大理石表面微生物诱导碳酸钙覆膜

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MICP技术中巴氏芽孢杆菌修复砖石裂纹的实验研究[1]

MICP技术中巴氏芽孢杆菌修复砖石裂纹的实验研究[1]摘要:本文基于微生物诱导碳酸钙沉积（MICP）技术，进行巴氏芽孢杆菌（Bacillus pasteurii）修复砖石裂纹的实验研究。

实验结果表明，巴氏芽孢杆菌在适宜的条件下，可以通过碳酸钙沉积弥合修复砖石裂纹，修复并提高砖石的力学性能。

本研究为砖石及类似材料的生物修复提供了实验依据。

关键词：MICP技术；巴氏芽孢杆菌；砖石损伤；实验研究引言微生物诱导碳酸钙沉积（MICP）技术是一种新兴的生物修复技术，通过利用微生物活动产生的碳酸盐沉积来修复材料内部的裂纹以及增强材料的力学性能。

在近年来，该技术在建筑环保和材料修复方面得到了广泛关注和研究。

巴氏芽孢杆菌（Bacillus pasteurii）作为一种具有高碳酸钙沉积能力的微生物，已经在土壤固结、混凝土修复等领域取得了显著成果。

然而，关于巴氏芽孢杆菌在砖石材料修复方面的应用研究仍然相对较少，亟待进一步开展。

1材料与方法1.1 材料1.1.1红砖实验选用普通红砖作为试验材料，由于红砖表面具有细微的粗糙结构，适合于巴氏芽孢杆菌的附着以及碳酸钙沉淀的形成。

为了满足实际工程需求，红砖的选取并不需要进行特殊筛选，表面平整度和质地均匀性的要求相对宽松。

在实验开始之前，将红砖人工敲断，形成裂纹宽度在0.5-1mm范围内。

为了模拟现场实际条件并简化实验过程，没有使用特殊的实验模具。

实验中，直接在断裂的红砖上交替滴注巴氏芽孢杆菌和胶结液体，同时观察其在修复裂缝过程中的胶结效果。

这种方法更接近于实际应用环境，有助于评估巴氏芽孢杆菌在实际工程中修复砖石裂纹的效果和可行性。

同时，这种简化的实验方法也有助于降低实验成本和检验试验效果。

1.1.2巴氏芽孢杆菌实验中所用的巴氏芽孢杆菌菌株为ATCC14579，这种菌株在微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）技术中具有广泛的应用，因其能有效地产生尿酸酶，进而催化尿素水解生成碳酸钙沉淀。

微生物诱导碳酸钙沉淀在土体改良中的应用

0引言目前土体加固技术一直采用的是传统的土体改良方法，如排水固结，化学注浆等方法，这些传统的处理方式成本较高，消耗能源较大，同时还易污染环境。

所以亟需研究一种新型环保绿色高效的胶凝材料来加固土体[1]。

研究发现，在自然界中存在一些产脲酶细菌微生物，通过给其提供氮源和Ca 2+的营养液，能够快速矿化出有良好胶结作用的碳酸钙晶体[2]，用尿素水解生成碳酸钙沉淀的机制简单，短时间可以产生大量CO 32-，因此成为了微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP ）的常用方法。

