表面形成礦物或有機(jī)結(jié)殼（結(jié)皮），從而減少侵蝕、揚(yáng)塵和入滲的過程；在固體表面形成的生物涂層（Biocoating）［10]可以增強(qiáng)表面美觀性或定植性，或增強(qiáng)表面的防腐保護(hù)；生物阻塞（Bioclogging）是將土壤/基質(zhì)中的孔隙和通道填滿，從而顯著降低土壤或裂隙巖石的水力傳導(dǎo)率的過程［13-14]；生物黏固（Biocementation）［15]是結(jié)合土壤顆粒，顯著增加土壤強(qiáng)度的過程；生物去飽和（Biodesaturation）［11]是一個(gè)降低飽和程度的過程，其結(jié)果是通過就地生產(chǎn)沼氣降低土壤的液化潛力；生物包埋（Bioencapsulation）［16]是通過在一塊軟材料周圍形成一個(gè)堅(jiān)固的外殼（膠囊化）來增加軟黏土、飽和松散土、流砂和淤泥強(qiáng)度的過程；生物修復(fù)［17]是施工前清除（降解）土壤中的污染物或固定土壤污染物的過程；土壤衛(wèi)生，是挖掘前對(duì)土壤中微生物病原體或昆蟲進(jìn)行殺滅的過程。

所有這些類型的土地改良通常使用相同或相似的生物地球化學(xué)反應(yīng)。因此，最終的結(jié)果主要不取決于土地改良的機(jī)理，而取決于土壤中添加或生產(chǎn)的原材料或結(jié)合生物材料的數(shù)量。

1.4 后處理：廢棄物的處理、處置和再利用

微生物在建造過程中的應(yīng)用可以不經(jīng)下游工序進(jìn)行，但通常會(huì)有這樣的下游工序，即在土壤或顆粒被生物侵蝕后，對(duì)被污染的空氣和水進(jìn)行解毒。為避免大氣污染，必須吸收、化學(xué)或生物技術(shù)滅活或焚燒空氣中的有毒成分［18]。所有這些過程必須使用機(jī)械、化學(xué)或生物工具進(jìn)行監(jiān)視和控制。

2 生物聚集控制風(fēng)土侵蝕和粉塵排放

這一過程的目的是增加土壤團(tuán)聚體的尺寸，以減少土壤侵蝕和灰塵排放。如肥沃土壤的風(fēng)蝕、沙漠化中的沙丘運(yùn)動(dòng)、干旱半干旱地區(qū)的沙塵暴以及農(nóng)業(yè)、建筑、交通及礦山粉塵的排放和擴(kuò)散等過程，給人類的生命、環(huán)境和基礎(chǔ)設(shè)施帶來了許多問題和危險(xiǎn)?；覊m也是土壤相關(guān)污染物的載體，如化學(xué)物質(zhì)、病毒和微生物。因此，大氣中攜帶污染物的塵埃的擴(kuò)散會(huì)導(dǎo)致這些污染物沉積到處于下風(fēng)向的生態(tài)系統(tǒng)，并對(duì)人類健康和環(huán)境產(chǎn)生負(fù)面影響。例如，起源于沙漠地區(qū)的沙塵暴影響著中東、東亞和北非的許多國(guó)家。

2.1 防塵技術(shù)

