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

摘 要：為了探討海水環(huán)境下微生物礦化反應(yīng)過(guò)程與影響因素，在海水和去離子水環(huán)境下，通過(guò)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（Microbially Induced Carbonate Precipitation，MICP）水溶液試驗(yàn)，然后通過(guò)SEM、XRD和EDS測(cè)試對(duì)水溶液生成物進(jìn)行檢測(cè)，并推測(cè)海水環(huán)境下MICP的反應(yīng)機(jī)理。結(jié)果表明：不同水環(huán)境條件下，營(yíng)養(yǎng)鹽濃度為1 mol/L、菌液與營(yíng)養(yǎng)鹽體積比為30∶120時(shí)，反應(yīng)速率最快，且生成沉淀物質(zhì)量最大;溫度對(duì)于碳酸鈣沉淀反應(yīng)影響明顯，與低溫（4 ℃）條件相比，室溫（25 ℃）下反應(yīng)速率更大，且反應(yīng)進(jìn)行得較充分;海水環(huán)境水溶液試驗(yàn)中，高pH值可以加速反應(yīng)的進(jìn)行，同時(shí)，由于海水中存在Mg、Ba等離子，使得沉淀物中除CaCO外，還含有少量的堿式碳酸鎂（Mg（CO）（OH）·4HO）、BaCO等礦物成分。

關(guān)鍵詞：微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀（MICP）;微生物;海水環(huán)境;碳酸鈣;營(yíng)養(yǎng)鹽;加固土體

中圖分類(lèi)號(hào)：TU441 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-6717（2022）05-0128-08

收稿日期：2021-04-16

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（42162024）;海南省自然科學(xué)基金（421RC592）

作者簡(jiǎn)介：王子玉（1979- ），女，博士，主要從事鈣質(zhì)砂固化方法與力學(xué)性質(zhì)研究，E-mail：zywang@hntou.edu.cn。

Received：2021-04-16

Foundation items：National Natural Science Foundation of China （No. 42162024）; Natural Science Foundation of Hainan Province （421RC592）

Author brief：WANG Ziyu （1979- ）， PhD， main research interests： solidification method and mechanical properties of calcareous sand， E-mail： zywang@hntou.edu.cn.

Reaction mechanism and influencing factors of MICP in seawater environment

WANG Ziyu， YU Wenye， QI Chaonan， ZHAO Xiangyu

（a. College of Marine Science and Technology;

b. Yazhou Bay Innovation Research Institute;

c. College of Ecology and Environment， Hainan Tropical Marine University， Sanya 572022， Hainan， P.R. China）

Abstract：In order to explore the microbial mineralization reaction process and influencing factors in the seawater environment， the Microbially Induced Carbonate Precipitation （MICP） aqueous solution experiment was carried out by changing the concentration of nutrient salts， the volume ratio of bacterial solution to nutrient salts and environmental temperaturein seawater and deionized water. Then， SEM， XRD and EDS tests were used to detect the aqueous solution products， and the mechanism of MICP reaction in seawater environment was speculated. The results showed that ：（1） under different water environment conditions， when the nutrient concentration was 1 mol/L and the volume ratio of bacterial liquid to nutrient was 30∶120， the reaction rate was the fastest and the sediment produced was the largest; （2） The effect of temperature on the precipitation reaction of calcium carbonate is obvious. The reaction rate at room temperature （25 ℃） is higher than that at low temperature （4 ℃）， and the reaction is fully carried out. （3） In seawater aqueous solution test， high pH value can accelerate the reaction， and the presence of Mg， Ba plasma in seawater makes the precipitate contain a small amount of basic magnesium carbonate （Mg（CO）（OH）·4HO）， BaCO and other mineral components in addition to CaCO.

Keywords：microbe induced calcium carbonate precipitation （MICP）; microbes; seawater environment; calcium carbonate; nutrient; reinforced soil

微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀技術(shù)加固土體是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的新興技術(shù)，其原理是通過(guò)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(guò)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。

近年來(lái)，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、余振興研究了海水環(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(guò)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。李昊等經(jīng)無(wú)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(kāi)發(fā)方法具有潛力。董博文等研究發(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(guò)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(guò)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(jiàn)表1。

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。

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(guò)程中營(yíng)養(yǎng)鹽均選取CaCl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。

試驗(yàn)過(guò)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、10 mol/L的CaCl溶液）進(jìn)行標(biāo)定，然后使用標(biāo)準(zhǔn)溶液（10、10、10、10 mol/L的CaCl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(xiàn)，每次均測(cè)量電位值，而后根據(jù)關(guān)系曲線(xiàn)得到pX值，由于離子計(jì)的最低量程為10 mol/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，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。

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(guò)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(guò)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。

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(guò)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NH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(shuō)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(guò)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(jiàn)，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。

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(shuō)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(shuō)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(shuō)明海水中的堿性成分更有利于反應(yīng)的進(jìn)行。

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(xiàn)圈出部分，海水樣品中還含有少量的堿式碳酸鎂（Mg（CO）（OH）·4HO）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。

去離子水和海水水溶液生成物的能譜分析如圖12所示?？梢钥闯?，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(guò)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。

3 海水環(huán)境微生物誘導(dǎo)礦化反應(yīng)過(guò)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Mg、Ba，使得海水環(huán)境中還生成了少量的球形堿式碳酸鎂（Mg（CO）（OH）·4HO）和γ型碳酸鋇。

對(duì)比兩種水環(huán)境下反應(yīng)生成礦物成分的差別，推測(cè)海水環(huán)境下MICP礦化反應(yīng)過(guò)程為：營(yíng)養(yǎng)鹽中的Ca和海水中少量的Mg、Ba等先附著在細(xì)菌細(xì)胞的表面，待尿素分步水解為銨根離子和碳酸根離子后，由于海水的弱堿性環(huán)境，結(jié)合了細(xì)胞的Ca、Mg、Ba等與CO、OH膠結(jié)成了CaCO、Mg（CO）（OH）·4HO、BaCO等晶體，具體反應(yīng)過(guò)程為

Ca+CellCell-Ca

Mg+CellCell-Mg

Ba+CellCell-Ba

CO（NH）+HONH+CO

NH+HONH+OH

CO+OHHCO

Cl+HCO+NHNHCl+CO

Cell-Ca+COCell-CaCO

Cell-Mg+OH+COCell-

Mg（CO）（OH）·4HO

Cell-Ba+COCell-BaCO

4 結(jié)論

通過(guò)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(guò)程中，通過(guò)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(guò)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(guò)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Mg、Ba等離子，使得沉淀物中除CaCO外，還生成少量的Mg（CO）（OH）·4HO、BaCO等礦物成分。

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（編輯 胡玲）