鄧溫妮 吳智威

(東南大學(xué)土木工程學(xué)院， 南京 211189)

地震災(zāi)害通常會(huì)引發(fā)一系列液化震害，不僅使地基失穩(wěn)、建筑物破壞，還會(huì)對(duì)災(zāi)后救援造成嚴(yán)重影響[1].我國(guó)地處環(huán)太平洋地震帶和歐亞地震帶之間，是一個(gè)地震多發(fā)國(guó)家.目前，我國(guó)處理可液化地基的方法主要有擠密砂樁法、碎石樁法、強(qiáng)夯法、注漿法、深層攪拌法、旋噴法等[2].但這些傳統(tǒng)方法往往成本較高且只能用在新建項(xiàng)目地基中，既有建筑地基的抗液化處理仍是一項(xiàng)重大難題.

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者嘗試將微生物技術(shù)用于處理可液化地基，該技術(shù)可利用微生物礦化作用誘導(dǎo)生成碳酸鈣等沉積膠結(jié)土體材料，從而提高土體強(qiáng)度和抗液化能力[3]；或利用微生物產(chǎn)氣降低土體飽和度，進(jìn)而提高土體抗液化強(qiáng)度[4].目前已有不少研究人員對(duì)土體降飽和后的抗液化能力進(jìn)行研究.Chaney[5]研究表明，當(dāng)飽和度下降到90%時(shí)，土體抗液化強(qiáng)度可達(dá)飽和試樣的2倍.Yoshimi等[6]通過(guò)扭剪試驗(yàn)測(cè)定不同飽和度下試樣的抗液化強(qiáng)度，結(jié)果表明當(dāng)飽和度降低到70%時(shí)，其抗液化強(qiáng)度為飽和土樣的3倍.Xia等[7]和Okamura等[8]對(duì)完全飽和砂土進(jìn)行液化分析試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在飽和砂土中僅引入少量氣體可以顯著提高抗液化強(qiáng)度.

Rebata-Landa等[12]開展不同土壤類型條件脫氮副球菌的產(chǎn)氣能力試驗(yàn)，并研究了氮?dú)鈿馀輰?duì)土體力學(xué)特性的影響，研究指出土體中細(xì)粒含量越高，氮?dú)猱a(chǎn)生越早，能更好地保留在土體孔隙中，且提高了砂土在循環(huán)荷載下的抗液化能力.Wang等[13-14]研究微生物氣泡對(duì)級(jí)配不良砂土的力學(xué)性能影響，三軸試驗(yàn)結(jié)果表明微生物氣泡能有效減少孔隙壓力積累.He[15]對(duì)脫氮假單胞菌開展脫氮能力和產(chǎn)氣效能的研究，并通過(guò)三軸試驗(yàn)表明，隨著飽和度降低，砂土試樣剪切強(qiáng)度提高.He等[16]開展三軸試驗(yàn)和振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，證明反硝化微生物產(chǎn)氮?dú)馀萁档蜕巴溜柡投?，可有效提高土體抗液化能力，當(dāng)砂土的飽和度降低到95%以下時(shí)，砂土發(fā)生液化的可能性大大降低.Peng等[17]通過(guò)調(diào)整氮源濃度控制施氏假單胞菌反硝化反應(yīng)的產(chǎn)氣量，結(jié)果表明土體飽和度和硝酸根濃度成良好冪函數(shù)關(guān)系，并通過(guò)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究和驗(yàn)證了微生物氣泡處理可液化砂土模型地基的效果.彭爾興等[18]對(duì)施氏假單胞菌反硝化反應(yīng)影響因素和產(chǎn)氣效能開展了初步研究.但Li[19]研究指出，在滲流條件下，微生物反硝化反應(yīng)產(chǎn)生的氣泡并不穩(wěn)定，土體飽和度隨著滲流作用逐漸升高，降飽和效果較差.

因此，為了使得微生物氣泡法降飽和度方法能夠得到更好的應(yīng)用，亟需尋找提高微生物氣泡在土體中穩(wěn)定性的方法.表面活性劑能有效降低氣泡表面張力，起到穩(wěn)定氣泡作用[20]，但表面活性劑對(duì)微生物反硝化反應(yīng)有何影響尚不明確.本文選用對(duì)產(chǎn)氣性能無(wú)不良影響的表面活性劑，開展在溫度、反應(yīng)液pH值、微生物菌種濃度、氮源濃度、表面活性劑種類和摻量等因素下施氏假單胞菌產(chǎn)氣性能試驗(yàn)研究，明確施氏假單胞菌產(chǎn)氣降低土體飽和度的效果和適用條件，并給出控制飽和度的方法.

