現(xiàn)代生物結(jié)課論文

1、混凝土材料微生物修復(fù)技術(shù)研究進(jìn)展俞小彤 港航直博一年級(jí) 摘要：混凝土其最大的缺點(diǎn)是表面及內(nèi)部容易產(chǎn)生微裂縫。微生物誘導(dǎo)碳酸鹽沉積被認(rèn)為是一種有效的微生物修復(fù)混凝土的策略，目前已逐漸引起人們的關(guān)注。在闡述了混凝土裂縫自修復(fù)機(jī)理的基礎(chǔ)上，對(duì)近年來(lái)利用微生物的碳酸鹽沉積作用修復(fù)混凝土方面的研究現(xiàn)狀和成果進(jìn)行了系統(tǒng)的綜述，并對(duì)未來(lái)該領(lǐng)域有待解決的一些問(wèn)題提出建議。關(guān)鍵詞：微生物礦化；混凝土；自修復(fù)0 引言混凝土因其具有牢固結(jié)實(shí)、耐久性高、價(jià)格相對(duì)低廉等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代建筑工程。但是在大規(guī)模的使用過(guò)程中，一些問(wèn)題也逐漸混凝土在大規(guī)模使用的過(guò)程中，一些問(wèn)題也逐漸的凸現(xiàn)出來(lái)，其抗拉性能一般較差，在制備過(guò)

2、程以及使用期間，由于荷載或環(huán)境等因素的作用，其表面容易產(chǎn)生疏松、剝落等缺陷，甚至在材料內(nèi)部產(chǎn)生微裂縫。這些缺陷若不及時(shí)修復(fù)，外界水和侵蝕性介質(zhì)將不斷滲入，銹蝕鋼筋，最終將引起混凝土力學(xué)性能、耐久性能的加速劣化。因此，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)采取有效的措施進(jìn)行裂縫修復(fù)，提高其各方面性能，對(duì)保證結(jié)構(gòu)的安全性和提高使用壽命具有重要的意義?；炷帘砻媾c內(nèi)部缺陷修復(fù)已成為一個(gè)重要的獨(dú)立行業(yè)，許多混凝土表面防護(hù)涂料和裂縫修補(bǔ)材料不斷問(wèn)世，如：環(huán)氧類(lèi)樹(shù)脂、水泥基滲透結(jié)晶型材料、聚合物砂漿、以及高分子灌漿材料等。這些材料在混凝土缺陷修復(fù)中發(fā)揮了重要作用，但是如何解決這些修復(fù)防護(hù)有機(jī)材料與水泥基材料的相容性，進(jìn)一步提高其抗

3、老化性能和耐久性能，增強(qiáng)其環(huán)境友好性，一直是眾多研究者們致力突破的研究方向。自從發(fā)現(xiàn)某些土壤細(xì)菌具有誘導(dǎo)碳酸鈣晶體沉積的能力后，Gollapudi 等1在1995年首次嘗試?yán)眉?xì)菌誘導(dǎo)碳酸鈣沉積對(duì)建筑基質(zhì)滲漏進(jìn)行控制，由此為混凝土的修復(fù)開(kāi)辟了一條新的途徑，受到國(guó)內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注。1 微生物礦化作用自修復(fù)混凝土機(jī)理微生物成礦學(xué)的最新進(jìn)展表明，在特定的環(huán)境以及營(yíng)養(yǎng)條件刺激下，巖土中一些微生物通過(guò)新陳代謝或降解作用能顯著快速析出多種礦物結(jié)晶，如碳酸鹽、磷酸鹽、氧化物、硫化物、硅華以及胞外聚合物等2。其中一項(xiàng)最新科學(xué)發(fā)現(xiàn)表明，地球土壤中的某些細(xì)菌，如巴氏芽孢八疊球菌(Sporosarcina pa

4、steurii) 擁有將松散砂粒膠凝固定在一起的神奇本領(lǐng)3。其利用反應(yīng)環(huán)境中的尿素等有機(jī)物以及鈣離子源，較快的析出具有良好膠凝性質(zhì)的碳酸鈣結(jié)晶，這一技術(shù)被稱(chēng)為MICP(Microbial Induced Carbonate Precipitation)技術(shù)。MICP技術(shù)的基本原理如圖1.1所示：潮濕環(huán)境中，微生物新陳代謝生成脲酶，脲酶水解尿素會(huì)產(chǎn)生銨根離子和碳酸根離子。細(xì)菌細(xì)胞膜界面處帶負(fù)電荷的有機(jī)質(zhì)不斷螯合鈣離子，與水解尿素生成的碳酸根離子緩慢礦化沉積出具有膠凝作用的碳酸鈣結(jié)晶，如圖1.2所示。微生物在此間的作用，不僅僅是生成了脲酶，而且為碳酸鈣的沉積提供了成核地點(diǎn)4。微生物引起的碳酸鈣沉積

