劉斯鳳， 楊思禹， 史翠平， 何國富

(1.同濟(jì)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201804； 2.同濟(jì)大學(xué) 工程結(jié)構(gòu)性能演化與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092； 3.中石化上海工程有限公司，上海 200120)

0 引 言

1913年，Drew分離出巴式菌，該菌能在溶液中形成CaCO3晶體。1963年Greenfield發(fā)現(xiàn)假單胞菌在Na2CO3或(NH4)2CO3的人工海水中會形成文石晶體。Boquet等[1]發(fā)現(xiàn)土壤細(xì)菌也能形成CaCO3晶體。于是，他得出了土壤細(xì)菌形成CaCO3晶體的現(xiàn)象是普遍存在的結(jié)論。

在歐洲的石雕藝術(shù)品保護(hù)過程中，研究者們發(fā)現(xiàn)了細(xì)菌修復(fù)方法。如Adolphe[2]申請了該領(lǐng)域的專利。Buck等[3]發(fā)明了一種利用細(xì)菌誘導(dǎo)CaCO3沉積結(jié)晶形成栓塞以封堵開裂石質(zhì)裝飾品的裂縫的專利。Tiano利用細(xì)菌誘導(dǎo)CaCO3沉積以保護(hù)石灰石不被進(jìn)一步破壞，并用吸附水的大小評估沉積前后的效果，結(jié)果表明，細(xì)菌沉積作用后，生物貝屑灰?guī)r的吸水率可以減少60%。

當(dāng)裂隙巖石處于地下水/油等介質(zhì)中，由于介質(zhì)中含有大量的微生物[4-6]，它們在生長、代謝和繁殖的過程中產(chǎn)生一些中間產(chǎn)物，隨同固體顆粒在裂隙中沉積，就會充填裂隙，進(jìn)而對巖石的滲透性產(chǎn)生影響[7-9]。因此，研究介質(zhì)中的微生物對巖石裂隙的充填及其對滲透性的影響規(guī)律具有重要意義。

本文選取球形芽孢桿菌單獨(dú)、與原油共混以及與銅綠假單胞菌共同作用，研究其對裂隙巖石滲透系數(shù)的影響。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)原材料

菌種選用球形芽孢桿菌和銅綠假單胞菌,球形芽孢桿菌培養(yǎng)基成分為：1 L球形芽孢桿菌培養(yǎng)基中包括1.5 g牛肉浸出物、1.5 g酵母提取物、5.0 g胰蛋白胨、1.0 g葡萄糖、3.5 g NaCl、4.8 g K2HPO4、1.32 g KH2PO4，pH 7.2。銅綠假單孢菌培養(yǎng)基成分為：1 L銅綠假單胞菌培養(yǎng)基中含有3.0 g牛肉浸出物、10.0 g蛋白胨、3.5 g NaCl，pH 7.0為了避免出現(xiàn)沉淀，將兩種細(xì)菌培養(yǎng)基分別滅菌后混合均勻備用。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 細(xì)菌培養(yǎng)

將兩菌種接種于富集培養(yǎng)基中(搖床轉(zhuǎn)速160 r/min，37 ℃)增殖培養(yǎng)10 h，接種至沉積培養(yǎng)基進(jìn)行礦化沉積實(shí)驗(yàn)。1 L沉積培養(yǎng)基中含有7.96 g乙酸鈣、3 g酵母提取物、10 g氯化銨、20 g尿素、2.12 g碳酸氫鈉。將培養(yǎng)基的pH值用2 mol/L的氫氧化鈉調(diào)至8.0，分裝于三角燒瓶中密封，置于手提式加壓蒸汽滅菌鍋中(121 ℃、20 min)滅菌。

采用菌液注射法，每隔4 h向巖石裂隙中交替注射菌液和營養(yǎng)液填充裂隙，使得裂隙內(nèi)含有足夠的菌液和營養(yǎng)液用于沉積碳酸鈣，進(jìn)而充填裂隙。