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

施氏假單胞菌采購(gòu)于德國(guó)微生物菌種保藏中心(DSMZ, 編號(hào)5190).菌種增殖培養(yǎng)基為L(zhǎng)uria-Bertani(LB)培養(yǎng)基，組分為酵母提取物5 g、胰蛋白胨10 g、NaCl 10 g，混合加入去離子水定容至1 L，攪拌均勻后呈透明淡黃色.反硝化培養(yǎng)基組分MgSO4·7H2O為0.2 g、K2HPO4為1 g、Na3C6H5O7為5 g(碳源)、KNO3分別為1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 g(氮源)，混合加入去離子水定容至1 L，攪拌均勻后呈無(wú)色透明.

試驗(yàn)用砂來(lái)自江蘇南京某沙場(chǎng)，對(duì)其進(jìn)行顆粒分析和比重試驗(yàn)，該砂土的相對(duì)密度為2.65，曲線見圖1，砂土有效粒徑d10、中值粒徑d30、限制粒徑d60分別為0.23、0.36、0.61 mm，不均勻系數(shù)Cu為2.65，曲率系數(shù)Cc為0.92.根據(jù)《土的工程分類標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50145—2007)[21]，該砂粒為級(jí)配不良砂.

圖1 粒徑分布曲線

選用4種具有代表性的表面活性劑：松香酸鈉、三萜皂苷、十二烷基苯磺酸鈉、脂肪醇聚氧乙烯醚，其優(yōu)缺點(diǎn)見表1.

表1 表面活性劑優(yōu)缺點(diǎn)

1.2 試驗(yàn)方法與內(nèi)容

使用LB培養(yǎng)基對(duì)施氏假單胞菌進(jìn)行培育繁殖，對(duì)菌種進(jìn)行平板劃線提純，并測(cè)定其生長(zhǎng)曲線，得出其生長(zhǎng)對(duì)數(shù)期時(shí)間，為后續(xù)試驗(yàn)提供優(yōu)質(zhì)菌種.試驗(yàn)過(guò)程如下：① 取適量對(duì)數(shù)期的菌液置于離心管中，使用離心機(jī)以5 000 r/min的速度離心5 min；② 離心結(jié)束后，去除上清液得到菌泥，將其與適量的反硝化培養(yǎng)基混合，調(diào)整菌液至所需光密度OD600；③ 以試樣體積為10 mL、孔隙比為0.5配置所需砂量，裝入20 mL的注射器中，并加入適量已配置完成的菌液，推動(dòng)注射器活塞至10 mL處；④ 注射器活塞段使用502膠水密封并固定，注射器口端連接醫(yī)用PVC軟管，PVC軟管另一頭接在2 mL玻璃移液管口，各連接處用502膠水粘接并使用止水帶纏繞以保證其密閉性，PVC軟管及玻璃移液管細(xì)口端部均由液化石蠟填充(見圖2)；⑤ 將試樣放置在恒溫培養(yǎng)箱中，記錄液化石蠟端部在玻璃移液管上對(duì)應(yīng)的刻度.待微生物產(chǎn)氣后，每2 h記錄一次液化石蠟端部對(duì)應(yīng)的刻度，待石蠟液面停止變化，結(jié)束試驗(yàn)，記錄最終刻度.

圖2 試驗(yàn)裝置示意圖

本試驗(yàn)探究施氏假單胞菌在6個(gè)因素影響下的產(chǎn)氣性能，每個(gè)因素5個(gè)水平，若進(jìn)行全面試驗(yàn)需要56=15 625組，為減少試驗(yàn)規(guī)模，設(shè)計(jì)了正交試驗(yàn)方案(見表2).其中，反硝化培養(yǎng)基初始pH值為7.6左右，通過(guò)滴入鹽酸或氫氧化鈉調(diào)節(jié)至各組別所需pH值，由pH測(cè)量計(jì)測(cè)定；菌液光密度OD600通過(guò)分光光度計(jì)測(cè)定.每組試樣進(jìn)行3個(gè)重復(fù)組以保證結(jié)果準(zhǔn)確.分析試驗(yàn)結(jié)果得出影響施氏假單胞菌產(chǎn)氣性能的主要因素，確定各影響因素的最優(yōu)水平，再單獨(dú)考慮各因素進(jìn)行試驗(yàn)，得出各因素產(chǎn)氣曲線，分析各因素對(duì)產(chǎn)氣性能的影響原因.

