微生物礦化歷程淺析

周禹暄，胡俊，熊輝，林小淇，王志鑫，曾東靈

（1 海南大學 土木建筑工程學院，海南海口 570228； 2 海南省水文地質工程地質勘察院，海南海口 570206）

0 引言

微生物是地表分布最廣泛的生命形式，其代謝活動對地球礦物的溶解和沉積有重要影響。 在地球地質演化的過程中，微生物生長代謝與地表礦物之間的相互作用普遍存在，在地球地質史上部分大型碳酸鹽礦物也是由其控制、誘導而生成的。 微生物在誘發礦物沉淀的同時也控制其宏觀結構、形貌和微觀組成。

微生物礦化是指在某些物理和化學條件下，生物有機物控制或影響溶液離子向固體礦物質轉化的過程。微生物礦化是自然界廣泛存在的一種現象，具有過程溫和、綠色、條件物殊等特點，其形成的有機-無機復合材料具有優越的機械性能，因此，有潛力發展為一種綠色建筑材料制備技術。基于此，本文對水泥基材料、鋼渣材料、砂土及鈣質砂中的微生物礦化歷程分析研究，找出它們的變化規律與特性，為建筑工程中結構裂紋裂縫的修復提供可靠依據。

1 自然界的微生物礦化

生物礦化即指生物大分子調整控制生物體使其產生無機礦物，此過程涉及到生物細胞、有機質和代謝產物，明顯區別于正常礦化，廣泛存在于微生物、植物和動物體內。 生物圈中，生物總數的80%左右都是微生物，其數量最多、分布最廣，能夠誘導碳酸鹽、磷酸鹽、硫酸鹽、硫化物等礦物發生沉積。 在自然界中，微生物礦化是生物礦化的重要形式。 微生物在常規條件下利用環境中簡單、常見的組分，通過一系列節能、無污染的過程，對無機晶體的成核、形貌、尺寸等進行調控，合成了有著獨特結構和性能的材料，整個過程綠色、溫和，但耗時漫長。

珍珠、化石、羥基磷灰石等都是生物礦化的典型產物。 此類產物均通過有機質的引導，按一定順序嚴格進行組裝，具備出色的光學和力學性能，是合成材料無法比擬的。 生物礦化可以依據有機質在礦化過程中的作用分為誘導礦化和控制礦化。 微生物誘導礦化的特征：礦物質的形成由微生物形成的環境決定，是其活動和代謝的副產物，在其誘導礦化中微生物的生理活動起著重要作用。

微生物控制礦化的特征： 微生物細胞決定礦物質形成的形態。 在其控制下形成的礦物溶解度較低、晶體結構獨特且礦物中微量元素不平衡。 在控制礦化條件下，無論外部環境如何，微生物對礦物質顆粒的成核及生長過程控制程度高[1]。 生物控制礦化通常可以形成具有穩定結構和高質量特性的礦化產品。 如珍珠層、蛋殼、骨骼等。

2 水泥基材料中的微生物礦化

微生物礦化在水泥基材料中主要用于裂縫的主動、被動修復和表面缺陷修[2]。 早在2001 年，美國南達科他礦業理工學院Ramachandran 等就提出將微生物礦化作用應用于混凝土裂縫的修復[3]，他們混合了沙子和細菌液體作為修補材料，并將之填充到混凝土的裂縫之中。 細菌在這些裂縫中會誘導碳酸鈣并沉積以密封裂縫，從而可以更好地恢復混凝土的剛度和強度。 該研究使用了一種能夠產生脲酶的細菌， 該細菌可以將尿素水解為CO32-和NH4+,然后CO32-與周圍溶液中的Ca2+反應生成CaCO3沉淀，同時，在這個過程中細菌為CaCO3的沉積提供更多的成核位點。為了修復表面破裂的石灰石， 比利時根特大學的Dick 等人選用脲酶細菌，利用其誘導礦化生成礦化產物填充并膠結石灰石裂縫[4]，經此法修復后的表面吸水性顯著降低，他們認為,控制礦化的關鍵因素是脲酶細菌的極高負電勢以及高活性脲酶。 此前，Tittelboom 等人將硅凝膠（毛玻璃狀半透明顆粒）用作固載細菌的保護劑[5]，即便菌體在pH 較高的環境下，細菌的酶活性也能保持很高水平。將用硅凝膠固載后的細菌與其所需的養分和適當的鈣來源混合，然后注入混凝土裂縫當中，經過適宜的養護后，在裂紋區域會生成生物礦物質，通過延長養護時間，礦物可填充裂縫，并最終完全修復寬度小于0.3mm 的裂縫。 在中國，Qian 等人選擇碳酸鹽礦化細菌[6]，通過酶促反應降解基質，產生CO32-并及時引入Ca2+，并在細菌和營養液中浸泡水泥石標本，或將其涂抹于樣品表面使表面沉積一層硬質且致密的碳酸鈣保護層。 除此以外還有另一發現，礦化和沉積的兩個關鍵因素是Ca2+濃度和細菌活性[7]。 王瑞興和錢春香還將離心分離后菌株的濕細胞與瓊脂、尿素、砂及Ca 源按一定比例混合[8]，攪拌混和成漿液，并將制成的漿液注到水泥石裂縫中。 如若環境合適，此菌株會發生酶水解，在沙顆粒間隙中逐步發生礦化作用生成礦化產物（CaCO3），最終使得沙粒填充、固定于裂縫中，修復了水泥石裂縫。 山東建筑大學的侯宏濤等學者把鈣源、尿素和巴氏芽孢桿菌的混合溶液用于裂縫修復中[9]，通過裂縫表面涂層和灌漿的方法，對某滲漏工程進行了現場試驗，結果表明裂縫得到了成功有效的修復。

