微生物誘導碳酸鹽在土體加固中的應用進展

周應征，管大為，成 亮

1. 河海大學 海岸災害及防護教育部重點實驗室，南京 210024；2. 河海大學 港口海岸與近海工程學院，南京 210024；3. 江蘇大學 環(huán)境與安全工程學院， 鎮(zhèn)江 212013

1 引言

砂土液化和侵蝕是軟弱地基常見地質災害。大范圍的砂土液化災害多由地震引發(fā)，一旦發(fā)生便會造成巨大經濟損失和人員傷亡，例如：1976年中國唐山大地震、1989年舊金山洛馬普列塔地震、1994年北嶺地震、1995年日本神戶地震、2011年新西蘭克賴斯特徹奇地震、2011年東日本大地震中均伴隨有砂土液化的發(fā)生（Mote and Dismuke, 2011; 張?zhí)锾锖蜅顬槊? 2020）。局部的砂土液化由內部滲流和外荷載的耦合作用引起，多發(fā)生于堤壩或沙丘邊坡，會造成結構物或土體失穩(wěn)破壞。砂土侵蝕多發(fā)生于涉水結構物和岸灘周圍，由水流和波浪掏刷引起，通常會引起涉水結構的基礎失穩(wěn)以及岸線的退化，同樣會帶來巨大經濟損失。據報道（Mitchell and Santamarina, 2005），中國遭受侵蝕的海岸線長2463.4 km，占全國砂質海岸的49.5%。

為了應對上述砂土液化和侵蝕問題，巖土工程領域常通過一些原位的土體穩(wěn)定或地基改良技術對軟土地基進行改善。目前常用的軟土地基改良技術主要有：（1）利用換填、強夯等物理手段來提高土體承載能力（傅文忠，2020）；（2）在土體里添加可改善土體性質的天然或人工合成材料，如：可回收玻璃纖維、環(huán)氧樹脂、聚丙烯、土工織物等（Ahmad et al., 2012; Mujah et al., 2013, 2015; Mujah, 2016）；（3）灌入水泥、石灰或其他化學固化漿液（Bahmani et al., 2014; Di Sante et al., 2015）；（4）應用沙井、嵌巖樁（Deb et al., 2011; Dash and Bora, 2013）。然而，這些技術需要消耗大量的人力物資，而且在實際現(xiàn)場應用中會由于工程體量大而導致施工成本大幅增加。此外，化學灌漿有可能會改變土體pH值，從而引發(fā)嚴重的環(huán)境污染和生態(tài)系統(tǒng)紊亂。

微生物礦化是指由微生物新陳代謝產物與細胞內、外的金屬陽離子結合形成無機礦物的過程。這類無機化合物，大多具有膠凝性，可以填充砂土顆粒之間的孔隙并起橋接顆粒的作用，最終將松散的顆粒膠結成具有一定機械強度的整體。微生物礦化的技術種類繁多，根據不同的無機礦物可以分為碳酸鈣沉淀誘導技術、鳥糞石誘導技術（MAP）、磷酸鈣沉淀誘導技術等（錢春香等, 2015; Ivanov et al., 2019a; 董博文等, 2020）；而且根據不同的微生物代謝行為，同一種無機產物也會有不同的礦化方式，例如碳酸鈣誘導技術的機制包括：尿素水解過程、反硝化過程以及硫酸鹽還原過程（錢春香等, 2015）。其中，基于尿素水解反應的微生物誘導碳酸鹽沉積技術（Microbially Induced Carbonate Precipitation, MICP）是最為常見和高效的一種生物調控技術（bio-mediated techniques）（Almajed, 2017）。

