微生物礦化在荒漠化防治的應(yīng)用研究

李日升

（廣東省建設(shè)工程質(zhì)量安全檢測(cè)總站有限公司；廣東省建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司，廣東 廣州 510500）

0 引言

荒漠化是由于干旱少雨、植被破壞、大風(fēng)吹蝕、流水侵蝕、土壤鹽漬化等因素造成的大片土壤生產(chǎn)力下降或喪失的自然或非自然現(xiàn)象，是緩變性地質(zhì)災(zāi)害之一。根據(jù)全國(guó)沙漠、戈壁和沙化土地普查及荒漠化調(diào)研結(jié)果表明，中國(guó)荒漠化土地面積為262.2 萬(wàn)km2，占國(guó)土面積的27.4%，近4 億人口受到荒漠化的影響[1]。土地荒漠化主要受人為活動(dòng)的影響而不斷惡化，在氣候變暖背景下，全球沙漠化防治形勢(shì)變得更加嚴(yán)峻，亟需重視荒漠化的防治和治理?；哪闹饕卫矸椒ㄊ峭烁€林，植被對(duì)防治土壤風(fēng)蝕具有重要作用，但這種方法在短期內(nèi)防治效率相對(duì)較低，人工成本高，需要尋找一種高效且環(huán)保的處理方法，以適用于更大面積的荒漠治理。

目前微生物礦化是巖土工程中的熱門(mén)研究方向，它具有反應(yīng)速率快、能耗低、污染少、對(duì)生態(tài)友好等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于大面積的沙漠治理具有一定的應(yīng)用前景。本文主要介紹微生物礦化在沙漠治理的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀，探討其可能的改進(jìn)方向，為工程師和學(xué)者提供一定的參考價(jià)值。

1 微生物礦化的原理

微生物礦化是指利用微生物的生化反應(yīng)生成碳酸鈣沉淀或其他礦物的過(guò)程。土壤中的細(xì)菌在土顆?？紫堕g控制或誘導(dǎo)礦物產(chǎn)生，將減小土體的孔隙率，增大土顆粒之間的接觸，從而改善土的滲透性和強(qiáng)度、剛度等力學(xué)性質(zhì)。由于砂土的孔隙較大，菌液和膠結(jié)溶液能通過(guò)滲透作用較均勻的分布在砂土的孔隙中進(jìn)行微生物礦化作用。已經(jīng)有不少學(xué)者將微生物礦化應(yīng)用在砂土的加固中[2]，提高了砂土的抗液化強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度，降低了砂土的滲透性等。

目前微生物礦化的應(yīng)用主要通過(guò)生物添加或生物激活兩種方法[3]。生物添加是指將外來(lái)細(xì)菌加入土中誘導(dǎo)生成礦物沉淀。生物激活是指在土中添加微生物礦化的原料及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，激活土中原有的細(xì)菌誘導(dǎo)生成礦物沉淀。

很多微生物都具有誘導(dǎo)碳酸鹽礦物形成的能力，這些微生物按代謝類(lèi)型來(lái)分有好氧型、厭氧型、自養(yǎng)型和異養(yǎng)型，按微生物類(lèi)型來(lái)分有細(xì)菌和真菌，其中細(xì)菌類(lèi)型居多，有芽孢桿菌、梭菌和藍(lán)細(xì)菌等。目前使用最廣泛的微生物礦化機(jī)制是利用細(xì)菌內(nèi)的脲酶分解尿素產(chǎn)生碳酸根離子和銨根離子，過(guò)程如式（1）所示。

產(chǎn)生的碳酸根離子與環(huán)境中的鈣離子產(chǎn)生碳酸鈣晶體沉淀，在不同的條件下，碳酸鈣晶體會(huì)以方解石、霰石和球霰石中的一種或多種晶型沉淀，反應(yīng)過(guò)程如式（2）所示。

微生物生成碳酸鈣沉淀的速率與尿素水解的反應(yīng)速率有較大關(guān)聯(lián)。影響尿素水解的因素主要有微生物類(lèi)型、細(xì)菌濃度、pH、溫度、尿素濃度和鈣離子濃度等，各影響因素存在最佳的應(yīng)用范圍。

2 基于尿素水解的微生物礦化在荒漠化防治中應(yīng)用

為了治理風(fēng)沙，Gomez 等[4]進(jìn)行了基于尿素水解機(jī)制的微生物礦化技術(shù)改善松散砂的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。他們?cè)诂F(xiàn)場(chǎng)設(shè)置了四個(gè)試驗(yàn)區(qū)域，每個(gè)試驗(yàn)區(qū)域尺寸為2.4m×4.9m，其中3 個(gè)試驗(yàn)區(qū)域用細(xì)菌培養(yǎng)液和不同濃度的膠結(jié)溶液（尿素和氯化鈣溶液）進(jìn)行噴灑處理，第四個(gè)試驗(yàn)區(qū)域作為對(duì)照。Gomez 等設(shè)置的微生物礦化實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地如圖1 所示。