有許多已知的生物、化學(xué)和機(jī)械技術(shù)可以預(yù)防和控制土壤的風(fēng)蝕、粉塵的風(fēng)散、由風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)引起的沙漠化，以及從農(nóng)業(yè)、建筑或未鋪設(shè)道路上的運(yùn)輸中釋放的粉塵。傳統(tǒng)上利用植被作為地表覆蓋物來減少土壤風(fēng)蝕，但其常受氣候和土壤條件限制。用無機(jī)化合物如氯化鈉、氯化鈣、氯化鎂、石灰或粉煤灰處理土壤表層，促進(jìn)土壤顆粒結(jié)合在一起，可防止土壤風(fēng)蝕和灰塵形成［19]。然而，這些化合物的應(yīng)用會(huì)對(duì)植物和地表水及地下水質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面影響，因?yàn)橹苿┤苡谒⒃诃h(huán)境中隨徑流擴(kuò)散。抑制粉塵彌散的另一種方法是使用有機(jī)化合物，如瀝青乳液、木質(zhì)素和木質(zhì)素磺酸鹽、表面活性劑、粉煤灰和酰胺、淀粉醚、聚丙烯腈、聚乙烯醇、脲醛及其共聚物、聚丙烯酰胺共聚物、羧甲基纖維素、聚醋酸乙烯酯及環(huán)氧樹脂等。這些抑塵劑通過濕潤(rùn)或結(jié)合微粒改變土壤表面的物理性質(zhì)。這些抑制劑已用于建筑業(yè)、采礦業(yè)、裝卸點(diǎn)、未鋪設(shè)道路上的運(yùn)輸及機(jī)場(chǎng)。然而，有機(jī)固定劑若大規(guī)模應(yīng)用相對(duì)昂貴，其毒性或?qū)е滤w富營(yíng)養(yǎng)化的能力，可能對(duì)環(huán)境有害。

2.2 防塵防風(fēng)生物技術(shù)

利用化學(xué)試劑抑制粉塵的替代方法是土壤顆粒經(jīng)生物介導(dǎo)的膠結(jié)/聚集［10]。如生物黏固是利用微生物的酶活性在多孔土壤中產(chǎn)生不溶性化合物的沉淀或結(jié)晶。目前最流行的生物黏固技術(shù)是由氯化鈣和尿素溶液通過脲酶或產(chǎn)脲酶細(xì)菌介導(dǎo)結(jié)晶形成方解石（CaCO3）［20]。尿素被酶解使土壤pH值升高，釋放碳酸鹽，土壤顆粒表面碳酸鈣結(jié)晶形成并彼此結(jié)合，其生物化學(xué)反應(yīng)如下：

理論上，低水平的沙塵生物黏固即可阻止沙塵擴(kuò)散，但是實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果不夠理想［21]，原因是：（1）研究的對(duì)象不是細(xì)砂或沙塵，而是0.075 mm-4.76 mm大砂粒；（2）風(fēng)洞測(cè)試中，生物黏固對(duì)沙塵形成的影響，只研究了砂的質(zhì)量損失；（3）未測(cè)定砂中沉淀鈣的含量；（4）在某些生物處理實(shí)驗(yàn)中，將產(chǎn)脲酶菌、氯化鈣、尿素同時(shí)施用于沙土。產(chǎn)脲酶菌培養(yǎng)基pH較高，會(huì)導(dǎo)致碳酸鈣沉淀。由于CaCO3的化學(xué)沉淀并不與砂粒結(jié)合，因此只有脲酶活性介導(dǎo)的砂粒表面的方解石結(jié)晶才對(duì)砂粒結(jié)合具有重要意義。

2.3 對(duì)空氣中沙塵和沙塵相關(guān)的化學(xué)和細(xì)菌污染物的生物技術(shù)控制

小劑量的鈣基生物介導(dǎo)的細(xì)砂聚集有助于控制沙塵及相關(guān)的化學(xué)和細(xì)菌污染物在空氣中的遷移［19]。以噴灑在砂土表面的氯化鈣和尿素溶液作為生物聚集劑（凝聚劑），該溶液已用產(chǎn)脲酶細(xì)菌的懸浮液進(jìn)行初步處理。用于沙塵治理的鈣用量為15.6 g Ca/m2。細(xì)砂經(jīng)生物處理后，沙塵向大氣的釋放量比對(duì)照組降低99.8%，菲的釋放量降低92.7%，硝酸鉛的釋放量降低94.4%，巨大芽孢桿菌（Bacillus megaterium）的釋放量降低99.8%。這種塵埃和塵埃中污染物的固定化是由于細(xì)沙顆粒的生物聚集，90%的砂塵粒的大小從對(duì)照組的29 μm增加到處理組的181 μm。土壤表面的生物聚集處理可以防止灰塵及相關(guān)的化學(xué)和細(xì)菌污染物在水、空氣和土壤中的擴(kuò)散。在核電站事故、放射性“臟彈”爆炸或核武器爆炸后，同樣的技術(shù)可用于固定土壤表面的放射性污染。

