[发明专利]利用微生物矿化作用胶结松散砂粒的方法

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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-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。

发明内容

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，本发明提供了一种利用微生物矿化作用胶结松散砂粒的方法，具有环境友好性，固结好的砂体具有一定的抗压强度。

本发明采用如下技术方案：

一种利用微生物矿化作用胶结松散砂粒的方法，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。

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。

本发明将菌株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CO₃^2-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(CO₃^2-)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CaCO₃颗粒，如方程式(5)所示。

NH₂-CO-NH₂+H₂O→2NH₃+CO₂             (1)

NH₃+H₂O→NH₄⁺+OH^-                    (2)

CO₂+H₂O→H₂CO₃→HCO₃^-+H⁺→CO₃^2-+2H⁺  (3)