中國粉體網訊 自然界中存在著大量微生物，其對地基、礦物、地質及地下工程等往往會起到潛移默化的影響，傳統工程中人們往往更多地關注宏觀構造物，對微生物的認識不足且缺乏案例，從而忽略了微生物對工程的影響，也浪費了其巨大的潛在價值。
一、微生物誘導碳酸鈣沉淀（MICP）
MICP的實質是利用自然界中某類細菌，其新陳代謝可產生分解尿素的脲酶，尿素分解后產生的碳酸根離子與自然界游離的金屬陽離子結合生成膠凝晶體的過程。MICP技術的應用對生產能耗、生產成本要求低，同時能減少溫室氣體排放MICP技術可提高土的地質特性，因此可利用其作為一種替代地質加固技術。
二、MICP技術原理
目前對微生物誘導碳酸鈣沉淀機理主要有兩個：微生物控制沉淀與微生物誘導沉淀。Bazylinski等認為微生物控制沉淀主要發生在有機質基體或微生物的囊泡中，有利于微生物對其成核位點與沉淀速率的高度控制，從而影響礦物質沉淀的成分、尺寸等，與環境因素無關。而微生物誘導沉淀則認為微生物在自然環境中，利用環境中的某些成分或陽離子，進行生命代謝活動而產生的相對不溶的有機和無機化合物。
MICP機制與影響因素示意圖
Muynck 和榮輝等探究了細菌微生物誘導碳酸鈣沉淀過程的機理，主要包括3個過程:
(1)溶液中的鈣離子等陽離子被吸附在細菌細胞表面。細菌細胞壁表面帶有大量負電荷官能團，能夠有效地吸附Ca2+ 、Mg2+等陽離子。
(2)碳酸鈣晶體在細胞表面沉積。底物在酶的作用下不斷水解生成CO32-，并釋放到微生物局部環境中，與被吸附在細胞表面的Ca2+等陽離子發生反應生成沉淀。
(3)隨著晶核長大，微生物表面及周圍逐漸被包裹，微生物營養物質的傳輸受到限制，導致微生物死亡。
三、MICP技術應用與研究
1固化土體
目前，大部分地基加固技術是利用機械能或人造灌漿材料對土壤進行物理化學處理，其中，化學灌漿技術是使用傳統的膠凝材料進行加固，該方法可能導致地下水污染，土體性質改變，對環境危害也比較大。然而，利用MICP技術能顯著提高土體的強度，降低滲透性，具有高效、環保、經濟的特點。
Canakcia[M]利用芽孢桿菌誘導處理當地富含有機物的土壤，該有機土壤的抗壓強度相比對照組增加20%，提高了有機土的抗剪強度，降低了土壤的壓縮性。
2改善土體力學性質
由于MICP技術能在潮濕的環境中析出具有膠結性的物質，因而可改變土體內部的孔隙結構及顆粒間的相互作用方式，進而改變土體的一些力學性質。
Zamani等研究發現固化后的砂柱剛度顯著提高是因為MICP技術將細顆粒膠結成團粒，而團粒又將粗顆粒的孔隙填充，這種現象優化了顆粒間的荷載傳遞路徑，因此減小了整體應變，增大了剛度。
3抗液化
松散的飽和砂士在遭受地震波或振動時，會使內部的孔隙水壓力上升、有效應力減小，使地基發生破壞，對上覆結構和人員造成損傷。MICP技術可以改變可液化砂土的內部形式，提高顆粒間的膠結性，降低內部孔隙水壓力，起到抗液化的效果。
Xiao等研究了MICP對鈣質砂的抗液化性能，通過循環三軸試驗發現，MICP處理過后的鈣質砂與清潔的鈣質砂相比，內部孔隙水壓力更加穩定，并且壓縮變形顯著降低，可明顯改善鈣質砂的液化潛力。
4混凝土裂縫修復
對于混凝土裂縫修復,有多種技術可供選擇。Webster 等曾對歷史建筑石材表面黑色硫酸鹽殼用MICP過程進行清潔，對建筑石材的內部結構不產生影響。因此，利用MICP技術修復那些歷史悠久、表面經歲月腐蝕的建筑物具有良好的應用前景。
Achal對70.6mm的立方體砂漿的不同深度裂縫進行修復，修復深度可達27.2mm。利用微生物修復技術能夠將裂縫進行修復，修復的深度和寬度有限且修復效果與生成的碳酸鈣含量是呈正相關的。
Jonkers等直接在水泥漿混合物中加入細菌孢子，細菌孢子能在水泥石中保持長達4個月的活性，細菌水泥石樣本比對照產生更多的裂縫堵塞礦物質。在此基礎上Wiktor等探究混凝土的愈合能力,其中，混凝土的自身水化作用可以修復0.21mm的裂縫，細菌自修復混凝土則能愈合寬達0.47 mm的裂縫。隨著裂縫寬度的增加，修復效果越差，如果開裂時間超過60d幾乎不能愈合。
5抗滲、封堵
MICP技術生成的碳酸鈣能夠將固化試樣的孔隙進行填充，從而減小滲透性，達到了封堵的目的此外，固化過程中微生物會不斷地產生胞外聚合物，也會對滲透性有所影響。在工程中，提高土石壩的抗滲能力，對污染區域的土體進行有效的封堵和隔離，提高石油的采收率等等，都可利用MICP的封堵性能而得以實現。
Achal等采用巴氏芽孢桿菌進行砂土固化試驗研究發現40%的方解石沉積在砂土中，導致了砂柱的孔隙率和滲透性的降低。
Gao等基于MICP技術對砂質土進行改良，以控制在砂質土壤基礎上灌溉渠道和水庫的滲水問題，結果表明砂士經過生物處理后，表面形成10~20mm的硬殼，利用滲透儀進行滲透測試發現其滲透性遠遠高于未經處理的土壤。
6尾礦固化
當前尾礦產量大，堆存量多，綜合利用率低;且尾礦庫中堆存的尾礦大多呈流塑態或沼澤態，存在很大風險;利用微生物固化尾礦技術能很好地緩解這一難題。
中國科學院大學陳飛通過單因素實驗確定了耐鹽堿高效固化菌(中度耐鹽菌)的最佳固化條件，并以凍融實驗研究尾礦樣品經過固化后的適應性，以掃描電鏡(SEM)和X射線色散能譜(EDX)驗證微生物固化尾礦的過程，最后通過電感耦合等離子體質譜(ICP-MS)技術分析耐鹽堿高效固化菌Halomonas sp. SBC20對尾礦中各種重金屬的固定效果。
結語
MICP過程大規模運用到各個行業還有很長的路要走。在應用實踐方面，生物膠結時間長達3~4周且對環境的要求很高，不利于MICP大規模運用。經濟成本降低方面，生物水泥中微生物培養所需的營養物質和鈣源能夠從廢棄物中獲取，如乳制品行業的乳糖母液玉米漿、大豆種子粉末、尾礦石灰石粉末、雞蛋殼等，但對廢棄物的處理技術及獲得理想目標產物需不斷地完善。環境影響方面，經MICP處理后的廢棄物中的氨氮含量高且尿素和鈣鹽殘留較多，這也是一個需要解決的問題。
參考來源：
張海麗﹐等：微生物誘導碳酸鈣沉積研究與應用，南昌大學
王恒星，等：微生物誘導固化技術研究進展，東南大學交通學院
王雪，等：混凝土內置微生物自修復材料的研究進展，重慶三峽學院
陳飛，等：利用微生物誘導碳酸鈣沉淀固化尾礦，中國科學院大學
(中國粉體網編輯整理/昧光)
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