表2 正交試驗(yàn)方案

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 施氏假單胞菌培育

施氏假單胞菌多次平板劃線分離純化，微生物隨著多次劃線逐漸減少分散，在固體培養(yǎng)基上形成單一菌落形態(tài)，取出施氏假單胞菌菌落進(jìn)行繁殖，并測(cè)定其生長(zhǎng)曲線，見圖3.施氏假單胞菌的生長(zhǎng)對(duì)數(shù)期約在1～8 h，培育8 h后進(jìn)入生長(zhǎng)平臺(tái)期，后續(xù)試驗(yàn)使用對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期內(nèi)的菌種.

圖3 施氏假單胞菌生長(zhǎng)曲線

2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果

采用表2試驗(yàn)方案進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)得各組別施氏假單胞菌產(chǎn)氣的停滯時(shí)間(試樣放入培養(yǎng)箱至玻璃移液管刻度開始變化所需時(shí)間)、產(chǎn)氣時(shí)間(玻璃移液管刻度開始變化到停止變化所用時(shí)間)、產(chǎn)氣量，結(jié)果見表3.計(jì)算各因素對(duì)產(chǎn)氣性能的綜合平均值和極差，判斷影響施氏假單胞菌產(chǎn)氣性能的主要影響因素，具體計(jì)算方法如下：

(1)

(2)

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果

表4 各因素關(guān)于停滯時(shí)間的綜合平均值和極差

表5 各因素關(guān)于產(chǎn)氣時(shí)間的綜合平均值和極差

表6 各因素關(guān)于產(chǎn)氣量的綜合平均值和極差

表7 各因素關(guān)于產(chǎn)氣速率的綜合平均值和極差

2.3 溫度影響

本節(jié)除溫度為變量外，其他因素分別確定為：pH=8，OD600=0.10，氮源質(zhì)量濃度2.0 g/L，不添加表面活性劑.圖4(a)、(b)分別為不同溫度下產(chǎn)氣量和飽和度隨時(shí)間變化曲線圖，試樣飽和度Sr=(1-Vg/Vl)，Vg為產(chǎn)氣量、Vl為試樣中菌液體積.由圖可知，在4～30 ℃均能順利產(chǎn)氣，并且產(chǎn)氣量隨溫度升高而增加，產(chǎn)氣時(shí)間隨溫度升高而減少.

(a) 產(chǎn)氣曲線

由圖4(c)可知，每組試樣均存在停滯時(shí)間，溫度越低停滯時(shí)間越長(zhǎng)，在4 ℃時(shí)停滯時(shí)間達(dá)148 h，而在30 ℃時(shí)停滯時(shí)間僅有62 h，但當(dāng)溫度達(dá)到20 ℃后，溫度增長(zhǎng)對(duì)停滯時(shí)間影響并不明顯.其原因有2點(diǎn)：① 由于施氏假單胞菌屬于兼性厭氧細(xì)菌，在試驗(yàn)初期，砂土中反應(yīng)液存在少量溶解氧，該菌會(huì)先進(jìn)行有氧呼吸作用，再開始反硝化反應(yīng)；② 過(guò)低的溫度會(huì)抑制微生物生長(zhǎng)代謝活動(dòng)，降低反硝化反應(yīng)所需酶類活性.

該菌的平均反硝化反應(yīng)速率為總產(chǎn)氣量與總產(chǎn)氣時(shí)間之比，結(jié)果如圖4(d)所示.溫度對(duì)產(chǎn)氣速率影響十分明顯，溫度為30 ℃時(shí)，產(chǎn)氣速率達(dá)到0.035 mL/h；而溫度為4 ℃時(shí)，產(chǎn)氣速率僅為0.007 mL/h，二者相差達(dá)到5倍.

