微生物矿化历程浅析

周禹暄，胡俊，熊辉，林小淇，王志鑫，曾东灵

（1 海南大学 土木建筑工程学院，海南海口 570228； 2 海南省水文地质工程地质勘察院，海南海口 570206）

0 引言

微生物是地表分布最广泛的生命形式，其代谢活动对地球矿物的溶解和沉积有重要影响。 在地球地质演化的过程中，微生物生长代谢与地表矿物之间的相互作用普遍存在，在地球地质史上部分大型碳酸盐矿物也是由其控制、诱导而生成的。 微生物在诱发矿物沉淀的同时也控制其宏观结构、形貌和微观组成。

微生物矿化是指在某些物理和化学条件下，生物有机物控制或影响溶液离子向固体矿物质转化的过程。微生物矿化是自然界广泛存在的一种现象，具有过程温和、绿色、条件物殊等特点，其形成的有机-无机复合材料具有优越的机械性能，因此，有潜力发展为一种绿色建筑材料制备技术。基于此，本文对水泥基材料、钢渣材料、砂土及钙质砂中的微生物矿化历程分析研究，找出它们的变化规律与特性，为建筑工程中结构裂纹裂缝的修复提供可靠依据。

1 自然界的微生物矿化

生物矿化即指生物大分子调整控制生物体使其产生无机矿物，此过程涉及到生物细胞、有机质和代谢产物，明显区别于正常矿化，广泛存在于微生物、植物和动物体内。 生物圈中，生物总数的80%左右都是微生物，其数量最多、分布最广，能够诱导碳酸盐、磷酸盐、硫酸盐、硫化物等矿物发生沉积。 在自然界中，微生物矿化是生物矿化的重要形式。 微生物在常规条件下利用环境中简单、常见的组分，通过一系列节能、无污染的过程，对无机晶体的成核、形貌、尺寸等进行调控，合成了有着独特结构和性能的材料，整个过程绿色、温和，但耗时漫长。

珍珠、化石、羟基磷灰石等都是生物矿化的典型产物。 此类产物均通过有机质的引导，按一定顺序严格进行组装，具备出色的光学和力学性能，是合成材料无法比拟的。 生物矿化可以依据有机质在矿化过程中的作用分为诱导矿化和控制矿化。 微生物诱导矿化的特征：矿物质的形成由微生物形成的环境决定，是其活动和代谢的副产物，在其诱导矿化中微生物的生理活动起着重要作用。

微生物控制矿化的特征： 微生物细胞决定矿物质形成的形态。 在其控制下形成的矿物溶解度较低、晶体结构独特且矿物中微量元素不平衡。 在控制矿化条件下，无论外部环境如何，微生物对矿物质颗粒的成核及生长过程控制程度高[1]。 生物控制矿化通常可以形成具有稳定结构和高质量特性的矿化产品。 如珍珠层、蛋壳、骨骼等。

2 水泥基材料中的微生物矿化

微生物矿化在水泥基材料中主要用于裂缝的主动、被动修复和表面缺陷修[2]。 早在2001 年，美国南达科他矿业理工学院Ramachandran 等就提出将微生物矿化作用应用于混凝土裂缝的修复[3]，他们混合了沙子和细菌液体作为修补材料，并将之填充到混凝土的裂缝之中。 细菌在这些裂缝中会诱导碳酸钙并沉积以密封裂缝，从而可以更好地恢复混凝土的刚度和强度。 该研究使用了一种能够产生脲酶的细菌， 该细菌可以将尿素水解为CO32-和NH4+,然后CO32-与周围溶液中的Ca2+反应生成CaCO3沉淀，同时，在这个过程中细菌为CaCO3的沉积提供更多的成核位点。为了修复表面破裂的石灰石， 比利时根特大学的Dick 等人选用脲酶细菌，利用其诱导矿化生成矿化产物填充并胶结石灰石裂缝[4]，经此法修复后的表面吸水性显著降低，他们认为,控制矿化的关键因素是脲酶细菌的极高负电势以及高活性脲酶。 此前，Tittelboom 等人将硅凝胶（毛玻璃状半透明颗粒）用作固载细菌的保护剂[5]，即便菌体在pH 较高的环境下，细菌的酶活性也能保持很高水平。将用硅凝胶固载后的细菌与其所需的养分和适当的钙来源混合，然后注入混凝土裂缝当中，经过适宜的养护后，在裂纹区域会生成生物矿物质，通过延长养护时间，矿物可填充裂缝，并最终完全修复宽度小于0.3mm 的裂缝。 在中国，Qian 等人选择碳酸盐矿化细菌[6]，通过酶促反应降解基质，产生CO32-并及时引入Ca2+，并在细菌和营养液中浸泡水泥石标本，或将其涂抹于样品表面使表面沉积一层硬质且致密的碳酸钙保护层。 除此以外还有另一发现，矿化和沉积的两个关键因素是Ca2+浓度和细菌活性[7]。 王瑞兴和钱春香还将离心分离后菌株的湿细胞与琼脂、尿素、砂及Ca 源按一定比例混合[8]，搅拌混和成浆液，并将制成的浆液注到水泥石裂缝中。 如若环境合适，此菌株会发生酶水解，在沙颗粒间隙中逐步发生矿化作用生成矿化产物（CaCO3），最终使得沙粒填充、固定于裂缝中，修复了水泥石裂缝。 山东建筑大学的侯宏涛等学者把钙源、尿素和巴氏芽孢杆菌的混合溶液用于裂缝修复中[9]，通过裂缝表面涂层和灌浆的方法，对某渗漏工程进行了现场试验，结果表明裂缝得到了成功有效的修复。

