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巴氏芽孢杆菌矿化作用机理及应用研究进展

生物化学与生物物理进展 2020年第6期47卷 467-482页

作者：裴迪刘志明胡碧茹吴文健国防科技大学文理学院长沙410073 军事科学院防化研究院北京102205

本文介绍了具有诱导碳酸钙矿化功能的巴氏芽孢杆菌及其矿化核心酶脲酶的结构与功能,较为系统地综述了巴氏芽孢杆菌矿化作用的生物机制,简要介绍了国内外多领域关于巴氏芽孢杆菌矿化应用的研究现状及典型应用案例,并探讨了相应微生物矿... 详细信息

本文介绍了具有诱导碳酸钙矿化功能的巴氏芽孢杆菌及其矿化核心酶脲酶的结构与功能,较为系统地综述了巴氏芽孢杆菌矿化作用的生物机制,简要介绍了国内外多领域关于巴氏芽孢杆菌矿化应用的研究现状及典型应用案例,并探讨了相应微生物矿化技术在特定环境下的应用前景及在未来应用中可能存在的不足之处,相关分析论述对进一步推进微生物矿化技术的应用具有较为重要的意义.

关键词：巴氏芽孢杆菌矿化脲酶碳酸钙 MICP

海水环境下巴氏芽孢杆菌驯化及钙质砂固化效果研究

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岩土力学 2022年第2期43卷 395-404页

作者：肖瑶邓华锋李建林程雷朱文羲三峡大学三峡库区地质灾害教育部重点实验室湖北宜昌443002

为了提升微生物诱导碳酸盐沉淀(MICP)技术在海洋环境下对钙质砂的加固效果,在以往研究的基础上,设计进行了人工海水环境下巴氏芽孢杆菌多梯度人工驯化培养试验,并结合MICP固化钙质砂柱的力学试验和微细观结构分析,对巴氏芽孢杆菌的驯化... 详细信息

为了提升微生物诱导碳酸盐沉淀(MICP)技术在海洋环境下对钙质砂的加固效果,在以往研究的基础上,设计进行了人工海水环境下巴氏芽孢杆菌多梯度人工驯化培养试验,并结合MICP固化钙质砂柱的力学试验和微细观结构分析,对巴氏芽孢杆菌的驯化效果进行了综合评价。结果表明:(1)海水环境下五梯度驯化后细菌的菌液浓度可达到淡水环境的97%以上,其与胶结液作用后碳酸盐的生成量较淡水环境下有一定幅度提高;(2)驯化后的巴氏芽孢杆菌具有很好的温度适应能力,在10~30℃温度下均有较好的MICP性能;(3)海水环境下加固的钙质砂柱无论是碳酸盐生成量还是无侧限抗压强度均较未驯化前高,尤其是五梯度驯化后的细菌,驯化后的细菌菌体变小,在海水环境生成的碳酸盐(碳酸钙和碳酸镁)晶体更小,更加致密,能更好地填充钙质砂颗粒的孔隙并胶结相邻的钙质砂颗粒,具有更优异的MICP性能。相关研究思路和方法可为MICP技术在海洋环境钙质砂地基加固方面的研究与应用提供参考。

关键词：海水环境梯度驯化钙质砂巴氏芽孢杆菌微生物诱导碳酸盐沉淀(MICP)

微生物无固相钻井液体系构建及其固壁作用机理研究

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煤田地质与勘探 2023年第4期51卷 187-194页

作者：李之军朱茂智晶子韩毅陈俊秀赵淦成都理工大学、地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室四川成都610059 成都理工大学环境与土木工程学院四川成都610059 四川水利职业技术学院四川成都611231

钻探过程中,常遇到破碎性地层,容易发生井壁失稳而诱发井下复杂事故。增强破碎块之间的胶结力,提升井壁围岩力学强度,是解决该类地层井壁失稳的有效途径之一,微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)技术为实现这一途径提供了很好的借鉴。为此,通过... 详细信息

