海水環(huán)境下MICP的反應(yīng)機(jī)理與影響因素

王子玉，喻文曄,齊超楠,趙翔宇

(海南熱帶海洋學(xué)院 a.海洋科學(xué)技術(shù)學(xué)院；b.崖州灣創(chuàng)新研究院;c.生態(tài)環(huán)境學(xué)院，海南 三亞 572022)

微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀技術(shù)加固土體是近年來發(fā)展起來的新興技術(shù)，其原理是通過向土體中的微生物提供鈣源和氮源，促進(jìn)砂土間碳酸鈣生成并沉淀，起到膠結(jié)土體的作用，使土體得到固化。MICP是一種在自然界中廣泛存在的生物礦化過程，機(jī)理簡(jiǎn)單，快速高效，具有成本低、環(huán)境友好等特點(diǎn)，非常符合生態(tài)建設(shè)島礁的需求[1-7]。

近年來，學(xué)者們對(duì)海水環(huán)境下的MICP技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行了探索研究，彭劼等[8]、余振興[9]研究了海水環(huán)境下微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀的加固效果，發(fā)現(xiàn)海水環(huán)境會(huì)抑制MICP反應(yīng)的碳酸鈣生成量。張浩男[10]研究了海水環(huán)境下巴氏生孢八疊球菌產(chǎn)鈣率的影響因素。付佳佳等[11]在研究海相粉土的加固試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，采用拌和加固法可使加固過程更簡(jiǎn)便，加固試樣更均勻，且加固試樣的脆性破壞現(xiàn)象更明顯。李昊等[12]經(jīng)無側(cè)限試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，海水環(huán)境的試樣加固力學(xué)效果比淡水好，且海水的弱堿性環(huán)境也有利于加固。楊司盟等[13]研究發(fā)現(xiàn)，將海水濃縮至3倍,鈣離子含量約為0.033 mol/L，尿素添加量為濃縮海水中鈣離子含量的3倍時(shí),可提高利用膠結(jié)液中鈣離子產(chǎn)生沉淀的效率；使用流速為2 mL/min的膠結(jié)液注入對(duì)5 cm砂柱進(jìn)行加固，可以得到最佳加固效果。Kannan等[14]進(jìn)行了MICP技術(shù)在海相黏土中有效性的研究，生物增強(qiáng)使海相黏土的液限和塑性指數(shù)分別降低到29%和47%左右，海相黏土的性質(zhì)也實(shí)現(xiàn)了從黏土到彈性粉砂的轉(zhuǎn)變。Daryono等[15]進(jìn)行了人工灘巖與天然灘巖的對(duì)比研究，天然灘巖的膠結(jié)機(jī)理特性使得在沿海生產(chǎn)人造灘巖方面采用MICP生態(tài)環(huán)境開發(fā)方法具有潛力。董博文等[16]研究發(fā)現(xiàn)，天然海水使微生物的生長(zhǎng)出現(xiàn)滯后期，但穩(wěn)定期的微生物數(shù)量和脲酶活性與淡水環(huán)境下相差不大，與淡水相比，加固后鈣質(zhì)砂的滲透系數(shù)可降低一個(gè)數(shù)量級(jí)。

由于海水環(huán)境的特殊性，海水pH值較高，同時(shí)，海水中含有多種離子成分，這些離子成分對(duì)細(xì)菌的活性與沉淀物礦物成分有直接影響。通過查閱大量文獻(xiàn)可知，海水環(huán)境下，MICP產(chǎn)鈣的影響因素主要為營(yíng)養(yǎng)鹽、微生物(菌液)、溫度、海水pH值等。目前對(duì)海水環(huán)境下MICP技術(shù)應(yīng)用的研究不夠深入，鑒于此，筆者針對(duì)上述各項(xiàng)影響因素，同時(shí)在海水環(huán)境和去離子水環(huán)境下改變營(yíng)養(yǎng)鹽濃度、菌液與營(yíng)養(yǎng)鹽體積比、環(huán)境溫度等條件進(jìn)行微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀試驗(yàn)；分別取海水和去離子水環(huán)境下的礦化反應(yīng)試樣進(jìn)行測(cè)試，通過對(duì)比分析，獲得海水環(huán)境下的MICP反應(yīng)機(jī)理。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

