我院唐朝生教授团队揭示了微生物矿化技术的环境依赖性

发布者:陆昀乔发布时间:2022-05-04浏览次数:11

近年来,微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)技术在多个学科领域受到了广泛关注。该技术通过利用能够高产脲酶的细菌,将尿素分解成碳酸根离子和铵根离子,然后与环境中的钙离子结合从而析出碳酸钙结晶。大量研究表明MICP技术在土体加固、渗漏控制、地质灾害防治和污染土修复等多个研究领域表现出良好的应用前景。作为MICP反应的核心产物,碳酸钙的宏观特征例如碳酸钙产量和碳酸钙分布等对MICP改性材料的物理力学性能有显著影响。除此之外,微生物诱导生成碳酸钙的微观特征,例如晶体形貌、晶体尺寸、矿物组成以及矿物胶凝特性等,也会极大影响MICP改性材料的工程性质。由于微生物矿化涉及微生物新陈代谢生化反应、晶体成核与生长动力等一系列复杂过程,同时涉及多学科交叉,学界关于环境条件对MICP中碳酸钙晶体成核及生长发育的影响规律一直不是十分清楚。

为此,唐朝生教授团队与我院李伟强教授、陈天宇教授和赵良教授开展跨学科合作研究,围绕MICP反应过程中的环境温度、反应溶液pH、菌液浓度和胶结液浓度等四个关键影响因素对微生物诱导生成碳酸钙晶体的晶型晶貌、矿物组成和胶凝特性展开了调查分析。试验结果强调了碳酸钙晶体沉淀对这些环境因素的强烈依赖性。温度越高,碳酸钙的晶体尺寸越大。随着反应溶液pH值的增加,微生物诱导生成的碳酸钙有从球霰石转变成方解石的趋势。菌液浓度的降低能够增加方解石的含量,这有助于增强生成矿物的胶凝特性。另外,胶结液浓度能够显著影响生成的碳酸钙晶体尺寸大小。通过系统性地分析各种环境因素如何共同影响微生物诱导生成的碳酸钙晶体,本研究有望进一步加强目前对微生物成矿过程的理解,并且有助于未来微生物成矿技术在各学科领域应用的优化设计。

图1  不同温度条件下微生物诱导生成碳酸钙晶体的SEM图像

图2  不同浓度菌液和胶结液作用下微生物诱导生成碳酸钙沉淀的矿物组成及其胶凝特性

上述研究成果近期以“Environmental Dependence of Microbially Induced Calcium Carbonate Crystal Precipitations: Experimental Evidence and Insights”为题,发表于美国土木工程学会ASCE的顶级期刊Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering,我院博士研究生吕超为论文第一作者,唐朝生教授为该论文通讯作者。研究工作得到了国家自然科学基金、江苏省自然科学基金和中央高校基础研究基金的联合资助。

论文链接:https://doi.org/10.1061/(ASCE)GT.1943-5606.0002827