2.4 pH影響

(a) 產(chǎn)氣曲線

2.5 微生物濃度影響

本節(jié)除微生物濃度為變量外，其他因素分別確定為：溫度20 ℃，pH=8，氮源質(zhì)量濃度2.0 g/L，不添加表面活性劑.圖6(a)為施氏假單胞菌在不同初始濃度下產(chǎn)氣量隨時(shí)間變化曲線.初始菌液光密度OD600在0.01～0.20內(nèi)均能產(chǎn)氣，當(dāng)菌液濃度過(guò)低或過(guò)高時(shí)，最終產(chǎn)氣量略低.OD600=0.10時(shí)，產(chǎn)氣量達(dá)到最高.由圖6(b)可知，試樣飽和度最終降低至80%～85%之間，菌液濃度對(duì)降飽和度效果影響不大，但對(duì)產(chǎn)氣時(shí)間有一定影響，在OD600=0.10時(shí)降飽和度完成時(shí)間最短，僅為35 h.

由圖6(c)、(d)可知，當(dāng)微生物濃度逐漸升高時(shí)，停滯時(shí)間和產(chǎn)氣速率都呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，在OD600=0.10時(shí)停滯時(shí)間達(dá)到最短，反應(yīng)速率達(dá)到最大.原因在于：在確定的反應(yīng)物內(nèi)，存在一個(gè)微生物量飽和值.當(dāng)加入的微生物量遠(yuǎn)低于該值，微生物整體活性相對(duì)較低，代謝反應(yīng)效率較差.

(a) 產(chǎn)氣曲線

當(dāng)不斷增加微生物量，微生物活性及代謝效率不斷提高，但超過(guò)該飽和值后繼續(xù)添加，會(huì)導(dǎo)致反硝化過(guò)程所需組分不足，微生物之間產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)，進(jìn)而使微生物代謝效率和活性下降.

2.6 氮源濃度影響

本節(jié)除氮源質(zhì)量濃度為變量外，其他因素分別確定為：溫度20 ℃，pH=8，OD600=0.10，不添加表面活性劑.圖7(a)、(b)分別為施氏假單胞菌在不同氮源濃度下產(chǎn)氣量和飽和度隨時(shí)間變化曲線，可見氮源質(zhì)量濃度直接影響降飽和度效果和最終產(chǎn)氣量，但對(duì)產(chǎn)氣時(shí)間影響較小，各試樣完成降飽和度的時(shí)間在50～62 h之間.硝酸鉀質(zhì)量濃度為1.0 g/L時(shí)，飽和度下降至95%，而當(dāng)硝酸鉀質(zhì)量濃度增加到3.0 g/L時(shí)，飽和度下降至75%；硝酸鉀質(zhì)量濃度在1.5、2.0、2.5、3.0 g/L時(shí)，產(chǎn)氣量分別是硝酸鉀質(zhì)量濃度1.0 g/L時(shí)的3.3、4.0、4.3、5.3倍.雖然氮源質(zhì)量濃度與產(chǎn)氣量之間呈非線性關(guān)系，但對(duì)5組試樣的碳氮質(zhì)量比與產(chǎn)氣量進(jìn)行擬合分析，發(fā)現(xiàn)兩者成線性關(guān)系(見圖8)，文獻(xiàn)[25]也證實(shí)這一關(guān)系.因此在固定碳源情況下，可通過(guò)控制氮源濃度調(diào)節(jié)碳氮質(zhì)量比，進(jìn)而控制最終產(chǎn)氣量，達(dá)到所需飽和度.

(a) 產(chǎn)氣曲線

圖8 碳氮質(zhì)量比與產(chǎn)氣量擬合線

從圖7(c)可知，氮源濃度對(duì)停滯時(shí)間沒有明顯影響，這表明在其他因素一致的情況下，菌液在開始反硝化反應(yīng)前的生長(zhǎng)代謝活動(dòng)消耗時(shí)間基本一致.由圖7(d)知，當(dāng)硝酸鉀質(zhì)量濃度為1.0 g/L時(shí)，反應(yīng)速率遠(yuǎn)低于其他幾組試樣.因?yàn)榉聪趸⑸镞€原硝酸根的過(guò)程受碳氮質(zhì)量比的影響[26]，本文中碳源濃度是固定的，硝酸鉀濃度過(guò)低，導(dǎo)致碳氮質(zhì)量比過(guò)大，抑制反硝化過(guò)程各種還原酶產(chǎn)生，使得反硝化過(guò)程不能順利進(jìn)行.