近年來，隨著微生物學、地球化學、土木工程學等不同領域學科之間交叉研究的不斷發(fā)展，MICP技術逐漸受到各領域學者的青睞。特別是在土體改良方面，與傳統(tǒng)的水泥灌漿等化學處理技術相比，MICP技術由于其具有污染小、擾動小、施工較為簡便、快速高效等優(yōu)勢，越來越多地試用于地基加固、海岸防護、沿海建筑物修復等工程（劉漢龍等, 2019）。本文將通過介紹MICP機制、相關研究進展以及一些巖土工程應用，來闡明這一種綠色可持續(xù)技術在土體穩(wěn)定方面的應用前景。

2 微生物誘導碳酸鹽沉積技術

2.1 產脲酶菌礦化機制

MICP本質上是一種生物驅動的碳酸鈣沉積技術，可分為生物控制和生物誘導機制。在生物控制礦化中，生物控制礦物晶體的成核與生長，最終限制了晶體的形貌和特征（Barabesi et al., 2007）。這種晶體成核生長行為與外界環(huán)境無關。而生物誘導的礦物晶體則會受到環(huán)境中生物與非生物因素的影響。當環(huán)境中Ca2+和CO32-的濃度超過碳酸鈣的溶度積（Ksp）時，溶液中便會析出沉淀。這種自發(fā)性的化合過程，主要受到鈣離子濃度、溶解無機碳濃度、pH以及有效成核位點的影響（Hammes and Verstrate, 2002）。

在MICP過程中，產脲酶細菌可以為碳酸鈣的沉積提供CO32-（尿素水解產物）、適宜的堿條件以及成核的位置（Douglas and Beveridge, 1998; Ehrlich, 1998; Stocks-Fischer et al., 1999; Fujita et al., 2000; Warren et al., 2001; Hammes et al., 2003）。目前，學者們普遍認可且廣泛應用的產脲酶菌是一種革蘭氏陽性的巴氏芽孢桿菌。這種廣泛存在于土壤中的好氧嗜堿菌，其新陳代謝時會通過分泌大量脲酶產生三磷酸腺苷（ATP）（Ivanov and Chu, 2008），促進催化尿素水解生成NH4

+和CO32-，同時令體系pH上升。在有Ca2+的條件下，CO32-和Ca2+逐漸結核生成具有較好熱力學穩(wěn)定性和一定膠凝性的CaCO3沉淀。尿素水解反應式如下：（1）~（2）（ Cheng et al., 2013）。

2.2 MICP膠結機制

巴氏芽孢桿菌新陳代謝產生脲酶的同時，會分泌一種叫做胞外聚合物（Extracellular Polymeric Substances）的代謝產物。如圖1所示，由于胞外聚合物及其微生物自身雙電層結構的存在，微生物趨向吸附在砂顆粒表面（DeJong et al., 2010）。由于羥基、胺基、酰胺基、羧基等帶負電的官能團，導致微生物細胞壁表面一般也帶有負電，并不斷吸引環(huán)境中的Ca2+，使大量Ca2+聚集在細胞表面。同時，尿素不斷被細胞吸收與水解，生成的CO32-又從胞內運輸?shù)桨?，Ca2+與CO32-相遇并以細胞為形核位點，逐漸生成碳酸鈣晶體。隨著晶體的不斷生長，微生物細菌被方解石完全包裹，營養(yǎng)物質的運輸受到限制，細菌逐漸死亡，并在碳酸鈣晶體上留下了許多細菌的坑蝕（De Muynck et al., 2010），如圖2所示。

圖1 顆粒表面處微生物誘導碳酸鹽沉積過程示意圖（DeJong et al., 2010）Fig. 1 Schematic diagram showing the microbiologically induced calcium carbonate precipitation on the surface of particles（DeJong et al., 2010）

圖2 微生物誘導碳酸鹽沉積示意圖（De Muynck et al., 2010）Fig. 2 Simplified representation of the events that occur during the microbially induced carbonate precipitation（De Muynck et al., 2010）

