周禹暄，胡俊，熊輝，林小淇，王志鑫，曾東靈

（1 海南大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，海南?？?570228； 2 海南省水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院，海南?？?570206）

0 引言

微生物是地表分布最廣泛的生命形式，其代謝活動(dòng)對地球礦物的溶解和沉積有重要影響。 在地球地質(zhì)演化的過程中，微生物生長代謝與地表礦物之間的相互作用普遍存在，在地球地質(zhì)史上部分大型碳酸鹽礦物也是由其控制、誘導(dǎo)而生成的。 微生物在誘發(fā)礦物沉淀的同時(shí)也控制其宏觀結(jié)構(gòu)、形貌和微觀組成。

微生物礦化是指在某些物理和化學(xué)條件下，生物有機(jī)物控制或影響溶液離子向固體礦物質(zhì)轉(zhuǎn)化的過程。微生物礦化是自然界廣泛存在的一種現(xiàn)象，具有過程溫和、綠色、條件物殊等特點(diǎn)，其形成的有機(jī)-無機(jī)復(fù)合材料具有優(yōu)越的機(jī)械性能，因此，有潛力發(fā)展為一種綠色建筑材料制備技術(shù)?；诖耍疚膶λ嗷牧?、鋼渣材料、砂土及鈣質(zhì)砂中的微生物礦化歷程分析研究，找出它們的變化規(guī)律與特性，為建筑工程中結(jié)構(gòu)裂紋裂縫的修復(fù)提供可靠依據(jù)。

1 自然界的微生物礦化

生物礦化即指生物大分子調(diào)整控制生物體使其產(chǎn)生無機(jī)礦物，此過程涉及到生物細(xì)胞、有機(jī)質(zhì)和代謝產(chǎn)物，明顯區(qū)別于正常礦化，廣泛存在于微生物、植物和動(dòng)物體內(nèi)。 生物圈中，生物總數(shù)的80%左右都是微生物，其數(shù)量最多、分布最廣，能夠誘導(dǎo)碳酸鹽、磷酸鹽、硫酸鹽、硫化物等礦物發(fā)生沉積。 在自然界中，微生物礦化是生物礦化的重要形式。 微生物在常規(guī)條件下利用環(huán)境中簡單、常見的組分，通過一系列節(jié)能、無污染的過程，對無機(jī)晶體的成核、形貌、尺寸等進(jìn)行調(diào)控，合成了有著獨(dú)特結(jié)構(gòu)和性能的材料，整個(gè)過程綠色、溫和，但耗時(shí)漫長。

珍珠、化石、羥基磷灰石等都是生物礦化的典型產(chǎn)物。 此類產(chǎn)物均通過有機(jī)質(zhì)的引導(dǎo)，按一定順序嚴(yán)格進(jìn)行組裝，具備出色的光學(xué)和力學(xué)性能，是合成材料無法比擬的。 生物礦化可以依據(jù)有機(jī)質(zhì)在礦化過程中的作用分為誘導(dǎo)礦化和控制礦化。 微生物誘導(dǎo)礦化的特征：礦物質(zhì)的形成由微生物形成的環(huán)境決定，是其活動(dòng)和代謝的副產(chǎn)物，在其誘導(dǎo)礦化中微生物的生理活動(dòng)起著重要作用。

微生物控制礦化的特征： 微生物細(xì)胞決定礦物質(zhì)形成的形態(tài)。 在其控制下形成的礦物溶解度較低、晶體結(jié)構(gòu)獨(dú)特且礦物中微量元素不平衡。 在控制礦化條件下，無論外部環(huán)境如何，微生物對礦物質(zhì)顆粒的成核及生長過程控制程度高[1]。 生物控制礦化通?？梢孕纬删哂蟹€(wěn)定結(jié)構(gòu)和高質(zhì)量特性的礦化產(chǎn)品。 如珍珠層、蛋殼、骨骼等。

