海水環(huán)境下砂漿表面生物被膜特性及其對(duì)砂漿性能影響

榮 輝, 瞿 威, 馬國偉, 王海良, 張津瑞

(1.天津城建大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 天津 300384; 2.天津城建大學(xué) 天津市建筑綠色功能材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 天津 300384; 3.河北工業(yè)大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院, 天津 300401; 4.天津城建大學(xué) 土木工程學(xué)院, 天津 300384; 5.天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 天津 300072)

在污水和廢水處理系統(tǒng)中,微生物會(huì)對(duì)混凝土造成腐蝕,使混凝土耐久性逐漸退化,這不僅會(huì)導(dǎo)致每年數(shù)十億美元的經(jīng)濟(jì)損失,而且會(huì)影響系統(tǒng)的整體使用安全,因此微生物對(duì)混凝土的腐蝕研究迫在眉睫[1-2].微生物的細(xì)胞黏附、生長狀況和生物被膜的形成等特性可能是微生物對(duì)混凝土造成腐蝕的關(guān)鍵因素[3-4].

污水、淡水、海洋、石油等環(huán)境介質(zhì)中,微生物首先在物理、化學(xué)、生物共同作用影響下,通過范德華力、疏水力以及靜電作用使其附著在砂漿表面.接著,附著在砂漿表面的微生物通過分泌胞外聚合物(EPS)形成生物被膜[5-7],進(jìn)而對(duì)砂漿性能造成影響.生物被膜的成長和群落組成會(huì)受到溫度、pH值、光照、水動(dòng)力、養(yǎng)分和有機(jī)質(zhì)等環(huán)境因素的制約,因此有學(xué)者對(duì)不同環(huán)境因素下砂漿表面形成的生物被膜中微生物群落和分布特征進(jìn)行了研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn)生物被膜的附著會(huì)影響介質(zhì)的傳輸,進(jìn)而對(duì)混凝土性能造成影響[8-12].

目前生物被膜對(duì)砂漿性能的研究主要集中在污水環(huán)境,而海水環(huán)境中砂漿表面的生物被膜對(duì)砂漿的性能影響規(guī)律是什么？生物被膜在砂漿表面到底起腐蝕作用還是保護(hù)作用？想要了解海水環(huán)境中砂漿表面形成的生物被膜對(duì)砂漿性能的影響,則需首先探明海水環(huán)境中砂漿表面形成的生物被膜基本特性,然后再研究砂漿表面形成的生物被膜對(duì)砂漿性能的影響.研究表明,海洋中存在著大量的硫氧化細(xì)菌[13-14].因此,本文擬通過配置含有硫氧化細(xì)菌的人工海水進(jìn)行研究,試驗(yàn)首先通過研究海水環(huán)境中砂漿表面生物被膜的官能團(tuán)、成分構(gòu)成、厚度演變和生物被膜形貌等,闡明海水環(huán)境下砂漿表面形成的生物被膜基本特性,然后通過分析不同齡期砂漿的表觀形貌和抗壓強(qiáng)度,同時(shí)結(jié)合X射線衍射(XRD)和熱重分析(TG-DTG)研究試樣的水化產(chǎn)物,進(jìn)而研究確定海水環(huán)境下砂漿表面生物被膜對(duì)砂漿性能的影響.

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

水泥采用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥,購自順鑫水泥有限公司;砂采用天然河砂,細(xì)度模數(shù)為2.8;減水劑采用萘系高效減水劑,減水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為25%.

微生物采用硫氧化細(xì)菌,按2%(體積分?jǐn)?shù))接種到人工海水培養(yǎng)基中,每12d更換1次人工海水培養(yǎng)基.人工海水培養(yǎng)基成分見表1.