5、中發(fā)生的復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)可以簡(jiǎn)化為：CO(NH2)2 + 2H2O CO32- + 2NH4+ (微生物降解)Ca2+ + Cell Cell-Ca2+Cell-Ca2+ + CO32- Cell-CaCO3 (微生物成因水泥)圖1.1 MICP技術(shù)生成碳酸鈣結(jié)晶流程圖圖1.2 MICP技術(shù)生成碳酸鈣結(jié)晶示意圖4微生物誘導(dǎo)的碳酸鈣沉積技術(shù)近年來(lái)引起了學(xué)者在諸多領(lǐng)域的探索，其可以應(yīng)用于土壤中重金屬和放射性物質(zhì)的降解5、減緩沿海沿江地區(qū)海水入侵與土壤鹽堿化6、重大文物古建挽救修復(fù)7、地基土的加固8、改善土建基礎(chǔ)設(shè)施安全與耐久性等諸多領(lǐng)域，提供一種嶄新的工程技術(shù)方法。2 微生物修復(fù)混凝土的影響因素2.

6、1 菌種不同類(lèi)型的微生物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的代謝能力各不相同，在誘導(dǎo)碳酸鈣形成和混凝土修復(fù)效果方面也會(huì)有所差異。Boquet等9發(fā)現(xiàn)大多數(shù)細(xì)菌在適宜的條件下都能產(chǎn)生方解石晶體。Stocks-Fischer等10將巴氏芽孢桿菌（Bacillus pasteurii）注入砂柱，結(jié)果表明菌體能在砂礫中作為成核位點(diǎn)并誘導(dǎo)CaCO3以方解石晶體的形式沉積，同時(shí)試件的抗壓強(qiáng)度也有所提高。Ghosh等11使用希瓦氏菌（Shewanella）進(jìn)行提高水泥抗壓強(qiáng)度的研究，培養(yǎng)28d后發(fā)現(xiàn)，水泥凈漿的抗壓強(qiáng)度提高了25%，而加入大腸桿菌的試件的抗壓強(qiáng)度沒(méi)有什么變化。而Achal等12則利用從水泥中分離出的Bacillus

7、 sp.CT-5在水泥砂漿中進(jìn)行混凝土自修復(fù)研究，28d后水泥砂漿的孔隙率下降了50%以上，水泥中氯離子的滲透明顯減少，與砂漿試件的抗壓強(qiáng)度相比提高了40%，比Ghosh的研究結(jié)果高出了15%。De Muynck等13利用球形芽孢桿菌（Bacillus sphaericus），將石灰試件放入含有尿素和氯化鈣的礦化培養(yǎng)基中進(jìn)行礦化沉積試驗(yàn)，5d后在石灰試件裂縫表面有檢測(cè)到50m菱形方解石晶體生成，試驗(yàn)試件整體重量增加了0.31.1 g，與未處理的石灰試件相比，試驗(yàn)組的樣品試件水滲透性明顯下降。Rivadeneyra等14則研究了中度嗜鹽菌（Halmonas eurihalina）對(duì)碳酸鹽的沉積作

8、用發(fā)現(xiàn)礦物沉積受多種因素影響?？梢?jiàn)，不同的微生物在碳酸鈣晶體形成時(shí)間、大小形態(tài)及混凝土修復(fù)后抗壓性、吸水性、滲透性等方面都存在明顯差異。考慮到混凝土的高堿性環(huán)境，用于混凝土自修復(fù)的微生物大多為嗜堿菌15。2.2 Ca2+源微生物修復(fù)混凝土裂縫主要是形成CaCO3來(lái)達(dá)到修復(fù)的目的，因此微生物自修復(fù)混凝土裂縫的過(guò)程需要提供可溶性鈣鹽作為碳酸鈣沉積的前體。王瑞興16將CaCl2溶液加入到己培養(yǎng)24h的無(wú)Ca2存在的巴氏芽孢桿菌菌液中，發(fā)現(xiàn)迅速產(chǎn)生沉淀，將其過(guò)濾、烘干，沉淀呈白色細(xì)狀粉末，能譜分析沉淀物質(zhì)主要含有C、O、Ca三種元素。X射線(xiàn)衍射分析結(jié)果顯示沉淀物質(zhì)為CaCO3，屬方解石晶型，掃描電鏡（