Ferris等（2004）揭示了尿素水解沉積碳酸鈣的三個階段：（1）溶液中離子濃度逐漸增加；（2）當離子濃度達到飽和臨界點時，CaCO3開始析出；（3）CaCO3在成核位點上逐漸成型長大。這三個階段對土體改良至關重要，因為溶液飽和條件的不同可能會導致晶體形貌（類型、尺寸、形狀）的不同，而碳酸鈣的類型（如球霰石、文石、方解石）則會影響生物膠結土體的強度（Al-Thawadi, 2013; Dhami et al., 2013）。

3 MICP相關研究進展

3.1 MICP的處理方法

為了保證MICP能夠順利反應，砂土處理中需要提供最基本的微生物菌液、尿素和鈣源（CaCl2）。一般把尿素和鈣源的混合物稱為礦化液（CS溶液）。同時為了讓微生物在土體內部水解尿素，常用的處理方法有注漿法、浸泡法、噴涂法和預攪拌法。

浸泡與噴涂都是利用土體的滲透性對砂土進行處理，前者將試樣完全浸泡在菌液和CS溶液中讓液體自然滲透（李昊等, 2020），后者是將反應液噴灑在砂土表面，借助重力作用滲流到土體孔隙中。噴涂法不需要大型機械，僅依靠液體自然流動便可實現(xiàn)。但是，由于在滲流中菌液和礦化液會持續(xù)反應，細菌不斷被碳酸鈣包裹而難以通過砂土孔隙，最終只有少量的試劑抵達到深層土體，而且噴涂法的處理范圍也會受到土體自身滲透性的限制，所以此法僅適用于非飽和砂土的表面處理（Cheng and Cord-Ruwisch, 2012, 2014）。

由于砂顆粒對細菌的過濾作用，會導致微生物膠結效果沿水流路徑線性降低（Ginn et al., 2001），這也是普通注漿法、浸泡法和噴涂法難以實現(xiàn)均勻膠結的原因。為了克服細菌非均勻分布的這個缺點，有學者采用預先將細菌懸浮液（或脲酶溶液）與砂土混合攪拌的方法來提高均勻性（Almajed et al., 2019; Rohy et al., 2019）。Yasuhara等（2012）利用預攪拌法得到膠結砂樣，其UCS值可達到400 kPa到1.6 MPa。Zhao等（2014）發(fā)現(xiàn)83%的碳酸鈣均勻地分布于預攪拌法處理過的砂柱內。Cheng和Shahin（2016）報道了一種可以替代細菌懸浮液的具有脲酶活性的 “Bioslurry” 生物水泥漿，采用攪拌的方式可以實現(xiàn)砂土內部脲酶活性的均勻分布。但是，運用機械進行劇烈攪動會引起土體擾動，導致土體出現(xiàn)假應力，而且還會復雜化土體歷史應力，這對巖土力學工程來說是不利的（Mujah et al., 2017）。

目前，注漿法是MICP中最常用的處理方式，處理過程中可以有效控制注漿速率、注漿壓力，而且可以同時處理土體內部的水平面和垂直面。根據注漿的操作順序不同可以分為“一相注”和“兩相注”?！耙幌嘧ⅰ笔穷A先把菌液和CS溶液混合后注射到試樣內部。這種方式在注漿初期會產生微生物絮凝和快速生成的碳酸鈣沉淀，從而造成注漿口的嚴重堵塞（Stocks-Fischer et al., 1999）?！皟上嘧ⅰ笔菍⒕汉湍z結液分階段先后注入土體內部，即先注射微生物菌液，再注入CS溶液（Whiffin et al., 2007）。這種方式雖然避免了注漿口的堵塞，但是CS溶液在注漿過程中對先期注入的菌液的推動作用會使得微生物在試樣內分布不均，從而導致礦化結果的不均勻。針對這個問題，Harkes等（2010）在注入第二相CS溶液前先注入了固定液（50 mM的氯化鈣溶液），利用固定液將細菌固定于砂顆粒表面，從而使得均勻性得到了有效提高。然而，固定液的加入使得施工工藝更加復雜。Cheng等（2019）提出了一種改性低pH一相注方法，即通過降低微生物菌液與CS混合液的初始pH值，減緩了碳酸鈣的沉積，同時抑制了微生物的絮凝，從而得到了在一定時間內穩(wěn)定存在的微生物菌液和CS溶液的混合溶液。在穩(wěn)定期內進行一相注漿避免了注漿口堵塞。注漿結束后，溶液pH隨著脲酶水解反應的進行逐漸上升，微生物活性升高，碳酸鈣也隨之大量生成。同時，后續(xù)研究表明此工藝的應用大幅度降低了氨氣的釋放，而且生成的試塊強度分布均勻（Cui et al., 2020）。值得一提的是，對混合注漿液穩(wěn)定時長的精確調控還需要開展進一步的研究工作，以滿足實際工程的需要。