3 生物結(jié)殼

在土壤表面形成結(jié)殼，可減少土壤的侵蝕、揚(yáng)塵、水的下滲和污染土壤的淋濾。有3種機(jī)制：（1）由絲狀菌和光合微生物結(jié)合在土壤顆粒上形成的土壤外殼。殼內(nèi)可能存在真菌菌絲、放線菌、絲狀光養(yǎng)和異養(yǎng)細(xì)菌；（2）在土壤表面添加細(xì)菌聚合物或在原地產(chǎn)生細(xì)菌外共聚物造成的生物結(jié)殼；（3）利用土壤顆粒的生物黏固而成殼。

3.1 基于絲狀菌和光合微生物的土壤結(jié)殼

土壤表面的殼是由物理或生物過程形成的。非生源的土壤結(jié)殼是由于降雨或徑流打破土壤團(tuán)粒，然后有細(xì)土顆粒的物理再沉積，這些細(xì)粒堵塞了土壤孔隙，它們?cè)谕寥辣砻娓稍锖笮纬擅芊獾耐鈿?，其上沉積了鹽、石灰和硅，而表面水分已蒸發(fā)［22]。這樣的外殼不利于植物種子的萌發(fā)。容易物理結(jié)殼的土壤是那些有機(jī)質(zhì)含量低、淤泥含量高的土壤。

生物結(jié)殼（結(jié)皮）是由于絲狀和產(chǎn)黏液的微生物將土壤顆粒結(jié)合在一起而形成的。土壤表面的微生物結(jié)皮主要由光養(yǎng)微生物藍(lán)藻和藻類植物等單獨(dú)或與菌絲真菌共生形成，后者是以前者光合作用形成的有機(jī)化合物為食的。光養(yǎng)和化養(yǎng)微生物可形成共生關(guān)系，其中真菌成分的主要功能是從土壤中提取無機(jī)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，而光合藍(lán)藻或藻類則產(chǎn)生有機(jī)化合物，真菌能利用這些有機(jī)物。絲狀真菌和藍(lán)藻通過黏在一起的土壤顆粒編織成網(wǎng)。微生物形成的皮殼在貧瘠的沙漠土壤中創(chuàng)造和維持肥力，固定空氣中的碳和氮，并捕獲營(yíng)養(yǎng)豐富的塵埃，但它們易受氣候變化和牲畜放牧的影響，恢復(fù)時(shí)間很長(zhǎng)［23]。因此，藍(lán)藻接種土壤表面對(duì)荒漠土壤結(jié)殼的恢復(fù)具有重要意義。有脲酶活性的藍(lán)藻可以參與由鈣鹽形成碳酸鈣礦物的過程，這些礦物可以結(jié)合形成土壤外殼的土顆粒。生物土壤結(jié)殼的發(fā)展階段：（1）藍(lán)藻成殼，此時(shí)地衣和苔蘚占比＜ 20%，（2）地衣結(jié)殼，此時(shí)地衣覆蓋＞ 20%，但苔蘚覆蓋＜ 20%；也可形成半苔蘚殼：75%＞苔蘚覆蓋＞ 20%；或形成苔蘚結(jié)殼（苔蘚覆蓋＞ 75%）。苔蘚結(jié)殼中藍(lán)藻和微藻生物質(zhì)含量降低，而半苔蘚和苔蘚結(jié)殼中固氮藍(lán)藻和異養(yǎng)微生物含量增加［24]。在這些演替階段，必然存在不同的水力傳導(dǎo)系數(shù)、保水能力和土層強(qiáng)度。

