肖 海 胡 歡 呂廣柳 張文琪 朱志恩 向 瑞 楊悅舒 夏振堯 旺 杰

(1. 三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(三峽大學(xué))， 湖北 宜昌 443002； 2. 三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部工程研究中心， 湖北 宜昌 443002； 3. 西藏自治區(qū)水利電力規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院， 拉薩 850000)

工程建設(shè)過程中常常遇到土壤承載力不足問題，傳統(tǒng)方法常采用夯實(shí)法、換填法、化學(xué)灌漿法等對(duì)土壤進(jìn)行加固．這些方法往往能耗高、造價(jià)大、存在應(yīng)用局限性以及對(duì)周邊環(huán)境存在一定不利影響[1-3]，并可能造成一定環(huán)境污染，也與我國(guó)當(dāng)前提倡的節(jié)能減排、生態(tài)環(huán)保的發(fā)展理念相悖．因此，近年來微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀(microbial induced calcite precipitation, MICP)技術(shù)因其施工方法簡(jiǎn)便，效率高，成本低，對(duì)環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛關(guān)注[4]．MICP技術(shù)是利用一些特定的微生物(如脲酶菌、反硝化細(xì)菌)，通過為之提供豐富的鈣源及氮源的營(yíng)養(yǎng)鹽，快速析出具有優(yōu)異膠結(jié)作用的方解石型碳酸鈣結(jié)晶[5]．在知網(wǎng)和Web and Science中進(jìn)行主題“微生物固土”或關(guān)鍵詞“MICP”或關(guān)鍵詞“微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀”并勾選“中英文擴(kuò)展”進(jìn)行精確檢索，發(fā)現(xiàn)目前有學(xué)術(shù)期刊論文700余篇(如圖1所示)．

圖1 微生物固土相關(guān)論文發(fā)表數(shù)量隨時(shí)間變化趨勢(shì)

可見，在2011年之前，國(guó)內(nèi)外對(duì)微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀的研究甚少，此后，研究成果大幅度增加，尤其是近三年來相關(guān)論文發(fā)表數(shù)量急劇增加，這表明微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀越來越受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注．因此，本文通過對(duì)MICP技術(shù)原理進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹，并對(duì)其影響因素進(jìn)行系統(tǒng)綜述，梳理其現(xiàn)有應(yīng)用范圍，并結(jié)合現(xiàn)有研究存在的不足，提出未來研究方向，為深入研究MICP固土機(jī)理以及擴(kuò)展MICP應(yīng)用領(lǐng)域提供重要參考．

1 微生物固土技術(shù)原理

MICP技術(shù)根據(jù)微生物的生理化學(xué)反應(yīng)不同，將其分為尿素水解型、反硝化作用型、三價(jià)鐵還原型和硫酸鹽還原型4種方式，同時(shí)由于尿素水解固化效率高，化學(xué)反應(yīng)機(jī)制簡(jiǎn)單，過程易于控制，且對(duì)土的成分改變較小，對(duì)環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)，使得尿素水解成為微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉積技術(shù)的一種主流方式[3,6]．尿素水解的方式固土是利用土中較易存在及富含的嗜堿性細(xì)菌所分泌脲酶，對(duì)尿素水解進(jìn)行催化加速，生成氨氣與二氧化碳(式1)．所釋放的氨氣與水分子結(jié)合成為氨水，隨著氨水的濃度不斷升高，周圍環(huán)境堿性不斷加重(式2)，二氧化碳在堿性環(huán)境下成為游離的碳酸根離子(式3)．由于微生物代謝產(chǎn)物胞外聚合物中含有等負(fù)離子基團(tuán)，加上細(xì)菌細(xì)胞壁的特殊結(jié)構(gòu)使得細(xì)菌表面通常帶有負(fù)電荷，因此可以不斷吸附周圍溶液中的鈣離子，使其聚集在細(xì)菌細(xì)胞外表面，與所形成的碳酸根結(jié)合在細(xì)菌表面結(jié)合成為碳酸鈣(式4)．隨著反應(yīng)的不斷進(jìn)行，碳酸鈣在細(xì)菌表面不斷包裹阻斷了細(xì)菌汲取周圍營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)以及生理代謝的渠道，導(dǎo)致細(xì)菌的死亡．以細(xì)菌為晶核聚集形成碳酸鈣晶體，利用碳酸鈣晶體的膠凝性對(duì)土顆粒進(jìn)行膠結(jié)加固(如圖2所示)．