表1 人工海水培養(yǎng)基成分

1.2 試驗(yàn)方案

砂漿設(shè)計(jì)強(qiáng)度為M50,配合比m(水)∶m(水泥)∶m(砂子)∶m(外加劑)=0.33∶1.00∶1.50∶0.01.試樣尺寸為40mm×40mm×160mm,標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d后進(jìn)行試驗(yàn).本試驗(yàn)設(shè)置試驗(yàn)組(SB)和對(duì)照組(DB),其中試驗(yàn)組為滅菌后的人工海水培養(yǎng)基+硫氧化細(xì)菌+試樣,對(duì)照組為滅菌后的人工海水培養(yǎng)基+試樣,每組試樣均半浸在培養(yǎng)基中,如圖1(a) 所示.為方便后期觀察,將試樣氣液交界面處(生物被膜附著部位)標(biāo)記為A區(qū)域,圖1(b)為附著生物被膜的試樣在海水中浸泡時(shí)所處狀態(tài)示意圖.齡期分別設(shè)置為7、15、30、45、60、75、90、120d.

圖1 試驗(yàn)裝置Fig.1 Experimental apparatus

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1生物被膜成分驗(yàn)證

采用Bruker生產(chǎn)的Tensor27型傅里葉變換紅外光譜儀(FTIR)對(duì)砂漿表面形成的生物被膜官能團(tuán)進(jìn)行分析.為進(jìn)一步驗(yàn)證生物被膜成分,在齡期30d時(shí),分別在4只試管內(nèi)將生物被膜提取液進(jìn)行梯度稀釋,使其體積分?jǐn)?shù)依次為20%(1#)、40%(2#)、60%(3#)、80%(4#),然后分別采用苯酚-硫酸法、考馬斯亮藍(lán)法和結(jié)晶紫染色法對(duì)生物被膜的成分作進(jìn)一步驗(yàn)證.

1.3.2生物被膜厚度演變與形貌

將經(jīng)過體積分?jǐn)?shù)0.1%結(jié)晶紫染色過的生物被膜烘干,采用VHX-600E型超景深顯微鏡沿著生物被膜平行測(cè)量,每1.6cm為1個(gè)步長,取平均數(shù)作為該齡期的生物被膜厚度.另外,分別取試驗(yàn)組和對(duì)照組A區(qū)域的一部分試樣固定在體積分?jǐn)?shù)為2.5%的戊二醛溶液中,在4℃冷藏室放置2h后,用0.2mol/L 的磷酸緩沖液漂洗3次,最后用體積分?jǐn)?shù)為50%、60%、70%、80%、90%、100%的乙醇溶液進(jìn)行梯度脫水,每次15min.脫水后放入30℃烘箱干燥,將烘干的試樣取出,在樣品臺(tái)上噴金鍍膜,采用JSM-7800F型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)和能譜儀(EDS)分析生物被膜形貌和元素組成.

1.3.3砂漿宏觀形貌與性能

使用普通攝像機(jī)記錄砂漿表面形貌在不同齡期的變化,同時(shí)按照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO法)》進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),并計(jì)算浸泡后試樣的抗壓強(qiáng)度增長率R：

R=(f2-f1)/f1×100%

(1)

式中：f1為試樣在齡期7d時(shí)的抗壓強(qiáng)度,MPa;f2為試樣分別在齡期15、30、45、60、75、90、120d時(shí)對(duì)應(yīng)的抗壓強(qiáng)度,MPa.

1.3.4微觀分析

將每組試樣A區(qū)域(見圖1(b))使用去離子水和無水乙醇沖洗3遍,盡可能將表面雜質(zhì)清除干凈.試樣在50℃ 烘箱中干燥12h后,使用研缽研磨成粉末,至全部通過10μm方孔篩,繼續(xù)放入50℃烘箱中干燥6h.采用RD/MAX-Ultima Ⅳ型X射線衍射儀分析物相組成,掃描步長為0.02°,掃描速度為8(°)/min,掃描范圍為10°～60°.采用Q600型同步熱分析儀分析砂漿礦化產(chǎn)物的含量,由室內(nèi)溫度25℃開始加熱,直至升溫到800℃,測(cè)試時(shí)采用N2保護(hù)氣氛,升溫速率為20℃/min.

