城市基础设施建设推动国家或区域经济发展,是实现经济效益、社会效益、环境效益的重要条件。在近百年的发展过程中,世界各国已建设大量基础设施,但是当前新兴经济体的基础设施需求仍然巨大。硅酸盐水泥是最常用的胶凝材料,它在现代基础设施建设中占有重要地位,其消费量在迅速增加。然而,水泥业是一个高污染高能耗产业,引起了全世界的广泛关注。水泥生产过程中会排放大量CO₂,据报道每生产1吨水泥熟料,约排放1吨CO₂,水泥行业排放的二氧化碳约占全球人为二氧化碳排放量的6%。同时,水泥厂也产生大量二氧化硫气体和粉尘,这些污染物对环境产生严重影响,如酸雨以及温室效应等。另外,硅酸盐水泥并不是一种可持续性建筑材料,这违背了建筑可持续发展理念,不利于城市生态建设。因此,人类越来越需要更环保的胶凝材料或技术来代替水泥。微生物诱导方解石沉淀(MICP)是自然环境中一种常见的生物矿化过程,作用的基本原理是:细菌分泌的脲酶水解尿素产生NH₄⁺和CO₃^2-,并导致反应体系pH值上升,在Ca²⁺的存在条件下析出碳酸钙晶体。碳酸钙晶体不仅可以填充颗粒之间的缝隙,同时对颗粒产生胶结作用,最终松散颗粒胶结成为具有一定力学性能的整体。生成的碳酸钙越多,材料内部孔隙减小就越显著,强度、渗透性等力学性能就越好。MICP技术是一种新颖的环境友好型生物技术,它可改善建筑材料及替代部分水泥,以减轻环境压力。本文围绕MICP技术开展了夯土改良、技术成本优化及真菌矿化的研究,对于克服MICP技术在未来实地规模化应用过程中可能存在的挑战具有重要指导意义。主要研究内容和成果如下:1、生物刺激诱导碳酸钙沉淀对夯土工程性能的影响夯土是一种可持续性强的传统建筑材料,具有取材容易,造价低、污染低、能耗低、可再生及蓄热性能好等优点,蕴含着巨大的生态应用潜力。但是,夯土的实际应用受到多种因素的限制,其中最大阻碍是夯土强度不够高。目前,研究学者已提出多种夯土改良材料和技术来提高夯土强度,其中,添加水泥是最常用的夯土改良法之一。水泥的添加量越高,夯土强度也就越高。然而,大量使用水泥所带来的弊端如上所述,同时掺入过多水泥的夯土会丧失可循环利用这一优势。本研究中利用MICP技术部分替代水泥,进行夯土改良,提高材料强度。MICP技术主要是通过生物强化来实现的,但是土壤的理化性质和生物学性质往往会影响外源产脲酶菌,从而导致MICP技术在很多情况下的无法成功应用。基于以上考虑,本研究采用本土微生物进行MICP改良夯土的研究,即生物胶结联合生物刺激改良夯土。这种联合技术避免了外源菌种与本土微生物的严重竞争而导致生物矿化工艺失败的风险,与此同时还具有自然、经济、高效、对环境影响小且操作简便等优势,发挥各自优点,达到更好的改良效果。在本研究中,6%水泥、土样和NBU培养基三者充分搅拌后制成水泥稳定型夯土块(Bio-CSRE);定期向Bio-CSRE喷洒培养基,维持土壤细菌生长,提高产脲酶菌的代谢活性。不添加水泥的夯土块(RE)和纯水替代培养基制成的水泥稳定型夯土块(Control CSRE)作为对照组。RE的抗压强度仅为0.53MPa,同时Bio-CSRE的抗压强度达到16.2 MPa,高出Control CSRE 29.6%,而吸水率降低27.7%。利用X射线衍射分析(XRD)、红外线光谱分析(FTIR)和扫描电子显微镜/能谱分析(SEM-EDS)测试分析手段明确了夯土工程性能改良过程中生成的矿物晶体的类型和形貌,充分表征了微生物诱导碳酸钙沉淀。同时,XRD和FTIR佐证了MICP能促进C-S-H凝胶生成,从而进一步提高夯土块的抗压强度。Illumina MiSeq测序平台对所有夯土样品中微生物的16SrRNA V3-V4区测序。生物刺激后土壤细菌群落结构发生明显变化,Firmicutes、Sporosarcina分别取代Proteobacteria、Stenotrophomonas成为土壤优势菌落菌属,其中Firmicutes的相对比例更是高达83.4%,而Sporosarcina在目前生物矿化研究中最常用的细菌之一。