CO(NH2)2+H2O→2NH3↑+CO2↑

(1)

NH3+H2O→NH4++OH-

(2)

CO2+H2O→H2CO3→2H++CO32-

(3)

Ca2++CO32-→CaCO3↓

(4)

在此過程中，微生物起到分泌脲酶，水解尿素，吸附溶液中的Ca2+，使其聚集在細(xì)胞外表面以及微生物細(xì)胞作為碳酸鈣結(jié)晶的晶核等作用．碳酸鈣晶體逐漸增長(zhǎng)，會(huì)吸附在土顆粒的表面形成包裹以及在土顆粒之間形成搭橋，從而對(duì)土體形成了膠結(jié)和孔隙填充的作用[7]．碳酸鈣晶體在土體中增長(zhǎng)，與土顆粒之間的膠結(jié)作用形式除了形成搭橋，還有覆膜作用和黏結(jié)作用[8]．覆膜作用為生成的碳酸鈣覆蓋在土顆粒表面，未將相鄰?fù)令w粒連接，只起到增大土顆粒體積和表面粗糙度的作用；黏結(jié)作用為生成的碳酸鈣主要在土顆粒接觸點(diǎn)附近，將相接觸的土顆粒黏結(jié)．

圖2 微生物膠結(jié)土壤顆粒過程示意圖

除了上述尿素水解反應(yīng)的MICP過程，自然界類似生物固化也普遍存在，如藻類(藍(lán)藻和海藻)可通過光合作用消耗CO2，生成碳酸鈣晶體[9]，還有海洋軟體動(dòng)物通過代謝活動(dòng)生成的貝殼或珊瑚礁等．此外，利用微生物產(chǎn)氣泡過程，如反硝化法生成N2，其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定且在水里溶解度低，可作為降低土的飽和度的一種技術(shù)手段[10]．同時(shí)，一些微生物如粘球菌、熒光假單胞菌等，分泌的黏液狀多糖類胞外聚合物附著于土體中可形成微生物膜[11-12]，能有效降低土體的滲透性．

MICP技術(shù)利用微生物分泌脲酶，而脲酶不僅可由微生物分泌得到，還廣泛分布于植物的種子中，包括一些品種的豆類和瓜類[13]．植物源脲酶誘導(dǎo)碳酸鈣沉積(enzyme induced carbonate precipitation, EICP)是在MICP技術(shù)基礎(chǔ)上新的研究成果，原理基本相同，但EICP技術(shù)比MICP技術(shù)具有兩個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)：一是該技術(shù)直接利用小尺寸的游離脲酶誘導(dǎo)碳酸鈣不易發(fā)生生物堵塞，且能夠穿透更細(xì)顆粒的土體；二是游離脲酶可降解，能避免對(duì)環(huán)境造成長(zhǎng)期影響[14]．

2 MICP影響因素研究

影響MICP的因素主要包括MICP反應(yīng)中鈣離子源、溫度、pH、膠結(jié)液濃度、營(yíng)養(yǎng)液濃度和土壤顆粒大小等對(duì)固化效果的影響．微生物是研究MICP影響因素的前提，通常是選取生長(zhǎng)過程中酶活性和數(shù)量較高的時(shí)間段開展一系列研究．相關(guān)研究結(jié)果表明，影響因子從大到小依次為：膠結(jié)液濃度、營(yíng)養(yǎng)液濃度、溫度和pH值[15-16]，而原材料的鈣離子源和待處理的土體的土顆粒大小，也會(huì)對(duì)固化效果產(chǎn)生一定影響．