尿素水解产生碳酸钙沉淀是一个复杂的生物矿化过程，这一过程会受到外界多种因素的影响。

因此国内外学者从各个方面开展了对微生物矿化机制的研究。

比如在尿素水解过程中，细菌的种类和产脲酶能力、钙离子浓度和温度对细菌的脲酶活性有所影响。

在细菌的种类和产脲酶能力方面，赵茜[3]利用菌液和纯脲酶试剂进行了对比试验，发现菌液的脲酶活性更强，对砂土的矿化效果更好。

Park 等[4]利用4种不同的尿素水解类细菌进行MICP 矿化反应，发现巴氏芽孢杆菌的产脲酶能力较强。

通过改变钙离子的浓度，研究者[5]发现脲酶活性随着Ca 2+浓度的增加会降低。

在0.50~0.75M 钙离子浓度水平下，脲酶活性随着浓度的增加有一定提升。

温度对细菌生长繁殖也有重要影响，Whiffin 等[6]认为尿素水解细菌的最适宜温度为30℃。

胶结液浓度、钙源和添加剂是影响固化土内部碳酸钙产量和抗压强度的重要因素。

Ng 等[7]发现在0.5mol/L 和0.25mol/L 胶结液浓度下，0.5mol/L 胶结液生成的碳酸钙含量更多。

在钙源方面，目前大多数研究都以氯化钙作为钙源[8-9]，Abo-El-Enein 等[10]研究了氯化钙、硝酸钙和醋酸钙固化砂土后强度的变化，通过对比试验发现氯化钙固化砂土的抗压强度最高，为1.2MPa 。

醋酸钙和硝酸钙的强度分别为1MPa 和0.45MPa 。

在添加剂方面，骆晓伟[11]在砂土固化试验中加入了0.2%的玄武岩纤维后，固化后砂土强度比原始强度2.6MPa 提高了1个MPa 。

微生物对沉积的作用

微生物对沉积的作用微生物，这些肉眼难以察觉的生命体，在许多重要且复杂的自然过程中都发挥着作用。

其中，他们对沉积的作用是极其复杂和多样的。

微生物不仅可以通过影响物质的物理和化学性质来改变沉积物的形成过程，还可以通过自身的生命活动来影响和改变沉积物的分布和特性。

微生物可以通过自身的代谢活动来改变沉积物的化学性质。

例如，某些微生物可以通过氧化硫化物或还原硝酸盐来产生酸性物质，从而改变沉积物的pH值。

这些化学变化不仅会影响沉积物的物理性质，还会影响其周围的生物群落，从而进一步影响沉积过程。

微生物在沉积物的形成过程中也发挥着重要作用。

例如，在河流和湖泊中，微生物可以通过影响泥沙的沉积来改变河床和湖底的结构。

微生物还可以通过产生生物聚合物来影响沉积物的聚集和沉淀过程。

这些生物聚合物可以促使颗粒物聚集在一起，形成更大的团块，从而影响沉积物的形成和分布。

微生物还可以通过影响有机质的分解和转化来影响沉积过程。

有机质是沉积物中的重要组成部分，它的分解和转化过程受到微生物的影响。

微生物可以通过分解有机质来释放出营养物质，这些营养物质可以被植物和其他生物利用。

微生物也可以通过转化有机质来影响其分解速度和方式，从而影响沉积物的形成和分布。

微生物对沉积的作用是极其复杂和多样的。

它们通过影响物质的物理和化学性质、参与有机质的分解和转化以及改变沉积物的形成过程等方式来影响和改变沉积物的形成和分布。

这些影响不仅对地球的生态系统有着重要的意义，也对人类的生产和生活产生着深远的影响。

因此，我们需要更加深入地研究和了解微生物对沉积的作用，以便更好地利用它们来改善我们的生产和生活。

随着微生物学和沉积学的快速发展，微生物席沉积学作为一门新兴的学科分支逐渐引起了科学界的广泛。

微生物席沉积学主要研究微生物与沉积环境之间的相互作用，为理解地球表层系统的形成和演变提供了新的视角。

本文将详细介绍微生物席沉积学的定义、研究对象、研究方法以及未来发展方向。

石质文物加固中细菌诱导碳酸钙生成的研究

¨ 0
。
国内
，
重时甚至会导致文物的毁灭
。
因此寻找
，
一
一
种新型
。
利用自主筛选的细菌并诱导碳酸钙加固保护石质文物方面的研究未见报道探索微生物方法对风化的
，
的有效的保护措施是保护石质文物的
M 。
这类细菌能够
∞
“ …
一
我国石质古迹文物资源丰富含钙岩石是历史
上遗存下来的大量石质文物中最常用的基质材料
、
、
在石质文物内部诱导产生碳酸钙结晶
一
。
般
。
定的限制且容易堵塞
，，
石质文物饱受环境大气酸雨生物和地表温湿度变
石质文物的孔隙使内部的湿气不能出来可能会进
一
化等因素影响导致石构件风化分解等
，
、
。
目前保
，
步破坏文物；而细菌能够最大限度的渗透到石质
，
护手段多采用无机或有机高分子材料来加固石质文
、、
，
国外利用细菌生物矿化进行文物保护的研究较
19 9 5
的要求在文物保护的实践应用中具有重要意义
，
。
早
。
年意大利人