荷蘭代爾夫特理工學院的Jonkers 和Schlangen 提出微生物自修復混凝土設計這一先進理念[10]。 此技術是在攪拌過程中，把耐堿芽孢桿菌和適用于該細菌的專用底物（作為細菌食物）預先添加到混凝土中。 若混凝土中存在開裂現象，混凝土中便會接觸到水和氧氣，激活細菌使其脫離休眠狀態，并將預添加到混凝土中的基質通過一連串的生化反應轉化為CaCO3，使之沉積于裂縫中，以達成裂縫的自我修復。 基于該技術還提出了新的方法，其機理是使有機酸鈣被細菌的有氧呼吸所代謝、分解，使之生成Ca-CO3沉淀和CO2， 生成的CO2在混凝土環境中會繼續與Ca（OH）2發生反應,產生更多的CaCO3沉淀。 錢春香研究小組的學者們選用了一類從土壤中提取獲得的兼性好氧菌，并利用該細菌對混凝土裂縫微生物自修復機理展開研究[11-12]，讓細菌在溶液中發生礦化反應。 通過試驗，驗證了方解石是在有氧環境條件下沉積出來的。 他們認為在水泥石裂縫中，Ca（OH）2與細菌分解底物產生的局部富集的CO2發生反應生成CaCO3是礦化進展的關鍵，將此過程與微生物從底物直接產生碳酸鈣過程來比較，由其引起的礦化和沉積效果更為明顯。 他們還提出另一種利用了細菌特殊的酶學性質有效促進H2O+CO2?HCO3-+H+過程的方法[13-14]，在堿性條件下，反應OH-+HCO3-=CO32-+H2O 發生迅速，環境中生成的CO32-不斷螯合Ca2+，形成CaCO3沉淀。 這種細菌具有很高的酶促水解效率，碳酸鈣快速沉積，在整個反應過程中沒有NH3或其他污染物，并且對環境友好。 深圳大學Zhang 等使用高通量方法挑選出一株芽孢桿菌[15]，此菌株在pH 為9.5～11.0 的區間內能使碳酸鈣沉積活性維持在較高水平。 為了克服微生物在氧氣有限的情況下碳酸鈣沉積活性較低的問題， 他們利用質量比為1∶9 的乳酸和過氧化鈣制成了可以控制的氧氣釋放片，并且通過加入芽孢桿菌可以做到結構自修復，當接觸到水時，被控制的氧氣釋放片可以穩定供給氧氣，能夠促進碳酸鈣沉積過程，有助于在混凝土深處的裂縫自我修復。

大量研究成果表明，將微生物礦化應用于水泥基材料中是行得通的，此法能夠有效提高混凝土裂縫自修復能力，并降低裂縫對水的滲透性，在結構的耐久性能方面做了顯著提高，減少了用來維護結構的成本。 并且，用以修復裂縫的碳酸鈣產物對環境友好。

3 鋼渣材料中的微生物礦化

在煉制鋼的過程中鋼渣的排放量很大，迄今為止還不能做到有效利用。 鋼渣的累積使有限的土地被占據，也造成了資源的過度浪費。 一方面，存在于鋼渣中的膠結礦物可以用來制備建筑材料，但是其低活性會導致鋼渣的水合速率變得緩慢，難以充分利用；另一方面，由于其包含游離氧化鈣和游離氧化鎂，當用作建筑材料時，其結構穩定性問題有嚴重的安全隱患。 鋼渣中有大量的鈣、 鎂礦物， 其與CO2反應能生成穩定的CaCO3和MgCO3沉積物，在排除其他干擾條件情況下，從理論上說可以使原料對二氧化碳的需求達標，有良好的發展前景。 現階段，對于碳化養護鋼渣膠凝材料產品的生產工藝要求非常嚴格、生產成本較高、體積穩定性差。

目前，東南大學錢春香研究小組為有效處理因為游離的MgO和CaO 的存在而引起鋼渣體積穩定性降低的難題，創新性提出微生物礦化技術制備鋼渣膠凝材料的新技術，即向鋼渣中添加加快礦化能力的微生物，通過微生物誘導的方式生成納米級的粗糙礦化產物，填補鋼渣孔隙形成更細密的結構。 此技術提高了鋼渣中含鈣、含鎂礦物的離子釋放量，在生物礦化作用下將其轉變為膠凝性生物碳酸鹽，實現了對鋼渣中鎂和鈣的有效和穩定的利用[16]。