2 水泥基材料中的微生物礦化

微生物礦化在水泥基材料中主要用于裂縫的主動(dòng)、被動(dòng)修復(fù)和表面缺陷修[2]。 早在2001 年，美國南達(dá)科他礦業(yè)理工學(xué)院Ramachandran 等就提出將微生物礦化作用應(yīng)用于混凝土裂縫的修復(fù)[3]，他們混合了沙子和細(xì)菌液體作為修補(bǔ)材料，并將之填充到混凝土的裂縫之中。 細(xì)菌在這些裂縫中會(huì)誘導(dǎo)碳酸鈣并沉積以密封裂縫，從而可以更好地恢復(fù)混凝土的剛度和強(qiáng)度。 該研究使用了一種能夠產(chǎn)生脲酶的細(xì)菌， 該細(xì)菌可以將尿素水解為CO32-和NH4+,然后CO32-與周圍溶液中的Ca2+反應(yīng)生成CaCO3沉淀，同時(shí)，在這個(gè)過程中細(xì)菌為CaCO3的沉積提供更多的成核位點(diǎn)。為了修復(fù)表面破裂的石灰石， 比利時(shí)根特大學(xué)的Dick 等人選用脲酶細(xì)菌，利用其誘導(dǎo)礦化生成礦化產(chǎn)物填充并膠結(jié)石灰石裂縫[4]，經(jīng)此法修復(fù)后的表面吸水性顯著降低，他們認(rèn)為,控制礦化的關(guān)鍵因素是脲酶細(xì)菌的極高負(fù)電勢以及高活性脲酶。 此前，Tittelboom 等人將硅凝膠（毛玻璃狀半透明顆粒）用作固載細(xì)菌的保護(hù)劑[5]，即便菌體在pH 較高的環(huán)境下，細(xì)菌的酶活性也能保持很高水平。將用硅凝膠固載后的細(xì)菌與其所需的養(yǎng)分和適當(dāng)?shù)拟}來源混合，然后注入混凝土裂縫當(dāng)中，經(jīng)過適宜的養(yǎng)護(hù)后，在裂紋區(qū)域會(huì)生成生物礦物質(zhì)，通過延長養(yǎng)護(hù)時(shí)間，礦物可填充裂縫，并最終完全修復(fù)寬度小于0.3mm 的裂縫。 在中國，Qian 等人選擇碳酸鹽礦化細(xì)菌[6]，通過酶促反應(yīng)降解基質(zhì)，產(chǎn)生CO32-并及時(shí)引入Ca2+，并在細(xì)菌和營養(yǎng)液中浸泡水泥石標(biāo)本，或?qū)⑵渫磕ㄓ跇悠繁砻媸贡砻娉练e一層硬質(zhì)且致密的碳酸鈣保護(hù)層。 除此以外還有另一發(fā)現(xiàn)，礦化和沉積的兩個(gè)關(guān)鍵因素是Ca2+濃度和細(xì)菌活性[7]。 王瑞興和錢春香還將離心分離后菌株的濕細(xì)胞與瓊脂、尿素、砂及Ca 源按一定比例混合[8]，攪拌混和成漿液，并將制成的漿液注到水泥石裂縫中。 如若環(huán)境合適，此菌株會(huì)發(fā)生酶水解，在沙顆粒間隙中逐步發(fā)生礦化作用生成礦化產(chǎn)物（CaCO3），最終使得沙粒填充、固定于裂縫中，修復(fù)了水泥石裂縫。 山東建筑大學(xué)的侯宏濤等學(xué)者把鈣源、尿素和巴氏芽孢桿菌的混合溶液用于裂縫修復(fù)中[9]，通過裂縫表面涂層和灌漿的方法，對某滲漏工程進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)，結(jié)果表明裂縫得到了成功有效的修復(fù)。

