微生物诱导碳酸盐在土体加固中的应用进展

周应征，管大为，成 亮

1. 河海大学 海岸灾害及防护教育部重点实验室，南京 210024；2. 河海大学 港口海岸与近海工程学院，南京 210024；3. 江苏大学 环境与安全工程学院， 镇江 212013

1 引言

砂土液化和侵蚀是软弱地基常见地质灾害。大范围的砂土液化灾害多由地震引发，一旦发生便会造成巨大经济损失和人员伤亡，例如：1976年中国唐山大地震、1989年旧金山洛马普列塔地震、1994年北岭地震、1995年日本神户地震、2011年新西兰克赖斯特彻奇地震、2011年东日本大地震中均伴随有砂土液化的发生（Mote and Dismuke, 2011; 张田田和杨为民, 2020）。局部的砂土液化由内部渗流和外荷载的耦合作用引起，多发生于堤坝或沙丘边坡，会造成结构物或土体失稳破坏。砂土侵蚀多发生于涉水结构物和岸滩周围，由水流和波浪掏刷引起，通常会引起涉水结构的基础失稳以及岸线的退化，同样会带来巨大经济损失。据报道（Mitchell and Santamarina, 2005），中国遭受侵蚀的海岸线长2463.4 km，占全国砂质海岸的49.5%。

为了应对上述砂土液化和侵蚀问题，岩土工程领域常通过一些原位的土体稳定或地基改良技术对软土地基进行改善。目前常用的软土地基改良技术主要有：（1）利用换填、强夯等物理手段来提高土体承载能力（傅文忠，2020）；（2）在土体里添加可改善土体性质的天然或人工合成材料，如：可回收玻璃纤维、环氧树脂、聚丙烯、土工织物等（Ahmad et al., 2012; Mujah et al., 2013, 2015; Mujah, 2016）；（3）灌入水泥、石灰或其他化学固化浆液（Bahmani et al., 2014; Di Sante et al., 2015）；（4）应用沙井、嵌岩桩（Deb et al., 2011; Dash and Bora, 2013）。然而，这些技术需要消耗大量的人力物资，而且在实际现场应用中会由于工程体量大而导致施工成本大幅增加。此外，化学灌浆有可能会改变土体pH值，从而引发严重的环境污染和生态系统紊乱。

微生物矿化是指由微生物新陈代谢产物与细胞内、外的金属阳离子结合形成无机矿物的过程。这类无机化合物，大多具有胶凝性，可以填充砂土颗粒之间的孔隙并起桥接颗粒的作用，最终将松散的颗粒胶结成具有一定机械强度的整体。微生物矿化的技术种类繁多，根据不同的无机矿物可以分为碳酸钙沉淀诱导技术、鸟粪石诱导技术（MAP）、磷酸钙沉淀诱导技术等（钱春香等, 2015; Ivanov et al., 2019a; 董博文等, 2020）；而且根据不同的微生物代谢行为，同一种无机产物也会有不同的矿化方式，例如碳酸钙诱导技术的机制包括：尿素水解过程、反硝化过程以及硫酸盐还原过程（钱春香等, 2015）。其中，基于尿素水解反应的微生物诱导碳酸盐沉积技术（Microbially Induced Carbonate Precipitation, MICP）是最为常见和高效的一种生物调控技术（bio-mediated techniques）（Almajed, 2017）。

近年来，随着微生物学、地球化学、土木工程学等不同领域学科之间交叉研究的不断发展，MICP技术逐渐受到各领域学者的青睐。特别是在土体改良方面，与传统的水泥灌浆等化学处理技术相比，MICP技术由于其具有污染小、扰动小、施工较为简便、快速高效等优势，越来越多地试用于地基加固、海岸防护、沿海建筑物修复等工程（刘汉龙等, 2019）。本文将通过介绍MICP机制、相关研究进展以及一些岩土工程应用，来阐明这一种绿色可持续技术在土体稳定方面的应用前景。