3.2 利用微生物多糖進(jìn)行生物結(jié)殼

微生物多糖在土壤顆粒聚集中具有重要作用［25]。目前可以工業(yè)生產(chǎn)很多種能形成凝膠的不溶于水的微生物多糖，其中的一些如黃原膠及其共聚物或復(fù)合材料，可用于土壤顆粒結(jié)合和皮殼形成，以減少風(fēng)和水侵蝕土壤。然而，大規(guī)模使用微生物產(chǎn)品可能由于成本過高而不可行。原位制備細(xì)菌外共聚物可降低土壤成殼中顆粒結(jié)合的成本。然而，異養(yǎng)微生物生產(chǎn)細(xì)菌多糖需要添加60 t/hm2的有機(jī)質(zhì)。因此，光養(yǎng)微生物生產(chǎn)胞外多糖是促進(jìn)土壤結(jié)殼形成的最經(jīng)濟(jì)的途徑。

3.3 使用鈣基生物黏固的生物結(jié)殼

土壤結(jié)殼的鈣基形成是利用微生物的酶活性在多孔土壤中形成不溶性化合物沉淀或結(jié)晶［23]。氯化鈣與碳酸氫鈉混合后碳酸鈣在砂中沉淀不會(huì)產(chǎn)生方解石晶體和砂的黏固。為了形成土壤殼，必須在土壤表面噴灑一定體積的產(chǎn)脲酶細(xì)菌，然后噴灑氯化鈣和尿素溶液［10]。這個(gè)體積（V，溶液m3/土壤表面m2）可以用孔隙度（P，孔隙m3/土壤m(xù)3）和土殼厚度（H，m）來計(jì)算：

處理次數(shù)（N）可由處理液中碳酸鈣（mol /m3土壤）所需沉淀量和處理液中鈣離子濃度（mol /m3土壤）確定。

薄殼形成可用于沙土中養(yǎng)殖池塘或水庫(kù)的封堵［22]。這些池塘可用于戶外商業(yè)養(yǎng)殖，如魚、蝦和軟體動(dòng)物的生產(chǎn)，大規(guī)模種植藻類，用于沙漠沿海地區(qū)的生物燃料生產(chǎn)，或作為集水塘。適用于許多其他巖土工程應(yīng)用，要求土壤結(jié)殼厚1-10 cm，液體滲透性低于10-8/ms，強(qiáng)度高于0.1 MPa。應(yīng)用方式可以是，通過鈣基生物黏固形成的不透水殼構(gòu)成養(yǎng)殖塘或渠道的底層和斜坡，以及壩體的斜坡和頂部。許多其他生物地球化學(xué)反應(yīng)也可用于形成不同厚度的土殼［26]。

4 生物堵塞

5 土壤生物黏固

生物黏固（固結(jié)）是一個(gè)以顯著提高多孔土強(qiáng)度為目標(biāo)的過程［28]。目前使用的化學(xué)膠結(jié)（或化學(xué)灌漿）是用流體灌漿來填充砂體空隙，以產(chǎn)生類似砂巖的物質(zhì)來承擔(dān)荷載。用于黏合土壤顆粒的化學(xué)物質(zhì)包括超細(xì)水泥、丙烯酸酯、酰胺和聚氨酯的懸浮液。這些黏性材料可能是昂貴而有毒的。某些微生物菌株可以通過生物介導(dǎo)的鈣鎂碳酸鹽和磷酸鹽結(jié)晶或高鐵氫氧化物將土壤顆粒結(jié)合在一起［6]，形成堅(jiān)硬的巖石。生物砂巖的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度取決于沉淀碳酸鈣的含量和處理方式，可達(dá)6-12 MPa，甚至高達(dá)30 MPa。一些微生物如巴氏芽胞八疊球菌Sporoscarcina pasteurii和深層大洋芽孢桿菌Oceanobacillus profundusKBZ 1-3能夠沉淀碳酸鈣，適合用于生物黏固［7，28]。細(xì)菌濃度、化學(xué)反應(yīng)物濃度、溫度、酸堿度等因素影響碳酸鈣沉淀的形成。經(jīng)過7 d和14 d養(yǎng)護(hù)后，粉質(zhì)黏土樣品的抗壓強(qiáng)度隨著pH值由5增加到9而穩(wěn)定增加。固化14 d后，用50 mL細(xì)菌溶液處理土壤，觀察到最高抗壓強(qiáng)度（92 kPa）。溫度為40℃時(shí)，樣品達(dá)到最大抗壓強(qiáng)度。

