天然海水驯化巴氏芽孢杆菌及加固钙质砂效果研究

作     者：陈文婧 

作者单位：海南热带海洋学院 

学位级别：硕士

导师姓名：王子玉;黄磊

授予年度：2024年

学科分类：081401[工学-岩土工程] 08[工学] 0814[工学-土木工程] 

主      题：MICP 天然海水环境 巴氏芽孢杆菌 梯度驯化 

摘      要：近年来,我国在南海海域建设一系列国防和民用设施,钙质砂作为南海岛礁工程建设中就地取材的建筑材料。生物成因的钙质砂具有形态不规则、表观多棱角、多重孔隙且颗粒易破碎等特点。传统工程建设主要有物理强夯和振冲、化学水泥砂浆等方法,这些方法容易造成生态环境污染问题。采用微生物诱导碳酸钙沉淀（Microbial-Induced Calcium Carbonate Precipitation,简称MICP）技术加固南海钙质砂,该技术具有环保、高效和可持续等优点,是符合南海岛礁工程建设要求的。然而海水环境会抑制微生物的生长导致其作用效果变差,加上南海地区淡水资源匮乏,若能利用海水培养微生物且保持微生物性能,将会带来巨大的经济效益和环境效益。 本文采用天然海水对巴氏芽孢杆菌进行多梯度驯化培养试验,探究天然海水驯化前后巴氏芽孢杆菌生长情况和形貌变化;研究驯化细菌对MICP的反应速率与反应程度的影响,结合扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope SEM）、能谱仪（Energy Dispersive Spectroscopy EDS）及X射线衍射仪（X-ray diffractometer XRD）等技术,分析MICP矿化反应过程中晶体的微观形态及矿物成分;通过开展MICP加固钙质砂试验研究,分析未驯化细菌与驯化细菌对不同粒径钙质砂的固化效果、不同加固方式及不同细菌浓度对钙质砂的固化效果。试验的主要结论如下: （1）天然海水环境会抑制巴氏芽孢杆菌的生长;在细菌生长曲线过程中,天然海水环境比去离子水环境的培养细菌中增多了一个适应新环境阶段的迟缓期;采用梯度驯化方法可以使细菌逐步适应天然海水环境,细菌的生长数量和脲酶活性均得到提高,且形貌变细变长;（2）天然海水环境下MICP矿化反应速率快,且随着驯化梯度增加矿化反应沉淀物增多;同时,海水环境下生成物除Ca CO外还有少量的MgCa（CO）等矿物成分,且Mg矿物质含量随驯化梯度的增加而增多;（3）根据贯入阻力试验结果,经过海水环境多梯度驯化培养的巴氏芽孢杆菌加固钙质砂可以有效地提升钙质砂固化效果,且随着驯化梯度的增加贯入阻力逐渐增大,固化效果越明显。 （4）粒径大小、加固方式、细菌浓度等对钙质砂加固有影响;驯化细菌加固小粒径钙质砂的效果较好;细菌浓度增大,加固效果增强,且最大贯入阻力随着细菌浓度的增加而增加;此外,不同的注菌加固方式作用于同一种粒径有不同的效果,二次注菌可提高粗颗粒砂柱表面的承受力。