MICP技术中巴氏芽孢杆菌修复砖石裂纹的实验研究[1]

MICP技术中巴氏芽孢杆菌修复砖石裂纹
的实验研究[1]
摘要:本文基于微生物诱导碳酸钙沉积（MICP）技术，进行巴氏芽孢杆菌（Bacillus pasteurii）修复砖石裂纹的实验研究。

实验结果表明，巴氏芽孢杆菌在适宜的条件下，可以通过碳酸钙沉积弥合修复砖石裂纹，修复并提高砖石的力学性能。

本研究为砖石及类似材料的生物修复提供了实验依据。

关键词：MICP技术；巴氏芽孢杆菌；砖石损伤；实验研究
引言
微生物诱导碳酸钙沉积（MICP）技术是一种新兴的生物修复技术，通过利用微生物活动产生的碳酸盐沉积来修复材料内部的裂纹以及增强材料的力学性能。

在近年来，该技术在建筑环保和材料修复方面得到了广泛关注和研究。

巴氏芽孢杆菌（Bacillus pasteurii）作为一种具有高碳酸钙沉积能力的微生物，已经在土壤固结、混凝土修复等领域取得了显著成果。

然而，关于巴氏芽孢杆菌在砖石材料修复方面的应用研究仍然相对较少，亟待进一步开展。

1材料与方法
1.1 材料
1.1.1红砖
实验选用普通红砖作为试验材料，由于红砖表面具有细微的粗糙结构，适合于巴氏芽孢杆菌的附着以及碳酸钙沉淀的形成。

为了满足实际工程需求，红砖的选取并不需要进行特殊筛选，表面平整度和质地均匀性的要求相对宽松。

在实验开始之前，将红砖人工敲断，形成裂纹宽度在0.5-1mm范围内。

为了模拟现场实际条件并简化实验过程，没有使用特殊的实验模具。

实验中，直接在断裂的红砖上交替滴注巴氏芽孢杆菌和胶结液体，同时观察其在修复裂缝
过程中的胶结效果。

这种方法更接近于实际应用环境，有助于评估巴氏芽孢杆菌
在实际工程中修复砖石裂纹的效果和可行性。

同时，这种简化的实验方法也有助
于降低实验成本和检验试验效果。

1.1.2巴氏芽孢杆菌
实验中所用的巴氏芽孢杆菌菌株为ATCC14579，这种菌株在微生物诱导碳酸
钙沉淀（MICP）技术中具有广泛的应用，因其能有效地产生尿酸酶，进而催化尿
素水解生成碳酸钙沉淀。

1.1.3尿素
本实验中所用的尿素为分析纯化学材料，其纯度较高，有利于提高实验的准
确性。

尿素作为碳源，可促进巴氏芽孢杆菌的生长，同时在菌株脲酶的催化作用下，尿素分解生成氨气和碳酸根离子。

1.1.4氯化钙
氯化钙同样为分析纯化学材料，保证了实验的可靠性。

氯化钙在实验中用作
钙源，与碳酸根结合生成碳酸钙沉淀。

氯化钙浓度的适当控制有助于碳酸钙沉淀
的形成及其与砖石裂纹的结合。

1.2 实验方法
首先，将巴氏芽孢杆菌接种到LB培养液中，在适宜的温度（34℃）和pH值（8-9）下，48小时培养巴氏芽孢杆菌，直至菌液浓度达到预定要求，即OD600值
超过0.80。

接下来，首先将巴氏芽孢杆菌菌液直接滴注在砖石裂纹处，使其自流渗入砖
缝内，间隔10min，然后将碳酸钙与尿素混合的胶结液以同样方式注入砖石裂缝中。

每隔1小时重复上述过程，共进行7天。

实验过程中，保持试验环境的湿度
和温度稳定。

实验结束后，观察砖石裂纹的修复情况，并对修复后的砖石进行力
学性能测试。

2 结果与讨论
2.1裂纹修复状况及观察
经过7天的巴氏芽孢杆菌滴注处理，砖石裂纹内部及表面显现出明显的碳酸
钙沉积现象。

裂纹宽度明显减小，部分裂纹甚至达到了完全闭合的状态。

这一结
果表明，在适宜的条件下，巴氏芽孢杆菌能够通过生成碳酸钙沉积物来实现砖石
裂纹的修复。

图1展示了断裂红砖的胶结情况，其中白色物质即为形成的碳酸钙
结晶。

图1 胶结后的断砖
2.2力学性能测试及分析
在对修复后的砖石进行抗压强度和抗弯强度测试后，结果显示砖石的力学性
能得到了显著提升。

实验表明，巴氏芽孢杆菌通过微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）技术，能够有效地提升砖石材料的力学性能。