多孔土或裂隙巖體的堵塞通常是通過化學(xué)灌漿來填補(bǔ)土壤空隙以減少水流［5]?；瘜W(xué)灌漿是水玻璃（硅酸鈉）、丙烯酸酯、丙烯酰胺和聚氨酯的溶液或懸浮液，都是昂貴且有毒的建筑材料。生物堵塞是利用微生物產(chǎn)生的生物聚合物或微生物介導(dǎo)的無機(jī)化合物原位沉淀（MICP）來控制水流的灌漿方法。表1總結(jié)了可能形成生物堵塞的多個(gè)微生物過程。例如可利用微生物對(duì)巖土體進(jìn)行防滲加固，在安徽某水庫(kù)黏性土堤防3個(gè)區(qū)段開展了防滲試驗(yàn)［27]。通過培養(yǎng)的巴氏芽孢桿菌對(duì)尿素進(jìn)行水解產(chǎn)生大量碳酸根離子，并和鈣鎂離子結(jié)合生成碳酸鈣沉積，可堵塞壩體內(nèi)部孔隙/裂隙。該技術(shù)能迅速降低黏性土堤防壩段滲透系數(shù)2個(gè)數(shù)量級(jí)，土樣平均強(qiáng)度提高約13%。

表1 可能形成生物堵塞的微生物過程

砂巖膠結(jié)的自然實(shí)例是水合鐵礦膠結(jié)的紅砂巖的形成或碳酸鈣晶體膠結(jié)的砂巖的形成。氫氧化鐵的結(jié)晶特性決定了它在土壤中也是一種重要的膠結(jié)劑。含鐵氫氧化物的土壤樣品干燥會(huì)產(chǎn)生不可逆的土壤硬化和膠結(jié)。在高pH或氧化還原電位土壤中，氫氧化鐵沉淀形成膠結(jié)結(jié)核或結(jié)節(jié)。所有濕地植物的根系都可以檢測(cè)到鐵氫氧化物的生物膠結(jié)作用，還原鐵細(xì)菌產(chǎn)生的Fe（II）與根系釋放的氧氣發(fā)生反應(yīng)［29]。Fe（III）通過還原鐵細(xì)菌進(jìn)行初步還原，然后通過氧化和水解Fe（II）形成高鐵水合物。土壤中亞鐵離子和螯合物可以發(fā)生氧化反應(yīng)，或在中性或嗜酸性鐵氧化細(xì)菌的催化下進(jìn)行［30]。另一個(gè)自然膠結(jié)的例子是從硅酸鈉中析出的二氧化硅，它填充孔隙并將土壤顆粒黏在一起。二氧化硅的聚集取決于pH值，因此氧化或發(fā)酵引起的微生物介導(dǎo)的pH值降低可能會(huì)影響二氧化硅的沉淀和膠結(jié)。

6 水飽和無黏性土壤的生物去飽和

地震是極具破壞性的地質(zhì)災(zāi)害之一，對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施和財(cái)產(chǎn)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。許多損壞與土壤液化有關(guān)。飽和的相對(duì)松散的土壤，由于孔隙水壓力的產(chǎn)生，其強(qiáng)度和剛度大幅下降，導(dǎo)致土壤表現(xiàn)為黏性液體［31]。這樣的土體失去承載力，導(dǎo)致淺基礎(chǔ)沉降或移位，對(duì)建筑物和基礎(chǔ)設(shè)施造成破壞。減輕液化損傷的常規(guī)地基加固方法是采用振動(dòng)置換石柱、振動(dòng)壓實(shí)、壓實(shí)灌漿和深層動(dòng)力壓實(shí)等方法進(jìn)行地基密實(shí)。然而，這些方法能耗大，成本高，不能在城市地區(qū)使用。土力學(xué)基礎(chǔ)研究表明，在飽和砂土中加入氣泡可以大大降低其液化敏感性。當(dāng)反硝化細(xì)菌產(chǎn)生的氮?dú)馊〈糠挚障叮惩廖⑹э柡蜁r(shí)，飽和砂土的液化阻力會(huì)顯著增加［32]。土壤生物去飽和是指通過原位生產(chǎn)氣體，改變土壤的飽和、液化潛能等性質(zhì)的過程［33]。在疏松飽和砂土中，微生物誘導(dǎo)的局部失飽和可以降低過高的孔隙水壓力，提高土體的承載力和抗剪強(qiáng)度，有利于地基設(shè)計(jì)和道路施工［10]。當(dāng)砂土微失飽和時(shí)一些空隙被氣體取代，飽和砂土的液化阻力顯著增加。即使砂土飽和度僅降低到99%-97%，水飽和砂土的液化阻力也會(huì)增加30%-40%，而砂土飽和度降低到90%時(shí)，水飽和砂土的液化阻力增加2倍。