2 微生物诱导碳酸盐沉积技术

2.1 产脲酶菌矿化机制

MICP本质上是一种生物驱动的碳酸钙沉积技术，可分为生物控制和生物诱导机制。在生物控制矿化中，生物控制矿物晶体的成核与生长，最终限制了晶体的形貌和特征（Barabesi et al., 2007）。这种晶体成核生长行为与外界环境无关。而生物诱导的矿物晶体则会受到环境中生物与非生物因素的影响。当环境中Ca2+和CO32-的浓度超过碳酸钙的溶度积（Ksp）时，溶液中便会析出沉淀。这种自发性的化合过程，主要受到钙离子浓度、溶解无机碳浓度、pH以及有效成核位点的影响（Hammes and Verstrate, 2002）。

在MICP过程中，产脲酶细菌可以为碳酸钙的沉积提供CO32-（尿素水解产物）、适宜的碱条件以及成核的位置（Douglas and Beveridge, 1998; Ehrlich, 1998; Stocks-Fischer et al., 1999; Fujita et al., 2000; Warren et al., 2001; Hammes et al., 2003）。目前，学者们普遍认可且广泛应用的产脲酶菌是一种革兰氏阳性的巴氏芽孢杆菌。这种广泛存在于土壤中的好氧嗜碱菌，其新陈代谢时会通过分泌大量脲酶产生三磷酸腺苷（ATP）（Ivanov and Chu, 2008），促进催化尿素水解生成NH4

+和CO32-，同时令体系pH上升。在有Ca2+的条件下，CO32-和Ca2+逐渐结核生成具有较好热力学稳定性和一定胶凝性的CaCO3沉淀。尿素水解反应式如下：（1）~（2）（ Cheng et al., 2013）。

2.2 MICP胶结机制

巴氏芽孢杆菌新陈代谢产生脲酶的同时，会分泌一种叫做胞外聚合物（Extracellular Polymeric Substances）的代谢产物。如图1所示，由于胞外聚合物及其微生物自身双电层结构的存在，微生物趋向吸附在砂颗粒表面（DeJong et al., 2010）。由于羟基、胺基、酰胺基、羧基等带负电的官能团，导致微生物细胞壁表面一般也带有负电，并不断吸引环境中的Ca2+，使大量Ca2+聚集在细胞表面。同时，尿素不断被细胞吸收与水解，生成的CO32-又从胞内运输到胞外，Ca2+与CO32-相遇并以细胞为形核位点，逐渐生成碳酸钙晶体。随着晶体的不断生长，微生物细菌被方解石完全包裹，营养物质的运输受到限制，细菌逐渐死亡，并在碳酸钙晶体上留下了许多细菌的坑蚀（De Muynck et al., 2010），如图2所示。

图1 颗粒表面处微生物诱导碳酸盐沉积过程示意图（DeJong et al., 2010）Fig. 1 Schematic diagram showing the microbiologically induced calcium carbonate precipitation on the surface of particles（DeJong et al., 2010）

图2 微生物诱导碳酸盐沉积示意图（De Muynck et al., 2010）Fig. 2 Simplified representation of the events that occur during the microbially induced carbonate precipitation（De Muynck et al., 2010）

Ferris等（2004）揭示了尿素水解沉积碳酸钙的三个阶段：（1）溶液中离子浓度逐渐增加；（2）当离子浓度达到饱和临界点时，CaCO3开始析出；（3）CaCO3在成核位点上逐渐成型长大。这三个阶段对土体改良至关重要，因为溶液饱和条件的不同可能会导致晶体形貌（类型、尺寸、形状）的不同，而碳酸钙的类型（如球霰石、文石、方解石）则会影响生物胶结土体的强度（Al-Thawadi, 2013; Dhami et al., 2013）。

3 MICP相关研究进展

3.1 MICP的处理方法

为了保证MICP能够顺利反应，砂土处理中需要提供最基本的微生物菌液、尿素和钙源（CaCl2）。一般把尿素和钙源的混合物称为矿化液（CS溶液）。同时为了让微生物在土体内部水解尿素，常用的处理方法有注浆法、浸泡法、喷涂法和预搅拌法。