3.2 影響CaCO3沉積的因素

經MICP處理過的砂土，其最終力學性能取決于碳酸鈣的結晶模式。這是因為不同的碳酸鈣尺寸、形狀和分布，都會導致不同固化強度的膠結砂樣（Al Qabany and Soga, 2013）。影響碳酸鈣沉積的因素有很多，如：溫度、脲酶活性、環(huán)境pH、CS溶液濃度、砂土種類、土體飽和度等。

溫度：溫度通過多個方面影響了碳酸鈣沉積。當溫度超過了60℃，細菌通常因高溫死亡而無法繼續(xù)生成碳酸鈣（Rebata-Landa, 2007）。在10~50℃內，脲酶活性隨著溫度的升高而升高（Nemati and Voordouw, 2003; 彭劼等, 2016），但是溫度的改變會顯著影響碳酸鈣晶體的形貌。Cheng等（2017）發(fā)現(xiàn)盡管高溫下脲酶活性高，砂土內沉積大量碳酸鈣，但是碳酸鈣晶體平均尺寸比常溫下的要小，難以形成足夠的膠結力。所以在相同碳酸鈣含量的條件下，其強度比常溫下處理的砂土低了60%。

脲酶活性：脲酶活性代表了尿素水解的速率，活性越高在單位時間內就有越多的尿素被分解，碳酸鈣的生成速率就越快。通常來說，菌液濃度與脲酶活性成正相關，菌液濃度越高脲酶活性也越高。高脲酶活性并不意味著高膠結強度。這是因為在低濃度細菌條件下碳酸鈣成核位點少，晶體主要以生長為主，即碳酸鈣會在已有晶體上沉積，生成的晶體數(shù)量少尺寸大。較高的細菌濃度意味著以微生物細胞為成核位點的晶體成核位點也越多（Hammes and Verstraete, 2002; DeJong, 2010），晶體以成核為主，會生成大量小晶體（Cheng et al., 2017; 張繼生等, 2020）。對比兩種晶體生長情況，研究認為大晶體形成的膠結相比于成片的小晶體來說薄弱點更少，因此相同碳酸鈣含量時大晶體會提供更高的強度（Cheng et al., 2017; 張繼生等, 2020）。

土體pH：尿素水解反應生成NH3在進一步水解時會生成OH-，為碳酸鈣沉積提供了所需的堿性環(huán)境，F(xiàn)erris等（2004）證實了MICP反應的適宜pH范圍是6.5~9.3。同時，不同的土體pH會影響細菌傳輸和粘附，進而影響了MICP誘導的碳酸鈣晶體在土體中分布的均勻性（朱鐵群等, 2006; Cheng et al., 2019）。

CS溶液濃度：在脲酶活性相同的情況下，碳酸鈣的生成效率與CS溶液的濃度相關。事實上，由于在高濃度CS溶液下，碳酸鈣會迅速生成，因此成核位置相對比較集中，最終導致強度的不均勻（Okwadha and Li, 2010）。而低濃度條件下，碳酸鈣的分布更加均勻，這有利于在減少擾動的同時提高膠結強度（Al Qabany and Soga, 2013; Ng et al., 2014）。