利用微生物诱导碳酸钙沉淀技术修复混凝土表面缺陷的研究

义。
标准养护条件下养护７ｄ后进行试验。每一组均有３个试件，最后取平均值，保证了数据的准确性。人为的在混凝土表面制造凹陷，通过抹砂法【 ” 确定粗糙度等级，将粗糙度划分为３三个级别。喷涂覆
膜法是将菌液和Ｃａｃｌ２以及尿素的混合溶液喷涂于
混凝土试件的表面，然后每隔一段时间，再往试件表面喷涂Ｃａｃｌ２和尿素的混合溶液，持续一段时间后静置７ｄ，观察覆膜情况。试验分组及编号见表料的表面缺陷修复已成为一个重要的独立行业，许多混凝土表面防护涂料和裂缝修补材料不断问
利用微生物诱导碳酸钙沉淀技术修复混凝土表面缺陷的研究
李翔，梁仕华
＝口
。
（广东工业大学土木与交通工程学院岩土工程所，广东
广州
５１００００）
：望
’ 韩
龌 ’ ｌｆｒ墅 ■ ＊
摘
要：随着现代混凝土技术与我国经济的快速持续发展，混
ｍ＝ｍ２－ｍｌ０
世，如防水剂、憎水性涂料以及聚合物砂浆、高分子灌浆材料等。但是如何解决这些修复防护有机材料与水泥基材料的相容性，进一步提高其抗老化性能和耐久性能，增强其环境友好性，一直是众多研究者们致力突破的研究方向。自从发现某些土壤细菌具有诱导碳酸钙晶体沉积的能力后，Ｒａｍａｋｒｉｓｈｎａｎ等作为微
作者简介：李翔（１９９３－），男，山东潍坊人，硕士研究生，研究方向：岩

微生物诱导碳酸钙沉积修复混凝土裂缝技术的研究和应用

2、开发复合修复方法：结合微生物诱导碳酸钙沉积和其他修复方法，如化学灌浆和树脂注入等，形成一种更加全面、有效的混凝土裂缝修复技术。
3、深入研究作用机制：进一步探究微生物诱导碳酸钙沉积在修复混凝土裂缝过程中的作用机制和影响因素，为技术的优化提供理论支持。
4、拓展应用范围：将这项技术应用于不同类型的混凝土结构和不同尺寸、深度的裂缝修复中，以验证其普适性和效果。
材料和方法
试验所用的材料包括微生物、碳酸钙和混凝土。其中，微生物选用的是一种产碳酸钙的菌种；碳酸钙则购买于市场上；混凝土则由试验室自行制备。试验设计包括裂缝修复前后的混凝土样品制备、微生物接种、碳酸钙添加等步骤。试验过程需在实验室和现场进行，并严格控制试验条件，以保证试验结果的可靠性。
试验结果与分析
微生物诱导碳酸钙沉积修复混凝土裂缝技术的研究和应用
01 引言
03 技术原理
目录
02 研究现状 04 研究方法
目录
05 实验结果与分析
07 参考内容
06 结论与展望
引言
混凝土作为现代建筑材料之一，广泛应用于各种建筑和基础设施中。然而，混凝土结构常常会出现裂缝，这些问题不仅影响结构美观，还可能影响结构的安全性和耐久性。因此，开发一种经济、环保、有效的混凝土裂缝修复技术具有重要意义。近年来，微生物诱导碳酸钙沉积技术作为一种生物修复方法，逐渐应用于混凝土裂缝修复领域。本次演示将介绍微生物诱导碳酸钙沉积修复混凝土裂缝技术的研究和应用。
结论与展望
本研究通过动物实验和体外培养实验验证了微生物诱导碳酸钙沉积修复混凝土裂缝技术的有效性。然而，这项技术还存在一些不足之处，例如微生物的生长速度较慢，修复周期较长，以及对于一些深层裂缝的修复效果不理想等。为了更好地应用这项技术，未来的研究可以从以下几个方面展开：