浸泡与喷涂都是利用土体的渗透性对砂土进行处理，前者将试样完全浸泡在菌液和CS溶液中让液体自然渗透（李昊等, 2020），后者是将反应液喷洒在砂土表面，借助重力作用渗流到土体孔隙中。喷涂法不需要大型机械，仅依靠液体自然流动便可实现。但是，由于在渗流中菌液和矿化液会持续反应，细菌不断被碳酸钙包裹而难以通过砂土孔隙，最终只有少量的试剂抵达到深层土体，而且喷涂法的处理范围也会受到土体自身渗透性的限制，所以此法仅适用于非饱和砂土的表面处理（Cheng and Cord-Ruwisch, 2012, 2014）。

由于砂颗粒对细菌的过滤作用，会导致微生物胶结效果沿水流路径线性降低（Ginn et al., 2001），这也是普通注浆法、浸泡法和喷涂法难以实现均匀胶结的原因。为了克服细菌非均匀分布的这个缺点，有学者采用预先将细菌悬浮液（或脲酶溶液）与砂土混合搅拌的方法来提高均匀性（Almajed et al., 2019; Rohy et al., 2019）。Yasuhara等（2012）利用预搅拌法得到胶结砂样，其UCS值可达到400 kPa到1.6 MPa。Zhao等（2014）发现83%的碳酸钙均匀地分布于预搅拌法处理过的砂柱内。Cheng和Shahin（2016）报道了一种可以替代细菌悬浮液的具有脲酶活性的 “Bioslurry” 生物水泥浆，采用搅拌的方式可以实现砂土内部脲酶活性的均匀分布。但是，运用机械进行剧烈搅动会引起土体扰动，导致土体出现假应力，而且还会复杂化土体历史应力，这对岩土力学工程来说是不利的（Mujah et al., 2017）。

目前，注浆法是MICP中最常用的处理方式，处理过程中可以有效控制注浆速率、注浆压力，而且可以同时处理土体内部的水平面和垂直面。根据注浆的操作顺序不同可以分为“一相注”和“两相注”。“一相注”是预先把菌液和CS溶液混合后注射到试样内部。这种方式在注浆初期会产生微生物絮凝和快速生成的碳酸钙沉淀，从而造成注浆口的严重堵塞（Stocks-Fischer et al., 1999）。“两相注”是将菌液和胶结液分阶段先后注入土体内部，即先注射微生物菌液，再注入CS溶液（Whiffin et al., 2007）。这种方式虽然避免了注浆口的堵塞，但是CS溶液在注浆过程中对先期注入的菌液的推动作用会使得微生物在试样内分布不均，从而导致矿化结果的不均匀。针对这个问题，Harkes等（2010）在注入第二相CS溶液前先注入了固定液（50 mM的氯化钙溶液），利用固定液将细菌固定于砂颗粒表面，从而使得均匀性得到了有效提高。然而，固定液的加入使得施工工艺更加复杂。Cheng等（2019）提出了一种改性低pH一相注方法，即通过降低微生物菌液与CS混合液的初始pH值，减缓了碳酸钙的沉积，同时抑制了微生物的絮凝，从而得到了在一定时间内稳定存在的微生物菌液和CS溶液的混合溶液。在稳定期内进行一相注浆避免了注浆口堵塞。注浆结束后，溶液pH随着脲酶水解反应的进行逐渐上升，微生物活性升高，碳酸钙也随之大量生成。同时，后续研究表明此工艺的应用大幅度降低了氨气的释放，而且生成的试块强度分布均匀（Cui et al., 2020）。值得一提的是，对混合注浆液稳定时长的精确调控还需要开展进一步的研究工作，以满足实际工程的需要。

3.2 影响CaCO3沉积的因素

经MICP处理过的砂土，其最终力学性能取决于碳酸钙的结晶模式。这是因为不同的碳酸钙尺寸、形状和分布，都会导致不同固化强度的胶结砂样（Al Qabany and Soga, 2013）。影响碳酸钙沉积的因素有很多，如：温度、脲酶活性、环境pH、CS溶液浓度、砂土种类、土体饱和度等。