9、SEM）觀測(cè)CaCO3顆粒呈規(guī)則球形，直徑介于110m之間，分布均勻。李沛豪等17在研究細(xì)菌誘導(dǎo)碳酸鹽礦化沉積功能時(shí)，將經(jīng)過(guò)養(yǎng)護(hù)處理的混凝土試件分別放入含有Ca(CH3COO)2與CaCl2的菌液培養(yǎng)基中進(jìn)行礦化沉積試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，鈣源與碳酸鈣晶體的形態(tài)形成有關(guān)。當(dāng)鈣源為CaCl2時(shí)，沉積晶體為方解石及球文石的混合體；鈣源為Ca(CH3COO)2時(shí)，沉積晶體主要為球文石。有學(xué)者用Ca(NO3)2作為Ca源進(jìn)行CaCO3沉積試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)除了形成方解石外，還出現(xiàn)了球霰石18。同時(shí)為了探究Ca2+濃度對(duì)微生物沉積CaCO3的晶型是否有影響，將外摻Ca2+濃度由2mol/L降至1mol/L時(shí)，所得CaCO3晶

10、體仍為方解石晶型，結(jié)晶顆粒形狀卻由規(guī)則球形變?yōu)橹睆?0m左右的花簇形，不僅體積變大，結(jié)晶度也有所提高。而De Muynck13以CaCl2為鈣源，研究了濃度分別為12.5、25、50和100g/L的CaCl2對(duì)微生物在石灰?guī)r上沉積碳酸鈣效果的影響，培養(yǎng)若干天后，與未經(jīng)處理的石灰?guī)r試件相比，在經(jīng)過(guò)處理的試件表層可以清楚的觀察到礦物晶體，如圖2.1?？梢?jiàn)，鈣離子的種類(lèi)和其濃度都對(duì)碳酸鈣的沉積有一定影響。圖2.1 未處理的石灰?guī)r表面與用球狀桿菌和含不同濃度CaCl2的礦化培養(yǎng)基處理的試件SEM圖2.3 培養(yǎng)基成分微生物自修復(fù)混凝土裂縫的研究中，在選擇底物上，首先，底物不能對(duì)混凝土的強(qiáng)度和耐久性有很大

11、影響；其次，底物必須能和微生物反應(yīng)，可以被細(xì)菌代謝產(chǎn)生碳酸鈣晶體，愈合裂縫。大多數(shù)學(xué)者除了選擇酵母粉、蛋白胨、谷氨酸鹽、乳酸鈣等為微生物礦化所需基本的營(yíng)養(yǎng)成分外，基本上都是選擇尿素作為主要的代謝反應(yīng)底物，添加氯化鈣來(lái)沉積碳酸鈣。De Muynck等19將球形芽孢桿菌與經(jīng)過(guò)養(yǎng)護(hù)的混凝土小試件混合，分別放入含有不同成分的尿素培養(yǎng)基中，6d后發(fā)現(xiàn)，與對(duì)照組相比，在分別含有氯化鈣與氯化鈣-營(yíng)養(yǎng)肉湯成分的營(yíng)養(yǎng)培養(yǎng)基中都發(fā)現(xiàn)了礦化結(jié)晶。SEM結(jié)果顯示，前者在裂縫表面形成的晶體為菱形，主要為方解石；后者形成的晶體形態(tài)為顆粒形，主要是球霰石。然而Jonker等20認(rèn)為當(dāng)混凝土出現(xiàn)裂縫時(shí)，以尿素為反應(yīng)底物的修復(fù)

12、體系在礦化過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的氨而增加混凝土鋼筋腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)，而且氨溢出到空氣中也會(huì)給大氣環(huán)境造成一定的壓力，因此建議使用乳酸鈣作為反應(yīng)底物替代尿素。他們利用Bacillus pseud ofirmus在水泥試件裂縫表面檢測(cè)到了2080m的碳酸鈣沉積物，而且8d后試件強(qiáng)度不僅沒(méi)有降低，相對(duì)于基準(zhǔn)試件反而有適度提高。2.4 pH值環(huán)境中的pH可以通過(guò)引起細(xì)胞膜電荷的變化影響微生物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收，從而對(duì)微生物的礦化過(guò)程產(chǎn)生影響。有學(xué)者將巴氏芽孢桿菌與砂石混合成泥漿放入玻璃圓柱，并在其中插入毛細(xì)管制造斷裂面，然后將其放入裝有礦物培養(yǎng)基的容器中進(jìn)行沉積防滲漏試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在形成碳酸鈣堵塞裂縫的過(guò)程中反應(yīng)