荷蘭代爾夫特理工學(xué)院的Jonkers 和Schlangen 提出微生物自修復(fù)混凝土設(shè)計(jì)這一先進(jìn)理念[10]。 此技術(shù)是在攪拌過程中，把耐堿芽孢桿菌和適用于該細(xì)菌的專用底物（作為細(xì)菌食物）預(yù)先添加到混凝土中。 若混凝土中存在開裂現(xiàn)象，混凝土中便會(huì)接觸到水和氧氣，激活細(xì)菌使其脫離休眠狀態(tài)，并將預(yù)添加到混凝土中的基質(zhì)通過一連串的生化反應(yīng)轉(zhuǎn)化為CaCO3，使之沉積于裂縫中，以達(dá)成裂縫的自我修復(fù)。 基于該技術(shù)還提出了新的方法，其機(jī)理是使有機(jī)酸鈣被細(xì)菌的有氧呼吸所代謝、分解，使之生成Ca-CO3沉淀和CO2， 生成的CO2在混凝土環(huán)境中會(huì)繼續(xù)與Ca（OH）2發(fā)生反應(yīng),產(chǎn)生更多的CaCO3沉淀。 錢春香研究小組的學(xué)者們選用了一類從土壤中提取獲得的兼性好氧菌，并利用該細(xì)菌對混凝土裂縫微生物自修復(fù)機(jī)理展開研究[11-12]，讓細(xì)菌在溶液中發(fā)生礦化反應(yīng)。 通過試驗(yàn)，驗(yàn)證了方解石是在有氧環(huán)境條件下沉積出來的。 他們認(rèn)為在水泥石裂縫中，Ca（OH）2與細(xì)菌分解底物產(chǎn)生的局部富集的CO2發(fā)生反應(yīng)生成CaCO3是礦化進(jìn)展的關(guān)鍵，將此過程與微生物從底物直接產(chǎn)生碳酸鈣過程來比較，由其引起的礦化和沉積效果更為明顯。 他們還提出另一種利用了細(xì)菌特殊的酶學(xué)性質(zhì)有效促進(jìn)H2O+CO2?HCO3-+H+過程的方法[13-14]，在堿性條件下，反應(yīng)OH-+HCO3-=CO32-+H2O 發(fā)生迅速，環(huán)境中生成的CO32-不斷螯合Ca2+，形成CaCO3沉淀。 這種細(xì)菌具有很高的酶促水解效率，碳酸鈣快速沉積，在整個(gè)反應(yīng)過程中沒有NH3或其他污染物，并且對環(huán)境友好。 深圳大學(xué)Zhang 等使用高通量方法挑選出一株芽孢桿菌[15]，此菌株在pH 為9.5～11.0 的區(qū)間內(nèi)能使碳酸鈣沉積活性維持在較高水平。 為了克服微生物在氧氣有限的情況下碳酸鈣沉積活性較低的問題， 他們利用質(zhì)量比為1∶9 的乳酸和過氧化鈣制成了可以控制的氧氣釋放片，并且通過加入芽孢桿菌可以做到結(jié)構(gòu)自修復(fù)，當(dāng)接觸到水時(shí)，被控制的氧氣釋放片可以穩(wěn)定供給氧氣，能夠促進(jìn)碳酸鈣沉積過程，有助于在混凝土深處的裂縫自我修復(fù)。

大量研究成果表明，將微生物礦化應(yīng)用于水泥基材料中是行得通的，此法能夠有效提高混凝土裂縫自修復(fù)能力，并降低裂縫對水的滲透性，在結(jié)構(gòu)的耐久性能方面做了顯著提高，減少了用來維護(hù)結(jié)構(gòu)的成本。 并且，用以修復(fù)裂縫的碳酸鈣產(chǎn)物對環(huán)境友好。

3 鋼渣材料中的微生物礦化

在煉制鋼的過程中鋼渣的排放量很大，迄今為止還不能做到有效利用。 鋼渣的累積使有限的土地被占據(jù)，也造成了資源的過度浪費(fèi)。 一方面，存在于鋼渣中的膠結(jié)礦物可以用來制備建筑材料，但是其低活性會(huì)導(dǎo)致鋼渣的水合速率變得緩慢，難以充分利用；另一方面，由于其包含游離氧化鈣和游離氧化鎂，當(dāng)用作建筑材料時(shí)，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性問題有嚴(yán)重的安全隱患。 鋼渣中有大量的鈣、 鎂礦物， 其與CO2反應(yīng)能生成穩(wěn)定的CaCO3和MgCO3沉積物，在排除其他干擾條件情況下，從理論上說可以使原料對二氧化碳的需求達(dá)標(biāo)，有良好的發(fā)展前景。 現(xiàn)階段，對于碳化養(yǎng)護(hù)鋼渣膠凝材料產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝要求非常嚴(yán)格、生產(chǎn)成本較高、體積穩(wěn)定性差。