温度：温度通过多个方面影响了碳酸钙沉积。当温度超过了60℃，细菌通常因高温死亡而无法继续生成碳酸钙（Rebata-Landa, 2007）。在10~50℃内，脲酶活性随着温度的升高而升高（Nemati and Voordouw, 2003; 彭劼等, 2016），但是温度的改变会显著影响碳酸钙晶体的形貌。Cheng等（2017）发现尽管高温下脲酶活性高，砂土内沉积大量碳酸钙，但是碳酸钙晶体平均尺寸比常温下的要小，难以形成足够的胶结力。所以在相同碳酸钙含量的条件下，其强度比常温下处理的砂土低了60%。

脲酶活性：脲酶活性代表了尿素水解的速率，活性越高在单位时间内就有越多的尿素被分解，碳酸钙的生成速率就越快。通常来说，菌液浓度与脲酶活性成正相关，菌液浓度越高脲酶活性也越高。高脲酶活性并不意味着高胶结强度。这是因为在低浓度细菌条件下碳酸钙成核位点少，晶体主要以生长为主，即碳酸钙会在已有晶体上沉积，生成的晶体数量少尺寸大。较高的细菌浓度意味着以微生物细胞为成核位点的晶体成核位点也越多（Hammes and Verstraete, 2002; DeJong, 2010），晶体以成核为主，会生成大量小晶体（Cheng et al., 2017; 张继生等, 2020）。对比两种晶体生长情况，研究认为大晶体形成的胶结相比于成片的小晶体来说薄弱点更少，因此相同碳酸钙含量时大晶体会提供更高的强度（Cheng et al., 2017; 张继生等, 2020）。

土体pH：尿素水解反应生成NH3在进一步水解时会生成OH-，为碳酸钙沉积提供了所需的碱性环境，Ferris等（2004）证实了MICP反应的适宜pH范围是6.5~9.3。同时，不同的土体pH会影响细菌传输和粘附，进而影响了MICP诱导的碳酸钙晶体在土体中分布的均匀性（朱铁群等, 2006; Cheng et al., 2019）。

CS溶液浓度：在脲酶活性相同的情况下，碳酸钙的生成效率与CS溶液的浓度相关。事实上，由于在高浓度CS溶液下，碳酸钙会迅速生成，因此成核位置相对比较集中，最终导致强度的不均匀（Okwadha and Li, 2010）。而低浓度条件下，碳酸钙的分布更加均匀，这有利于在减少扰动的同时提高胶结强度（Al Qabany and Soga, 2013; Ng et al., 2014）。

砂土种类：在相同碳酸钙含量下，不同种类的砂土颗粒在生物胶结后获得的强度是不同的（Martin et al., 2020），这可能归因于砂土颗粒自身的形状、大小、性质等。由于微生物自身具有一定的尺寸，微生物难以在孔隙小的砂土中移动和存活，易导致不均匀胶结（程晓辉等, 2013）。Mahawish等（2018）发现相比于100%的粗骨料或细骨料，由75%的粗骨料和25%的细骨料组成的砂土在加固后具有的无侧限抗压强度是最大的。中国地貌广阔，砂质类型丰富，微生物加固除石英砂以外的其他砂土也愈发具有战略意义。近年来，有学者对钙质砂的加固进行了相关研究，发现MICP技术可有效提高钙质砂土的强度（董博文等, 2020; 李昊等, 2020）。

晶体沉积位点：由于脲酶菌在松散砂颗粒间不断地沉积碳酸钙晶体，最终把砂颗粒胶结成为一个具有一定力学性能（如强度、刚度、渗透性等）的整体。一般情况下，处理后土样内的碳酸钙含量越多，孔隙越少，其获得的宏观力学性能也越优异。Chu等（2014）发现胶结试样的无侧限抗压强度（UCS）和渗透系数、碳酸钙含量基本是线性关系。然而这并不能说明砂土之间具有相同碳酸钙含量，就会有相同或相似的力学性能。Cheng等（2013）发现在相同碳酸钙含量下饱和砂土的强度不如非饱和砂土，这是因为砂颗粒孔隙内的液面分布限制了碳酸钙的沉积位置（图3）。碳酸钙的分布可能存在两种极端情况，一是碳酸钙等厚度均匀地沉积在砂颗粒表面，二是在砂颗粒相互接触点处集中沉积碳酸钙。这两种分布分别代表了固化结果的最差与最优。Dejong等（2010）发现碳酸钙主要分布于砂颗粒接触点附近，介于两种极端状态之间，如图4所示。