1)海水：試驗(yàn)用海水取自三亞大東海附近海域，海水pH值為8.25，含鹽量為3.6%。海水離子成分見表1。

表1 試驗(yàn)海水離子成分及其濃度

2)微生物：試驗(yàn)選取大腸埃希氏菌ATCC25922(巴氏芽孢桿菌)作為試驗(yàn)菌種，購(gòu)自廣東省微生物菌種保藏中心，該細(xì)菌為化能異養(yǎng)型革蘭氏陽(yáng)性菌，是目前在巖土工程領(lǐng)域MICP應(yīng)用最普遍的細(xì)菌。經(jīng)活化后，加入液體培養(yǎng)基中培養(yǎng)，培養(yǎng)基成分為(每1 000 mL中)：尿素20 g、蛋白胨15 g、大豆蛋白胨5 g、氯化鈉5 g，并用NaOH溶液將培養(yǎng)基pH調(diào)節(jié)至7.3，以適宜細(xì)菌生長(zhǎng)，將培養(yǎng)基放入高壓滅菌鍋中，以121 ℃滅菌30 min，將加入了菌種的培養(yǎng)基(如圖1)放入搖床中，以220 r/min的轉(zhuǎn)速30 ℃下培養(yǎng)36 h，取出后測(cè)量菌液濃度和菌液脲酶活性。

圖1 在搖床培養(yǎng)后的菌液Fig.1 Bacterial solution cultured in a shaking

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 微生物濃度和活性測(cè)定 利用分光光度計(jì)測(cè)定菌液濃度，測(cè)試其在波長(zhǎng)600 nm下的吸光率(OD600)。測(cè)定菌液水解尿素的能力，取5 mL菌液與45 mL 1.1 mol/L尿素溶液混合，用電導(dǎo)率儀測(cè)量溶液電導(dǎo)率的變化(測(cè)量5 min)，所測(cè)5 min內(nèi)平均電導(dǎo)率變化值乘以稀釋倍數(shù)(10倍)，即為菌液初始酶活性。試驗(yàn)測(cè)得菌液的吸光度(OD600)為1.027，5 min內(nèi)電導(dǎo)率變化為1.36 mmol/(L·min)。

1.2.2 MICP試驗(yàn) 試驗(yàn)過程中營(yíng)養(yǎng)鹽均選取CaCl2和尿素1∶1的混合溶液，共進(jìn)行3個(gè)批次。第1批：選取溫度為常溫(25 ℃)，菌液和營(yíng)養(yǎng)鹽體積分別為30、120 mL，設(shè)置營(yíng)養(yǎng)鹽水源分別為去離子水和海水，營(yíng)養(yǎng)鹽的濃度分別為0.5、0.75、1.0、1.25、1.5 mol/L；第2批：根據(jù)第1批結(jié)果，選取最優(yōu)營(yíng)養(yǎng)鹽濃度為1.0 mol/L，設(shè)置營(yíng)養(yǎng)鹽水源分別為去離子水和海水，溫度分別為4 ℃和常溫(25 ℃)，菌液與營(yíng)養(yǎng)鹽體積分別為30、60 mL，30、120 mL，30、180 mL，30、240 mL，30、300 mL。試驗(yàn)均在燒杯中進(jìn)行，如圖2所示。