砂土種類：在相同碳酸鈣含量下，不同種類的砂土顆粒在生物膠結后獲得的強度是不同的（Martin et al., 2020），這可能歸因于砂土顆粒自身的形狀、大小、性質等。由于微生物自身具有一定的尺寸，微生物難以在孔隙小的砂土中移動和存活，易導致不均勻膠結（程曉輝等, 2013）。Mahawish等（2018）發(fā)現(xiàn)相比于100%的粗骨料或細骨料，由75%的粗骨料和25%的細骨料組成的砂土在加固后具有的無側限抗壓強度是最大的。中國地貌廣闊，砂質類型豐富，微生物加固除石英砂以外的其他砂土也愈發(fā)具有戰(zhàn)略意義。近年來，有學者對鈣質砂的加固進行了相關研究，發(fā)現(xiàn)MICP技術可有效提高鈣質砂土的強度（董博文等, 2020; 李昊等, 2020）。

晶體沉積位點：由于脲酶菌在松散砂顆粒間不斷地沉積碳酸鈣晶體，最終把砂顆粒膠結成為一個具有一定力學性能（如強度、剛度、滲透性等）的整體。一般情況下，處理后土樣內的碳酸鈣含量越多，孔隙越少，其獲得的宏觀力學性能也越優(yōu)異。Chu等（2014）發(fā)現(xiàn)膠結試樣的無側限抗壓強度（UCS）和滲透系數(shù)、碳酸鈣含量基本是線性關系。然而這并不能說明砂土之間具有相同碳酸鈣含量，就會有相同或相似的力學性能。Cheng等（2013）發(fā)現(xiàn)在相同碳酸鈣含量下飽和砂土的強度不如非飽和砂土，這是因為砂顆?？紫秲鹊囊好娣植枷拗屏颂妓徕}的沉積位置（圖3）。碳酸鈣的分布可能存在兩種極端情況，一是碳酸鈣等厚度均勻地沉積在砂顆粒表面，二是在砂顆粒相互接觸點處集中沉積碳酸鈣。這兩種分布分別代表了固化結果的最差與最優(yōu)。Dejong等（2010）發(fā)現(xiàn)碳酸鈣主要分布于砂顆粒接觸點附近，介于兩種極端狀態(tài)之間，如圖4所示。

圖3 不同飽和度砂土中孔隙膠結液分布情況（Cheng et al., 2013）Fig. 3 Conceptual illustration of pore cementation solution distributed in the sand matrix under different saturation conditions（Cheng et al., 2013）

圖4 孔隙中碳酸鈣的分布情況（DeJong et al., 2010）Fig. 4 Illustration of calcite distribution within pore space（DeJong et al., 2010）

從微觀尺度上，碳酸鈣成核位點決定了碳酸鈣晶體的沉積位置，沉積位置影響了碳酸鈣的分布情況，進一步影響了宏觀力學。碳酸鈣沉積可以分為有效碳酸鈣沉積和無效碳酸鈣沉積。有效主要指的是沉積于砂顆粒接觸點，粘結砂顆粒并提供力學強度的一類碳酸鈣沉積，如圖5所示（Cui et al., 2017）。Poter等（2017）通過掃描電鏡和能譜儀分析固化后的砂柱，發(fā)現(xiàn)只有一部分碳酸鈣形成顆粒間的有效連接。因此，如何在松散顆粒接觸點附近沉積更多的有效碳酸鈣是實現(xiàn)高強度微生物膠結的關鍵。

圖5 膠結砂土中無效和有效碳酸鈣示意圖（Cui et al., 2017）Fig. 5 Schematic diagram showing non-effective and effective calcite crystals in bio-cemented sands (Cui et al., 2017)