图3 不同饱和度砂土中孔隙胶结液分布情况（Cheng et al., 2013）Fig. 3 Conceptual illustration of pore cementation solution distributed in the sand matrix under different saturation conditions（Cheng et al., 2013）

图4 孔隙中碳酸钙的分布情况（DeJong et al., 2010）Fig. 4 Illustration of calcite distribution within pore space（DeJong et al., 2010）

从微观尺度上，碳酸钙成核位点决定了碳酸钙晶体的沉积位置，沉积位置影响了碳酸钙的分布情况，进一步影响了宏观力学。碳酸钙沉积可以分为有效碳酸钙沉积和无效碳酸钙沉积。有效主要指的是沉积于砂颗粒接触点，粘结砂颗粒并提供力学强度的一类碳酸钙沉积，如图5所示（Cui et al., 2017）。Poter等（2017）通过扫描电镜和能谱仪分析固化后的砂柱，发现只有一部分碳酸钙形成颗粒间的有效连接。因此，如何在松散颗粒接触点附近沉积更多的有效碳酸钙是实现高强度微生物胶结的关键。

图5 胶结砂土中无效和有效碳酸钙示意图（Cui et al., 2017）Fig. 5 Schematic diagram showing non-effective and effective calcite crystals in bio-cemented sands (Cui et al., 2017)

3.3 脲酶诱导碳酸盐沉积技术（EICP）

尽管MICP技术优势明显、潜在应用领域广泛，但对于现场应用来说需要培养大量的高活性脲酶微生物，从而提高了工程成本，限制了其应用。在MICP体系中，微生物细胞内脲酶对尿素水解起到了关键作用，因此，研究者们提出了直接利用脲酶进行碳酸盐矿化的思路。基于这个想法，Nemati和Voordouw（2003）提出了一种直接利用游离态脲酶的仿生（bio-inspired）技术，即脲酶诱导碳酸钙沉积技术（EICP）。一般来说，脲酶菌的尺寸一般为300 nm到2000 nm之间。与之相比，脲酶蛋白分子尺寸仅有12 nm左右（Blakeley and Zerner, 1984），溶于水后可以在更加微小的砂粒孔隙中自由通过，从而可以有效地用于细颗粒土壤（粉砂、黏土）的生物矿化加固（杨丰等, 2019; Gao et al., 2019; He et al., 2020）。而且，随着EICP过程的进行，游离脲酶的活性降低十分迅速。因此，吸附于土颗粒的脲酶在完成矿化作用后会被自然降解而不会对环境造成长期的影响（Almajed, 2017）。

近10年来，学者们对EICP的潜在应用进行了大量研究，如：土体加固（Yasuhara et al., 2012; Hamdan et al., 2013; Dilrukshi et al., 2018; Almajed et al., 2019）、混凝土裂缝修复（Dakhane et al., 2018）、渗漏封堵（Nemati and Voordouw, 2003; Larsen et al., 2008; Beser et al., 2017）、扬尘治理（Lo et al., 2020）、地表水侵蚀控制（Ossai et al., 2020）、土体抗冲刷（Liu et al., 2020）。虽然EICP有着广泛应用前景，但是使用商业高纯度脲酶成本高昂，不适合大规模的工程应用（Khodadadi et al., 2017）。作为一种含镍的寡聚酶，脲酶广泛存在于许多高等植物的种子里如：刀豆、大豆、西瓜籽等（Khodadadi et al., 2020）。因此，有学者提出了利用上述植物种子提取粗脲酶来进行EICP处理的方法。Larsen等（2008）发现刀豆粕脲酶产碳酸钙的效率比添加了稳定剂的高纯度商业脲酶更高，这说明刀豆粕有望替代纯化脲酶进行EICP反应。Park等（2014）、Dilrukshi等（2018）、杨丰等（2019）通过简单的研磨、浸泡与离心，分别从刀豆、西瓜籽和大豆中获得了粗脲酶，并证实了从这些植物种子中提取的粗脲酶在土体改良方面的应用潜力。Gao等（2020）也尝试了利用粗提取的大豆脲酶进行粉砂固化试验，结果证实砂土力学性能得到显著改善，并且不易造成注浆口堵塞。Khodadadi等（2020）对比了四种不同植物种子提取的粗脲酶的活性并与两种商业高纯度脲酶进行了比较。表明利用粗提取的刀豆脲酶更有利于加固砂土，表现在相同情况下经过粗提取脲酶处理的砂柱强度更高。相比于MICP工艺所需的脲酶微生物的培养，基于粗脲酶的EICP工艺在一定程度上可以降低工程成本。然而，如何进行大规模存储和远距离运输脲酶将是EICP技术未来能否大规模工程应用的关键。

