微生物固诱导碳酸钙沉淀作用机理及其影响因素

微生物固诱导碳酸钙沉淀作用机理及其影响因素

曾伟华

（1、身份证：441424199302240330 广东省佛山市 528000）

摘  要：MICP（microbial induced calcite precipitation）即微生物诱导碳酸钙沉淀，是一种多采用巴氏芽孢杆菌和巴氏芽孢八叠球菌进行生物化学反应的新型环保的岩土工程固化砂土技术。其作用机理简单、固化快速高效而引起广泛地关注。MICP固化是一个涉及岩土、生物、化学等多学科的复杂的过程，复杂的过程决定了影响因素有很多。

关键词：微生物诱导碳酸钙沉淀；微生物种类；水解机理；影响因素

中图分类号：T            文献标识码：A       文章编号：

Mechanism and influencing factors of microbial induced calcite precipitation

Zeng Weihua

(1、441424199302240330，Foshan City, Guangdong Province，528000)

Abstract: MICP (microbial induced calcium carbonate precipitation) is a new environment-friendly geotechnical engineering sand solidification technology, which uses Bacillus pasteuricus and Bacillus pasteuricus octacina for biochemical reaction. Its simple mechanism, rapid and efficient solidification have attracted widespread attention. MICP solidification is a complex process involving geotechnical, biological, chemical, and other disciplines, and the complex process determines that there are many influencing factors.

Key words: Microorganism induced calcium carbonate precipitation; Microbial species; Hydrolysis mechanism; Influence factor

0 引言

MICP（microbial induced calcite precipitation）即微生物诱导碳酸钙沉淀，是指微生物在新陈代谢的过程中，产生一种脲酶，会使环境中的可溶性无机碳浓度和pH值提高，迅速将尿素分解成铵根离子（NH4+）和碳酸根离子（CO32-）；微生物特殊的细胞壁结构使得其表面带负电荷，细菌依附在颗粒上，当孔隙中含有一定含量的Ca2+时，Ca2+会被颗粒上的细菌所吸附，Ca2+和CO32-在细菌周围发生反应生成CaCO3沉淀[1]。土壤中能够诱导碳酸钙沉淀的微生物种类较多[2]，Burbank[3]等在高碱性土壤中分离出多种不同的产脲酶菌，并且利用这些产脲酶菌加固松散的砂土，目前国内外的研究中多采用巴氏芽孢杆菌和巴氏芽孢八叠球菌。

1 MICP种类

微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）是自然界广泛存在的一种生物诱导矿化作用，比如在温泉、海水以及洞穴中均有发生。在漫长的地质年代中，微生物促使碳酸盐矿物形成这一过程在碳循环中发挥了重要的基础性作用。有研究指出，MICP 通常通过三类微生物新陈代谢过程实现：

（1）光合作用微生物

这类微生物在水生环境中很常见。比如海藻和蓝藻，其新陈代谢要利用 CO2（式1），从而降低了水溶液中的 CO2浓度，打破了溶液中酸碱平衡并提高了pH 值（式2，3），当溶液中存在有钙离子时，就会产生碳酸钙沉淀（式4）。

CO2 + H2O       （CH2O）+ O2         （1）

2HCO3-       CO2 + CO32- + H2O         （2）

CO32- + H2O        HCO3- + OH-         （3）

Ca2+ + HCO3- + OH-       CaCO3 + 2H2O  （4）

（2）硫酸盐还原菌

在自然界中石膏（CaSO4·2H2O）的溶解提供了一种富含钙离子和硫酸根离子的环境。当环境中还存在有机物和氧气时，硫酸盐还原菌可以将硫酸根还原为H2S，同时生成碳酸氢根离子（式5）。如果H2S从环境中释放出去，将会导致 pH 值升高，进而促使碳酸钙沉淀生成（式6）。

CaSO

4·2H2O        Ca2+ + SO42- + 2H2O   （5）

2（CH2O）+ SO42-       HS- + HCO3- + CO2 + H2O （6）

（3）与氮循环有关的微生物

这类微生物通过氨化作用，反硝化作用以及尿素水解等进行 MICP。其中，尿素水解是土壤氮循环中很重要的一环在微生物脲酶催化下，通过尿素水解产生碳酸根离子和铵根离子（式7），这时如果溶液中存在钙离子，就会生成碳酸钙。由于脲酶在细菌中广泛存在，这是最常用的利用 MICP 过程产生碳酸钙晶体的方法。尿素水解机理简单，反应过程容易控制，并且可以在短时间内产生大量碳酸根离子，因此，基于尿素水解的 MICP 过程得到了广泛关注。