2 結(jié)果與討論

2.1 生物被膜官能團(tuán)與成分構(gòu)成

2.1.1生物被膜官能團(tuán)

齡期到達(dá)30d時(shí),試驗(yàn)組試樣在氣液交界面處附著的黃色黏稠物質(zhì)大量增多,如圖2所示.取黃色物質(zhì)進(jìn)行FTIR測(cè)試,結(jié)果見圖3.

圖2 砂漿表面黃色黏稠物質(zhì)Fig.2 Yellow viscous substance on mortar surface

圖3 黃色黏稠物質(zhì)的FTIR圖譜Fig.3 FTIR spectrum of yellow viscous substance

2.1.2生物被膜成分構(gòu)成

多糖和蛋白質(zhì)的存在可以有效證明砂漿表面形成的黃色黏稠物質(zhì)為生物被膜[4],這是因?yàn)槎嗵呛偷鞍踪|(zhì)是胞外聚合物EPS的主要成分,兩者含量一般占EPS總量的75%～80%.30d時(shí)生物被膜成分驗(yàn)證結(jié)果見圖4.

圖4 30d時(shí)生物被膜成分驗(yàn)證結(jié)果Fig.4 Biofilm composition validation results(30d)

由圖4(a)可以看出,1#試管內(nèi)顏色相對(duì)較淡,隨著后續(xù)試管中提取液的體積分?jǐn)?shù)不斷增大,試管內(nèi)提取液的反應(yīng)顏色依次加深.這是因?yàn)楸椒优c多糖脫水后的糠醛衍生物會(huì)形成有色絡(luò)合物,可將溶液變?yōu)槌赛S色[15],此現(xiàn)象證明黃色黏稠物質(zhì)中含有多糖.由圖4(b)可以看出,1#試管內(nèi)藍(lán)色程度還不是很明顯,隨著后續(xù)試管中提取液體積分?jǐn)?shù)不斷增大,試管內(nèi)提取液的反應(yīng)顏色也依次加深.這是因?yàn)榭捡R斯亮藍(lán)染料與蛋白質(zhì)中的堿性氨基酸和芳香族氨基酸的殘基通過疏水力相結(jié)合,會(huì)將溶液變?yōu)樗{(lán)色[16],此現(xiàn)象再次證明了黃色黏稠物質(zhì)中含有蛋白質(zhì).

圖4(c)是結(jié)晶紫染色生物被膜的照片.由圖4(c) 可以看到,結(jié)晶紫染色后的試驗(yàn)組A區(qū)域顯藍(lán)色,而對(duì)照組相同位置處并沒有發(fā)生顯色反應(yīng),仍呈黑色.這是因?yàn)榛罴?xì)胞可以攝入溶解后的結(jié)晶紫,從而使細(xì)胞中的DNA、蛋白質(zhì)和脂肪著色.這也證明了砂漿表面形成的黃色黏稠物質(zhì)是生物被膜,而對(duì)照組表面此時(shí)還沒有形成一定規(guī)模的生物被膜.

結(jié)合圖3、4,可以證明30d時(shí)海水環(huán)境下硫氧化細(xì)菌在砂漿表面形成的這種黃色黏稠物質(zhì)是生物被膜,該生物被膜由多糖、蛋白質(zhì)和微生物構(gòu)成.

2.2 生物被膜厚度演變及形貌

2.2.1生物被膜厚度演變

由于試驗(yàn)組在15d時(shí)開始附著少量的生物被膜,故從15d開始采用超景深顯微鏡測(cè)量各齡期生物被膜厚度,結(jié)果見圖5.