微生物诱导碳酸钙修复汉白玉石梁裂缝试验研究

“不改变原状”、“
度 ”和“使用恰当的
技术”Βιβλιοθήκη ，后需要具备足够的强度和
性。
然而，针对汉白玉石质文物的裂缝和病害，
目前的效果并不理想：
、氢氧化d 机
满足强度和性要求;环氧树脂类、有机
类、
酯类、有氟聚合物等有
在相
容性、渗透性和性
-水泥浆和铁箍
加固等方法甚至起二次病害，如图1所示，汉白栏用了铁箍加固，产生的铁锈对文物二
第6期
何建宏等:微生物诱导碳酸钙修复汉白玉石梁裂缝试验研究
47
为:微生物所产麻酶水解尿素产生的碳酸根离子与
钙离子结合，矿化生成碳酸钙结晶。主要反应如下0：
CO(NH2)2 +2H2O — C0「+2NH； (1)
Ca2+ + Cell — Cell-Ca2+
(2)
Cell-Ca2+ + CO；一一Cell- CaCO3 ； (3)
Adolphe［13］等于1990年首次将MICP技术应用于装饰石材保护领域。目前,石质文物微生物修复的研究集中在利用这种技术进行石材表面覆膜。法国的南特大学(University de Nantes”"〕、西班牙的格拉纳达大学(Universidad de Granada) ［15_17］比利时的根特大学(Ghent University) ［18］、英国的朴茨茅斯大学(University of Portsmouth )网以及中国的同济大学呦和西南科技大学⑵ ］等研究团队采用喷
行了 CT扫描。本研究侧重外观修复效果、强度恢复和内部变化情况。
缝石梁试件是非贯通裂缝石梁经三点弯折得到。填充裂缝的白云石砂材质与石梁相同，颗粒粒径为

微生物诱导碳酸钙沉淀技术及其应用发展

微生物诱导碳酸钙沉淀技术及其应用发展摘要：MICP（microbial induced calcite precipitation）即微生物诱导碳酸钙沉淀，是一种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，微生物固化技术引入到岩土工程中进行土壤加固，将会对环境带来极大的效益。

MICP也展现出在岩土工程领域应用的前沿性，这不仅仅是岩土工程技术上的创新，更是对环境保护的一种良好举措。

关键词：微生物诱导碳酸钙沉淀；国内研究现状；国外研究现状；发展前景中图分类号：T 文献标识码：A 文章编号：Summarization and application development of microbial induced calcite precipitationZeng Weihua(1、******************，Foshan City, Guangdong Province，528000)Abstract:MICP (microbial induced calcium carbonate precipitation)is a new type of environmentally friendly geotechnical engineeringsand solidification technology, which has attracted widespreadattention due to its simple mechanism and rapid and efficient solidification. The introduction of microbial solidificationtechnology to geotechnical engineering for soil reinforcement willbring great benefits to the environment. MICP also demonstrates the cutting-edge application in the field of geotechnical engineering, which is not only an innovation in geotechnical engineering technology, but also a good measure for environmental protection.Key words: Microorganism induced calcium carbonate precipitation; Domestic research status; Research status abroad; Developmentprospects0 引言国内经济经过多年的高速发展，摆脱贫困的同时造成了水、空气、土壤等严重污染。