荷兰代尔夫特理工学院的Jonkers 和Schlangen 提出微生物自修复混凝土设计这一先进理念[10]。 此技术是在搅拌过程中，把耐碱芽孢杆菌和适用于该细菌的专用底物（作为细菌食物）预先添加到混凝土中。 若混凝土中存在开裂现象，混凝土中便会接触到水和氧气，激活细菌使其脱离休眠状态，并将预添加到混凝土中的基质通过一连串的生化反应转化为CaCO3，使之沉积于裂缝中，以达成裂缝的自我修复。 基于该技术还提出了新的方法，其机理是使有机酸钙被细菌的有氧呼吸所代谢、分解，使之生成Ca-CO3沉淀和CO2， 生成的CO2在混凝土环境中会继续与Ca（OH）2发生反应,产生更多的CaCO3沉淀。 钱春香研究小组的学者们选用了一类从土壤中提取获得的兼性好氧菌，并利用该细菌对混凝土裂缝微生物自修复机理展开研究[11-12]，让细菌在溶液中发生矿化反应。 通过试验，验证了方解石是在有氧环境条件下沉积出来的。 他们认为在水泥石裂缝中，Ca（OH）2与细菌分解底物产生的局部富集的CO2发生反应生成CaCO3是矿化进展的关键，将此过程与微生物从底物直接产生碳酸钙过程来比较，由其引起的矿化和沉积效果更为明显。 他们还提出另一种利用了细菌特殊的酶学性质有效促进H2O+CO2⇌HCO3-+H+过程的方法[13-14]，在碱性条件下，反应OH-+HCO3-=CO32-+H2O 发生迅速，环境中生成的CO32-不断螯合Ca2+，形成CaCO3沉淀。 这种细菌具有很高的酶促水解效率，碳酸钙快速沉积，在整个反应过程中没有NH3或其他污染物，并且对环境友好。 深圳大学Zhang 等使用高通量方法挑选出一株芽孢杆菌[15]，此菌株在pH 为9.5～11.0 的区间内能使碳酸钙沉积活性维持在较高水平。 为了克服微生物在氧气有限的情况下碳酸钙沉积活性较低的问题， 他们利用质量比为1∶9 的乳酸和过氧化钙制成了可以控制的氧气释放片，并且通过加入芽孢杆菌可以做到结构自修复，当接触到水时，被控制的氧气释放片可以稳定供给氧气，能够促进碳酸钙沉积过程，有助于在混凝土深处的裂缝自我修复。

大量研究成果表明，将微生物矿化应用于水泥基材料中是行得通的，此法能够有效提高混凝土裂缝自修复能力，并降低裂缝对水的渗透性，在结构的耐久性能方面做了显著提高，减少了用来维护结构的成本。 并且，用以修复裂缝的碳酸钙产物对环境友好。

3 钢渣材料中的微生物矿化

在炼制钢的过程中钢渣的排放量很大，迄今为止还不能做到有效利用。 钢渣的累积使有限的土地被占据，也造成了资源的过度浪费。 一方面，存在于钢渣中的胶结矿物可以用来制备建筑材料，但是其低活性会导致钢渣的水合速率变得缓慢，难以充分利用；另一方面，由于其包含游离氧化钙和游离氧化镁，当用作建筑材料时，其结构稳定性问题有严重的安全隐患。 钢渣中有大量的钙、 镁矿物， 其与CO2反应能生成稳定的CaCO3和MgCO3沉积物，在排除其他干扰条件情况下，从理论上说可以使原料对二氧化碳的需求达标，有良好的发展前景。 现阶段，对于碳化养护钢渣胶凝材料产品的生产工艺要求非常严格、生产成本较高、体积稳定性差。

目前，东南大学钱春香研究小组为有效处理因为游离的MgO和CaO 的存在而引起钢渣体积稳定性降低的难题，创新性提出微生物矿化技术制备钢渣胶凝材料的新技术，即向钢渣中添加加快矿化能力的微生物，通过微生物诱导的方式生成纳米级的粗糙矿化产物，填补钢渣孔隙形成更细密的结构。 此技术提高了钢渣中含钙、含镁矿物的离子释放量，在生物矿化作用下将其转变为胶凝性生物碳酸盐，实现了对钢渣中镁和钙的有效和稳定的利用[16]。