13、體系的pH 與CaCO3沉積有一定關(guān)系10。他們推測(cè)在培養(yǎng)基中，單個(gè)微生物由于酶的尿素水解產(chǎn)生氨，在細(xì)胞外創(chuàng)造了一個(gè)堿性的微環(huán)境。細(xì)胞周?chē)母遬H導(dǎo)致了CaCO3晶體的出現(xiàn)。當(dāng)細(xì)胞濃度過(guò)低時(shí)，單個(gè)微生物就會(huì)充當(dāng)CaCO3形成的成核位點(diǎn)，由于微生物的活動(dòng)，當(dāng)方解石在成核位點(diǎn)上開(kāi)始沉淀時(shí)，CaCO3晶體的生長(zhǎng)將引起pH的升高，CO2的產(chǎn)生和細(xì)胞表面與鈣離子的結(jié)合。分析原因是因?yàn)樵诔跏級(jí)A性pH的條件下，隨著微生物代謝生命活動(dòng)的進(jìn)行，產(chǎn)生了大量的NH+4 或OH-，導(dǎo)致溶液的pH上升，當(dāng)pH達(dá)到一定的值時(shí)，開(kāi)始出現(xiàn)沉積物10,21。Dick等20在研究修復(fù)劣化的石灰?guī)r過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，球形芽孢桿菌（B. S

14、phaericus）和遲緩芽孢桿菌（B. Lentus）的尿素代謝驅(qū)動(dòng)碳酸鈣沉積。反應(yīng)開(kāi)始的4h，B. Sphaericu組的pH達(dá)到(8.40.1)，16h后，pH則慢慢地上升到(9.00.2)。B. Lentus組pH最后也達(dá)到(8.00.6)。伴隨著pH的上升，最終使得碳酸鈣發(fā)生沉淀。王瑞興等18在微生物沉積碳酸鈣研究中發(fā)現(xiàn)，雖然pH由7.0至9.0和由9.0至8.0時(shí)獲得的沉積物都為方解石，但前后試驗(yàn)所形成的顆粒形貌卻發(fā)生了明顯的改變，說(shuō)明pH的變化不僅對(duì)碳酸鈣的形成有很大的決定作用，同時(shí)對(duì)其形態(tài)的多樣性也有一定的影響?；炷敛牧险w呈堿性狀態(tài)，pH在1113之間，而且由內(nèi)向外呈線(xiàn)性遞

15、減規(guī)律。越深入混凝土內(nèi)部，pH 越高，對(duì)微生物活性的影響越大，其礦化能力也會(huì)受到約束甚至抑制。因此要實(shí)現(xiàn)混凝土內(nèi)部微裂縫的微生物修復(fù)，微生物本身在高pH環(huán)境下能否保持較高的礦化活性十分重要。錢(qián)春香等23在對(duì)混凝土裂縫的微生物修復(fù)效果進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)，40d左右時(shí)裂縫表面處被碳酸鈣晶體完全填充。裂縫開(kāi)口處礦化形成的碳酸鈣最多，且隨著裂縫深度的增加碳酸鈣卻在逐漸減少，當(dāng)混凝土裂縫深度超過(guò)10mm時(shí)未發(fā)現(xiàn)微生物誘導(dǎo)形成的碳酸鈣。2.4 其他因素影響微生物沉積碳酸鈣的自修復(fù)體系是一個(gè)精細(xì)復(fù)雜的過(guò)程，除了受上述幾個(gè)主要的影響因素外，也還受其他因素如溫度、微生物濃度等的影響。為了考察溫度對(duì)碳酸鈣生物誘導(dǎo)沉積

16、的影響，有學(xué)者利用菌株A設(shè)立了5、25、50三個(gè)溫度進(jìn)行CaCO3沉積試驗(yàn)，SEM顯示，5條件下沉積出的CaCO3結(jié)晶不好，團(tuán)聚且無(wú)定形；50下沉積出了大量球霰石CaCO3晶型，晶體呈球形、方形、紡錘形等多種形態(tài)，而常溫25下晶體的穩(wěn)定性較差18。Bang等23則在試驗(yàn)中將濃度為5107、5108、5109cfu/mL的巴氏芽孢桿菌分別摻入到水泥砂漿中進(jìn)行修復(fù)及抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，雖然三種濃度的細(xì)菌都能有效修復(fù)試件裂縫，但細(xì)菌濃度為5109cfu/mL的試件在培養(yǎng)7d后抗壓強(qiáng)度比其他兩種菌濃度的效果更好。3 結(jié)論與展望近幾年，微生物自修復(fù)混凝土研究已經(jīng)成為土建材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，也取得了不