圖2 MICP水溶液試驗(yàn)Fig.2 MICP aqueous solution

試驗(yàn)過程中使用PXS-270(離子計(jì))及PCa-1-01(鈣離子電極)和232-01(參比電極)、PHS-25(pH計(jì))及E-201-C(pH復(fù)合電極)每8 h測(cè)量一次鈣離子濃度和pH值，如圖3、圖4所示。離子計(jì)每次測(cè)量前需使用標(biāo)準(zhǔn)溶液(10-1、10-4mol/L的CaCl2溶液)進(jìn)行標(biāo)定，然后使用標(biāo)準(zhǔn)溶液(10-1、10-2、10-3、10-4mol/L的CaCl2溶液)測(cè)量出pX值和對(duì)應(yīng)的電位值，繪制pX值和電位值的關(guān)系曲線，每次均測(cè)量電位值，而后根據(jù)關(guān)系曲線得到pX值，由于離子計(jì)的最低量程為10-1mol/L，而查閱文獻(xiàn)可知，MICP水溶液試驗(yàn)在反應(yīng)停止時(shí)的最低鈣離子濃度為0.05 mol/L[10]，所以，每次測(cè)量前均攪拌均勻后再使用移液管提取1 mL試樣，并加入9 mL去離子水稀釋10倍后攪拌均勻再測(cè)量；pH計(jì)每次測(cè)量前需使用pH值為4.00、6.86、9.18的緩沖溶液進(jìn)行標(biāo)定，每次攪拌均勻后再測(cè)量。設(shè)定環(huán)境溫度為低溫(4 ℃)的試樣在每次測(cè)量完成后立即放入4 ℃的冰箱中。試驗(yàn)結(jié)束后，用去離子水清洗浸泡24 h，并在烘箱中以60 ℃烘干24 h，測(cè)量生成物質(zhì)量。

圖3 PXS-270(離子計(jì))

圖4 PHS-25(pH計(jì))

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 營(yíng)養(yǎng)鹽濃度對(duì)礦化反應(yīng)的影響

在去離子水和海水環(huán)境下分別進(jìn)行水溶液試驗(yàn)，分析營(yíng)養(yǎng)鹽濃度對(duì)礦化反應(yīng)過程及生成沉淀物質(zhì)量的影響規(guī)律，如圖5～圖7所示。在兩種水環(huán)境反應(yīng)過程中，鈣離子濃度均隨著營(yíng)養(yǎng)鹽濃度的增加而降低，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，鈣離子濃度減小的速率趨于平緩，且在反應(yīng)時(shí)間達(dá)到60 h時(shí)，鈣離子濃度在0.3 mol/L附近達(dá)到平衡。這是由于較低濃度營(yíng)養(yǎng)鹽提供的鈣離子較少，隨著鈣離子濃度增加，可用于反應(yīng)消耗的鈣離子變多，促進(jìn)了反應(yīng)的快速進(jìn)行。

圖5 水溶液反應(yīng)過程中鈣離子濃度變化曲線Fig.5 Curve of the change of calcium ion concentration

圖7 不同水環(huán)境生成碳酸鹽質(zhì)量對(duì)比Fig.7 Carbonate quality comparison in different

去離子水環(huán)境下，pH值先升高后降低，是因?yàn)樵诜磻?yīng)最初幾小時(shí)內(nèi)，尿素水解量超過了微生物的利用效率，使得溶液中OH-濃度升高，隨后微生物進(jìn)行了大量的消耗代謝，使溶液中的pH值逐漸降低。比較各種營(yíng)養(yǎng)鹽濃度的試樣可以得出，最終1.0 mol/L的試樣pH值最低，反應(yīng)效果最好，海水環(huán)境下，pH值呈先下降后逐漸緩慢上升至平穩(wěn)的趨勢(shì)，在前25 h內(nèi)，微生物對(duì)尿素進(jìn)行了大量消耗，隨后25～60 h內(nèi)，微生物代謝速率減慢，而尿素水解出的NH3分子又進(jìn)行了水解，使pH值緩慢提升。雖然海水條件的初始pH值較高，但下降得較快，說明海水的高pH值加速了尿素的水解，使得微生物對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽的利用效率加大，加速了反應(yīng)的進(jìn)行。