2.1 鈣離子源的影響

在微生物進(jìn)行生理反應(yīng)產(chǎn)生碳酸鈣晶體時(shí)，不同化學(xué)試劑的酸堿性以及提供鈣離子存在差異，會(huì)直接影響MICP過程中CaCO3晶體產(chǎn)生速率、質(zhì)量和產(chǎn)量．張國(guó)城等[17]研究表明，在反應(yīng)過程中加入Mg2+能提高固化砂土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，在Mg2+/Ca2+為0.1/0.4時(shí)砂樣的強(qiáng)度最大，但繼續(xù)加入Mg2+會(huì)降低砂樣的強(qiáng)度．然而目前鈣源對(duì)微生物固化效果的研究結(jié)果存在一定差異(見表1)，主要在于實(shí)驗(yàn)條件和方案不統(tǒng)一，因此在鈣源選擇上建議進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)再進(jìn)行選擇．

表1 鈣離子源對(duì)微生物固化土體的試驗(yàn)研究

2.2 溫度的影響

溫度的變化狀態(tài)會(huì)對(duì)細(xì)菌的生長(zhǎng)、微生物酶活性、細(xì)菌的生物分解作用以及結(jié)合沉淀的過程產(chǎn)生影響，從而影響最終固化效果．一般而言，普遍認(rèn)為低溫會(huì)抑制微生物的生長(zhǎng)，而高溫會(huì)殺死微生物，不同微生物對(duì)溫度的響應(yīng)存在差異．Krieg等[22]研究指出巨大芽孢桿菌可在3～45℃的溫度條件下進(jìn)行微生物固化．Sun等[23]研究發(fā)現(xiàn)，高溫條件下巴氏芽孢桿菌和巨大芽孢桿菌這兩種MICP常用細(xì)菌生長(zhǎng)速率差異不大，溫度對(duì)酶活性影響較大．孫瀟昊等[24]研究表明在低溫條件對(duì)脲酶活性和巨大芽孢桿菌繁衍速度均有明顯抑制作用，造成碳酸鈣沉淀率較小，隨著溫度的增加，碳酸鈣沉淀率逐漸增加．彭劼等[25]研究表明不同溫度下細(xì)菌活性均呈現(xiàn)先增強(qiáng)后減弱的變化規(guī)律，但衰減速率差異明顯，溫度越高，細(xì)菌活性的衰減速率越快，同時(shí)鈣離子的消耗速率隨著環(huán)境溫度的增加呈現(xiàn)先增大后減少的變化規(guī)律．此外，彭劼等[26]研究卻發(fā)現(xiàn)溫度越高，碳酸鈣沉淀速率越快，沉淀含量越多．可見，溫度可以通過影響細(xì)菌生長(zhǎng)速度、脲酶活性和碳酸鈣生成速率而影響MICP反應(yīng)效果，這也意味著MICP在實(shí)際工程應(yīng)用中，應(yīng)選擇尿素水解菌生成碳酸鈣沉淀過程的最佳溫度，避免在寒冷季節(jié)施工．

2.3 pH的影響

脲酶的主要成分為蛋白質(zhì)，其酶活性受到環(huán)境pH的影響，過酸或過堿都會(huì)使脲酶的分子結(jié)構(gòu)遭到破壞而喪失活性．關(guān)于pH對(duì)微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀的試驗(yàn)研究，見表2．

表2 pH對(duì)微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀的試驗(yàn)研究

Cheng等[30]通過試驗(yàn)說明了降低pH為MICP過程制造“窗口期”的可行性，適當(dāng)調(diào)節(jié)溶液的pH值能夠在保證充足的化學(xué)轉(zhuǎn)化率前提下延緩MICP反應(yīng)的進(jìn)行．綜上，適宜的pH值條件有利于微生物更好地分泌誘導(dǎo)碳酸鈣沉積的脲酶，提高脲酶活性；脲酶菌最優(yōu)反應(yīng)都在弱堿性條件下，pH在7～9范圍內(nèi)，脲酶活性及碳酸鈣產(chǎn)量差別并不大．而在酸性和過堿性條件，均會(huì)對(duì)微生物生長(zhǎng)、激發(fā)分泌脲酶、誘導(dǎo)產(chǎn)物等方面受到的影響較大．