钻探过程中,常遇到破碎性地层,容易发生井壁失稳而诱发井下复杂事故。增强破碎块之间的胶结力,提升井壁围岩力学强度,是解决该类地层井壁失稳的有效途径之一,微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)技术为实现这一途径提供了很好的借鉴。为此,通过实验研究,分析了巴氏芽孢杆菌在无固相钻井液体系中的生长情况,得到适合巴氏芽孢杆菌生长的无固相钻井液,由此构建微生物无固相钻井液体系。利用岩心浸泡实验和扫描电镜(SEM)分析方法,探讨了微生物无固相钻井液体系的固壁效果及其作用机理。结果表明:巴氏芽孢杆菌在由植物胶、聚丙烯酰胺(PAM)、羧甲基纤维素钠(CMC)组成且含有培养基的无固相钻井液中的生长情况最好,经过24 h的生长,600 nm波长处的吸光值(OD600)达到1.54。故确定微生物无固相钻井液体系的配方为:0.1%植物胶+0.1%PAM+0.1%CMC+巴氏芽孢杆菌(OD600=0.8)+0.25%氯化钠+1%尿素+0.75%酪蛋白胨+0.25%大豆蛋白胨。在微生物无固相钻井液体系中添加钙源,可以获得更好的固壁效果,固结后试样的抗压强度达到0.183 MPa。该体系的固壁机理是微生物在松散颗粒间诱导生成碳酸钙晶体,填充于孔隙中,增强了松散颗粒间的胶结力,使原本松散的碎石土形成整体,从而发挥固壁作用。

关键词：破碎地层井壁稳定微生物诱导碳酸钙沉淀巴氏芽孢杆菌无固相钻井液固壁机理

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微生物岩土工程技术的过去、现在与未来

工程地质学报 2024年第1期32卷 236-264页

作者：王双娇李志清田怡帆李燕明周应新李丹丹中国科学院地质与地球物理研究所页岩气与地质工程重点实验室北京100029 中国科学院大学北京100049 中国科学院地球科学研究院北京100029 中冶华亚建设集团有限公司武汉430083 北京中岩天地科技有限公司北京100102 云南省交通投资建设集团有限公司昆明650100 云南会巧高速公路有限公司会泽654200

微生物岩土工程技术作为一种新兴的生态友好型岩土体改良加固技术,应用前景广阔。但限于理论水平和研究手段,该技术仍存在较多不足,难以实现高效固化,由此成为大规模现场应用的瓶颈。而提升固化效率的关键在于明确其作用原理和影响机制... 详细信息

微生物岩土工程技术作为一种新兴的生态友好型岩土体改良加固技术,应用前景广阔。但限于理论水平和研究手段,该技术仍存在较多不足,难以实现高效固化,由此成为大规模现场应用的瓶颈。而提升固化效率的关键在于明确其作用原理和影响机制。文章梳理了微生物诱导碳酸钙沉积技术(MICP)的研究现状,系统归纳了固化原理和改良岩土体的物理力学特性,并分析得出固化效率主要受到反应物自身和外部环境两方面的影响。当前MICP技术已初步应用于土体固化、裂缝修复、防渗处理、污染修复及微生物水泥等领域,但由于矿化难以均匀、反应物不经济、微生物及脲酶活性期短且受环境干扰大、代谢产物附带毒性、现场应用性差,该技术目前主要限于实验室水平。作者分别提出了可能的突破与改进方向,并结合实验室成果指出豆粕进行菌体扩培和脲酶供给的碳源优势,以及将磷石膏作为现场钙源的环保性和经济性,以期为从事微生物岩土工程研究与技术开发的人员提供参考。

关键词：微生物岩土工程微生物地质工程微生物诱导碳酸钙沉积巴氏芽孢杆菌脲酶磷石膏

MICP修复重金属污染溶液及矿化垃圾土试验研究

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土木与环境工程学报(中英文) 2023年

作者：许耀东章荣军黄小松郑俊杰武汉大学土木建筑工程学院华中科技大学岩土与地下工程研究所

大量非正规垃圾填埋场面临超负荷运营困境，衍生出系列亟待解决的环境问题。重金属含量较高的垃圾渗滤液易对填埋场周边水体造成污染，填埋场开采扩容产生的矿化垃圾土也具有Cd、Pb、Zn和Cr(Ⅲ)等重金属超标现象，在资源化利用过程中容... 详细信息