在海水和去離子水環(huán)境條件下，碳酸鹽生成量均隨營(yíng)養(yǎng)鹽濃度的增加而先增加后減少，并在營(yíng)養(yǎng)鹽濃度為1 mol/L時(shí)達(dá)到最大碳酸鈣生成量，去離子水和海水環(huán)境下最大碳酸鈣生成量分別為12.21、13.79 g。這是由于營(yíng)養(yǎng)鹽濃度過高，細(xì)菌難以再進(jìn)行利用，使礦化反應(yīng)進(jìn)行得不徹底，而低濃度的營(yíng)養(yǎng)鹽提供的鈣離子和碳酸根離子較少，碳酸鹽生成量也不高。

2.2 菌液和營(yíng)養(yǎng)鹽體積比對(duì)礦化反應(yīng)的影響

在兩種水環(huán)境下，分別進(jìn)行不同菌液和營(yíng)養(yǎng)鹽體積配比條件下的水溶液試驗(yàn)，獲得鈣離子濃度隨時(shí)間的變化規(guī)律及生成碳酸鹽的質(zhì)量，如圖8、圖9所示。由圖可見，在4 ℃時(shí)，兩種水環(huán)境反應(yīng)速率均隨著菌液在反應(yīng)液中比例的增大而增大；在常溫(25 ℃)下，兩種水環(huán)境反應(yīng)速率均隨著菌液在反應(yīng)液中比例的增大而先增大后降低，峰值在配比為30∶120的反應(yīng)液中出現(xiàn)。這是由于常溫條件下隨著菌液比例的降低，反應(yīng)速率逐漸減慢，而在配比為30∶60的試樣中，營(yíng)養(yǎng)鹽濃度在混合溶液中較低，反應(yīng)速率不及30∶120的試樣。

圖8 水溶液反應(yīng)過程中鈣離子濃度的變化曲線Fig.8 Curve of the change of calcium ion concentration

圖9 礦化反應(yīng)生成沉淀物質(zhì)量的對(duì)比Fig.9 Quality comparison of precipitates

在兩種溫度條件下，隨著營(yíng)養(yǎng)鹽配比的增加，生成的碳酸鹽質(zhì)量也逐漸增加，在常溫(25 ℃)條件下，均是海水環(huán)境中的生成量略高于去離子水，推測(cè)原因?yàn)樵诤Ｋh(huán)境中不僅有碳酸鈣生成，同時(shí)還有鎂鹽、鋇鹽等生成，而在4 ℃時(shí)，海水環(huán)境中生成礦物質(zhì)量與去離子水中相差不大，原因是低溫使菌液活性減弱，且對(duì)海水的減弱效果更明顯。兩種水環(huán)境下，隨著營(yíng)養(yǎng)鹽的比例增大，常溫(25 ℃)下的沉淀物生成量均大于4 ℃，說明低溫對(duì)生物礦化作用有一定的抑制作用。

2.3 溫度對(duì)礦化反應(yīng)的影響

選取營(yíng)養(yǎng)鹽濃度為1 mol/L、菌液和營(yíng)養(yǎng)鹽體積分別為30、120 mL的試樣在低溫(4 ℃)和常溫(25 ℃)兩種條件下進(jìn)行試驗(yàn)，分析鈣離子濃度變化規(guī)律，如圖10所示。在兩種水環(huán)境中，鈣離子濃度均隨著時(shí)間降低，且常溫(25 ℃)時(shí)的鈣離子消耗較低溫(4 ℃)快，說明低溫對(duì)反應(yīng)的進(jìn)行有抑制作用；海水環(huán)境下的反應(yīng)在30 h后就趨于穩(wěn)定，而去離子水環(huán)境下的試樣在40 h后才達(dá)到穩(wěn)定值，說明海水中的堿性成分更有利于反應(yīng)的進(jìn)行。

圖10 水溶液反應(yīng)過程中鈣離子濃度的變化曲線Fig.10 Curve of the change of calcium ion concentration