圖5 各齡期生物被膜厚度Fig.5 Biofilm thickness at different ages

由圖5可見：試驗(yàn)組的生物被膜在15d時(shí)厚度為0.16mm,15～30d增長速度最快,期間增加0.63mm,這是因?yàn)?附著的硫氧化細(xì)菌開始分泌大量EPS,生物被膜在砂漿表面快速繁殖,不斷疊加生長,使得生物被膜厚度快速增加;在75d時(shí),生物被膜厚度達(dá)到了最高值1.70mm,此時(shí)生物被膜已經(jīng)趨于成熟;75～90d內(nèi),生物被膜厚度開始下降;90d 后其厚度緩慢增加,120d時(shí)其厚度增至1.59mm.這是因?yàn)?海水環(huán)境中的營養(yǎng)物質(zhì)難以維持更多生物被膜的繁殖,部分營養(yǎng)物質(zhì)難以到達(dá)生物被膜深處,致使生物被膜增長速度逐漸減緩,表面黏附力逐漸減弱,部分生物被膜開始脫落.90d之后海水中的營養(yǎng)物質(zhì)和氧氣再次滿足大部分硫氧化細(xì)菌的繁殖需求,新的生物被膜重新開始繁殖并附著,從而使生物被膜厚度呈現(xiàn)出先下降后緩慢增加的現(xiàn)象.

另外,通過對(duì)比可發(fā)現(xiàn),對(duì)照組生物被膜厚度遠(yuǎn)小于試驗(yàn)組,在120d時(shí),對(duì)照組生物被膜厚度僅為0.45mm,原因是對(duì)照組在后期會(huì)形成雜菌[17],從而導(dǎo)致對(duì)照組中也形成了微量的生物被膜.

2.2.2生物被膜形貌

圖6為30d時(shí)海水環(huán)境下砂漿表面生物被膜微觀形貌.由圖6可見,生物被膜是具有三維立體結(jié)構(gòu)的細(xì)菌群落,內(nèi)部結(jié)構(gòu)錯(cuò)綜復(fù)雜,細(xì)菌固著在胞外聚合物內(nèi),細(xì)菌多呈卵狀和氣泡狀,胞外聚合物作為基質(zhì)彼此相互黏附.

圖6 30d時(shí)海水環(huán)境下砂漿表面生物被膜微觀形貌Fig.6 Micromorphology of biofilm on mortar surface in seawater environment(30d)

圖7是2組試樣A區(qū)域的EDS分析.由圖7(a)可以看出：試驗(yàn)組表面的主要元素為O、C、Na、P；O元素含量最高,為68.92%,其次是C元素,含量為22.31%,這是因?yàn)樵囼?yàn)組表面附著生物被膜,而生物被膜中多糖和蛋白質(zhì)的主要元素均為C、O;另外,出現(xiàn)了含量為5.93%的P元素,而P為脂類特有的元素[18].圖7(b)顯示對(duì)照組表面主要元素依次為O、Si、Ca.結(jié)合圖2、6可知,30d時(shí)試驗(yàn)組表面已經(jīng)出現(xiàn)大量生物被膜,厚度為0.79mm,而30d時(shí)對(duì)照組的生物被膜厚度僅為0.24mm,表明對(duì)照組表面的生物被膜附著范圍非常有限,且附著的量也極少,因此30d時(shí)很難在對(duì)照組表面精準(zhǔn)測(cè)出生物被膜內(nèi)的C、P元素含量.