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大理石文物饱受环境大气、生物、酸雨和地表温
１．１原料及试剂大理石试样采用工程中广泛应
湿度变化等因素影响，导致石构件分解、风化等。无
机、有机以及复合保护材料对文物的保护起到了一定作用，但也存在很多问题［１】，研究与开发新型保护材
１．２．１高浓缩菌液的获取：配制ＬＢ培养基，用ＮａＯＨ
溶液调节ｐＨ值为８．０，灭菌，冷却，接种体积分数５％，置于３Ｏ℃恒温振荡培养箱以１７０ｒ／ｍｉｎ培养２４ｈ，取出菌液，以６０００ｒ／ｍｉｎ离心５ｍｉｎ，得高浓缩菌液，细
ＣｏａｔｉｎｇｏｆＭｉｃｒｏｂｉａｌｌｙＰｒｏｄｕｃｅｄＣａｌｃｉｕｍＣａｒｂｏｎａｔｅＰｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎｏｎＭａｒｂｌｅ
ＭｕＴａｏＺｈｕＷｅｎｋｎｎＤｕａｎＴａｏＺｈａｎｇＹｏｕｋｕｉＣｈｅｎＸｉａｏｍｉｎｇ
１实验部分
收稿日期：２０１３－１１－０３
蛋白胨１０ｇ门Ｌ，酵母膏５ｇ／Ｌ，ＮａＣ１１０ｇ门Ｌ，ｐＨ值７．０；尿素一硝酸钙培养基：葡萄糖３０ｇ门Ｌ、大豆蛋白胨
ｓｈｏｗｅｄｈａｔｔｂｏｈｔｉｍｍｅｒｓｉｏｎｍｅｔｈｏｄａｎｄｃｏｔｉａｎｇｍｅｔｈｏｄＣａｌｌｐｒｏｄｕｃｅｃａｌｃｉｕｍｃｒｂａｏｎａｔｅｐａｒｔｉｃｌｅｆｏｒｍｉｎｇａｌａｙｅｒｏｆｄｅｎｓｅｍｉｎｅｒａｌｉｚａｔｉｏｎｍｅｍｂｒａｎｅｏｆ５０￣１００ｎ，ａｃｉｄ－ｒｅｓｉｓｔｎｃａｅｏｆｔｈｅｃｏａｔｅｄｍａｒｂｌｅｓａｍｐｌｅｓｗａｓｉｍｐｒｏｖｅｄｓｉｇｎｉｉｃｆａｎｔｌｙ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｍａｒｂｌｅｂｉｏｍｉｎｅｒａｌｉｚａｔｉｏｎｃａｌｃｉｕｍｃｒｂａｏｎａｔｅｄｅｐｏｓｉｔｅｄ — ｌａｙｅｒ
１．２．２覆膜试验：浸泡法：配制尿素一硝酸钙培养基，
用的红色大理石，产自四川，主要成分二氧化硅和碳酸钙分别为６９．３％和３０．７％，制成２０ｍｍｘ２０ｍｍｘ３１１１１１１的立方试样。用去离子水清洗基片粉尘，将试样超声清洗至前后大理石干重相差小于０．００１ｇ，再用无水乙醇与丙酮体积比为１：１的混合液浸泡基片约３０ｍｉｎ，自然风干，编号装入样品袋中待用。菌种选用美国ＡＴＣＣ（美国菌种保藏中心）巴斯德芽孢杆菌（ＡＴＣＣ１１８５９）；溶菌肉汤（ＬＢ）培养基：胰
菌总数约１０ｃｆｕ／ｍＬ。
基金项目：国家自然科学基金（１ｌＯ７５ｌ３４）；核废物与环境安全国防重点学科实验室开放基金（１２ｚｘ印０８）；极端条件物质特性联合实验室基￣（￣１２ｚｘｊｋ０９）。 ’ 通讯作者，Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈｕｗｅｎｋｕｎ＠ｓｗｕｓｔ．ｅｄｕ．ｃｎ。
１０ｇ门Ｌ、尿素５０ｇ门Ｌ、ＣａＣＯ３０．５ｍｏｌ／Ｌ、吐温８０体积分数０．０５％、ＮｉＣＩ２５０ｐｍｏｌ／Ｌ、ｐＨ值８－９；实验药品均为
分析纯。
１－２试验方法
第３７卷第１期２０１４年１月
非金属矿
Ｎｏｎ．ＭｅｔａｌｌｉｃＭｉｎｅｓ
大理石表面微生物诱导碳酸钙覆涛张友魁陈晓明
６２１０００）