4 MICP现场试验

为了验证在原位土体利用MICP实施生物矿化的有效性，一些学者进行了大规模的现场实验，包括：井眼稳定、抗液化、边坡稳定、抗风蚀、裂缝修复、海滩抗冲刷等。

van der Star等（2011）在荷兰东部的水平定向钻井工程（Horizontal directional drilling）中现场实施了MICP灌浆处理。该工程目标是铺设一条横穿瓦尔湖的天然气管道，但是瓦尔登湖下多数为砾石层，这对施工有很大的障碍。通过预先插入土体中的注射管与排水管将细菌与矿化液注入到土层内，经过7天的处理，松散的砾石层得到了有效加固，让水平定向钻井工程得以成功实施。然而，为了避免MICP反应副产物（NH4+）对地下水体的污染，所有反应产物通过排水管收集并集中处理。据估算，反应产物处理费用占整个工程费用的三分之一。

Burbank等（2011）在离美国华盛顿Lower Granite大坝约8000 m的现场原位激发土著脲酶菌，实现了MICP土体加固抗液化处理。通过往土体提供脲酶微生物生长所需的特定培养基，成功原位激发富集了耐碱和耐高盐的土著脲酶微生物。通过进一步注入矿化液来诱导碳酸钙原位沉积，土体的圆锥静力触探阻力有了明显的提高。利用原位激发富集土著脲酶微生物进行MICP处理的方法，既解决了碳酸钙分布不均的问题，又降低了微生物的培养成本。同时，该方法避免了引入外来菌种，有效降低了传统MICP方法对土体的原生环境的干扰。

Gomez等（2015）在加拿大的不列颠哥伦比亚省进行了小面积（约7.5 m2）的现场抗风蚀实验。这项工程重点是固定地表松散砂颗粒和提高松散砂土的抗风蚀能力，为未来沙漠绿化和扬尘治理提供实验数据。研究结果表明，低浓度矿化液（0.125 M CaCl2）的处理效果优于中、高（0.25~0.5 M CaCl2）浓度。同时，通过进一步工艺优化，MICP可以用于更大的现场处理。

Cuthbert等（2013）尝试利用MICP技术修复了地表下岩石裂隙，有效降低了破裂岩石的渗透性。Cuthbert等（2013）将细菌固定于缝隙后注入矿化液，促进碳酸钙在裂缝内沉积，经过17小时的处理，生成了750 g的碳酸钙，导致单个裂缝在单位面积上的透水性明显降低。Phillips等（2016）利用传统的油井下流体输送技术，将脲酶菌与矿化液输送到距地表340.8 m的深层砂岩裂隙中进行生物矿化。相比于处理前，处理后的裂缝的渗透性明显降低（流速从1.9 L/min降到了0.47 L/min），岩石的抗破裂性能也得到了提升。结果表明，MICP技术在现场中能有效地修复深层岩石裂缝降低其渗水性。