圖7 2組試樣A區(qū)域的EDS分析Fig.7 EDS analysis of A region of two groups of samples

2.3 砂漿宏觀形貌與性能

2.3.1砂漿宏觀形貌

為了比較有無生物被膜對(duì)試樣表面形貌的影響,選取7、15、120d齡期時(shí)試樣的宏觀形貌進(jìn)行對(duì)比,如表2所示.由表2可見：試驗(yàn)組在7d時(shí)氣液交界面下方初步變黑,15d時(shí)顏色進(jìn)一步加深,原因是15d時(shí)初步形成了生物被膜附著的條件,隨后微生物加速繁殖,加快了對(duì)氧氣的消耗,導(dǎo)致試驗(yàn)組浸泡部位的微量元素出現(xiàn)了更嚴(yán)重的顯色反應(yīng),且隨齡期增長而加深,在120d時(shí)試驗(yàn)組海水浸泡部位已經(jīng)徹底顯深黑色;對(duì)照組氣液交界面下方在15d時(shí)才開始變黑,并且后期同樣發(fā)生了嚴(yán)重的顯色反應(yīng),在120d時(shí)完全變黑,但是程度略輕于試驗(yàn)組.對(duì)照組海水浸泡部位發(fā)生顯色反應(yīng)的原因?yàn)椋?5d之后開始有雜菌的引入[17],并且后期逐漸增多,導(dǎo)致對(duì)照組也同樣會(huì)因缺氧而顯色.

表2 7、15、120d齡期時(shí)試樣的宏觀形貌

2.3.2砂漿抗壓強(qiáng)度

圖8給出了各試樣的抗壓強(qiáng)度.由圖8可見：7d 時(shí)2組試樣抗壓強(qiáng)度相差不大.為進(jìn)一步體現(xiàn)海水環(huán)境下砂漿表面生物被膜對(duì)試樣抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律,對(duì)7d后各齡期試樣的抗壓強(qiáng)度增長率R進(jìn)行了計(jì)算,結(jié)果如圖9所示.

圖8 各試樣的抗壓強(qiáng)度Fig.8 Compressive strength of samples

圖9 7d后各齡期試樣的抗壓強(qiáng)度增長率Fig.9 Compressive strength growth rate of samples after 7d

由圖8、9可見,試驗(yàn)組的抗壓強(qiáng)度總體趨勢(shì)是增大的,從7d時(shí)的51.7MPa增至120d時(shí)的68.1MPa,增長了31.72%.推測(cè)齡期內(nèi)可能有少量的硫酸根離子通過生物被膜進(jìn)入了試樣內(nèi)部,并生成了填充物,使得砂漿內(nèi)部孔隙更加密實(shí),從而提高了砂漿的抗壓強(qiáng)度.而對(duì)照組的抗壓強(qiáng)度是先增大后降低的,從7d時(shí)的52.3MPa增至45d時(shí)的60.1MPa,增長了14.91%,期間對(duì)照組與試驗(yàn)組的抗壓強(qiáng)度相差不大,這是由于期間海水內(nèi)的硫酸根離子同樣進(jìn)入了對(duì)照組試樣內(nèi)部并生成了少量的填充物,從而使得砂漿抗壓強(qiáng)度增大.但45d之后對(duì)照組的抗壓強(qiáng)度開始下降,在120d時(shí)其抗壓強(qiáng)度僅為52.5MPa,與7d抗壓強(qiáng)度相比只增長了0.38%.這可能是由于對(duì)照組試樣內(nèi)部填充物在45d 后生成量逐漸增多,使得生成物在填充孔隙的同時(shí),也使孔隙開始產(chǎn)生膨脹傾向,從而使后期抗壓強(qiáng)度下降.

2.4 微觀分析

2.4.1礦化產(chǎn)物組成

圖10是海水環(huán)境下砂漿的礦化產(chǎn)物XRD圖譜.由圖10可見,120d時(shí)2組試樣在A區(qū)域的主要水化產(chǎn)物均為二氧化硅、碳酸鈣、石膏和阿利特.二氧化硅大規(guī)模的出現(xiàn)是由于試樣中使用了河砂,阿利特則是硅酸鹽水泥中獲得早期強(qiáng)度的主要礦物,石膏是礦化產(chǎn)物中主要的腐蝕產(chǎn)物.由圖10還可見,試驗(yàn)組的碳酸鈣衍射峰高于對(duì)照組,這是由于硫氧化細(xì)菌為好氧菌,在附著代謝過程中會(huì)消耗氧氣并產(chǎn)生大量的二氧化碳,從而使試驗(yàn)組砂漿表面碳化.試驗(yàn)組和對(duì)照組試樣均沒有出現(xiàn)氫氧化鈣衍射峰,由此推斷出2組試樣中均有腐蝕介質(zhì)進(jìn)入水泥內(nèi)部,并與氫氧化鈣發(fā)生了化學(xué)反應(yīng),生成了具有膨脹性的石膏.