2.4 膠結(jié)液-營(yíng)養(yǎng)液濃度的影響

膠結(jié)液濃度對(duì)微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀的速率和產(chǎn)量有重要影響，從MICP原理上看，膠結(jié)液中Ca2+和尿素的增加會(huì)沉淀出更多的碳酸鈣．而微生物嗜堿性細(xì)菌需要一個(gè)較適宜的環(huán)境進(jìn)行生長(zhǎng)繁殖，其環(huán)境物質(zhì)成分的變化對(duì)生長(zhǎng)繁殖速率以及固化速率會(huì)產(chǎn)生一定的影響作用．營(yíng)養(yǎng)液主要包括蛋白胨、酵母粉、谷氨酸鹽、尿素等物質(zhì)．此外，尿素為脲酶菌提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，同時(shí)作為膠結(jié)液，其含量增多也會(huì)改變?nèi)芤核釅A性，也會(huì)對(duì)脲酶活性和碳酸鈣的生成產(chǎn)生影響．關(guān)于膠結(jié)液和營(yíng)養(yǎng)液濃度對(duì)微生物固化土體的試驗(yàn)研究，見表3．

表3 膠結(jié)液-營(yíng)養(yǎng)液濃度對(duì)微生物固化土體的試驗(yàn)研究

續(xù)表3 膠結(jié)液-營(yíng)養(yǎng)液濃度對(duì)微生物固化土體的試驗(yàn)研究

高濃度膠結(jié)液下，微生物分泌脲酶的量、微生物水解尿素需要的水分在生化反應(yīng)中會(huì)呈現(xiàn)不足[32]．Okwadha等[39]、Qabany等[40]證實(shí)了脲酶的活性隨膠結(jié)液濃度的增加呈現(xiàn)先增加后減小的變化規(guī)律，膠結(jié)液濃度過高會(huì)抑制微生物活性．王緒民等[41]研究發(fā)現(xiàn)膠結(jié)效果會(huì)隨著營(yíng)養(yǎng)鹽濃度變化而達(dá)到一個(gè)峰值，得出一個(gè)最適宜的營(yíng)養(yǎng)鹽濃度．分析表明，過低的營(yíng)養(yǎng)液濃度可能會(huì)造成“供不應(yīng)求”的局面，所產(chǎn)生的碳酸鈣晶體含量過少；過高的營(yíng)養(yǎng)液濃度可能會(huì)造成“供過于求”，并且可能還會(huì)抑制酶的活性．且高鹽環(huán)境下細(xì)胞會(huì)失水收縮，從而影響微生物生理生化反應(yīng)過程．因此，細(xì)菌的生長(zhǎng)繁殖在高滲溶液中受到抑制[42]，所以營(yíng)養(yǎng)液-膠結(jié)液濃度在微生物固化土體研究中十分重要．綜上，碳酸鈣產(chǎn)量與膠結(jié)液濃度在一定范圍內(nèi)呈正相關(guān)，但高濃度對(duì)微生物誘導(dǎo)生成碳酸鈣起到了抑制作用，低濃度下微生物誘導(dǎo)生成的碳酸鈣尺寸較小且在土體中分布更均勻．

2.5 土顆粒的影響

從所需要固化的土體角度分析，不同土體顆粒粒徑分布存在差異，導(dǎo)致土顆粒與溶液的接觸面積以及溶液流速不同，從而影響固化效果．

表4 土顆粒對(duì)微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀的試驗(yàn)研究

總的來說，微生物與土體孔隙存在相容關(guān)系[47]，對(duì)于粒徑很小的細(xì)粒土(d<0.075 mm)，土壤孔隙過小，微生物無法更好地進(jìn)入土壤孔隙及更深處，碳酸鈣容易集中在試樣上部，均勻性差．對(duì)于細(xì)砂和中砂(0.075 mm2 mm)，土體孔隙過大，碳酸鈣尺寸相對(duì)太小，無法將土顆粒有效地膠結(jié)在一起，需要處理多次才能達(dá)到整體膠結(jié)效果．