2.7 表面活性劑種類影響

本節(jié)除表面活性劑種類為變量外，其他因素分別確定為：溫度20 ℃，pH=8，OD600=0.10，氮源質(zhì)量濃度2.0 g/L，表面活性劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.3%.圖9(a)、(b)分別為不同表面活性劑下產(chǎn)氣量和飽和度隨時(shí)間變化曲線.通過(guò)與無(wú)添加對(duì)照組對(duì)比可知，松香酸鈉對(duì)最終產(chǎn)氣量不會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響，但其他幾類表面活性劑對(duì)最終產(chǎn)氣量存在一定抑制作用，進(jìn)而影響降飽和度效果.這可能是由于這幾類表面活性劑中的有機(jī)物能成為反硝化微生物的電子供體(碳源)，從而改變了碳氮質(zhì)量比.由2.6節(jié)可知，碳氮質(zhì)量比影響最終產(chǎn)氣量.摻入表面活性劑相當(dāng)于增加碳源，使碳氮質(zhì)量比變大，導(dǎo)致產(chǎn)氣量下降.試樣完成降飽和度時(shí)間基本一致，幾乎不受表面活性劑影響.

圖9(c)、(d)表明各類表面活性劑對(duì)停滯時(shí)間影響較小.松香酸鈉對(duì)產(chǎn)氣速率有一定提高，而其他幾種表面活性劑則會(huì)限制產(chǎn)氣速率.綜上所述，可以選用松香酸鈉作為提高氣泡穩(wěn)定性的表面活性劑.

(a) 產(chǎn)氣曲線

(d) 平均產(chǎn)氣速率

2.8 表面活性劑摻量影響

本節(jié)除表面活性劑摻量為變量外，其他因素分別確定為：溫度20 ℃，pH=8，OD600=0.10，氮源硝酸鉀質(zhì)量濃度2.0 g/L，表面活性劑選用松香酸鈉.圖10(a)、(b)分別為施氏假單胞菌在不同表面活性劑摻量下產(chǎn)氣量和飽和度隨時(shí)間變化曲線.由圖可知，表面活性劑的摻量對(duì)最終產(chǎn)氣量、降低飽和度和產(chǎn)氣時(shí)間影響較小.

(a) 產(chǎn)氣曲線

圖10(c)、(d)表明表面活性劑摻量對(duì)停滯時(shí)間影響較小，最大差值僅為6 h.平均產(chǎn)氣速率隨表面活性劑摻量先增大后減小，當(dāng)表面活性劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%時(shí)，平均產(chǎn)氣速率最大.綜上所述，表面活性劑摻量對(duì)施氏假單胞菌產(chǎn)氣性能整體影響不大，但表面活性劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%時(shí)平均產(chǎn)氣速率最優(yōu)，停滯時(shí)間與其他組別基本一致，故最優(yōu)表面活性劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)可選為0.3%.

3 結(jié)論

1) 施氏假單胞菌的產(chǎn)氣速率和停滯時(shí)間主要受溫度、pH值和微生物濃度影響.溫度環(huán)境處于4～30 ℃內(nèi)，產(chǎn)氣性能隨溫度升高而提高，30 ℃時(shí)產(chǎn)氣速率是4 ℃時(shí)的5倍；pH值在7～9時(shí)停滯時(shí)間明顯少于酸性環(huán)境，pH=9時(shí)停滯時(shí)間較pH=5時(shí)減少53 h；產(chǎn)氣性能隨微生物濃度升高先增大后減小，微生物光密度OD600最優(yōu)值為0.10，產(chǎn)氣時(shí)間僅為35 h.

2) 氮源濃度是影響施氏假單胞菌總產(chǎn)氣量和降飽和度效果的最主要因素.氮源質(zhì)量濃度在3.0 g/L時(shí)產(chǎn)氣量是氮源質(zhì)量濃度1.0 g/L時(shí)的5.3倍，產(chǎn)氣量與氮源濃度成非線性關(guān)系，但與碳氮質(zhì)量比成線性關(guān)系.

3) 4種表面活性劑中，三萜皂苷、十二烷基苯磺酸鈉和脂肪醇聚氧乙烯醚均對(duì)產(chǎn)氣速率有一定抑制，而松香酸鈉對(duì)產(chǎn)氣性能有一定提高.為提高氣泡穩(wěn)定且不影響施氏假單胞菌產(chǎn)氣過(guò)程，選用松香酸鈉作為表面活性劑，且質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%為宜.