5 MICP技术工程应用挑战

现阶段，将MICP技术应用于实际工程之前仍有许多工程科学问题亟待解决，例如工艺技术成本、工程质量（均匀性）控制以及生态环境影响等方面。传统的MICP技术在细菌培养、矿化液的制备等方面成本较高，难以大规模的工程应用。因此，利用天然产物制备MICP所需的原料是提高MICP技术经济可行性的方法之一。一方面可以利用刀豆、大豆、西瓜籽等植物种子提取脲酶代替微生物进行矿化反应。目前来说，制备纯化脲酶步骤繁多、工艺复杂，使用商业高纯度脲酶的成本是微生物的50倍（Ivanov et al., 2019b）。因此，急需寻找一种简易、经济的方法能够从植物种子内大规模提取满足工程应用所需的脲酶。另一方面，生物矿化所需的尿素和钙源可以利用天然原料来代替工业化学原料，如：动物尿液、海水、石灰石、钙镁白云石等。Lambert 和Randall（2019）利用灭菌后的尿液作为尿素原料制备生物砖。Choi等（2017）利用木质纤维素热裂解产生的醋酸溶解石灰岩粉末制备MICP反应所需的钙源。上述方法在降低MICP技术成本上做了初步的尝试，但在大规模工程应用的可行性方面还需进一步展开研究。

现有研究结果表明大范围土体MICP加固处理容易造成加固强度的分布不均匀（van Paassen et al., 2010）。其主要原因是微生物（脲酶）土体内部不均匀分布从而导致其所诱导的碳酸钙不均匀沉积。因此，优化注浆工艺是关键。Cheng等（2019）提出的低pH一相注浆是一种有效提高微生物及碳酸钙均匀性的新工艺，但在实际工程施工过程中如何精确调控混合注浆液pH值还需进一步开展研究。

基于尿素水解反应的MICP技术在应用过程中会产生大量NH4+，并且在碱性条件下NH4+会转化成可挥发性氨气（NH3）。这是MICP技术未来大规模应用于实际工程时最亟待解决的环境问题。由于MICP反应处于碱性环境（pH=9.0~9.4），尿素水解的副产物NH4+有大部分会转化为NH3释放到环境中。通常认为，当空气中的NH3高于10 µg/m3时就会对人体有很大危害（Anker et al., 2018）。据估算，如果将基于尿素水解过程的MICP技术应用于1000 m3的大坝的裂缝修复，产生的有害气体（NH3）将会污染大约100 km3大气（Ivanov et al., 2019b）。因此，需要一种能替代尿素水解的、可减少NH4+（或NH3）排放或零排放的、更加环境友好的生物矿化工艺，如生物诱导鸟粪石（MAP）沉积（董博文等, 2020）、反硝化诱导生物矿化（Zhu et al., 2019）、生物诱导磷酸钙盐沉积（Ivanov et al., 2019a）、微生物氧化诱导碳酸钙沉积（Ivanov et al., 2019c）等。除此之外，利用嗜酸性脲酶乳酸菌（如：发酵乳杆菌）也是一种潜在的解决方案。这是由于嗜酸性脲酶乳酸菌的最优pH一般是3~6，尿素水解会接近于中性的环境下发生。中性环境下仅有0.4%~1.0%的氨气转化率（Emerson et al., 1975），也就是大量的副产物NH3以铵根离子（NH4+）的形式存在于水中，减少了NH3排放。但是，环境中的酸碱性会影响碳酸钙的沉积，所以能否克服中性环境对碳酸钙沉积的抑制作用，是嗜酸性脲酶乳酸菌能否用于生物矿化的关键。

6 结论

本文讲述了利用MICP技术提高土体性能的相关研究进展，通过多个角度说明MICP在岩土工程、水利工程等多个领域内有着广泛的应用前景。与传统的土地改良技术相比，基于碳酸钙沉淀机制的MICP技术具有干扰小、施工较为简单、工期短等优势。在许多现场试验中，MICP已经充分展示了其在大范围工程实施中的可行性、高效性以及一定的经济性，可用于软土地基加固、边坡稳定、扬尘治理、海岸防护、裂缝修复等。然而，从目前发展来看，想要真正地应用MICP技术于工程实践中仍然面临着许多挑战：（1）细菌培养成本高；（2）大范围工程难以实现强度的均匀性；（3）尿素水解产物NH3的大量排放会造成严重的环境问题。总体来说，MICP技术在诸多应用方面已经被证明具有潜在可行性，下一阶段需要更多的科研工作者们一同努力去克服实际工程应用所将遇到的诸多挑战。