1.2.2 巖石造隙及表征

將φ50 mm×100 mm的圓柱形片麻巖巖樣的上下兩端磨平，然后烘干/飽水至恒重，測得其吸水率為0.16%～0.27%。

利用微生物對試樣裂隙進(jìn)行填充，并測試填充前后的巖石裂隙體積。具體步驟：首先將巖樣置于壓力機(jī)上沿中軸線劈開，然后烘干，利用生料帶、膠帶和硬質(zhì)塑料板對巖樣周圍密封，通過稱重蒸餾水飽和前后的巖樣質(zhì)量，粗略計(jì)算巖樣的裂隙體積。飽和水前后的巖樣質(zhì)量差被估算為占據(jù)巖樣裂隙的蒸餾水質(zhì)量。通過蒸餾水的密度估算蒸餾水的體積，即得到相應(yīng)的裂隙體積。自然劈裂的巖石裂縫如圖1所示。劈裂后的巖石樣裂縫寬度平均為1 mm左右(上下方劈裂墊條的位置裂縫在3 mm左右)，6個(gè)樣品為一組。

(a) 沉積前

(b) 沉積后

1.2.3 裂隙巖石滲透性測試儀器及方法

我們采用語法可接受度測試，來探索中國英語學(xué)習(xí)者是否具有區(qū)分限定與非限定動詞的元語言能力。語法可接受度測試是心理語言學(xué)常用的研究工具，可以反映出學(xué)習(xí)者的顯性知識。

巖石的滲透系數(shù)采用自改裝設(shè)備[10]進(jìn)行測試(見圖2)，儲水箱加滿水后啟動裝置，儲水箱內(nèi)的水壓入進(jìn)水管，水流經(jīng)儲能器后可向滲透系統(tǒng)供水，壓力自動升至所調(diào)壓力值，并通過儲能器維持該壓力值不變，經(jīng)電子天平稱量滲水穩(wěn)定后(每隔3 min用電子天平測試滲水量，連續(xù)測試2 h)的滲水量[11]。巖樣透水性較好，計(jì)算試樣在不同壓力[13]下的滲透系數(shù)可采用達(dá)西定律[12]計(jì)算：

K=QγL(Δp·A)

(1)

式中：Q為流量,m3/s；γ為流體容重,kN/m3；L為試樣的長度,m；Δp為水頭壓力,kPa；A為試樣的截面面積,m2。

圖2 滲透實(shí)驗(yàn)裝置圖

分別測試巖樣注射菌液和營養(yǎng)液誘導(dǎo)碳酸鈣沉積作用5、10、20以及30 d后的滲水量，并計(jì)算滲透系數(shù)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 球形芽孢桿菌誘導(dǎo)碳酸鈣沉積速率

將培養(yǎng)10 h后的細(xì)菌接種于100 mL沉積培養(yǎng)基中，測試沉積過程中培養(yǎng)基內(nèi)可溶性Ca2+濃度變化。溶液中可溶性鈣離子經(jīng)細(xì)菌新陳代謝后轉(zhuǎn)化為不溶性鈣，即產(chǎn)生碳酸鈣沉淀。經(jīng)不同時(shí)間點(diǎn)取樣分析培養(yǎng)液中的剩余可溶性鈣離子濃度，即可推算出已被轉(zhuǎn)化的鈣離子濃度，計(jì)算出對應(yīng)的碳酸鈣沉積量，

m=VM(n1-n2)

(2)

式中：m為碳酸鈣沉積量，g；n1為溶液中的初始鈣離子濃度，mmol/L；n2為t時(shí)刻溶液中的鈣離子濃度，mmol/L；V為培養(yǎng)液的體積，L；M為碳酸鈣的相對分子質(zhì)量，g/mol。