圖1 Gomez 等設(shè)置的微生物礦化實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地

一輪微生物礦化處理的流程為一天的細(xì)菌改良劑噴灑和三天的膠結(jié)劑噴灑。在進(jìn)行5 輪微生物礦化處理之后，松散砂土表面形成一定厚度的膠結(jié)層。微生物礦化處理后形成的膠結(jié)層如圖2 所示。

圖2 微生物礦化處理后形成的膠結(jié)層

膠結(jié)效果最好的一組是用最低的膠結(jié)溶液濃度（15g/L 尿素和13.875g/L 氯化鈣）獲得，膠結(jié)層最大厚度可達(dá)2.54cm。在水流速度為22.7L/min 的沖擊下，膠結(jié)層砂土基本不被沖蝕，而未處理的砂土在水的沖擊下沖出了一個(gè)小坑。

Gomez 等[4]通過(guò)這個(gè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)證明了微生物礦化治理風(fēng)沙的可行性，且為實(shí)際應(yīng)用提供了很好的經(jīng)驗(yàn)。張軍輝等[5]也通過(guò)基于尿素水解的微生物礦化技術(shù)對(duì)沙漠風(fēng)積沙進(jìn)行膠結(jié)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明有菌組膠結(jié)體密實(shí)度顯著提高，經(jīng)細(xì)菌礦化膠結(jié)處理后的風(fēng)積沙在保水方面更具優(yōu)勢(shì)。越來(lái)越多的研究表明：基于尿素水解的微生物礦化技術(shù)可有效用于治理風(fēng)沙。

雖然利用微生物礦化技術(shù)進(jìn)行沙漠防治是可行的，但如果要對(duì)于大面積的沙漠進(jìn)行微生物礦化處理，則需要大量的菌液，而目前培養(yǎng)細(xì)菌菌液的成本較高，因此，微生物礦化技術(shù)用于沙漠化防治目前并不經(jīng)濟(jì)。此外，很多學(xué)者已經(jīng)注意到利用尿素水解機(jī)制誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀會(huì)產(chǎn)生副產(chǎn)物銨根離子。殘留在土中的銨根濃度達(dá)到一定值時(shí)有可能激活土中的氨氧化菌和硝酸細(xì)菌[6]發(fā)生硝化作用，硝化作用產(chǎn)生的硝酸根離子和氫離子，將降低土中溶液的pH 和碳酸根離子，甚至溶解微生物誘導(dǎo)產(chǎn)生的碳酸鈣晶體，對(duì)加固土體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性造成不良的影響。

3 微生物礦化用于荒漠化防治的改進(jìn)措施

3.1 通過(guò)生物激活的方式節(jié)省菌液培養(yǎng)的成本

針對(duì)細(xì)菌培養(yǎng)成本高的缺點(diǎn)，可通過(guò)生物激活代替生物添加的方式，降低應(yīng)用成本。由于土中有許多細(xì)菌，其中大多數(shù)細(xì)菌均含有脲酶，可利用土中原有細(xì)菌加入營(yíng)養(yǎng)液和膠結(jié)試劑，從而激活本土細(xì)菌誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀。生物激活的優(yōu)勢(shì)除了能節(jié)省購(gòu)買(mǎi)菌種的成本外，還有本土細(xì)菌更適應(yīng)環(huán)境、存活率更高。李馳等[7]利用沙漠中提取的葡萄球菌和購(gòu)買(mǎi)的巴氏芽孢桿菌對(duì)在內(nèi)蒙古烏蘭布和沙漠腹地進(jìn)行了試驗(yàn)田實(shí)驗(yàn)?，F(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果顯示，微生物礦化處理后砂土表面的膠結(jié)層平均厚度為2.0～2.5cm，由沙漠本土的葡萄球菌誘導(dǎo)生成的膠結(jié)層強(qiáng)度是巴氏芽孢桿菌誘導(dǎo)生成的膠結(jié)層強(qiáng)度的1.05 倍。且在膠結(jié)處理后210d 再次進(jìn)行觀察，沙漠本土細(xì)菌誘導(dǎo)生成的膠結(jié)層的強(qiáng)度和穩(wěn)定性明顯優(yōu)于巴氏芽孢桿菌生成的膠結(jié)層。李馳等[7]的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)證明了沙漠中的本土細(xì)菌用于微生物礦化的可行性和優(yōu)越性，但實(shí)驗(yàn)仍是通過(guò)生物添加的方式進(jìn)行的，僅證明了用生物激活方式進(jìn)行微生物礦化的潛在可能性。后續(xù)可加強(qiáng)通過(guò)生物激活方式的微生物礦化的研究，以降低應(yīng)用成本、改善膠結(jié)效果。

