微生物岩土技术的研究进展

第38卷第4期岩土工程学报Vol.38No.42016年.4月ChineseJournalofGeotechnicalEngineeringApr.2016微生物岩土技术的研究进展何稼1,2，楚剑2，刘汉龙3，高玉峰1，李冰2(1.河海大学岩土工程科学研究所，江苏南京210098；2.南洋理工大学土木与环境工程学院，新加坡639798；3.重庆大学土木工程学院，重庆400045)摘要：岩土体中存在着大量的微生物，这些微生物的活动对岩土体的物理、力学性质有一定的影响。微生物岩土技术，是将微生物反应加以控制和利用，来解决岩土工程中的问题。在近十年里，微生物岩土技术逐渐成为岩土工程研究界的一个热门课题，并取得了很大的进展。从原理和应用两个角度对这一领域的研究进行归类和分析。从微生物反应原理的角度来说，微生物岩土技术所利用的微生物过程包括微生物矿化作用，微生物产气泡过程，以及微生物膜生长过程等。从实际应用的角度来说，微生物岩土技术的应用领域包括岩土体加固、防渗，砂土液化防治，土体抗侵蚀，污染土治理等。此外，还对微生物岩土技术的实施方法特点，监测和检测技术，以及环境影响进行了介绍。关键词：微生物岩土技术；微生物过程；地基处理；灾害防治中图分类号：TU43文献标识码：A文章编号：1000–4548(2016)04–0643–11作者简介：何稼(1982–)，男，讲师，主要从事微生物岩土技术、地基处理等方面的教学和科研。E-mail:[e-mail]。ResearchadvancesinbiogeotechnologiesHEJia1,2,CHUJian2,LIUHan-long3,GAOYu-feng1,LIBing2(1.GeotechnicalResearchInstitute,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;2.SchoolofCivilandEnvironmentalEngineering,NanyangTechnologicalUniversity,Singapore639798,Singapore;3.SchoolofCivilEngineering,ChongqingUniversity,Chongqing400045,China)Abstract:Thereisalargenumberofmicroorganismsinsoilandrockmasses.Theactivitiesofthesemicroorganismscaninfluencethephysicalandmechanicalbehavioursofsoilsandrocks.Thesemicrobialactivitiescanbecontrolled,enhanced,andusedtosolvegeotechnicalproblems.Suchmethodshavebeennamedasbiogeotechnologies.Inthelastdecade,thebiogeotechnologieshavereceivedincreasingresearcheffortsandgainedgreatadvances.Thisstudyaimsatclassifyingandevaluatingthesestudiesfromtwoaspects,mechanismsandapplications.Fromtheaspectofmechanisms,microbialprocessesthatcanbeadoptedbythebiogeotechnologiesincludebiomineralization,biogasgeneration,andbiofilmgrowth,etc.Fromtheaspectofapplications,thebiogeotechnologiescanbeusedforthestrengtheningofsoilsandrocks,sealingofwaterleakage,preventionormitigationofsoilliquefaction,soilerosioncontrol,andrehabilitationofcontaminatedsoils,etc.Inaddition,theconstructionmethods,monitoringandqualityinspectiontechniques,andenvironmentalimpactsofbiogeotechnologiesarealsointroduced.Keywords:biogeotechnology;microbialprocess;groundimprovement;disasterpreventionandrehabilitation0引言岩土工程作为一门应用学科，其基本理论主要源自于物理、力学和化学等基础学科。主要的岩土工程理论知识起始于力学理论的发展，如库仑和郎肯土压力理论、达西渗流理论、布辛内斯克应力分布理论、以及太沙基有效应力原理、一维固结理论等。此后，人们又逐渐认识到化学和电化学过程对土，特别是黏性土的形成、演变、和力学性质起到了重要的作用。在应用方面，如岩土工程中地基处理、边坡加固等问题，往往采用的是物理和力学的技术手段来解决。岩土材料的化学处理方法、特别是水泥等胶凝材料的使用，也已经成为了岩土工程技术里常规和广泛使用的手段。在天然环境里，表层和深层土体中存在着大量的微生物。在接近地表的土层中，每千克土体中微生物的数量大约是109至1012个；在2～30m的深度，土───────基金项目：新加坡南洋理工大学博士生奖学金、中国高等学校学科创新引智（111）计划项目（B13024）；国家自然科学基金项目（51578096）收稿日期：2015–02–20DOI：10.11779/CJGE201604008644岩土工程学报2016年体里微生物的数量降至大约1011～106个每千克[1-2]。