目前，東南大學(xué)錢春香研究小組為有效處理因?yàn)橛坞x的MgO和CaO 的存在而引起鋼渣體積穩(wěn)定性降低的難題，創(chuàng)新性提出微生物礦化技術(shù)制備鋼渣膠凝材料的新技術(shù)，即向鋼渣中添加加快礦化能力的微生物，通過微生物誘導(dǎo)的方式生成納米級(jí)的粗糙礦化產(chǎn)物，填補(bǔ)鋼渣孔隙形成更細(xì)密的結(jié)構(gòu)。 此技術(shù)提高了鋼渣中含鈣、含鎂礦物的離子釋放量，在生物礦化作用下將其轉(zhuǎn)變?yōu)槟z凝性生物碳酸鹽，實(shí)現(xiàn)了對鋼渣中鎂和鈣的有效和穩(wěn)定的利用[16]。

4 砂土中的微生物礦化

微生物誘導(dǎo)礦化MICP （Microbial induced Calcite Precipitation）即利用微生物能夠在介質(zhì)孔隙中運(yùn)動(dòng)、生長并繁殖的特性，產(chǎn)生脲酶并分解周圍環(huán)境中尿素生成CO32-， 再向溶液中適量補(bǔ)充鈣離子源，誘導(dǎo)生成具有填充、膠結(jié)作用的CaCO3。 微生物礦化在砂土中主要用于淺、深層膠結(jié)兩類。 為研究微生物礦化在淺層膠結(jié)中的應(yīng)用， 東南大學(xué)錢春香等篩選、 培育了一類新的微生物，利用CO2礦化沉積具有膠凝作用的碳酸鹽礦物，研發(fā)制備出了一種用于沙漠、揚(yáng)塵治理等淺層固結(jié)[17]的新型捕碳微生物水泥。 深層膠結(jié)主要是指對地基進(jìn)行生態(tài)加固，美國南達(dá)科他礦業(yè)理工學(xué)院的Ferris 等人[18]于1992 年為探究一種新固砂工藝，首次將MICP 技術(shù)生成的碳酸鈣作為添加劑來膠結(jié)材料，成功加固了松砂， 并利用CT 掃描分析了MICP 膠結(jié)前后的分布情況和孔隙特征，分析發(fā)現(xiàn)砂土孔隙率在被碳酸鈣膠結(jié)后下降明顯，超過了50%，此法膠結(jié)加固效果顯著。后來，更多的學(xué)者將注意力集中在生物碳酸鈣上， 并且對MICP 應(yīng)用于砂土膠結(jié)領(lǐng)域做了深入研究。 為進(jìn)一步研究生物碳酸鈣， 荷蘭代爾夫特理工大學(xué)的學(xué)者Whiffin[19]于2004 年開展了對有關(guān)生物碳酸鈣膠砂的研究實(shí)驗(yàn)，在松散的砂體中填充微生物水泥（CaCO3），試驗(yàn)后得到的水泥砂柱抗剪強(qiáng)度在1.8MPa 以上。 加利福尼亞大學(xué)的Dejong 等人[20]判斷影響生物碳酸鈣膠結(jié)有兩個(gè)因素，包括土壤中含有的礦物類型和孔隙中溶液的濃度，并對這兩因素的影響做了深入研究，試驗(yàn)結(jié)果表明， 生物碳酸鈣可以膠結(jié)富含CaCO3、MgO2、SiO2的砂質(zhì)土壤，對孔隙溶液濃度這一因素進(jìn)行分析，其濃度越高，砂土固結(jié)越有效。