3.3 脲酶誘導碳酸鹽沉積技術（EICP）

盡管MICP技術優(yōu)勢明顯、潛在應用領域廣泛，但對于現(xiàn)場應用來說需要培養(yǎng)大量的高活性脲酶微生物，從而提高了工程成本，限制了其應用。在MICP體系中，微生物細胞內脲酶對尿素水解起到了關鍵作用，因此，研究者們提出了直接利用脲酶進行碳酸鹽礦化的思路?；谶@個想法，Nemati和Voordouw（2003）提出了一種直接利用游離態(tài)脲酶的仿生（bio-inspired）技術，即脲酶誘導碳酸鈣沉積技術（EICP）。一般來說，脲酶菌的尺寸一般為300 nm到2000 nm之間。與之相比，脲酶蛋白分子尺寸僅有12 nm左右（Blakeley and Zerner, 1984），溶于水后可以在更加微小的砂?？紫吨凶杂赏ㄟ^，從而可以有效地用于細顆粒土壤（粉砂、黏土）的生物礦化加固（楊豐等, 2019; Gao et al., 2019; He et al., 2020）。而且，隨著EICP過程的進行，游離脲酶的活性降低十分迅速。因此，吸附于土顆粒的脲酶在完成礦化作用后會被自然降解而不會對環(huán)境造成長期的影響（Almajed, 2017）。

近10年來，學者們對EICP的潛在應用進行了大量研究，如：土體加固（Yasuhara et al., 2012; Hamdan et al., 2013; Dilrukshi et al., 2018; Almajed et al., 2019）、混凝土裂縫修復（Dakhane et al., 2018）、滲漏封堵（Nemati and Voordouw, 2003; Larsen et al., 2008; Beser et al., 2017）、揚塵治理（Lo et al., 2020）、地表水侵蝕控制（Ossai et al., 2020）、土體抗沖刷（Liu et al., 2020）。雖然EICP有著廣泛應用前景，但是使用商業(yè)高純度脲酶成本高昂，不適合大規(guī)模的工程應用（Khodadadi et al., 2017）。作為一種含鎳的寡聚酶，脲酶廣泛存在于許多高等植物的種子里如：刀豆、大豆、西瓜籽等（Khodadadi et al., 2020）。因此，有學者提出了利用上述植物種子提取粗脲酶來進行EICP處理的方法。Larsen等（2008）發(fā)現(xiàn)刀豆粕脲酶產碳酸鈣的效率比添加了穩(wěn)定劑的高純度商業(yè)脲酶更高，這說明刀豆粕有望替代純化脲酶進行EICP反應。Park等（2014）、Dilrukshi等（2018）、楊豐等（2019）通過簡單的研磨、浸泡與離心，分別從刀豆、西瓜籽和大豆中獲得了粗脲酶，并證實了從這些植物種子中提取的粗脲酶在土體改良方面的應用潛力。Gao等（2020）也嘗試了利用粗提取的大豆脲酶進行粉砂固化試驗，結果證實砂土力學性能得到顯著改善，并且不易造成注漿口堵塞。Khodadadi等（2020）對比了四種不同植物種子提取的粗脲酶的活性并與兩種商業(yè)高純度脲酶進行了比較。表明利用粗提取的刀豆脲酶更有利于加固砂土，表現(xiàn)在相同情況下經過粗提取脲酶處理的砂柱強度更高。相比于MICP工藝所需的脲酶微生物的培養(yǎng)，基于粗脲酶的EICP工藝在一定程度上可以降低工程成本。然而，如何進行大規(guī)模存儲和遠距離運輸脲酶將是EICP技術未來能否大規(guī)模工程應用的關鍵。

4 MICP現(xiàn)場試驗

為了驗證在原位土體利用MICP實施生物礦化的有效性，一些學者進行了大規(guī)模的現(xiàn)場實驗，包括：井眼穩(wěn)定、抗液化、邊坡穩(wěn)定、抗風蝕、裂縫修復、海灘抗沖刷等。

van der Star等（2011）在荷蘭東部的水平定向鉆井工程（Horizontal directional drilling）中現(xiàn)場實施了MICP灌漿處理。該工程目標是鋪設一條橫穿瓦爾湖的天然氣管道，但是瓦爾登湖下多數(shù)為礫石層，這對施工有很大的障礙。通過預先插入土體中的注射管與排水管將細菌與礦化液注入到土層內，經過7天的處理，松散的礫石層得到了有效加固，讓水平定向鉆井工程得以成功實施。然而，為了避免MICP反應副產物（NH4+）對地下水體的污染，所有反應產物通過排水管收集并集中處理。據估算，反應產物處理費用占整個工程費用的三分之一。