17、少令人振奮的成果。然而，真正將混凝土的微生物自修復(fù)技術(shù)工業(yè)化還需要很長(zhǎng)時(shí)間，有一系列的問(wèn)題亟待解決。首先，在菌種方面，微生物除了要能高度適應(yīng)混凝土內(nèi)部的高堿環(huán)境外，產(chǎn)芽孢性能也是十分重要的，因?yàn)橛糜诨炷亮芽p自修復(fù)的微生物必須在混凝土制備階段以休眠體的形式包埋在混凝土中，因此如何確保芽孢在混凝土硬化過(guò)程中的保持潛在活性是至關(guān)重要的。荷蘭的Jonker等20將嗜堿性芽孢桿菌的芽孢直接摻入混凝土，結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著混凝土的固化，最后存活下來(lái)的芽孢量大幅減少，原因是在混凝土水化過(guò)程中，混凝土基材的孔隙直徑會(huì)不斷縮小，致使嵌入混凝土中的芽孢被擠碎，導(dǎo)致混凝土自修復(fù)活性的失效。為了保證混凝土中芽孢的存活，國(guó)內(nèi)

18、外學(xué)者嘗試?yán)靡恍┒嗫纵d體如PU、硅藻土、海藻酸鈉、黏土顆粒等作為芽孢的保護(hù)性載體再摻入混凝土。相較于直接摻入，使用載體能更有效地對(duì)微生物進(jìn)行保護(hù)。但在選擇載體時(shí)，還需要綜合考慮載體材料對(duì)微生物活性和混凝土強(qiáng)度的影響以及造價(jià)成本等方面的問(wèn)題。此外，微生物載體的摻量有可能對(duì)混凝土本身結(jié)構(gòu)性能的穩(wěn)定性產(chǎn)生不良影響，有報(bào)道提出微生物載體的摻入量不宜超過(guò)混凝土總量的8，但具體的量及效果如何還有待進(jìn)一步考查。其次，包埋在混凝土內(nèi)部的芽孢必須在裂縫出現(xiàn)時(shí)迅速?gòu)?fù)蘇成營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞才能誘導(dǎo)碳酸鈣的沉積。因此如何有效地激活芽孢，使其快速萌發(fā)為營(yíng)養(yǎng)體實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土內(nèi)部裂縫的自修復(fù)也是一個(gè)值得深入研究的問(wèn)題。同時(shí)，芽孢復(fù)蘇

19、后需要提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)供其生長(zhǎng)，以往一些研究者使用的底物是尿素，但該過(guò)程會(huì)釋放氨，不僅對(duì)混凝土內(nèi)部鋼筋造成腐蝕，還會(huì)污染環(huán)境。還有研究者使用乳酸鈣，但乳酸鈣價(jià)格相對(duì)較高，不利于工業(yè)化實(shí)際應(yīng)用。因此，選擇合適且成本相對(duì)廉價(jià)的底物十分重要。從目前的研究報(bào)道來(lái)看，微生物僅僅能修復(fù)開(kāi)口小而淺的裂縫。Belie等24-26將細(xì)菌加入硅藻土并摻入砂漿試件后可以修復(fù)0.150.17mm的裂縫，并且吸水率較基準(zhǔn)件下降70%。Wiktor等27將膨脹黏土顆粒負(fù)載一種耐堿芽孢桿菌摻入水泥砂漿試件中，100d后所能愈合的最大裂縫尺寸為0.46mm。Achal等12最新的研究將微生物能修復(fù)的水泥試件的最大裂縫深度擴(kuò)展到2

20、7.2mm，是一個(gè)較大的突破。但一般而言，一旦裂縫過(guò)大，單純微生物修復(fù)的效果目前還難以令人滿(mǎn)意?？傊?，利用微生物實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土裂縫自修復(fù)是一項(xiàng)環(huán)境友好型新技術(shù)。雖然目前這方面的研究還處于起步階段，但隨著研究工作的深入，相信這項(xiàng)新技術(shù)的應(yīng)用前景將會(huì)十分廣闊。參考文獻(xiàn)1 Gollapudi U K, Knutson C L, Bang S S, et al. A new method for controlling leaching through permeable channelsJ. Chemosphere, 1995, 30(4): 695-705.2 Whiffin V S. Microb

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