不同Ca2+濃度隨時(shí)間的沉積情況如圖3所示。

圖3 不同Ca2+濃度和沉積速率隨時(shí)間的變化曲線

2.2 球形芽孢桿菌單獨(dú)作用對裂隙巖樣滲透系數(shù)的影響

以150 mmol/L的乙酸鈣為鈣源，利用球形芽孢桿菌誘導(dǎo)碳酸鈣沉積作用充填巖樣裂隙，不同作用時(shí)間時(shí)巖樣的滲透系數(shù)結(jié)果見圖4，巖樣滲透系數(shù)的下降率如表1所示。

圖4 球形芽孢桿菌填充時(shí)間對巖樣滲透系數(shù)的影響

由圖4和表1可以看出，細(xì)菌誘導(dǎo)碳酸鈣沉積作用時(shí)間5 d時(shí)，巖樣的滲透系數(shù)下降率似乎與水壓作用不大，水壓在0.2～0.6 MPa變動時(shí),巖樣的滲透系數(shù)下降率基本上在24%～30%波動；細(xì)菌誘導(dǎo)碳酸鈣沉積作用10 d及以上，水壓在0.2～0.5 MPa變化時(shí)，巖樣滲透系數(shù)下降率隨水壓增加而下降的趨勢非常明顯；當(dāng)水壓在0.5～0.6 MPa變動和細(xì)菌作用少于20 d，巖樣滲透系數(shù)的下降率并不明顯，其值基本在2%左右波動；細(xì)菌誘導(dǎo)碳酸鈣沉積作用30 d，水壓在0.2～0.6 MPa變化時(shí)，巖樣滲透系數(shù)下降率隨水壓增加而下降的趨勢亦非常明顯。

相同水壓下，隨細(xì)菌作用時(shí)間延長，巖樣的滲透系數(shù)下降率越大；水壓越小，細(xì)菌誘導(dǎo)碳酸鈣沉積時(shí)間越長，巖樣的滲透系數(shù)下降率越大，0.2 MPa的水壓下作用30 d時(shí)，滲透系數(shù)可下降78%，而0.6 MPa水壓下作用相同時(shí)間時(shí)，滲透系數(shù)下降率為 56%；說明細(xì)菌誘導(dǎo)碳酸鈣沉積可以降低裂隙巖樣的滲透系數(shù)，但由于碳酸鈣沉積物比較松散，水壓加大后會使其剝離巖樣表面，致使?jié)B透系數(shù)增大。

2.3 兩種細(xì)菌同時(shí)作用對裂隙巖石滲透系數(shù)的影響

選擇球形芽孢桿菌和銅綠假單胞菌復(fù)合菌液，用于球形芽孢桿菌相同的作用方式對裂隙巖樣進(jìn)行充填作用，測試其滲水量的變化，相應(yīng)的滲透系數(shù)結(jié)果見圖5，滲透系數(shù)下降率見表2。

圖5 球形芽孢桿菌和銅綠假單胞菌同時(shí)作用下巖樣滲透系數(shù)的變化

從圖中可以看出，采用注射法將兩種細(xì)菌同時(shí)作用填充巖樣裂隙，對巖樣滲透系數(shù)的影響規(guī)律與球形芽孢桿菌單獨(dú)作用時(shí)基本相同。區(qū)別在于0.2 MPa的水壓下作用30 d時(shí)，滲透系數(shù)下降57%，比單一細(xì)菌作用時(shí)少20%；而0.6 MPa水壓下作用相同時(shí)間時(shí)，滲透系數(shù)下降率為 28%，只有單一細(xì)菌作用時(shí)下降率的50%。這是由于這兩種細(xì)菌共同作用時(shí)，營養(yǎng)液需供給兩種細(xì)菌，兩種細(xì)菌生長繁殖受到一定影響，因而細(xì)菌數(shù)量均小于單一細(xì)菌生長時(shí)的細(xì)菌數(shù)量，而銅綠假單胞菌引發(fā)碳酸鈣沉淀的能力低于芽孢桿菌，所以當(dāng)這兩種細(xì)菌共同作用時(shí)，誘導(dǎo)碳酸鈣沉積的能力低于單一芽孢桿菌，相應(yīng)的裂隙巖石的滲透系數(shù)下降率也較小。