Burbank等（2011）在離美國華盛頓Lower Granite大壩約8000 m的現(xiàn)場原位激發(fā)土著脲酶菌，實現(xiàn)了MICP土體加固抗液化處理。通過往土體提供脲酶微生物生長所需的特定培養(yǎng)基，成功原位激發(fā)富集了耐堿和耐高鹽的土著脲酶微生物。通過進一步注入礦化液來誘導碳酸鈣原位沉積，土體的圓錐靜力觸探阻力有了明顯的提高。利用原位激發(fā)富集土著脲酶微生物進行MICP處理的方法，既解決了碳酸鈣分布不均的問題，又降低了微生物的培養(yǎng)成本。同時，該方法避免了引入外來菌種，有效降低了傳統(tǒng)MICP方法對土體的原生環(huán)境的干擾。

Gomez等（2015）在加拿大的不列顛哥倫比亞省進行了小面積（約7.5 m2）的現(xiàn)場抗風蝕實驗。這項工程重點是固定地表松散砂顆粒和提高松散砂土的抗風蝕能力，為未來沙漠綠化和揚塵治理提供實驗數(shù)據。研究結果表明，低濃度礦化液（0.125 M CaCl2）的處理效果優(yōu)于中、高（0.25~0.5 M CaCl2）濃度。同時，通過進一步工藝優(yōu)化，MICP可以用于更大的現(xiàn)場處理。

Cuthbert等（2013）嘗試利用MICP技術修復了地表下巖石裂隙，有效降低了破裂巖石的滲透性。Cuthbert等（2013）將細菌固定于縫隙后注入礦化液，促進碳酸鈣在裂縫內沉積，經過17小時的處理，生成了750 g的碳酸鈣，導致單個裂縫在單位面積上的透水性明顯降低。Phillips等（2016）利用傳統(tǒng)的油井下流體輸送技術，將脲酶菌與礦化液輸送到距地表340.8 m的深層砂巖裂隙中進行生物礦化。相比于處理前，處理后的裂縫的滲透性明顯降低（流速從1.9 L/min降到了0.47 L/min），巖石的抗破裂性能也得到了提升。結果表明，MICP技術在現(xiàn)場中能有效地修復深層巖石裂縫降低其滲水性。

5 MICP技術工程應用挑戰(zhàn)

現(xiàn)階段，將MICP技術應用于實際工程之前仍有許多工程科學問題亟待解決，例如工藝技術成本、工程質量（均勻性）控制以及生態(tài)環(huán)境影響等方面。傳統(tǒng)的MICP技術在細菌培養(yǎng)、礦化液的制備等方面成本較高，難以大規(guī)模的工程應用。因此，利用天然產物制備MICP所需的原料是提高MICP技術經濟可行性的方法之一。一方面可以利用刀豆、大豆、西瓜籽等植物種子提取脲酶代替微生物進行礦化反應。目前來說，制備純化脲酶步驟繁多、工藝復雜，使用商業(yè)高純度脲酶的成本是微生物的50倍（Ivanov et al., 2019b）。因此，急需尋找一種簡易、經濟的方法能夠從植物種子內大規(guī)模提取滿足工程應用所需的脲酶。另一方面，生物礦化所需的尿素和鈣源可以利用天然原料來代替工業(yè)化學原料，如：動物尿液、海水、石灰石、鈣鎂白云石等。Lambert 和Randall（2019）利用滅菌后的尿液作為尿素原料制備生物磚。Choi等（2017）利用木質纖維素熱裂解產生的醋酸溶解石灰?guī)r粉末制備MICP反應所需的鈣源。上述方法在降低MICP技術成本上做了初步的嘗試，但在大規(guī)模工程應用的可行性方面還需進一步展開研究。