2.6 菌液注入方式的影響

微生物固化技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常會(huì)將細(xì)菌注入待固化的土體中去，誘導(dǎo)產(chǎn)生碳酸鈣沉淀進(jìn)行膠結(jié)土體，達(dá)到固化的目的(見表5)．由于土的吸附作用，當(dāng)菌液從注入孔進(jìn)入砂土?xí)r，菌液會(huì)在二維平面發(fā)生二維滲流擴(kuò)散，在立式平板試驗(yàn)槽中菌液濃度呈現(xiàn)以注漿口為中心的非對(duì)稱分布，影響固化效果[48]．學(xué)者們?cè)诖嘶A(chǔ)上，考慮微生物活性受到pH值和溫度影響明顯，嘗試通過降低pH值或溫度的方法，減緩注漿初期反應(yīng)速度，以提高溶液注入深度和均勻度．

表5 注入方式對(duì)微生物固化土體的試驗(yàn)研究

菌液注入方式主要影響的是碳酸鈣在土體中的分布．常規(guī)注射混合液的固化結(jié)果一般不太理想，通過調(diào)節(jié)生物質(zhì)濃度、脲酶活性和pH值來控制MICP過程給予一定的滯后時(shí)間，從而在注入混合液后暫時(shí)不會(huì)發(fā)生沉淀，在非優(yōu)先流動(dòng)路徑條件下可以使得混合溶液均勻分布在土基質(zhì)中．以上一些試驗(yàn)證明在小規(guī)模的土體中是可行的，但在實(shí)際工程中，大規(guī)模的土體改良的效果需進(jìn)一步研究．

2.7 纖維加筋的影響

微生物固土可以提高土體強(qiáng)度，但是土體在受到破壞時(shí)，會(huì)表現(xiàn)為一定的脆性，所以部分學(xué)者嘗試采用纖維加筋的改良方法來平衡固化砂土所表現(xiàn)出來的脆性．通過在土體中摻入均勻的纖維，以增加土體的抗剪性和殘余強(qiáng)度(見表6)．

表6 纖維加筋對(duì)微生物固化土體的試驗(yàn)研究

纖維加筋可以彌補(bǔ)微生物固土上的劣勢(shì)．土顆粒能與纖維形成接觸點(diǎn)，增強(qiáng)了土顆粒和纖維混合物之間的黏結(jié)性，同時(shí)碳酸鈣的沉積作用，進(jìn)一步提高了土的強(qiáng)度，改善了MICP固土的脆性問題．但纖維摻量達(dá)到一定量后，繼續(xù)增加纖維摻量，會(huì)導(dǎo)致碳酸鈣分布不均勻，影響固化效果．

3 應(yīng)用領(lǐng)域

MICP作為一種新型技術(shù)，目前已經(jīng)在加固土體、減少入滲、巖體修復(fù)、防風(fēng)固沙、減少河(海)岸侵蝕和除重金屬等領(lǐng)域開展了一系列應(yīng)用．

1)加固土體．通過所生成的碳酸鈣將土壤顆粒之間進(jìn)行膠結(jié)，從而提高土體強(qiáng)度和剛度．MICP膠結(jié)砂土對(duì)內(nèi)摩擦角強(qiáng)度參數(shù)的影響較大，特別是中膠結(jié)和重膠結(jié)砂土；而MICP反應(yīng)對(duì)黏聚力參數(shù)的影響較小，尤其是輕膠結(jié)和中膠結(jié)砂土[59]．在工程中，可運(yùn)用于土石壩、水壩等內(nèi)部及外部的加固與防護(hù)．土石壩是通過當(dāng)?shù)氐脑牧夏雺盒纬傻膿跛畨?，是世界上最常用的擋水壩之一．但是由于壩體內(nèi)部的土體不斷地受到侵蝕，會(huì)存在一定的潰壩風(fēng)險(xiǎn)，MICP固化處理有助于減少砂土混合物的侵蝕和體積收縮．通過直接膠結(jié)細(xì)顆粒和橋接粗顆粒的接觸，提高了砂土混合物的抗沖蝕性[60]．并且MICP可以對(duì)污泥進(jìn)行無害化處理，將污泥進(jìn)行安全填埋或資源的再利用[61]．