2.4 原油與細(xì)菌同時(shí)作用對裂隙巖石滲透系數(shù)的影響

向巖樣裂隙內(nèi)注入一定量的原油，再依次將培養(yǎng)好的球形芽孢桿菌菌液和營養(yǎng)液注入巖石裂隙內(nèi)，置于恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，并每隔4 h交替注射1次，分別在培養(yǎng)0、5、10、20和30 d時(shí)測試裂隙巖樣的滲水量，并根據(jù)式(1)計(jì)算巖樣滲透系數(shù)，結(jié)果見圖6。滲透系數(shù)下降率隨充填時(shí)間的變化見表3。

圖6 原油與球形芽孢桿菌同時(shí)作用下巖樣滲透系數(shù)的變化

從圖6和表3可以看出，注入原油的巖樣在細(xì)菌充填后，其滲透系數(shù)亦會隨充填時(shí)間的延長而減小。但是巖樣滲透系數(shù)的下降幅度要小很多。當(dāng)水壓為0.2 MPa時(shí)，滲透系數(shù)下降率最大約為35%，比單一細(xì)菌作用時(shí)少23%；而當(dāng)水壓增至0.6 MPa時(shí)，滲透系數(shù)下降率最大為28.5%左右，只有單一細(xì)菌作用時(shí)下降率的50%。

3 沉積物成分分析

將裂縫處沉積物取出烘干，觀察碳酸鈣沉積物為團(tuán)簇狀的絮狀物(見圖7)。

圖7 沉積物顯微圖片(×640)

磨成粉末后進(jìn)行X射線衍射(XRD)分析，其圖譜如圖8所示。由圖8可見，沉淀物粉末樣品中有方解石特征峰，主要衍射角2θ=23.0°、29.4°、35.9°、39.5°、43.1°、47.5°、48.5°、58.5°，分別對應(yīng)(012)、(104)、(110)、(113)、(202)、(018)、(116)、(122)晶面；另外還出現(xiàn)了球文石特征峰，主要衍射角2θ=20.9°、24.8°、27.0°、32.7°、43.8°、49.9°、55.7°，分別對應(yīng)(002)、(100)、(101)、(102)、(110)、(104)、(202)晶面。

圖8 沉積物的X射線衍射圖譜

4 結(jié) 論

本文利用細(xì)菌誘導(dǎo)碳酸鈣沉積作用填充巖石裂隙，研究單一細(xì)菌、兩種細(xì)菌同時(shí)作用對裂隙巖石滲透性的影響。結(jié)論如下：

(1) 球形芽孢桿菌使得裂隙巖石滲透系數(shù)隨著細(xì)菌作用時(shí)間延長逐漸降低。細(xì)菌誘導(dǎo)碳酸鈣填充裂隙30 d后，其滲水量下降約為55%～78%。而且隨著水壓的增大，裂隙巖石滲透系數(shù)下降幅度逐漸越小。

(2) 球形芽孢桿菌與銅綠假單胞菌同時(shí)作用使得裂隙巖石的滲透系數(shù)降低，而且作用時(shí)間越長，滲透系數(shù)越?。患?xì)菌作用30 d后，巖石的滲透系數(shù)下降約30%～60%。與單一芽孢桿菌作用比較，兩種細(xì)菌共同作用時(shí)巖石滲透系數(shù)下降率稍小。

(3) 相同作用時(shí)間段內(nèi)，球形芽孢桿菌與原油共同作用對巖石裂隙的填充效果明顯比單一芽孢桿菌作用或者兩種細(xì)菌共同作用時(shí)的效果差，即原油存在的條件下會對微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉積的填充作用產(chǎn)生抑制作用。

(4) 微生物誘導(dǎo)鈣離子沉積方法得到的沉積物主要是球文石和方解石。