CO(NH2)2 + 2H2O  脲酶   2NH4+ + CO32-   （7）

2 MICP尿素水解机理

土壤中存在一类微生物，这类微生物的代谢产物脲酶能促进尿素水解，尿素生成铵根离子（NH4+）碳酸根离子（CO32-），此时，如果土壤中含有Mg2+、Ca2+、Ba2+，就会生成沉淀。由于土壤中存在大量的微生物，脲酶在土壤中是普遍存在的，所以这是MICP过程中最常利用来促进尿素的水解从而生成碳酸钙的方式。

尿素细菌在土壤中广泛存在，有动物尿的地方基本都存在尿素细菌，利用微生物固化砂土处理地基时，一方面可以充分利用土壤中存在较为均匀的细菌，节省原材料，另一方面可以维持原有土壤的环境，达到保护环境的目的，这就使得微生物固化技术得到广泛的关注。

常用的微生物主要有巴氏芽孢八叠球菌[4]、巴氏芽孢杆菌[5]等非致病性细菌，这类细菌在生长代谢的过程中会产生脲酶，脲酶可以在尿素的水解过程中起到催化作用，然后尿素迅速水解生成碳酸根离子（CO32-）和铵根离子（NH4+），铵根离子（NH4+）能提高pH值，有助于碳酸根离子（CO32-）生成沉淀，水解机理如方程式如（2.7）所示；另外，这类细菌的表面带负电荷，它可以吸附阳离子（Mg2+、Ca2+、Ba2+）生成沉淀，包裹细菌。在这个过程中，微生物主要起到两个作用，一个是提供促进尿素水解的脲酶，另外一个是起到核心点位的作用，引导碳酸沉淀的生成位置。

3 MICP固化砂土的影响因素

MICP固化是一个涉及岩土、生物、化学等多学科的复杂的过程，复杂的过程决定了影响因素有很多。从根源上分析，主要影响尿素的水解和碳酸钙的生成。尿素的水解主要受脲酶的影响，碳酸钙的生成主要受Ca2+的影响。

Cacchio[6]等从土壤中和洞穴中分离出多种产脲酶细菌，通过提供Ca2+，将菌放在不同温度下（4℃、22℃、32℃），分析了其固化能力，发现温度较高时，细菌固化能力较强。OKwadha[7]等选用了巴氏芽孢八叠球菌进行试验，从菌液浓度、Ca2+浓度、尿素浓度等角度分析了对尿素水解能力的影响。

另外，颗粒粒径也是影响碳酸钙的生成的因素之一，主要是由于孔隙尺寸影响了微生物以及胶结液在颗粒间的滞留和传输，进而影响碳酸钙的生成。Rebatalanda[8]研究了固化效果与颗粒粒径之间的关系，研究表明：碳酸钙的生成量在平均粒径0.1mm时最大，在0.05-0.4mm时，效果较好，粒径过大或过小均不利于碳酸钙的生成。微生物的细胞直径通常在0.3-3.0μm，所以这就决定微生物不可能在孔隙小于0.4μm内传输[9]，Victoria[10]等人也发现颗粒级配对MICP过程影响很大，颗粒级配良好的较大颗粒比颗粒级配较差的细砂颗粒效果好。梁仕华[11]等人研究了颗粒粒径对微生物固化砂土的影响研究，研究结果表明：当颗粒粒径范围为0.25~0.5 mm时,微生物固化砂土的物理力学性能效果更优。

曾伟华[12]研究了黏粒含量对微生物固化砂土的影响研究，研究结果表明：不同黏粒含量对砂土的物理特性均不同。经过MICP处理后，较低的黏粒含量可以提高砂柱的UCS（无侧限抗压强度）和破坏应变。主要是因为较低的黏粒含量能增强了颗粒之间的机械咬合作用，提高试样的强度。并提出砂-黏粒-CaCO3之间的接触方式主要有三种：黏粒与碳酸钙接触、砂颗粒与碳酸钙接触、黏粒与砂颗粒接触，不同的黏粒含量其接触方式也各不相同。

参 考 文 献

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