2)減少入滲．MICP反應(yīng)產(chǎn)生的碳酸鈣沉淀可填充巖土體縫隙，從而降低滲透性．此外，微生物產(chǎn)生氣泡和微生物膜也起到了防滲作用[62-63]．微生物減少入滲在實(shí)際工程中有很多應(yīng)用，如水壩、水庫的表層防滲，通過填充混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的縫隙降低滲透性．

3)巖體和文物修復(fù)．MICP固化反應(yīng)產(chǎn)生的碳酸鈣沉淀在巖石縫隙中進(jìn)行填充可以改善巖石的防滲性能、單軸抗壓強(qiáng)度以及峰后承壓能力，對(duì)巖石具有很好的修復(fù)效果[64]．裂縫同時(shí)也是三合土遺址的一種典型的破壞方式，利用微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀對(duì)其進(jìn)行修復(fù)，可以修復(fù)和保護(hù)三合土遺址，并且其與遺址的基材兼容性很好，不會(huì)產(chǎn)生環(huán)境的破壞[65]．近年來，MICP技術(shù)快速發(fā)展也在部分文物修復(fù)中使用，如王瑞興等[66]利用巴氏芽孢桿菌誘導(dǎo)礦化技術(shù)對(duì)大理石文物表面進(jìn)行防護(hù)，提高了文物的抗侵蝕能力．岳建偉等[67]通過MICP改性古建筑灰漿，加快提升其修復(fù)效果．對(duì)傳統(tǒng)水泥建筑長(zhǎng)時(shí)間的侵蝕問題，Jonkers等[68]提出自我修復(fù)的生物水泥，利用巴氏芽孢桿菌，不但能夠適應(yīng)堿性的干燥環(huán)境，并且其芽孢能夠以休眠的狀態(tài)存活數(shù)十年，通過自身的修復(fù)能力完成對(duì)裂縫的修補(bǔ)工作，環(huán)保且省力．

4)防風(fēng)固沙．風(fēng)蝕是干旱和半干旱地區(qū)土壤和環(huán)境退化、空氣污染以及懸浮顆粒物運(yùn)移的主要因素之一．風(fēng)在風(fēng)蝕過程中由于沙丘具有低黏聚力，會(huì)刮起沙丘上的沙子產(chǎn)生灰塵．這會(huì)導(dǎo)致農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力低下，污染空氣和地表水，危害人類健康．MICP可以顯著抵御風(fēng)蝕，隨著時(shí)間的增加，噴灑后表層強(qiáng)度增加，可以通過二次噴灑進(jìn)一步增加強(qiáng)度[69]．

5)減少河(海)岸侵蝕．在許多河口環(huán)境中，裂流和相關(guān)潮汐流對(duì)前濱斜坡的侵蝕是一個(gè)主要問題．在大多數(shù)海岸和河口環(huán)境中，這些潮流導(dǎo)致的邊坡破壞和侵蝕仍然是巖土工程方面的挑戰(zhàn)[70]．其中沙丘可以作為一種天然的防御機(jī)制，抑制波浪侵蝕作用的影響，保護(hù)了內(nèi)陸的基礎(chǔ)設(shè)施．但是較大的波浪可能會(huì)引起的過度沖刷，如果風(fēng)暴條件持續(xù)存在，這可能導(dǎo)致沙丘完全破壞．所以可以采用MICP固化反應(yīng)對(duì)沙丘進(jìn)行固化，從而抑制風(fēng)浪侵蝕，減少了岸邊基礎(chǔ)設(shè)備頻繁的維護(hù)，延長(zhǎng)了部署的基礎(chǔ)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)壽命周期[71]．

6)除重金屬．土壤重金屬修復(fù)主要是通過清除或固定污染物，減少其遷移性和生物可利用性[72]．MICP除重金屬即通過MICP過程使大部分重金屬離子由可溶交換態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樘妓猁}沉淀的形式[73]．目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)這方面開展了相應(yīng)的研究，除陽離子型重金屬Cu、Pb、Cd等[74-75]及陰離子型重金屬Cr、Mn等[76]和類金屬As[77]．這些經(jīng)MICP過程，重金屬的去除率達(dá)到了50%以上，可見MICP技術(shù)具有較好的修復(fù)效果．同時(shí)，在工業(yè)廢污處理和提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力等方面也發(fā)揮著重要作用．