2.3修复机理分析及探讨
巴氏芽孢杆菌通过分解尿素生成碳酸氢根离子，这些离子与水中的钙离子结合，进而形成碳酸钙沉积。

在砖石裂纹区域，由于注入的巴氏芽孢杆菌的活性较高，碳酸钙沉积过程尤为明显，从而实现对裂纹的填充并提升砖石的力学性能。

这一修复机制为生物修复砖石等类似材料提供了一种新的途径。

在未来的研
究中，可以进一步探讨不同菌株、菌液浓度、处理时间等因素对修复效果的影响，以期优化修复过程并提高修复效果。

此外，还可以考虑将这一技术应用于其他类
似的建筑材料，如混凝土、石材等，以拓宽生物修复技术在建筑领域的应用范围。

2.4裂纹填充材料对裂纹修复的影响
为了探讨不同填充材料对巴氏芽孢杆菌修复砖石裂纹的影响，本实验选取了
不同粒度的砂材料作为填充物，与巴氏芽孢杆菌共同作用于砖石裂纹，并观察其
对裂纹修复效果的影响。

实验结果表明，不同粒度的砂均能在一定程度上促进巴氏芽孢杆菌产生的碳
酸钙沉积，但粒径较小的砂表现出更好的修复效果。

粒径较小的砂可以更好地填
充裂纹，增大与巴氏芽孢杆菌菌液的接触面积，从而提高碳酸钙沉积的效率。

因此，在实际应用过程中，建议选用粒径较小的砂作为裂纹填充材料，以实
现更高效且环保的裂纹修复。

同时，未来研究可以进一步探讨不同粒径砂与巴氏
芽孢杆菌菌液浓度、处理时间等因素之间的相互影响，以期优化修复过程并提高
修复效果。

3 结论
本研究通过实验探讨了巴氏芽孢杆菌在砖石裂纹修复方面的应用潜力，并验
证了在适宜的环境条件下，巴氏芽孢杆菌能够通过碳酸钙沉积修复砖石裂纹，并
显著提高砖石的力学性能。

本研究对于砖石及类似材料的生物修复具有重要的理
论指导意义和实际应用价值。

在未来的研究中，将继续探讨不同培养条件和喷洒
方法对修复效果的影响，以期实现更高效、环保、经济的砖石裂纹生物修复技术。

参考文献:
1.徐建妙，泮佳佳，程峰，等．混凝土微生物自修复材料的研究进展[J]．硅酸盐学报，2021
（49）:429-440．
2.徐晶,杜雅莉,白慧莉.脲解型微生物诱导碳酸钙沉积研究[J].功能材料,2016,47(4):4001‒4005.
3.成亮,钱春香,王瑞兴.碳酸岩矿化菌诱导碳酸钙晶体形成机理研究[J].化学学报,2007,65(19):
2133‒2138.
4.王雪,翟颠颠,郭远臣.混凝土内置微生物自修复材料的研究进展[J].硅酸盐通报,2017,36(5): 1605‒
1608.
5.刘汉龙，马国梁,肖杨，等.微生物加固岛礁地基现场试验研究[J].地基处理,2019,1(1):26-31.
6.黄淡，罗学刚，杜菲.微生物诱导方解石沉积加固的影响因素[J].西南科技大学学报，2009，
24(3):87- 93.
7.李沛豪, 屈文俊.生物修复加固石质文物研究进展[J].材料导报，2008,22.2:73-77.
8.张秉坚，尹海燕，铁景沪.石质文物表面防护中的问题和新材料[J].文物保护与考古科学.2000,12:1-4.
9.Filipe Bravo Silva NB, Nele de Belie and Willy Verstraete. Industrial Application of Biological Self-
healing Concrete: Challenges and Economical Feasibility[J]. Journal of Commercial Biotechnology.
2015 January 2015;21(1):31-38.
作者简介：
童真, 2002年，女，汉，福建，本科生，土木工程
郑建芳, 1989年，男，汉，福建，研究生，讲师，土木工程
曾雅棉, 1993年，女，汉，福建，研究生，讲师，土木工程
郑炜君, 2003年，女，汉，福建，本科生，土木工程
黄晖, 2002年，男，汉，福建，本科生，土木工程
基金项目：绿色建筑环保材料福建省高校工程研究中心(闽教高〔2019〕24号)。