圖10 海水環(huán)境下砂漿的礦化產(chǎn)物XRD圖譜Fig.10 XRD spectrum of mineralized products of mortar in seawater environment

由圖10還可以看出,對(duì)照組試樣的石膏衍射峰明顯高于試驗(yàn)組,這表明進(jìn)入對(duì)照組試樣內(nèi)部的腐蝕性介質(zhì)更多,因此試樣內(nèi)部生成了更多的石膏,而石膏自身的膨脹性可使砂漿體積增大2.2倍[19].由此可以推測(cè),對(duì)照組試樣抗壓強(qiáng)度降低的原因可能是：砂漿內(nèi)部形成了更多的石膏,使得內(nèi)部出現(xiàn)膨脹傾向,而試驗(yàn)組內(nèi)部生成的石膏量較少,沒有出現(xiàn)膨脹傾向.

2.4.2熱重分析

圖11為120d時(shí)海水環(huán)境下砂漿試樣的TG-DTG曲線.由圖11可見：試驗(yàn)組和對(duì)照組在180℃附近均出現(xiàn)了石膏的失重峰,并且對(duì)照組的失重速率快于試驗(yàn)組：180～200℃范圍內(nèi)試驗(yàn)組和對(duì)照組試樣中石膏脫水質(zhì)量損失分別為0.8%、1.7%;610℃附近出現(xiàn)了碳酸鈣的失重峰,對(duì)照組的失重速率慢于試驗(yàn)組;610～650℃范圍內(nèi)試驗(yàn)組和對(duì)照組試樣中碳酸鈣質(zhì)量損失分別為1.6%、0.8%.綜上,可以確定對(duì)照組內(nèi)部生成的石膏含量多于試驗(yàn)組,這與XRD分析結(jié)論一致.

圖11 120d時(shí)海水環(huán)境下砂漿試樣的TG-DTG曲線Fig.11 TG-DTG curves of mortar in seawater environment(120d)

綜上,海水環(huán)境下生物被膜在砂漿表面的附著會(huì)影響腐蝕介質(zhì)的傳輸,使砂漿的腐蝕進(jìn)程得以減緩.

3 結(jié)論

(1)試驗(yàn)證明了海水環(huán)境下硫氧化細(xì)菌會(huì)在砂漿表面生成大量的生物被膜,主要成分是多糖、蛋白質(zhì)和微生物.生物被膜中的微生物主要以群落的形式固著在胞外聚合物內(nèi),胞外聚合物作為基質(zhì)彼此相互黏附.

(2)海水環(huán)境下砂漿表面的生物被膜在15d之后開始迅速繁殖,到75d時(shí)膜層趨于成熟,其厚度達(dá)到1.70mm,之后受到營養(yǎng)物質(zhì)不足的影響,部分生物被膜開始脫落,90d后新的生物被膜重新附著,在120d時(shí)其厚度為1.59mm.

(3)120d時(shí)試驗(yàn)組抗壓強(qiáng)度為68.1MPa,強(qiáng)度增長率為31.72%,石膏脫水質(zhì)量損失為0.8%;而對(duì)照組抗壓強(qiáng)度為52.5MPa,強(qiáng)度增長率為0.38%,石膏脫水質(zhì)量損失為1.7%.這表明生物被膜的存在會(huì)影響海水中腐蝕介質(zhì)的傳輸,阻礙試樣周圍的腐蝕介質(zhì)進(jìn)入砂漿內(nèi)部.在海洋實(shí)際工程中,生物被膜在構(gòu)筑物表面附著120d以內(nèi)時(shí),可考慮保留,暫不對(duì)構(gòu)筑物表面進(jìn)行除污作業(yè).