利用微生物矿化作用胶结松散砂粒的方法技术

本发明专利技术提供了一种利用微生物矿化作用胶结松散砂粒的方法，以蛋白胨、牛肉浸膏和蒸馏水配制培养基，调节ｐＨ为７．０，灭菌烘干后，将菌株巴氏芽胞杆菌Ｂａｃｉｌｌｕｓ　ｐａｓｔｅｕｒｉｉ接种至配制好的培养基中，在３０℃下进行振荡培养，振荡频率为１７０ｒ／ｍｉｎ，培养２４～３６ｈ，至菌液完全浑浊，菌液活性ｋ≥０．５ｍｍｏｌ.ｍｉｎ↑［－１］；将尿素和氯化钙溶液等体积混合后与菌液按体积比２∶１的比例分别注入砂粒中，或者混合后一起注入砂粒中。分别注入砂粒中时，是先注入菌液，待菌液由上往下渗出后，再注入尿素氯化钙混合溶液，待溶液渗出后，再注入菌液，交替循环。一起注入砂粒中时，是由下往上将混合液压入砂粒中并从上端排出。胶结的砂体环境友好，工艺简单，成本低廉；抗压强度可高达２ＭＰａ左右。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及到一种胶结松散颗粒的方法，尤其是一种利用微生物技术胶结松散砂粒 的方法。
技术介绍
随着生态环境的不断破坏，沙漠化程度日益严重；在部分地区，由于当地土质含水 量较高而呈松软状态，故在一些重大工程建设中比如修建地铁等则需要对土质进行加固； 而许多城市建立在以沙质为基础的海滩附近，整个城市存在下滑、塌陷、沉陷的危险。 在沙漠防治中往往采用种植草树的方式，加固措施中往往采用浇灌水泥基等胶凝材料， 但这一类材料不透水，严重破坏了土质的生态性能，不利于其可持续发展，所以寻找到 一种环境友好型加固方法就显得尤为重要。生物矿化作用是一种很普遍的自然现象，几乎每一种生物都能合成矿物。生物矿化 往往能形成有序排列的、结构非常优异的天然有机一无机复合材料，其中近三分之二是 钙矿，并且相当一部分具有胶结功能。它们通过其自身的生命活动，与周围环境介质之 间不断循环发生着酶化作用，逐渐矿化形成一种胶结物质——方解石(碳酸钙)，再经过 漫长时间的累积，最终将自然界中沉积的疏松碎屑物质胶结形成坚硬的岩石。而利用微 生物技术胶砂固土仍然存在着一些问题如何选择适宜的菌株并对其进行培养及驯化； 如何提高微生物的耐候性等等，而采用微生物技术的价格也过于昂贵。
技术实现思路
为了解决现有技术存在的加固措施中采用浇灌水泥基等胶凝材料的方法，严重破坏 了土质的生态性能的缺点，本专利技术提供了一种， 具有环境友好性，固结好的砂体具有一定的抗压强度。本专利技术采用如下技术方案一种，步骤为第一步，配制培养基以蛋白胨、牛肉浸膏和蒸馏水配制培养基，调节pH为7.0， 灭菌烘干后，将菌株巴氏芽胞杆菌Bacilluspasteurii接种至配制好的培养基中，在3CTC下进行振荡培养，振荡频率为170r/min，培养24 36h，至菌液完全浑浊，菌液活性k》 0.5mmol min-1;第二步，将浓度为3 mol L—1的尿素溶液和浓度为3 mol L—1的氯化钙溶液等体积 混合后与第一步配制的菌液按体积比2: l的比例分别注入砂粒中，或者混合后一起注入 砂粒中。第二步中，当尿素溶液和氯化钙溶液的混合溶液与菌液分别注入砂粒中时，是先注 入菌液，待菌液由上往下渗出后，再注入尿素氯化钙混合溶液，待溶液渗出后，再注入 菌液，交替循环，在砂体上表层没有沉积层阻碍液体渗入时，液体24h无完全渗出则胶结 成功。第二步中，当尿素氯化钙混合溶液与菌液一起注入砂粒中时，是由下往上将混合液 压入砂粒中并从上端排出，当压不动时即终止。本专利技术将菌株Bacillus pasteurii接种至培养基中，以培养基中的底物尿素为营养源， 产生的脲酶具有分解底物的能力，如方程式(1)所示，随着底物的不断分解，NH3不断 释放，使得溶液的pH值升高，如方程式(2)所示，同时pH值升高又促使以下可逆反 应往正方向进行如方程式(3)所示，使得C032—的浓度不断提高。此时往溶液中补充适 量的Ca2+，菌体细胞膜界面处带负电荷的SM (水可溶有机质)立即不断螯合Ca2+，如 方程式(4)所示，诱导出局部的晶体阴离子(C032—)浓度进一步增大，从而吸引更多 的Ca2+，直到晶体前驱物浓度增大到利于核化，从而沉积出起固结作用的矿化物质CaC03颗粒，如方程式(5)所示。NH2~CO—NH2 + H20 — 2NH3 + C02 (1)NH3 + H20 — NH4+ + OPT (2)C02 + H2。 — H2C03 — HC03- + H+ — C032- + 2H+ (3)Cell+Ca2+—Cell-Ca2+ (4)Cell-Ca2++ C032—Cell-CaC03 (5)将松散的砂粒装入试模中并捣实，此时颗粒之间含有大量的空隙。首先往砂粒中引 入菌液，待菌液完全渗流之后，大量的菌体便留在砂体内并附着于砂粒表面。