3.2 更環(huán)保的沙漠生物防治方法

針對(duì)基于尿素水解的微生物礦化會(huì)產(chǎn)生副產(chǎn)品銨根離子的缺點(diǎn)，許多學(xué)者在尋找不產(chǎn)生或只產(chǎn)生很少量副產(chǎn)品的方法。

通過(guò)添加較低濃度的尿素溶液和氯化鈣溶液可降低銨根離子的產(chǎn)量。較低濃度的膠結(jié)溶液會(huì)使尿素水解速率變慢，銨根離子的生成總量相對(duì)降低，水解生成的碳酸根離子會(huì)隨溶液滲入砂土更深的位置，從而使沉淀分布更深，膠結(jié)范圍更廣，從而獲得更好的膠結(jié)效果。相反，使用高濃度的膠結(jié)溶液會(huì)使微生物在砂土表面迅速形成一層薄膠結(jié)層，阻擋了菌液和膠結(jié)溶液在砂土中的滲透作用，難以深入砂土深部進(jìn)行礦化反應(yīng)，導(dǎo)致膠結(jié)效果更差。

也有學(xué)者通過(guò)微生物礦化聯(lián)合荒漠植物種植進(jìn)行固沙[8]，植物聯(lián)合微生物礦化技術(shù)固沙如圖3 所示。沙土表面發(fā)生微生物礦化反應(yīng)，使表層砂粒形成膠結(jié)層，提高了表層的抗剪強(qiáng)度。同時(shí)，植物的根系固化了深層砂土，進(jìn)一步提高了固沙效果。其中，微生物水解尿素生成的銨根離子可作為植物的肥料，可進(jìn)一步提高植物的存活率、促進(jìn)植物的生長(zhǎng)，兩者聯(lián)合使用使固沙效果比單獨(dú)使用微生物礦化的固沙效果提高了4.25%。

圖3 植物聯(lián)合微生物礦化技術(shù)固沙

Yu 等[9]將基于尿素水解產(chǎn)生的NH3作為生成另一種沉淀所需的原料，通過(guò)沉淀的方式固定了下來(lái)，降低了微生物礦化技術(shù)對(duì)地下水的影響。他們將磷酸氫鉀和氯化鎂作為膠結(jié)溶液，在微生物水解尿素后在砂土表面生成鎂磷酸銨沉淀（鳥(niǎo)糞石）從而達(dá)到膠結(jié)砂土的效果，其反應(yīng)式如下。

通過(guò)3 次噴灑即可在砂土表面形成較為致密的鳥(niǎo)糞石沉淀，如圖4 所示。處理后的樣品在風(fēng)洞試驗(yàn)中，能有效抵抗風(fēng)速為12m/s 的風(fēng)蝕，與礦化生成碳酸鈣沉淀的固沙效果相似。

圖4 砂土表面微生物誘導(dǎo)生成鎂磷酸銨沉淀

以上方法是微生物礦化應(yīng)用于沙漠化防治的新思路，均減少了基于尿素水解機(jī)制生成的副產(chǎn)物銨根離子，使得應(yīng)用微生物礦化進(jìn)行沙漠化防治時(shí)固沙效果更好的同時(shí)對(duì)環(huán)境的影響更小，值得推廣。

4 結(jié)論

（1）微生物礦化技術(shù)能應(yīng)用于沙漠治理，在生物添加的應(yīng)用方式中，能使砂土表面形成一定厚度的膠結(jié)層，能有效抵抗風(fēng)蝕和水流的沖蝕，是一種有效且環(huán)保的治理方法。

（2）沙漠本土細(xì)菌更適應(yīng)環(huán)境、存活率更高，可作為微生物礦化的原料。通過(guò)直接添加營(yíng)養(yǎng)液和膠結(jié)試劑激活本土細(xì)菌進(jìn)行沙漠防治是具有潛在可能性的，可通過(guò)這種方式降低應(yīng)用的成本。

（3）基于尿素水解的微生物礦化會(huì)產(chǎn)生副產(chǎn)物銨根離子，可通過(guò)使用較低濃度的膠結(jié)溶液來(lái)提高膠結(jié)效果同時(shí)減少銨根離子的生成。也可以通過(guò)植物聯(lián)合微生物礦化和生成如鳥(niǎo)糞石等其他沉淀，消耗銨根離子以降低對(duì)環(huán)境的影響，同時(shí)提高固沙效果。