（１中国工程物理研究院，四川绵阳￣１０００；２西南科技大学一中国工程物理研究院激光聚变研究中心极端条件物质特性联合实验室，
ＡｂｓｔｒａｃｔＣａＣＯ３ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎｗａｓｉｎｄｕｃｅｄｂｙｃａｒｂｏｎａｔｅ — ｍｉｎｅｒａｌｉｚａｔｉｏｎｍｉｃｒｏｂｅｕｓｉｎｇｔｈｅｉｍｍｅｒｓｉｏｎｍｅｔｈｏｄａｎｄｔｈｅｃｏａｔｉｎｇｍｅｔｈｏｄ，ａｎｄｉｆｎａｌｌｙｆｏｒｍｅｄａｄｅｎｓｅｍｉｎｅｒａｌｉｚａｔｉｏｎｍｅｍｂｒｎｅａｌａｙｅｒｏｎｍａｒｂｌｅｓａｍｐｌｅＳｕｒｆａｃｅ．Ｔｈｅｉｍｍｅｒｓｅｄｎｄａｓｍｅｒｅａｄｓａｍｐｌｅｓｗｅｒｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｄｂｙｓｃａｎｎｉｎｇ
（１ＣｈｉｎａＡｃａｄｅｍｙｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＰｈｙｓｉｃｓ，Ｍｉａｎｙａｎｇ，Ｓｉｃｈｕａｎ６２１０００；２ＪｏｉｎｔＬａｂｏｒａｔｏｒｙｆｏｒＥｘｔｒｅｍｅＣｏｎｄｉｔｉｏｎｓＭａｔｔｅｒＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓ，ＳｏｕｔｈｗｅｓｔＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｅｒｏｆＬａｓｅｒＦｕｓｉｏｎ，ＣＡＥＥＭｉａｎｙｎｇａ，Ｓｉｃｈｕｎ６ａ２１０００）
料迫在眉睫］。
自然界某些成岩微生物在石质文物的孔隙间能诱导ＣａＣＯ，矿化［７－８］ｏ通过微生物诱导生成ＣａＣＯ，结晶沉积对风化的石质文物表层进行加固保护，是近年来国内外石质文物保护修复领域研究的重点［９－１１］。通过对成岩微生物巴斯德芽孢杆菌进行培育，利用其酶化特性进行ＣａＣＯ沉积。采用浸泡法和涂覆法在大理石表面进行覆膜试验，在大理石表面形成一层致密的、与基层具有较强粘结力的ＣａＣＯ矿化膜，并对矿化膜的耐酸性能进行分析，为微生物矿化修复保护历史建筑提供参考。
泡法均能在大理石表面粘结一层细小颗粒，形成一层致密、厚度为５０￣１００ｍ的ＣａＣＯ３矿化膜。经过覆膜处理的大理石耐酸性能得到了明显提升。
关键词大理石
微生物矿化
碳酸钙覆膜
中图分类号：ＴＵ５６＋４．２１文献标识码：Ａ
摘要选育碳酸盐矿化菌，利用其诱导ＣａＣＯ，沉积，采用涂覆法和浸泡法进行细菌矿化试验，最终在大理石样品表面形成一层致密的矿化
膜。采用扫描电镜（ＳＥＭ）和Ｘ射线衍射（ＸＲＤ）对大理石空白试样和处理后试样进行分析，并对矿化膜进行抗酸性测试。结果表明，涂覆法和浸
ｅｌｅｃｒｔｏｎｍｉｃｒｏｓｃｏｐｉｃ（ＳＥＭ）ａｎｄＸ— ｒａｙｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ（ＸＲＤ），ａｓｗｅｌｌａｓｔｅｓｔｅｄｈｅｔａｃｉｄ — ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｏｆｈｅｔｃａｌｃｉｕｍｃａｒｂｏｎａｔｅｌａｙｅｒ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