这些微生物的活动，对土体的物理力学特性和工程性质会产生影响。Mitchell等[1]指出，微生物活动能够影响土的形成和性质，如微观结构、强度、刚度、渗透性等。历史上一些边坡和土体结构失稳、地基土膨胀等工程事故案例，其原因或部分原因可能来自于微生物的活动[1]。然而，在岩土工程学科发展的历史上，由于知识储备不足和研究手段缺乏，研究者在很长时间里鲜有对微生物活动这一因素的探索。在近十年里，和微生物活动相关的岩土工程问题得到了越来越多的研究关注。这一领域的探索，将会拓展岩土工程理论的范围，并使得研究手段更加丰富。更为重要的是，可以将微生物过程加以控制和利用，作为一种技术手段来解决具体的工程问题。本文中，将这一用微生物过程来解决岩土工程问题的技术，称为微生物岩土技术。微生物岩土技术作为一项实用技术，自本世纪初被研究者提出[1,3]，在近些年里得到了非常快速的发展，积累了较多的文献资料。本文将对这些研究成果进行介绍、归类和分析。首先介绍岩土工程中可以利用的几种微生物过程，包括微生物矿化作用、微生物产气泡过程和微生物膜。其次，介绍微生物岩土技术常见的应用，包括岩土加固、岩土防渗、砂土液化治理，地基和土工结构抗侵蚀和污染土治理等。最后介绍微生物岩土技术的一些实际问题，如实施方法、监测和检测手段、环境影响等。1微生物过程1.1土壤中的微生物和微生物过程自然界中的微生物包括了原核生物，如细菌、古细菌等，和真核生物，如藻类、真菌等。细菌是土壤中最常见的微生物，也是微生物岩土技术里主要利用的微生物。细菌在土壤中的生存和繁殖需要空间。细菌的直径大约在0.5～3μm，细菌的孢子直径可以小至0.2μm。而按照一般土的分类，直径小于2μm的矿物称为黏土矿物。在黏土等细粒土中，微生物活动会受到土的空隙大小的影响。微生物的常见尺寸和土的矿物尺寸对比如图1所示。因此，微生物岩土技术处理的对象，大部分都是砂土、砾土等粗粒土；对细粒土的处理，往往需要采用机械搅拌等方法。此外，微生物的生长条件还包括了合适的营养、水、酸碱度、氧化还原条件、温度等。这些条件，既可能成为技术应用中的制约因素，又可以成为对反应系统控制的手段。例如，可以通过调节营养物的量，来控制微生物反应的进度和有效产物的生产量。图1微生物和土颗粒的尺寸对比（图片改编自文献[1]）Fig.1Comparisonofsizesofmicroorganismsandsoilgrains(adaptedfromReference[1])微生物反应的一些自身特点，为其在岩土工程中的应用带来了优势。微生物反应是自然界、特别是土体的生态环境中本身存在的过程，因此对环境的影响较小；而岩土工程中的化学处理方法往往都是有毒性的或是对环境有危害的[4]。微生物反应过程和产物的多样性，也为不同类型的应用带来了便利。针对不同的应用，来选择合适的微生物反应过程。这些具体的微生物过程及其应用将在下文详述。1.2微生物矿化作用微生物过程可以生产一些结晶和非结晶的无机化合物，这些微生物过程被称为微生物矿化作用。生产的无机化合物在岩土材料中起到填充和胶结的效果，其功能类似于水泥，叫做生物水泥（biocement）。生物水泥可以由多种微生物过程来获得，如尿素水解过程[4-7]、反硝化过程[8-9]、硫还原过程[10]、铁还原过程等[11-12]。这些过程的有效产物即生物水泥通常是不溶性的沉淀物质，如碳酸钙、氢氧化铁等。如果沉淀物质能形成结晶体，如由碳酸钙结晶形成的方解石晶体，能起到比非晶体更好的胶结效果。以碳酸盐为产物的微生物过程，被称为微生物诱导碳酸盐沉积（microbiallyinducedcarbonateprecipitation,MICP），这是微生物岩土技术里研究最为广泛的课题。这里主要介绍采用尿素水解反应的MICP过程。这一方法的主要原材料包括尿素水解细菌，以及尿素和氯化钙的混合溶液。使用的大致步骤：首先，对被处理土体进行接种，使得细菌吸附在土颗粒表面；其次，将混合溶液与被处理土体充分结合，使得反应发生。详细的微生物处理方法将在后文详述，这里着重介绍这一方法的原理。尿素水解过程中，第一步的反应是微生物参与的尿素水解，生成碳酸根和铵根离子：+2-22243NH-CO-NH+2HO2NH+CO尿素水解细菌。(1)第二步反应是化学反应，在反应体系中加入可溶性钙盐，如氯化钙，碳酸根离子和钙离子结合生成沉淀：2+2-33Ca+COCaCO。(2)在上述的反应过程中，最终产物碳酸钙就是起到第4期何稼，等.微生物岩土技术的研究进展645生物水泥作用的有效物质。而碳酸钙的胶结和填充作用是如何形成的呢？首先，需要微生物吸附在土颗粒的表面，这样有利于的矿物晶体在土颗粒表面生长并形成胶结作用。微生物在孔隙材料中的吸附能力和多种因素相关，包括孔隙水的化学成分和性质，固体孔隙材料的形态、表面质地、矿物成分，以及微生物细胞本身的性质如细胞壁的亲水性等[13]。其次，碳酸钙结晶在微生物细胞表面形成和生长[4,14-15]。微生物细胞表层结构上的负电荷和尿素水解过程中形成的碱性微环境，有利于带正电荷的钙离子吸附在细胞的表面上。这一层带正电荷的钙离子和微生物细胞中尿素水解的代谢产物碳酸根结合，形成碳酸钙晶体的结晶核。碳酸钙晶体逐渐增长，会吸附在土颗粒的表面形成包裹以及在土颗粒之间形成搭桥，从而对土体形成了胶结和孔隙填充的作用[4]。图2显示的是经生物水泥处理的砂土的电子显微镜照片，图中可以看见吸附在土颗粒表面以及在土颗粒之间接触位置生成的碳酸钙晶体。由此，土体的力学性能主要发生两个方面的变化。首先，土的强度、刚度增长、压缩性降低，这一作用被称为生物胶结（biocementation）；其次，土的渗透性降低，这一作用被生物防渗（bioclogging），见图3。这两个作用的应用将在第二部分详述。图2经生物水泥处理的砂土电子显微镜照片Fig.2SEMimageofbiocemented