微生物固結裸土及其抗風蝕揚塵的研究進展*

張敏霞 劉飛飛 王瑞琦 王樹仁

(河南理工大學土木工程學院，河南 焦作 454150)

裸土風蝕揚塵已經成為城市空氣顆粒物污染的最重要貢獻源之一,因此防治裸土風蝕揚塵已經成為當前國家和社會的迫切需求。城市及其近郊裸地、無作物覆蓋的農田、未鋪筑道路、建筑空地等裸土由于缺少植被、水或建筑物等的覆蓋，極易發生風蝕，其表面顆粒物在風力作用下發生滾動、躍遷、懸浮而擴散到大氣中成為裸土風蝕揚塵[1]。裸土風蝕揚塵的傳統治理措施主要有鋪設防塵網、灑水、化學加固、植被覆蓋、生物結皮等。防塵網不適于大面積鋪設，且極易老化損壞，又易造成二次污染[2]；灑水雖然簡單，但水分蒸發快，需要浪費大量的水資源[3]；化學加固由于使用水泥、瀝青或化學抑塵劑等，會破壞土壤結構，影響土壤環境，甚至可能釋放有毒物質[4]；植被覆蓋雖是一種環境友好方法，效果也不錯，但植物生長對土壤環境有一定要求，而且植物生長周期長、見效慢[5-7]；生物結皮目前則還處于研究階段[8]。

微生物在土壤環境中大量存在，利用微生物的代謝功能誘導形成碳酸鹽沉淀實現裸土的原位固化，可以改善土體的物理學、力學及工程學性質，在土壤表層形成的硬殼可以達到抗風蝕揚塵的目的，因此微生物固結是一種環境友好、見效快、效果好、適合大面積治理裸土風蝕揚塵的新方法。

本研究首先總結了微生物固結土體技術的作用機理及其應用現狀；其次介紹了微生物固結裸土抗風蝕揚塵的作用機理、影響因素等方面的研究進展。

1 微生物固結土體技術

1.1 作用機理

微生物固結土體技術的操作過程見圖1。向松散土體中灌注微生物、尿素和CaCl2，微生物首先被吸附在土壤顆粒表面，在尿素和CaCl2的誘導下具有膠結能力的碳酸鈣晶體生成并吸附在土壤顆粒表面，隨著反應的進行碳酸鈣晶體不斷增多，大量碳酸鈣晶體充斥在土壤顆粒間充當橋梁，將松散土體膠結在一起[25-26]。

1.2 應 用

微生物固結能夠有效影響土體的結構、強度、剛度、壓縮性、滲透性等性質[27]。國內外學者對此開展了大量應用研究，利用微生物、尿素和鈣鹽不僅可以將松散砂粒膠結成為具有一定強度的小型砂柱[28]，還可以通過在大型砂基中形成膠結體，顯著提高大型砂基的強度[29-30]。微生物固結土體的強度和剛度隨方解石含量的增加而增大[31-32]。另有研究表明，應用微生物固結土體技術對土體進行改良，可以使其具備很好的防滲[33-38]、抗液化[39-41]、抗沖刷和抗侵蝕[42-44]等功能。將微生物固結土體技術應用于加固地下砂礫土層的工程現場發現，在加固后的砂礫土層進行水平定向鉆孔和天然氣管道鋪設時，砂礫土層非常穩定[45-46]。將微生物固結土體技術應用于砂礫巖層滲漏治理的工程現場用于封堵，在不損害周邊生態環境的前提下，滲漏處可以被完全封堵[47]。微生物對土體的加固、改良作用效果主要依賴于微生物種類及其新陳代謝產物和礦化產生的礦物晶體等[48-50]。

GOMEZ等[51]開展了微生物固結土體技術固結松散砂土的現場試驗，可形成0.64～2.50 cm厚的表面硬殼層，抗沖蝕試驗和長期的標準貫入試驗結果確認了微生物固結土體的表面穩定性，形成的硬殼層還可以增強土體保濕性能，使其更有利于植被恢復和生長。另有研究發現，微生物固結土體不僅能有效防塵，而且具備良好的環境兼容性和經濟性[52-53]。

2 微生物固結裸土抗風蝕揚塵研究進展

2.1 微生物固結裸土抗風蝕揚塵機理

微生物固結裸土抗風蝕揚塵的基本原理就是微生物固結土體作用機理，把松散的表層裸土膠結形成微生物固結層[54]，改變裸土的表面結構，提高其表面強度及穩定性，被稱為“生物架橋”作用；或礦物晶體吸附在土壤顆粒表面，使土壤顆粒粒徑增大[55]，從而增大土體風蝕的啟動風速，被稱為“生物吸附”作用。隨著生物吸附作用的不斷進行，土壤顆粒表面碳酸鈣晶體不斷增多，相鄰土壤顆粒也會被膠結在一起，又變成“生物架橋”作用。微生物固結裸土抗風蝕揚塵機理示意圖見圖2。