4 砂土中的微生物礦化

微生物誘導礦化MICP （Microbial induced Calcite Precipitation）即利用微生物能夠在介質孔隙中運動、生長并繁殖的特性，產生脲酶并分解周圍環境中尿素生成CO32-， 再向溶液中適量補充鈣離子源，誘導生成具有填充、膠結作用的CaCO3。 微生物礦化在砂土中主要用于淺、深層膠結兩類。 為研究微生物礦化在淺層膠結中的應用， 東南大學錢春香等篩選、 培育了一類新的微生物，利用CO2礦化沉積具有膠凝作用的碳酸鹽礦物，研發制備出了一種用于沙漠、揚塵治理等淺層固結[17]的新型捕碳微生物水泥。 深層膠結主要是指對地基進行生態加固，美國南達科他礦業理工學院的Ferris 等人[18]于1992 年為探究一種新固砂工藝，首次將MICP 技術生成的碳酸鈣作為添加劑來膠結材料，成功加固了松砂， 并利用CT 掃描分析了MICP 膠結前后的分布情況和孔隙特征，分析發現砂土孔隙率在被碳酸鈣膠結后下降明顯，超過了50%，此法膠結加固效果顯著。后來，更多的學者將注意力集中在生物碳酸鈣上， 并且對MICP 應用于砂土膠結領域做了深入研究。 為進一步研究生物碳酸鈣， 荷蘭代爾夫特理工大學的學者Whiffin[19]于2004 年開展了對有關生物碳酸鈣膠砂的研究實驗，在松散的砂體中填充微生物水泥（CaCO3），試驗后得到的水泥砂柱抗剪強度在1.8MPa 以上。 加利福尼亞大學的Dejong 等人[20]判斷影響生物碳酸鈣膠結有兩個因素，包括土壤中含有的礦物類型和孔隙中溶液的濃度，并對這兩因素的影響做了深入研究，試驗結果表明， 生物碳酸鈣可以膠結富含CaCO3、MgO2、SiO2的砂質土壤，對孔隙溶液濃度這一因素進行分析，其濃度越高，砂土固結越有效。

東南大學錢春香等人[21]通過微生物方法沉積碳酸鈣，在中國率先開展了微生物水泥研究，特別是對微生物水泥膠結物的分布和各種尺寸的研究，已經建立了與微生物水泥膠結的疏松砂粒的數學模型，該數學模型可以預測膠結體在不同條件和尺寸下的性能。 此外，研究小組[22-23]還對微生物的礦化進行了研究，并發現了可在特定環境中誘導新礦物質的磷酸鹽礦化微生物，這種新生成的礦物質具有膠凝性。 清華大學的程曉輝等人[24]發現，當少量的微生物和養分被倒入砂柱中時，在短時間內就能在砂柱內部生成碳酸鈣， 固化后的砂柱在承受10 次以上載荷后還未發生加載液化破壞， 并對用微生物灌漿法加固砂的抗液化性能方面做了檢測。 西南科技大學的黃琰等人[25]應用單因素方法，用巴式芽孢桿菌處理介質，并通過其處理前后的溶液質量分析和比較，對不同試驗條件和外部環境下微生物誘導方解石沉積的效果進行研究。

5 鈣質砂中的微生物礦化

目前，國家正在大力推動南海島礁工程建設，南海的島礁基本上由礁灰巖和鈣質砂構成，而鈣質砂多孔隙、易破碎，力學性能較差，將微生物礦化用于鈣質砂中以改善其強度等力學性質作為一種新型技術手段已被建筑結構專家和學者關注。 劉漢龍等[26]依據對加固后鈣質砂樣進行抗拉、壓、剪試驗的結果，得出MICP 技術能夠對鈣質砂進行有效的膠結， 使其強度和抗液化性得以提升，并在開展現場試驗的基礎上驗證了該技術的可行性。 鄭俊杰等[27]通過研究MICP 膠結鈣質砂的強度離散性，發現膠結水平越高，強度及離散性也越高，離散性與鈣質砂土骨架的差異和碳酸鈣分布是否均勻息息相關。 崔明娟等[28]針對碳酸鈣分布均勻性的問題展開研究，通過改變菌液注射方式，發現采用純-混菌液注射方式能獲得較高的碳酸鈣含量，其分布均勻性也更佳。董博文等[29]針對NH4+難以回收的問題提出改進技術， 使NH4+發生反應生成礦化產物（鳥糞石），從而在加固鈣質砂的基礎上減少了對環境的危害。

6 結語

“微生物礦化技術”作為一個新的研究方向，由于其綠色天然、環保、對原位土擾動小等特點而得到廣泛關注，正被世界各國所提倡。 由于影響微生物礦化作用的因素眾多（如反應物及產物的濃度、反應溫度、其他離子濃度和催化劑等），故需深入研究各因素對其的影響效果，找出最適宜參數，把如何克服加固不均勻的問題作為當前研究的重點。 本文淺析了砂土材料、水泥基材料、鋼渣材料及鈣質砂等建筑材料的微生物礦化歷程，為今后在該領域進一步深入研究及工程運用中對建筑結構的修復提供了參考依據。