為了在飽和土壤中引入更小、更穩(wěn)定的氣泡，提出了在飽和土壤中原位微生物生產(chǎn)氮?dú)獾姆椒ǎ?2]。該方法是利用反硝化將氮?dú)鈿馀菀胪寥?。與其他氣體導(dǎo)入方法相比，它有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：（1）反硝化細(xì)菌產(chǎn)生的氣泡細(xì)小，使得氣泡在地下更加穩(wěn)定；（2）氮?dú)馐嵌栊詺怏w，且溶解度很低。

7 軟土的生物膠囊化

在固體表面（生物涂層）或固體顆粒周圍（生物膠囊）形成無機(jī)礦物或復(fù)合生物沉淀材料的薄層，可應(yīng)用于土木、巖土和環(huán)境工程的許多領(lǐng)域。例如，可用于混凝土海岸工程對(duì)象的涂層，以改善其美觀性，或創(chuàng)造適合海洋或淡水表面生物定殖的碳酸鈣表面，包括藍(lán)藻、藻類和貝類。生物涂層可用于海成軟黏土的固體填充或防止有毒污染物從黏土中擴(kuò)散。海成軟黏土可以通過細(xì)菌產(chǎn)生的碳酸鈣晶體的包裹轉(zhuǎn)化為固體物質(zhì)［22]。

土壤下的泥炭層會(huì)導(dǎo)致道路、鐵路和地基的沉降。如果細(xì)菌誘導(dǎo)的泥炭中方解石的析出量達(dá)到16%（W/W）［34]，軟而高度壓縮的泥炭可以轉(zhuǎn)化為固體物質(zhì)。如果CaCO3含量達(dá)到20%，軟質(zhì)有機(jī)土壤也可以固化。另一種固化軟泥炭的生物技術(shù)是生物硅化過程［22]，包括添加陽(yáng)離子表面活性劑、偏硅酸鈉溶液和糖蜜，以刺激微生物產(chǎn)酸發(fā)酵，使泥炭的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到1MPa。

8 土壤污染物的生物固定化：生物修復(fù)

利用MICP（微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀）結(jié)合污染土壤的顆?？梢詼p少污染物從土壤中釋放［35-36]。例如，電池工業(yè)污染土壤的初始總鎳濃度約900 mg/kg，MICP處理后可溶性交換組分降至38 mg /kg。其他重金屬，如砷（III）、鉻（VI）、鉛、錫、鈷、鋅和鎘可以被MICP和產(chǎn)脲酶細(xì)菌固定，因?yàn)槟蛩乇痪鈺r(shí)pH升高，產(chǎn)生碳酸鹽沉淀［22]。一株抗鍶的產(chǎn)脲酶鹽單胞菌去除含水層石英砂可溶交換部分80%的放射性鍶［37]。在不同的影響因素，如pH、初始鎘濃度和接觸時(shí)間下，芽孢桿菌菌株GZ-22的MICP比生物吸附具有更大的去除鎘的潛力［38]。以鉻渣為原料，利用鈣化解脲菌芽孢桿菌CS8細(xì)胞制備一種致密結(jié)構(gòu)磚［39]，發(fā)現(xiàn)鉻渣的可交換部分的鉻（VI）遷移率顯著降低，生物修復(fù)后，碳酸鹽部分的鉻（VI）濃度顯著增加。鉻渣磚具有較高的抗壓強(qiáng)度和低滲透性。生物修復(fù)后鉻（VI）濃度明顯下降。微生物修復(fù)的MICP過程使得鉻（VI）與方解石表面結(jié)合形成了一個(gè)強(qiáng)的復(fù)合體，使鉻（VI）釋放受阻。