7)混凝土裂縫修復(fù)和再生骨料強(qiáng)化．混凝土是脆性材料，在使用過程中由于疲勞效應(yīng)、腐蝕效應(yīng)和老化等不利因素的影響，混凝土結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生損傷積累和抗力衰減，從而不可避免地會(huì)產(chǎn)生微開裂和局部損傷[78]．MICP反應(yīng)產(chǎn)物碳酸鈣沉積在混凝土裂紋表面，能防止裂紋繼續(xù)擴(kuò)展[79]．混凝土呈堿性，細(xì)菌必須能適應(yīng)堿性的環(huán)境，保證后期能修復(fù)混凝土．目前利用微生物修復(fù)需借助載體，研究者們一般選用微膠囊作為載體，保護(hù)微生物修復(fù)時(shí)避免芽孢與外界接觸而過早萌發(fā)，保證微生物的活性[80]．同時(shí)在MICP強(qiáng)化再生骨料方面，相關(guān)研究表明[81-82]，經(jīng)處理后的再生骨料，其主要物理力學(xué)性能表觀密度、吸水率和壓碎指標(biāo)有明顯改善．

4 存在缺陷及未來展望

本文歸納了鈣離子源、溫度、pH、膠結(jié)液濃度、營(yíng)養(yǎng)液濃度、土顆粒大小和菌液注射方式等關(guān)鍵因素對(duì)MICP技術(shù)的影響，但研究成果也存在一定缺陷，需要進(jìn)一步開展研究：

1)MICP固化反應(yīng)在不同影響因素條件下會(huì)導(dǎo)致固化效果不同，產(chǎn)生的碳酸鈣結(jié)晶大小及類型也不同，但未對(duì)碳酸鈣沉淀復(fù)雜晶體類型的形成原因以及碳酸鈣晶體類型與礦化產(chǎn)物強(qiáng)度關(guān)系深入分析和系統(tǒng)探究，并能否在應(yīng)用過程中有效調(diào)控微生物誘導(dǎo)的碳酸鈣晶型認(rèn)識(shí)不足．同時(shí)，研究MICP固化反應(yīng)所采用的菌種都是單一菌種，而目前多種菌共同作用加固土體的研究相對(duì)較少，這個(gè)問題仍需進(jìn)行探究．

2)MICP固化反應(yīng)更多的是依靠微生物自身的生理反應(yīng)而產(chǎn)生碳酸鈣沉淀，所以眾多環(huán)境因素甚至物種間的協(xié)同競(jìng)爭(zhēng)作用都會(huì)對(duì)固化反應(yīng)產(chǎn)生影響．目前大多數(shù)論文更多的是研究較溫和的反應(yīng)環(huán)境，而未對(duì)高壓、嚴(yán)寒、無氧以及多生物等極端復(fù)雜環(huán)境進(jìn)一步研究，包括在極端環(huán)境下礦化產(chǎn)物的耐久性和長(zhǎng)期強(qiáng)度如何突破的技術(shù)問題．

3)上述眾多實(shí)驗(yàn)文章中對(duì)土體的研究更多的是土顆粒對(duì)固化反應(yīng)的影響效果，如砂土的研究．但不同類型、不同土壤母質(zhì)等因素沒進(jìn)行綜合考慮，且固化處理的最適用方式也需要更多的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證，同時(shí)實(shí)際施工區(qū)域的土顆粒類型并不是局限于某一區(qū)間，而是多種多樣的顆粒大小混雜在一起，并且實(shí)際土體中也會(huì)含有眾多物質(zhì)對(duì)膠結(jié)結(jié)果進(jìn)行影響，如何能將實(shí)驗(yàn)結(jié)果應(yīng)用到實(shí)際工程中仍需進(jìn)行深入研究，例如堤壩加固和防滲、海岸河岸侵蝕防護(hù)、地基抗液化等應(yīng)用方案改進(jìn)．

4)MICP技術(shù)的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境友好程度還需深入探討研究．微生物礦化過程中產(chǎn)生的大量NH4+的處理問題；大量脲酶菌加入，是否會(huì)對(duì)其周圍微生物生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響等．