大量非正规垃圾填埋场面临超负荷运营困境，衍生出系列亟待解决的环境问题。重金属含量较高的垃圾渗滤液易对填埋场周边水体造成污染，填埋场开采扩容产生的矿化垃圾土也具有Cd、Pb、Zn和Cr(Ⅲ)等重金属超标现象，在资源化利用过程中容易造成二次污染，因此，垃圾填埋场重金属污染问题亟待解决。近年来，微生物诱导碳酸钙沉淀技术（MICP）固定重金属的能力被广泛探究，其中巴氏芽孢杆菌因环境适应性强、脲酶表达量高而备受关注。但相关研究中的修复对象主要为污染溶液和普通污染土壤，其与垃圾渗滤液以及矿化垃圾土在污染成因和化学成分等方面明显不同。鉴于此，开展巴氏芽孢杆菌修复重金属污染溶液和污染矿化垃圾土试验，探究巴氏芽孢杆菌生物修复重金属的可行性，分析生物修复前后矿化垃圾土中重金属形态变化以及修复机理。结果显示，巴氏芽孢杆菌对溶液中Cd、Pb、Zn和Cr(Ⅲ)去除率可分别达到95%、84%、5%和98%，对矿化垃圾土中可交换态Cd、Pb、和Zn去除率亦可分别达到74%、84%和62%，可交换态Cr(Ⅲ)修复处理前含量几乎为0；经生物修复，矿化垃圾土中可交换态和碳酸盐结合态重金属含量降低，铁锰氧化物结合态和残渣态重金属含量增加；同时，矿化垃圾土中含Fe和Al成分和MICP过程产生的碳酸钙沉淀共同促进重金属向更稳定形态转化。

关键词：矿化垃圾土重金属生物修复巴氏芽孢杆菌修复率

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微生物固化砂柱效果电阻率评价研究

岩土工程学报 2021年第3期43卷 579-585页

作者：孙潇昊缪林昌童天志吴林玉王恒星东南大学交通学院岩土工程研究所江苏南京210096 中国港湾工程有限责任公司北京100027

目前尚没有简便可行的方法对现场微生物固化效果进行评价,因此,提出采用便捷无损的电阻率法评价砂土的固化效果。首先对微生物固化砂柱的电阻率与孔隙率、含水率和碳酸钙含量的关系进行研究,然后研究了电阻率和无侧限抗压强度的关系,并... 详细信息

目前尚没有简便可行的方法对现场微生物固化效果进行评价,因此,提出采用便捷无损的电阻率法评价砂土的固化效果。首先对微生物固化砂柱的电阻率与孔隙率、含水率和碳酸钙含量的关系进行研究,然后研究了电阻率和无侧限抗压强度的关系,并提出综合参数N表示固化砂柱的孔隙率、含水率和碳酸钙含量,研究综合参数与固化砂柱电阻率和无侧限抗压强度的关系,从而提出微生物固化砂柱的电阻率模型。结果表明固化砂柱电阻率随着孔隙率的增加而增大,随含水率的增加而减小,随碳酸钙含量的增加近似线性减小。同时固化砂柱的电阻率与砂柱的相关性质存在较好的关联性。电阻率法是一种有效的微生物固化砂柱效果评价方法,可用在实际MICP技术的现场应用中。

关键词：砂土固化巴氏芽孢杆菌电阻率固化效果经验模型

基于微生物诱导碳酸钙沉淀的天然海水加固钙质砂效果评价

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岩土力学 2021年第4期42卷 1104-1114页

作者：董博文刘士雨俞缙肖杨蔡燕燕涂兵雄华侨大学福建省隧道与城市地下空间工程技术研究中心福建厦门361021 华侨大学福建省智慧基础设施与监测重点实验室福建厦门361021 重庆大学土木工程学院重庆400045

使用天然海水进行微生物培养并诱导碳酸钙沉淀(MICP)加固钙质砂试验,首先通过微生物的生长繁殖情况和脲酶活性的变化研究海水对微生物的影响。然后,根据MICP加固前后钙质砂渗透性和无侧限抗压强度(UCS)的变化评价海水对MICP加固效果的... 详细信息

使用天然海水进行微生物培养并诱导碳酸钙沉淀(MICP)加固钙质砂试验,首先通过微生物的生长繁殖情况和脲酶活性的变化研究海水对微生物的影响。然后,根据MICP加固前后钙质砂渗透性和无侧限抗压强度(UCS)的变化评价海水对MICP加固效果的影响。最后,利用SEM和XRD测试分析海水影响MICP加固钙质砂效果的机制。结果表明:(1)天然海水使微生物的生长出现滞后期,但稳定期的微生物数量和脲酶活性与淡水环境下相差不大;(2)使用海水MICP加固钙质砂的效果与淡水条件下相比差别较小,钙质砂的渗透系数可降低一个数量级,UCS值可达1.7 MPa;(3)海水条件下MICP过程受到海水成分、微生物、钙离子浓度、尿素浓度和p H值等因素的调控,主要沉积的碳酸钙晶型为方解石,方解石填充了粒间孔隙,使砂颗粒胶结为整体,这是钙质砂力学性能提高的主要原因。