结果表明生物刺激诱导的碳酸钙沉淀替代部分水泥,有效改良夯土的同时避免了土体原有特性被破坏。2、豆腐废水用作MICP廉价培养基,开展砂石砂浆胶结研究在MICP技术胶结砂石颗粒过程中,不仅仅要考虑环境效益,而且同时实现经济效益最大化还将有助于开拓MICP技术在砂土固化领域的应用前景。在MICP过程中,微生物的营养成本占MICP总成本的60%,因此,从微生物营养入手,达到MICP技术的成本节约是非常可行且必要的。豆腐是一种在中国乃至亚洲都非常受欢迎的食物,但是在豆腐生产过程中,豆腐加工厂排出大量富含营养的废水,造成水体富营养化或其它环境污染。在过去的研究中,玉米浆和乳糖母液被用来培养细菌进行微生物诱导碳酸钙沉淀的研究,而这是首次利用豆腐废水(TW)作为MICP的廉价培养基,以实现MICP成本节约及废水资源化。利用50%TW培养蜡状芽孢杆菌(Bacillus cereus,CGMCC 1.15914),记录细菌生长情况和脲酶的活性,所得结果与市售营养肉汤培养基(NB)结果进行比较。在NB和TW培养基中,B.cereus最大OD₆₀₀值分别为2.31、2.17,这说明在这两种培养基中细菌生长没有显著差异,豆腐废水足以提供细菌生长所需的营养物质;同时,最大脲酶活性分别为30.62 U/mL、24.87 U/mL。此外,50%TW培养基用于砂石颗粒胶结,所得砂柱上中下部分的强度分别为2200KPa、700 KPa和300 KPa,是对照组砂柱对应部分的2.1倍、2.5倍和2.0倍。XRD、FTIR和SEM-EDS等从微观结构阐明了微生物诱导产生的碳酸钙沉淀对砂石颗粒的胶结作用。用50%TW培养细菌并制作砂浆;在第7天和第28天,生物砂浆的抗压强度分别增加了13.4%和27.8%。研究结果表明豆腐废水可以用作MICP过程的微生物营养源,降低MICP技术的成本的同时实现豆腐废水资源化。3、真菌诱导碳酸钙对砂石颗粒的胶结作用真菌在地质环境中发挥重要作用,例如真菌诱导生成次生矿物。目前,大多数MICP的理论和实验研究都集中于原核生物,而针对真菌诱导碳酸盐沉淀的机制及其对砂石颗粒胶结作用的研究很少。与细菌相比,真菌对环境的适应性和耐受性更强,生物量及胞外酶量更高。真菌特有的菌丝体具有较强的机械抵抗力,可以侵入表面坚韧的基质以获取营养物质,因而真菌可以在岩石等质地坚硬区域生长。另外,真菌菌丝结构能提供更大表面积来吸附钙离子,而且细胞壁可以为方解石的成核提供基底,成核自由能降低,有助于方解石晶体的成核。在过去的研究中,Penicillium chrysogenum CS1(GenBank KY818294)诱导的碳酸钙矿化沉淀过程成功修复土壤铅铬污染,这说明了P.chrysogenum具备生物诱导碳酸钙的生物矿化性能。本文利用真菌P.chrysogenum CS1开展砂石生物胶结实验,阐明地质环境中真菌矿化机制,推动真菌地质作用研究进一步发展。P.chrysogenum CS1为脲酶阳性霉菌,它是自然界中广泛存在的真菌之一。脲酶是控制MICP过程的关键酶,从真菌酶活曲线来看,P.chrysogenum CS1在改良马丁肉汤培养基中能够持续生长,最大脲酶活性为42.8 U,出现在第7天。真菌诱导的碳酸钙沉淀将松散砂石颗粒胶结成一个长度为13cm的完整砂柱,其抗压强度到达1800KPa,显著高于对照组。扫描电子显微镜分析砂柱样品微观形貌,观察到菌丝上沉积许多小颗粒晶体,证实了真菌为碳酸钙生成提供更大的结构支持。利用FTIR和XRD对菌丝及生成产物进行矿物学特征分析。在FTIR谱图中,位于1471 cm^-1处C-O弹性振动峰和872 cm^-1处C-C弹性振动峰,说明了产物中含有碳酸钙沉淀。X射线衍射进一步验证真菌诱导产生碳酸钙沉淀主要为方解石。本研究从就地取材简便易行,成本优化及真菌矿化的角度出发,全面探讨了微生物诱导碳酸钙沉淀技术在夯土改良,砂石砂浆工程性能改善中的应用。得出的结论为,MICP技术能替代部分水泥改善建筑材料,以降低环境负荷,推动可持续发展。