鈣源對微生物固化風積沙效果影響的試驗研究

明道貴 邱明喜 殷立靜

摘 要：微生物誘導成礦技術已被證實可用于沙漠化治理，而鈣源直接影響固化效果。為了確定最佳鈣源，使用多種鈣源用于風積沙固化研究，基于力學性能測試和微觀形貌觀測等手段，分析不同鈣源作用下固化效果及相應作用機理。結果表明：氯化鈣與醋酸鈣均可有效固化風積沙，氯化鈣作用效果優于醋酸鈣，而乳酸鈣作為鈣源時易出現滲流不暢現象、固沙效果較差。氯化鈣對應的微生物成礦過程能在風積沙顆粒間產生大量方解石晶體，晶體間的有效嵌合保證了固化體具有良好的力學性能與滲透能力;醋酸鈣對應的碳酸鈣晶體形狀不規則且顆粒較小，致使其對應試樣的力學強度及滲透系數均較氯化鈣作為鈣源的低。

關鍵詞：風積沙固化;微生物誘導成礦;鈣源;滲透性;力學性質

中圖分類號：S157.9 ? 文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.04.017

Abstract：The technique of microbial induced calcite precipitation has been proved to be useful for desertification control， and calcium sources directly affect the curing effect. A variety of calcium sources were used for the study of aeolian sand solidification to examine which kind of calcium source corresponds to the best sand-fixing effect.Based on the mechanical properties test and microscopic morphology observation， the solidification effect and the corresponding mechanism of action of different calcium sources were analyzed. The results show that both calcium chloride and calcium acetate can effectively solidify aeolian sand. The effect of calcium chloride is better than that of calcium acetate. Weak seepage occurs when calcium lactate is used as calcium source， which leads to poor sand fixation effect. The microbial mineralization process corresponding to calcium chloride can produce a large amount of calcite crystals between sand particles. The effective chimerism formed between the crystals ensures the good mechanical properties and permeability of the solidified specimen. Calcium carbonate crystals formed by calcium acetate are more irregular in shape and smaller in particle size， resulting in lower mechanical strength and end-point permeability of the sample than calcium chloride.

Key words： aeolian sand solidification; microbial induced calcite precipitation; calcium sources; permeability; mechanical property

土地沙漠化將造成土地生產力下降、生態環境惡化并威脅江河安全，如何有效緩解土地沙漠化是當前生態保護領域的研究熱點之一。傳統固沙方法可分為工程固沙、化學固沙和植物固沙[1]，這些方法普遍存在施工繁瑣、維護成本高昂、耗能高等缺點，綜合來看，植物固沙附屬價值最高、長期效益顯著，是防治土地沙漠化的有效途徑[2]，但植物栽種成活率低、見效遲緩等，需同時采取其他固沙手段方能有效實現固沙目的。

微生物誘導成礦（Microbial Induced Calcite Precipitation，簡稱MICP）廣泛存在于自然界中[3]，這種自然作用非常緩慢，人們希望通過人為干預，合理調控MICP過程以提升反應效率，使之能夠滿足各類工程需求，如土體加固、混凝土裂縫修補、石質文物修復、堤岸防護、抑制揚塵等[4]，應用該技術進行風積沙固化正逐漸成為固沙領域研究新方向。Maleki等[5]基于風蝕損失量和貫入阻力探究微生物成礦技術固沙可行性，結果表明高濃度微生物處理劑作用下的沙土可有效抵御風力侵蝕;Pakbaz等[6]考察了MICP作用下沙土抗剪強度的變化情況，結果顯示經MICP技術處理15 d后的沙土抗剪強度提高了44%～86%;Bahmani等[7]研究了溫度與土壤壓實度對微生物成礦作用的影響，發現微生物在60 ℃時具有較高活性，對應的固化效果較好，土密度為2.1 g/cm3時固化體的抗壓強度最高;Khaleghi等[8]使用產脲酶微生物混合其他種類微生物作用于沙土，固沙效果明顯優于單一產脲酶微生物的固沙效果;Duo等[9]探究了不同固化液濃度對MICP風積沙固化效果的影響，發現高濃度固化液更有利于改性土力學性能的提升;Sotoudehfar等[10]使用優化的正交試驗法，探究MICP作用過程中各參數對固化效果的影響，結果表明固化時間對固化效果影響最大，細菌細胞濃度、營養液摩爾濃度比和注液流速對固化效果影響程度相近;李馳等[11]在大量室內試驗的基礎上開展了微生物礦化覆膜現場試驗，發現對沙漠土進行礦化覆膜具有良好的效果。

3 結 論

（1）采用MICP技術能有效固化風積沙。相同濃度條件下，使用氯化鈣作為鈣源能大幅提升固化體力學性能，可作為風積沙生物固化的有效鈣源。

（2）不同鈣源生成的碳酸鈣礦物具有顯著差異。氯化鈣源生成的碳酸鈣晶型多為方解石，醋酸鈣生成的碳酸鈣晶型多為不規則形狀且晶體尺寸較小。

（3）基于MICP技術固化風積沙，能較好地保持固化體滲透性，為植物栽種提供有利條件。

參考文獻：

[1] 龔偉，臧運曉，謝浩，等.現有固沙材料結構與性能內在關系的研究進展[J].材料導報，2015，29（21）：47-52.