2.2 微生物固結裸土抗風蝕揚塵的影響因素

微生物固結裸土是一個復雜的微生物化學過程，其抗風蝕揚塵的效果受多種因素影響。首先，微生物種類不同，分泌的脲酶活性及誘導生成方解石的大小、形狀和質量等就存在一定差異，微生物固結裸土抗風蝕揚塵的效果也就不同[56]。李馳等[57]選擇沙漠自源葡萄球菌(Staphylocuccus)和傳統巴氏芽孢桿菌(Sporosarcinapasteurii)開展微生物沙漠原位礦化覆膜的現場試驗發現，葡萄球菌誘導生成的礦化覆膜層強度和穩定性更好。同時，微生物濃度增加也可增強微生物固結裸土抗風蝕揚塵效果[58]。其次，溫度、濕度等環境條件和土體本身的性狀等也與微生物固結裸土抗風蝕揚塵效果密切相關，級配良好的土體，在較低濕度、較高溫度環境下，微生物固結后抗風蝕揚塵效果較佳[59]。當然，實際結果還具有一定的偶然性。

圖1 微生物固結土體技術的操作過程Fig.1 Practical processing of microbial consolidation technology of soil

圖2 微生物固結裸土抗風蝕揚塵機理Fig.2 Microbial consolidation mechanism of bare soil to resist wind erosion dust

考慮到我國季節性凍土區分布廣泛，且這些地區四季分明[60]，具有間歇性降雨和晝夜溫差大等自然特征，土壤常處于干濕交替和凍融循環狀態[61]，加上當地的氣候、水資源等對土壤酸堿性的影響[62]，都會關系到微生物固結裸土抗風蝕揚塵在季節性凍土區的大面積推廣和工程應用。干濕交替是影響土壤團聚過程的重要環境因素之一，僅一次干濕交替就能使土壤中的大團聚體含量顯著減少，隨著干濕交替次數的增加，盡管團聚體抵抗破碎的能力有所增強，但最終大團聚體都將逐漸轉變為小團聚體[63]，且土壤干縮和濕漲過程都會劇烈改變土壤團聚體的內部結構，加劇土壤團聚體的破碎[64-65]，致使土體凝聚力減弱，結構遭到破壞[66]。當然，也有研究表明，干濕交替對土壤團聚體的破壞作用并不明顯[67]。更準確地說，干濕交替對不同土體的影響不同，干濕循環會使原狀土風蝕量增大，但會使重塑土風蝕量減小[68]。凍融循環是另一個影響土壤團聚過程的重要環境因子，凍融循環會使土壤顆粒在凍漲、融消交替過程中發生位移，從而使大團聚體破碎成小團聚體[69-73]，風蝕程度隨凍融循環次數的增加而加劇[74-75]。總之，干濕交替和凍融循環通過對土壤團聚體的破壞而改變土壤顆粒大小和間距，引起土壤結構和形態變化，最終影響微生物固結裸土抗風蝕揚塵效果。因此，干濕交替、凍融循環也是影響微生物固結裸土抗風蝕揚塵效果的重要因素。

3 結論與展望

3.1 結 論

(1) 微生物固結土體主要是利用土壤中的微生物在特定條件下生產具有膠結能力的礦物晶體，實現對土壤顆粒的膠結。尿素水解過程、反硝化過程、硫還原過程、鐵還原過程等多種MICP過程都可以生產具有膠結能力的礦物晶體。微生物對土體的加固、改良作用效果主要依賴于微生物種類及其新陳代謝產物和礦化產生的礦物晶體等。

(2) 微生物固結裸土抗風蝕揚塵的基本原理就是微生物固結土體作用機理。微生物種類、溫度、濕度等環境條件和土體本身的性狀等都是影響微生物固結裸土抗風蝕揚塵效果的因素。我國季節性凍土區分布廣泛，這些地區干濕交替和凍融循環也是影響微生物固結裸土抗風蝕揚塵效果的重要因素。

3.2 展 望

(1) 針對尿素水解生產碳酸鈣晶體過程中碳酸鈣以微生物為結晶核析出碳酸鈣晶體，還是碳酸鈣晶體生成后向微生物靠攏這一爭議，需進一步進行更為詳細的研究。

(2) 為建立系統化的微生物固結裸土理論與技術，應對微生物固結裸土抗風蝕揚塵影響因素開展更全面、更系統的研究。特別是，干濕交替、凍融循環等對微生物固結裸土抗風蝕揚塵效果的影響，對于我國大面積季節性凍土區開展微生物固結裸土抗風蝕揚塵研究具有重要意義。

(3) 微生物固結裸土抗風蝕揚塵目前主要還處于實驗室研究階段，離大面積工程應用還有很大距離，需要更多的現場試驗驗證和自然環境的考驗；同時，如何降低微生物培養成本以及妥善處理微生物反應副產物，也是將微生物固結裸土抗風蝕揚塵大規模應用于實際工程所要解決的問題。

(4) 微生物固結裸土抗風蝕揚塵研究具有學科交融性，需要微生物學、巖土工程學、環境生物技術、風沙物理學等眾多領域的合作，因此開展這些學科間的交叉研究將給微生物固結裸土抗風蝕揚塵研究帶來更廣闊的前景。