9 土壤衛(wèi)生

衛(wèi)生的目的是在挖掘前殺死土壤中的微生物病原體和蟲卵。在被人類糞便污染的土壤中存在寄生蠕蟲的卵，在挖掘工作中，不同種類的寄生蠕蟲會(huì)對(duì)挖掘區(qū)域附近的工人和其他人造成污染［22]。即使是幾百年前被馬糞污染的土壤，傳染病暴發(fā)后的動(dòng)物尸體，或者僅僅是農(nóng)業(yè)或農(nóng)業(yè)的有機(jī)廢棄物，都可能含有破傷風(fēng)梭菌孢子，肉毒桿菌，產(chǎn)氣莢膜桿菌，炭疽桿菌，引起破傷風(fēng)，肉毒中毒，氣性壞疽，炭疽等致命疾病。土壤相關(guān)病原體還包括引起胃腸炎的蠟樣芽孢桿菌、引起胃腸炎和腦膜炎的單核增生李斯特菌。在潮濕的熱帶土壤中很常見的是引起類鼻疽病的類鼻疽伯克氏菌等多種病原菌。芽生菌病是由真菌引起的芽生菌皮炎，通常發(fā)生在與水路和動(dòng)物糞便關(guān)聯(lián)的土壤。與鹽堿沙土有關(guān)的球孢子菌可引起肺炎。霉菌孢子，如曲霉菌屬和青霉屬的孢子，會(huì)引起多種疾病。所有這些細(xì)菌和真菌感染都可能通過吸入土壤塵埃、接種傷口、攝入土壤顆?；蛲寥牢廴镜氖澄锒l(fā)生。因此，被病原菌、真菌或寄生蟲污染的挖掘土壤，必須進(jìn)行填埋處理，就地消毒或生物修復(fù)。施工現(xiàn)場(chǎng)不得散發(fā)粉塵和被污染的空氣。必須保護(hù)工地工人不受污染土壤和灰塵的侵害。

目前，還沒有從污染土壤中去除特定病原體的生物方法。然而，千百年來，中國(guó)使用一種有效的方法從水稻土壤中去除病原，只要保持水位高于土壤表面，即可為細(xì)菌的硫酸鹽還原創(chuàng)造厭氧條件，并在土壤中產(chǎn)生有毒的H2S，殺死所有病原體。預(yù)期細(xì)菌污染土壤中H2S或其他有毒代謝物的曝氣、生物酸化、生物堿化和生物生產(chǎn)將可用于病原污染土壤的生態(tài)廉價(jià)處理。加熱修復(fù)時(shí)間過長(zhǎng)或溫度過高可能能對(duì)土壤性質(zhì)造成嚴(yán)重影響［40]，必須在降低污染物水平和土壤功能退化之間取得平衡。

1 0 不同土地改良機(jī)制的比較

多孔土和裂隙巖體的生物處理可以通過上下噴射、重力滲透、向土壤表面噴灑溶液、攪拌、曝氣或旋轉(zhuǎn)反應(yīng)器處理土壤漿體等方式進(jìn)行。這些方法的優(yōu)點(diǎn)和局限性如表2所示。

表2 用微生物巖土技術(shù)進(jìn)行土地改良的方法

自然過程和實(shí)驗(yàn)室研究都表明，微生物可以用來改善土壤的工程性質(zhì)。開發(fā)出利用微生物工藝處理土壤的方法，具有廣闊的應(yīng)用前景和巨大經(jīng)濟(jì)效益。目前，絕大多數(shù)微生物巖土工程研究仍停留在實(shí)驗(yàn)室階段，需要更多的努力將這一科學(xué)理念轉(zhuǎn)化為可行的技術(shù)。