[2] 王禮先.我國荒漠化土地成因及其防治對策[J].世界林業研究，2000，13（6）：32-37.

[3] BOQUET E， BORONAT A， RAMOS C A. Production of Calcite （Calcium Carbonate） Crystals by Soil Bacteria is a General Phenomenon[J]. Nature， 1973， 246： 527-529.

[4] PHILLIPS A J， GERLACH R， LAUCHNOR E， et al. Engineered Applications of Ureolytic Biomineralization： a Review[J]. Biofouling， 2013， 29（6）： 715-733.

[5] MALEKI M， EBRAHIMI S， ASADZADEH F， et al. Performance of Microbial-Induced Carbonate Precipitation on Wind Erosion Control of Sandy Soil[J]. International Journal of Environmental Science and Technology， 2016， 13（3）： 937-944.

[6] PAKBAZ M S， BEHZADIPOUR H， GHEZELBASH G R. Evaluation of Shear Strength Parameters of Sandy Soils upon Microbial Treatment[J]. Geomicrobiology Journal， 2018， 35（8）： 721-726.

[7] BAHMANI M， NOORZAD A， HAMEDI J， et al. The Role of Bacillus Pasteurii on the Change of Parameters of Sands According to Temperatur Compresion and Wind Erosion Resistance[J]. Journal Clean WAS， 2017， 1（2）： 1-5.

[8] KHALEGHI M， ROWSHANZAMIR M A. Biologic Improvement of a Sandy Soil Using Single and Mixed Cultures： a Comparison Study[J]. Soil and Tillage Research， 2019， 186： 112-119.

[9] DUO L， KAN L T， HUI L Z， et al. Experimental Investigation of Solidifying Desert Aeolian Sand Using Microbially Induced Calcite Precipitation[J]. Construction and Building Materials， 2018， 172： 251-262.

[10] SOTOUDEHFAR A R， MIRMOHAMMAD S M， MOKHTARI E， et al. Assessment of the Parameters Influencing Microbial Calcite Precipitation in Injection Experiments Using Taguchi Methodology[J]. Geomicrobiology Journal， 2016， 33（2）： 163-172.

[11] 李馳，王碩，王燕星，等.沙漠微生物礦化覆膜及其穩定性的現場試驗研究[J].巖土力學，2019，40（4）：1291-1298.

[12] DHAMI N K， ALSUBHI W R， ELIZABETH W， et al. Bacterial Community Dynamics and Biocement Formation During Stimulation and Augmentation： Implications for Soil Consolidation[J]. Frontiers in Microbiology， 2017， 8： 1267.

[13] DE M W， COX K， DE B N， et al. Bacterial Carbonate Precipitation as an Alternative Surface Treatment for Concrete[J]. Construction and Building Materials， 2008， 22（5）： 875-885.

[14] GOROSPE C M， HAN S H， KIM S G， et al. Effects of Different Calcium Salts on Calcium Carbonate Crystal Formation by Sporosarcina Pasteurii KCTC 3558[J]. Biotechnology and Bioprocess Engineering， 2013， 18（5）： 903-908.

[15] ACHAL V， PAN X. Influence of Calcium Sources on Microbially Induced Calcium Carbonate Precipitation by Bacillus sp CR2[J]. Applied Biochemistry and Biotechnology， 2014， 173（1）： 307-317.

[16] ZHANG Y， GUO H X， CHENG X H. Role of Calcium Sources in the Strength and Microstructure of Microbial Mortar[J]. Construction and Building Materials， 2015， 77： 160-167.

[17] 韓智光，程曉輝.營養鹽對微生物加固可液化砂土效果的探討[J].工業建筑，2015（7）：19-22.

[18] 李成杰，魏桃員，季斌，等.不同鈣源及Ca2+濃度對MICP的影響[J].環境科學與技術，2018，41（3）：30-34.

[19] JONKERS H M. Self Healing Concrete： A Biological Approach[M]//Self Healing Materials. Dordrecht： Springer， 2007： 195-204.

[20] 新疆地理學會.新疆地理手冊[M].烏魯木齊：新疆人民出版社，1993：130-134.

[21] 李多.微生物誘導碳酸鈣沉淀固化沙漠風積沙的研究[D].楊凌：西北農林科技大學，2018：34-37.

[22] 成亮，錢春香，王瑞興，等.碳酸鹽礦化菌調控碳酸鈣結晶動力學、形態學的研究[J].功能材料，2007，38（9）：1511-1515.

[23] 王瑞興，錢春香，王劍云.微生物沉積碳酸鈣研究[J].東南大學學報（自然科學版），2005，35（增刊1）：191-195.

[24] 成亮，錢春香，王瑞興，等.碳酸巖礦化菌誘導碳酸鈣晶體形成機理研究[J].化學學報，2007，65（19）：2133-2138.

【責任編輯 張智民】