2.4 SEM和EDS結(jié)果分析

分別選取1.0 mol/L的去離子水和海水環(huán)境下的樣品進(jìn)行掃描電鏡測(cè)試，其形貌如圖11所示。如圖11(a)所示，在10 000倍掃描電鏡下，去離子水環(huán)境中的碳酸鈣形成了較好的方解石晶體；如圖11(b)所示，在2 700倍掃描電鏡下，海水環(huán)境下也生成了大量的方解石晶體，如圖中紅線圈出部分，海水樣品中還含有少量的堿式碳酸鎂(Mg5(CO3)4(OH)2·4H2O)和碳酸鋇晶體附著在碳酸鈣晶體上，導(dǎo)致碳酸鈣晶體表面不光滑且有小顆粒附著。

圖11 掃描電鏡下生成物結(jié)構(gòu)Fig.11 Structure of product under scanning

去離子水和海水水溶液生成物的能譜分析如圖12所示。可以看出，海水環(huán)境下生成的礦物成分較去離子水中多出了鎂、鋇等元素，推測(cè)是由于海水中存在的少量鎂離子和鋇離子使得反應(yīng)過程中除生成碳酸鈣以外，還含有少量的碳酸鎂和碳酸鋇等礦物成分。

圖12 沉淀物能譜圖Fig.12 Energy spectrum of

3 海水環(huán)境微生物誘導(dǎo)礦化反應(yīng)過程

分別選取1.0 mol/L的去離子水和海水環(huán)境下的樣品進(jìn)行XRD測(cè)試。由圖13(a)可以看出，在去離子水環(huán)境中，只生成了大量的碳酸鈣方解石晶體。由圖13(b)可以看出，在海水環(huán)境中，同樣有較多方解石晶體生成。由于海水的堿性環(huán)境和其中含有的少量Mg2+、Ba2+，使得海水環(huán)境中還生成了少量的球形堿式碳酸鎂(Mg5(CO3)4(OH)2·4H2O)和γ型碳酸鋇。

圖13 沉淀物X射線衍射分析圖Fig.13 X-ray diffraction analysis of

4 結(jié)論

通過水溶液試驗(yàn)方法對(duì)海水環(huán)境與去離子水環(huán)境下的MICP礦化機(jī)理與影響因素進(jìn)行研究，在試驗(yàn)過程中，通過改變營(yíng)養(yǎng)鹽濃度、菌液與營(yíng)養(yǎng)鹽體積比、溫度等條件，分析各因素對(duì)微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀隨時(shí)間的變化規(guī)律的影響，得到以下結(jié)論：

1)基于MICP技術(shù)，在水溶液中誘導(dǎo)碳酸鹽沉淀，通過改變營(yíng)養(yǎng)鹽濃度、菌液與營(yíng)養(yǎng)鹽體積比、環(huán)境溫度等條件，并進(jìn)行了海水和去離子水條件下的對(duì)比，得出了兩種水環(huán)境下的最優(yōu)條件和不同的反應(yīng)機(jī)理。

2)在海水和去離子水環(huán)境下，通過改變營(yíng)養(yǎng)鹽濃度、菌液與營(yíng)養(yǎng)鹽體積比、環(huán)境溫度等條件進(jìn)行MICP水溶液試驗(yàn)，得出碳酸鹽生成量均隨營(yíng)養(yǎng)鹽濃度的增加而先增加后減少，并在營(yíng)養(yǎng)鹽濃度為1 mol/L時(shí)達(dá)到最大生成量，菌液與營(yíng)養(yǎng)鹽體積比為30∶120時(shí)，反應(yīng)速率最快，效果最佳，常溫(25 ℃)時(shí)的鈣離子消耗較低溫(4 ℃)時(shí)快，且更早趨于穩(wěn)定值。

3)對(duì)比不同水環(huán)境下的礦化反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)高pH值可以加速反應(yīng)的進(jìn)行，且海水中存在少量的Mg2+、Ba2+等離子，使得沉淀物中除CaCO3外，還生成少量的Mg5(CO3)4(OH)2·4H2O、BaCO3等礦物成分。