关键词：钙质砂微生物诱导碳酸钙沉淀天然海水巴氏芽孢杆菌方解石

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赤泥对磷石膏生物胶结的充填性能影响研究

安全与环境学报 2024年第1期24卷 302-311页

作者：石英闵洁童森森冯娟宋艳梅汪啸林中南大学资源与安全工程学院长沙410083 中国航发贵州黎阳航空动力有限公司贵阳550000 重庆市江津区委政法委员会重庆402260

为了解决充填骨料磷石膏强酸性劣化生物胶结充填体材料性能的问题,提出引入碱性固废赤泥的方法,探究添加不同质量分数的赤泥对磷石膏生物胶结充填料浆和充填体力学性能的影响。结果显示:在微生物诱导碳酸盐沉淀(Microbially Induced Cal... 详细信息

为了解决充填骨料磷石膏强酸性劣化生物胶结充填体材料性能的问题,提出引入碱性固废赤泥的方法,探究添加不同质量分数的赤泥对磷石膏生物胶结充填料浆和充填体力学性能的影响。结果显示:在微生物诱导碳酸盐沉淀(Microbially Induced Calcite Precipitation, MICP)作用下,充填骨料中赤泥质量分数从0提高至80%时,充填料浆的泌水率由17%增至44%,表观黏度由585 mPa·s降至121 mPa·s,初、终凝时间分别增加了139%和135%。赤泥质量分数影响磷石膏生物胶结充填体的单轴抗压强度(Uniaxial Compressive Strength, UCS)。当赤泥占骨料总质量的20%时,充填体强度最高,为2 070 kPa,而过高的赤泥添加质量分数会导致UCS降低。强度的变化与赤泥的高碱性和干缩性有关。研究为碱性固废赤泥在磷石膏生物胶结充填中的应用提供理论基础和技术支撑,实现了固废资源化利用。

关键词：环境工程学赤泥磷石膏充填微生物诱导碳酸盐沉淀(MICP) 巴氏芽孢杆菌

冻融循环下不同自愈剂的混凝土强度恢复对比研究

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建筑结构 2022年第S02期52卷 1043-1047页

作者：周润民陈灏叶哲帆阿比尔的重庆交通大学国家内河航道整治工程技术研究中心重庆400074

自愈性混凝土在裂缝产生后能够自行修补,不同类型的自愈剂具有不同的自愈能力。通过制备不同类型的自愈混凝土(巴氏芽孢杆菌混凝土、液芯纤维混凝土)并以素混凝土为对照组依次开展冻融循环试验、自愈试验,测试不同自愈时间下混凝土的抗... 详细信息

自愈性混凝土在裂缝产生后能够自行修补,不同类型的自愈剂具有不同的自愈能力。通过制备不同类型的自愈混凝土(巴氏芽孢杆菌混凝土、液芯纤维混凝土)并以素混凝土为对照组依次开展冻融循环试验、自愈试验,测试不同自愈时间下混凝土的抗压强度,探究巴氏芽孢杆菌、环氧树脂为芯材的液芯纤维这两种自愈剂对混凝土抗压强度恢复的影响。试验结果表明,自愈剂在混凝土的28d养护阶段能提高混凝土的抗压强度,在自愈过程前期(0~7d)两种自愈型混凝土存在力学性能的衰减,而在自愈过程中期(7~14d)抗压强度开始呈现出持续的增长变化,且液芯纤维混凝土抗压强度增长程度更大,表明此阶段液芯纤维的恢复性更优;自愈过程后期(14~28d)巴氏芽孢杆菌混凝土抗压强度增长程度最大,且所有混凝土抗压强度均高于初始抗压强度,表明巴氏芽孢杆菌混凝土抗压强度恢复全过程中后期强度恢复较快。

关键词：自愈型混凝土巴氏芽孢杆菌液芯纤维冻融循环力学性能