4 砂土中的微生物矿化

微生物诱导矿化MICP （Microbial induced Calcite Precipitation）即利用微生物能够在介质孔隙中运动、生长并繁殖的特性，产生脲酶并分解周围环境中尿素生成CO32-， 再向溶液中适量补充钙离子源，诱导生成具有填充、胶结作用的CaCO3。 微生物矿化在砂土中主要用于浅、深层胶结两类。 为研究微生物矿化在浅层胶结中的应用， 东南大学钱春香等筛选、 培育了一类新的微生物，利用CO2矿化沉积具有胶凝作用的碳酸盐矿物，研发制备出了一种用于沙漠、扬尘治理等浅层固结[17]的新型捕碳微生物水泥。 深层胶结主要是指对地基进行生态加固，美国南达科他矿业理工学院的Ferris 等人[18]于1992 年为探究一种新固砂工艺，首次将MICP 技术生成的碳酸钙作为添加剂来胶结材料，成功加固了松砂， 并利用CT 扫描分析了MICP 胶结前后的分布情况和孔隙特征，分析发现砂土孔隙率在被碳酸钙胶结后下降明显，超过了50%，此法胶结加固效果显著。后来，更多的学者将注意力集中在生物碳酸钙上， 并且对MICP 应用于砂土胶结领域做了深入研究。 为进一步研究生物碳酸钙， 荷兰代尔夫特理工大学的学者Whiffin[19]于2004 年开展了对有关生物碳酸钙胶砂的研究实验，在松散的砂体中填充微生物水泥（CaCO3），试验后得到的水泥砂柱抗剪强度在1.8MPa 以上。 加利福尼亚大学的Dejong 等人[20]判断影响生物碳酸钙胶结有两个因素，包括土壤中含有的矿物类型和孔隙中溶液的浓度，并对这两因素的影响做了深入研究，试验结果表明， 生物碳酸钙可以胶结富含CaCO3、MgO2、SiO2的砂质土壤，对孔隙溶液浓度这一因素进行分析，其浓度越高，砂土固结越有效。

东南大学钱春香等人[21]通过微生物方法沉积碳酸钙，在中国率先开展了微生物水泥研究，特别是对微生物水泥胶结物的分布和各种尺寸的研究，已经建立了与微生物水泥胶结的疏松砂粒的数学模型，该数学模型可以预测胶结体在不同条件和尺寸下的性能。 此外，研究小组[22-23]还对微生物的矿化进行了研究，并发现了可在特定环境中诱导新矿物质的磷酸盐矿化微生物，这种新生成的矿物质具有胶凝性。 清华大学的程晓辉等人[24]发现，当少量的微生物和养分被倒入砂柱中时，在短时间内就能在砂柱内部生成碳酸钙， 固化后的砂柱在承受10 次以上载荷后还未发生加载液化破坏， 并对用微生物灌浆法加固砂的抗液化性能方面做了检测。 西南科技大学的黄琰等人[25]应用单因素方法，用巴式芽孢杆菌处理介质，并通过其处理前后的溶液质量分析和比较，对不同试验条件和外部环境下微生物诱导方解石沉积的效果进行研究。

5 钙质砂中的微生物矿化

目前，国家正在大力推动南海岛礁工程建设，南海的岛礁基本上由礁灰岩和钙质砂构成，而钙质砂多孔隙、易破碎，力学性能较差，将微生物矿化用于钙质砂中以改善其强度等力学性质作为一种新型技术手段已被建筑结构专家和学者关注。 刘汉龙等[26]依据对加固后钙质砂样进行抗拉、压、剪试验的结果，得出MICP 技术能够对钙质砂进行有效的胶结， 使其强度和抗液化性得以提升，并在开展现场试验的基础上验证了该技术的可行性。 郑俊杰等[27]通过研究MICP 胶结钙质砂的强度离散性，发现胶结水平越高，强度及离散性也越高，离散性与钙质砂土骨架的差异和碳酸钙分布是否均匀息息相关。 崔明娟等[28]针对碳酸钙分布均匀性的问题展开研究，通过改变菌液注射方式，发现采用纯-混菌液注射方式能获得较高的碳酸钙含量，其分布均匀性也更佳。董博文等[29]针对NH4+难以回收的问题提出改进技术， 使NH4+发生反应生成矿化产物（鸟粪石），从而在加固钙质砂的基础上减少了对环境的危害。

6 结语

“微生物矿化技术”作为一个新的研究方向，由于其绿色天然、环保、对原位土扰动小等特点而得到广泛关注，正被世界各国所提倡。 由于影响微生物矿化作用的因素众多（如反应物及产物的浓度、反应温度、其他离子浓度和催化剂等），故需深入研究各因素对其的影响效果，找出最适宜参数，把如何克服加固不均匀的问题作为当前研究的重点。 本文浅析了砂土材料、水泥基材料、钢渣材料及钙质砂等建筑材料的微生物矿化历程，为今后在该领域进一步深入研究及工程运用中对建筑结构的修复提供了参考依据。