文献综述:
微生物是地球上最早出现的生物类型,微生物在沉积碳酸盐的过程中取着不可替代的作用。而且微生物沉积碳酸盐的现象在各种环境中都十分常见,占地球上碳酸盐沉积的比例也十分巨大。无论是在缺氧还是富氧的条件下,在有机物丰富的条件下,均有微生物可以促进碳酸钙的生成。例如早在1889 年Murray 和Irvine 等就研究了碳酸钙得到沉积的课题。他们认为碳酸钙的沉积主要有碳酸铵和硫酸钙相互作用而成:
其中的反应物碳酸铵,由微生物分解含氮有机物产生的氨气和二氧化碳生成而来。而氨气的生成可以使局部环境的pH 值上升,从而加速碳酸钙的生成。除了分解含氮有机物能放出氨气外,某些微生物还能将硝酸盐还原成氨或氮,也能使局部环境pH值上升,从而有利于碳酸钙的生成。在有机物丰富的环境中,许多异养微生物代谢过程均能诱导生成碳酸钙,包括:
( 1) 在无氧或缺氧条件下,脱氮细菌可以对硝酸盐产生还原异化作用:
(2)在厌氧条件下,硫酸盐细菌可以发生还原作用:
( 3)在富氧条件下,氧化细菌对有机盐的氧化作用:
( 4)在富氧条件下,产脲酶细菌可以分解尿素等物质,形成碳酸钙:
微生物诱导碳酸钙沉淀法(microbial induced calcite precipitation)简称MICP法作为自然界广泛存在的生物矿化的过程之一,反应机理简单,见效快,效果好,易控制,环境适应性好,和传统方法相比具有巨大的优势。最近几年,我国也开始在相关方面开始作出相应的研究,但大多数研究方向偏向于技术应用,但在微生物成矿学原理及其在土木工程材料环境中作用机理的方面尚缺乏深入研究。岩土材料微生物改性涉及各种物理、化学、生物过程,这些反应各具特点。在上述各种反应中,产脲酶细菌诱导的MICP反应是最具经济效益和可操作性的,因此受到国内外广泛关注。
产脲酶菌诱导生成碳酸钙:
在水溶液中尿素在微生物生产的产脲酶的促进下产生的氨气和二氧化碳,在碱性溶液中产生铵根离子和碳酸氢根离子,在碱性环境中,如果存在足够的钙离子,碳酸氢根离子就会反应生成碳酸钙沉淀。而且,微生物体一般带负电荷,可以吸附带正电的阳离子如钙离子,因此在碳酸钙结晶过程中微生物体会成为其结晶核,使反应更容易进行,晶体更容易生长。具体反应式如下:
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