紧接着往 其中注入尿素与氯化钙的混合液，在微生物的作用下产生胶结物质CaC03颗粒，胶结物 质也附着在砂的表面，并且随着胶结物质的增多而将菌体包裹从而取代菌体原占据的砂 表面。随后通过不断循环注入菌液和底物混合液，使得胶结物质一层一层往外生长直到 将颗粒间隙填满，从而将相邻颗粒连接起来，并使所有砂粒形成一个具有一定强度的整 体。根据上述微生物胶结松散砂粒的原理，有两种方法来实现。其一是采取了将菌液、4尿素溶液、氯化钙溶液等体积混合后同时注入的方式，以缓慢的速度将液体压入砂粒中， 随后使其再缓慢渗出；二是首先注入菌液，待充分渗出后，防止菌液与底物在砂体表面 开始反应从而堵塞上表面，注入尿素与氯化钙的混合液，交替循环。有益效果1. 环境友好，因其不同于水泥基胶凝材料或其他类型胶凝材料，可以保持砂体在固结 之后仍然能够保持一定的空隙率，充分保护了土质的生态功能；2. 充分利用自然界微生物资源，不仅资源丰富，而且工艺简单，环境清洁，成本低廉；3. 微生物或者底物溶液均能够非常方便地渗入到沙质土壤或松软土质中，而其他胶凝 材料的灌浆处理却非常困难；4. 固结成功的砂体其抗压强度最高可接近2MPa。附图说明图1是固结砂体的X射线衍射分析图谱，其中A为石英，B为方解石，C为氯化钙。 图2是固结砂体在扫描电子显微镜下观察到的表面形貌，其中(a)为固结紧密度较 差的砂体表面放大200倍的表面形貌，(b)为固结紧密度较好的砂体表面放大300倍的 表面形貌，(c)为附着于固结砂粒表面的碳酸转胶结质放大1000倍的表面形貌(呈不规 则形状)。图3是固结砂体经电子万能试验机在1N/s的加荷速度下所测得的应力应变曲线，其 中(a)是编号①砂体的应力应变曲线，其破坏形式为底部破坏，如(c)所示；(b)是 编号②砂体的应力应变曲线，其破坏形式为完全破坏，如(d)所示。具体实施方式 菌液的培养配制培养基(培养基成分如表1所示)，调节pl^7.0， 12rC高温灭菌25min，于60 'C烘箱中烘干后，将菌株Bacillus pasteurii接种至装有培养基的三角瓶中(无菌操作)， 摇床3(TC振荡培养(振荡频率170r/min) 24 36h。表1培养基成分营养物质质量(g)主要作用蛋白胨5.0提供氮源、碳源(能源)、生长因子牛肉浸膏3.0提供氮源、碳源(能源)、无机盐、生长因子蒸馏水 1000.0 提供水分菌液活性的测量菌液的活性用溶液的电导率来间接表示。配制3mol/L的尿素溶液，取25ml放于烧杯中，并加入20ml的实验室用自来水，放 入水浴锅中恒温在25'C，并调节搅拌器的速度为200r/min。取5ml经摇床培养好的菌液 (保证对菌液的操作是在无菌环境中完成，避免污染菌液)，并立即注射到烧杯中。每隔 30s记录电导率的数值。在测量菌液活性的操作中，底物的最终浓度为1.5mol/L，菌液被 稀释到十分之一，故菌液的活性应为测得的活性值的10倍。当菌液活性kX).5mmo1 min—1 时，可认为该菌液具有较高的活性，具备胶结松散砂粒的能力。胶砂工艺菌液、3mol/L的尿素溶液、3mol/L的氯化钙溶液等体积混合同时由下而上压入渗出。 以缓慢的速度将混合液压入砂粒中，随后使其再缓慢渗出。采用此方法的前提是菌液培 养时不能加入尿素，否则在三者进行混合之后便会产生大量的沉淀，既减少了底物溶本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用微生物矿化作用胶结松散砂粒的方法，其特征在于，步骤为：　第一步，配制培养基：以蛋白胨、牛肉浸膏和蒸馏水配制培养基，调节ｐＨ为７．０，灭菌烘干后，将菌株巴氏芽胞杆菌Ｂａｃｉｌｌｕｓ　ｐａｓｔｅｕｒｉｉ接种至配制好的培养基中，在３０℃ 下进行振荡培养，振荡频率为１７０ｒ／ｍｉｎ，培养２４～３６ｈ，至菌液完全浑浊，菌液活性ｋ≥０．５ｍｍｏｌ.ｍｉｎ↑［－１］；　第二步，将浓度为３ｍｏｌ.Ｌ↑［－１］的尿素溶液和浓度为３ｍｏｌ.Ｌ↑［－１］的氯化钙溶液等体积混合后与第一步配 制的菌液按体积比２∶１的比例分别注入砂粒中，或者混合后一起注入砂粒中。

【技术特征摘要】
1.一种利用微生物矿化作用胶结松散砂粒的方法，其特征在于，步骤为第一步，配制培养基以蛋白胨、牛肉浸膏和蒸馏水配制培养基，调节pH为7.0，灭菌烘干后，将菌株巴氏芽胞杆菌Bacillus pasteurii接种至配制好的培养基中，在30℃下进行振荡培养，振荡频率为170r/min，培养24～36h，至菌液完全浑浊，菌液活性k≥0.5mmol·min-1；第二步，将浓度为3mol·L-1的尿素溶液和浓度为3mol·L-1的氯化钙溶液等体积混合后与第一步配制的菌液按体积比2∶1的比例分别注入砂粒中，或者混合后一起注入...

【专利技术属性】
技术研发人员：钱春香，潘庆峰，王瑞兴，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：84[]