東南大學(xué)錢春香等人[21]通過微生物方法沉積碳酸鈣，在中國率先開展了微生物水泥研究，特別是對微生物水泥膠結(jié)物的分布和各種尺寸的研究，已經(jīng)建立了與微生物水泥膠結(jié)的疏松砂粒的數(shù)學(xué)模型，該數(shù)學(xué)模型可以預(yù)測膠結(jié)體在不同條件和尺寸下的性能。 此外，研究小組[22-23]還對微生物的礦化進(jìn)行了研究，并發(fā)現(xiàn)了可在特定環(huán)境中誘導(dǎo)新礦物質(zhì)的磷酸鹽礦化微生物，這種新生成的礦物質(zhì)具有膠凝性。 清華大學(xué)的程曉輝等人[24]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)少量的微生物和養(yǎng)分被倒入砂柱中時(shí)，在短時(shí)間內(nèi)就能在砂柱內(nèi)部生成碳酸鈣， 固化后的砂柱在承受10 次以上載荷后還未發(fā)生加載液化破壞， 并對用微生物灌漿法加固砂的抗液化性能方面做了檢測。 西南科技大學(xué)的黃琰等人[25]應(yīng)用單因素方法，用巴式芽孢桿菌處理介質(zhì)，并通過其處理前后的溶液質(zhì)量分析和比較，對不同試驗(yàn)條件和外部環(huán)境下微生物誘導(dǎo)方解石沉積的效果進(jìn)行研究。

5 鈣質(zhì)砂中的微生物礦化

目前，國家正在大力推動(dòng)南海島礁工程建設(shè)，南海的島礁基本上由礁灰?guī)r和鈣質(zhì)砂構(gòu)成，而鈣質(zhì)砂多孔隙、易破碎，力學(xué)性能較差，將微生物礦化用于鈣質(zhì)砂中以改善其強(qiáng)度等力學(xué)性質(zhì)作為一種新型技術(shù)手段已被建筑結(jié)構(gòu)專家和學(xué)者關(guān)注。 劉漢龍等[26]依據(jù)對加固后鈣質(zhì)砂樣進(jìn)行抗拉、壓、剪試驗(yàn)的結(jié)果，得出MICP 技術(shù)能夠?qū)︹}質(zhì)砂進(jìn)行有效的膠結(jié)， 使其強(qiáng)度和抗液化性得以提升，并在開展現(xiàn)場試驗(yàn)的基礎(chǔ)上驗(yàn)證了該技術(shù)的可行性。 鄭俊杰等[27]通過研究MICP 膠結(jié)鈣質(zhì)砂的強(qiáng)度離散性，發(fā)現(xiàn)膠結(jié)水平越高，強(qiáng)度及離散性也越高，離散性與鈣質(zhì)砂土骨架的差異和碳酸鈣分布是否均勻息息相關(guān)。 崔明娟等[28]針對碳酸鈣分布均勻性的問題展開研究，通過改變菌液注射方式，發(fā)現(xiàn)采用純-混菌液注射方式能獲得較高的碳酸鈣含量，其分布均勻性也更佳。董博文等[29]針對NH4+難以回收的問題提出改進(jìn)技術(shù)， 使NH4+發(fā)生反應(yīng)生成礦化產(chǎn)物（鳥糞石），從而在加固鈣質(zhì)砂的基礎(chǔ)上減少了對環(huán)境的危害。

6 結(jié)語

“微生物礦化技術(shù)”作為一個(gè)新的研究方向，由于其綠色天然、環(huán)保、對原位土擾動(dòng)小等特點(diǎn)而得到廣泛關(guān)注，正被世界各國所提倡。 由于影響微生物礦化作用的因素眾多（如反應(yīng)物及產(chǎn)物的濃度、反應(yīng)溫度、其他離子濃度和催化劑等），故需深入研究各因素對其的影響效果，找出最適宜參數(shù)，把如何克服加固不均勻的問題作為當(dāng)前研究的重點(diǎn)。 本文淺析了砂土材料、水泥基材料、鋼渣材料及鈣質(zhì)砂等建筑材料的微生物礦化歷程，為今后在該領(lǐng)域進(jìn)一步深入研究及工程運(yùn)用中對建筑結(jié)構(gòu)的修復(fù)提供了參考依據(jù)。