現(xiàn)有研究結果表明大范圍土體MICP加固處理容易造成加固強度的分布不均勻（van Paassen et al., 2010）。其主要原因是微生物（脲酶）土體內部不均勻分布從而導致其所誘導的碳酸鈣不均勻沉積。因此，優(yōu)化注漿工藝是關鍵。Cheng等（2019）提出的低pH一相注漿是一種有效提高微生物及碳酸鈣均勻性的新工藝，但在實際工程施工過程中如何精確調控混合注漿液pH值還需進一步開展研究。

基于尿素水解反應的MICP技術在應用過程中會產生大量NH4+，并且在堿性條件下NH4+會轉化成可揮發(fā)性氨氣（NH3）。這是MICP技術未來大規(guī)模應用于實際工程時最亟待解決的環(huán)境問題。由于MICP反應處于堿性環(huán)境（pH=9.0~9.4），尿素水解的副產物NH4+有大部分會轉化為NH3釋放到環(huán)境中。通常認為，當空氣中的NH3高于10 μg/m3時就會對人體有很大危害（Anker et al., 2018）。據估算，如果將基于尿素水解過程的MICP技術應用于1000 m3的大壩的裂縫修復，產生的有害氣體（NH3）將會污染大約100 km3大氣（Ivanov et al., 2019b）。因此，需要一種能替代尿素水解的、可減少NH4+（或NH3）排放或零排放的、更加環(huán)境友好的生物礦化工藝，如生物誘導鳥糞石（MAP）沉積（董博文等, 2020）、反硝化誘導生物礦化（Zhu et al., 2019）、生物誘導磷酸鈣鹽沉積（Ivanov et al., 2019a）、微生物氧化誘導碳酸鈣沉積（Ivanov et al., 2019c）等。除此之外，利用嗜酸性脲酶乳酸菌（如：發(fā)酵乳桿菌）也是一種潛在的解決方案。這是由于嗜酸性脲酶乳酸菌的最優(yōu)pH一般是3~6，尿素水解會接近于中性的環(huán)境下發(fā)生。中性環(huán)境下僅有0.4%~1.0%的氨氣轉化率（Emerson et al., 1975），也就是大量的副產物NH3以銨根離子（NH4+）的形式存在于水中，減少了NH3排放。但是，環(huán)境中的酸堿性會影響碳酸鈣的沉積，所以能否克服中性環(huán)境對碳酸鈣沉積的抑制作用，是嗜酸性脲酶乳酸菌能否用于生物礦化的關鍵。

6 結論

本文講述了利用MICP技術提高土體性能的相關研究進展，通過多個角度說明MICP在巖土工程、水利工程等多個領域內有著廣泛的應用前景。與傳統(tǒng)的土地改良技術相比，基于碳酸鈣沉淀機制的MICP技術具有干擾小、施工較為簡單、工期短等優(yōu)勢。在許多現(xiàn)場試驗中，MICP已經充分展示了其在大范圍工程實施中的可行性、高效性以及一定的經濟性，可用于軟土地基加固、邊坡穩(wěn)定、揚塵治理、海岸防護、裂縫修復等。然而，從目前發(fā)展來看，想要真正地應用MICP技術于工程實踐中仍然面臨著許多挑戰(zhàn)：（1）細菌培養(yǎng)成本高；（2）大范圍工程難以實現(xiàn)強度的均勻性；（3）尿素水解產物NH3的大量排放會造成嚴重的環(huán)境問題?？傮w來說，MICP技術在諸多應用方面已經被證明具有潛在可行性，下一階段需要更多的科研工作者們一同努力去克服實際工程應用所將遇到的諸多挑戰(zhàn)。