微生物進化的一個重要特點是以其新陳代謝的多樣性而成為地球上所不在及其與倫比的巨大生物量，促使科學家不斷重新審視它們在地球中的地位和作用，并認為微生物世界是'生物學中沉睡的巨人'，'巨人'的蘇醒正在給與人類更多的啟發。本世紀初以來，科學家們從微生物在自然界成巖造丘過程中的作用得到啟發，'學習自然、模擬自然'，嘗試將微生物礦化技術應用于傳統建筑材料中。本書重點介紹了微生物技術在膠砂固土、混凝土表面覆膜防護、混凝土裂縫被動修復和自修復，以及重金屬離子鈍化固結中的應用基礎研究。如何將自然界數十億年前已經存在的微生物礦化作用為人類所用，為人類造福，正是本書撰寫的初衷。
適讀人群 ：本書屬于跨學科著作，讀者主要包括土木工程材料和微生物礦化領域的科研工作者和學生，以及對于跨學科研究有興趣的讀者
《微生物礦化的工程應用基礎》內容豐富、題材新穎,可供土木工程材料學科高校師生與科技人員參考閱讀.
序言
前言
第1章緒論1
1.1自然界的微生物礦化現象與機理1
1.1.1生物礦物的分布與特征1
1.1.2微生物在自然界成巖成礦中的作用2
1.1.3微生物在自然界中的礦化形成機制4
1.2微生物水泥與砂土穩定研究進展6
1.2.1砂土中的微生物水泥膠結機理7
1.2.2微生物水泥穩固砂土應用研究現狀9
1.3混凝土中微生物礦化技術研究進展13
1.3.1微生物誘導礦化修復防護混凝土表面缺陷及裂縫機理14
1.3.2基于微生物礦化的混凝土表面覆膜防護15
1.3.3基于微生物礦化的混凝土裂縫被動修復18
1.3.4基于微生物礦化的裂縫自修復效果評價表征方法20
1.3.5基于微生物礦化的混凝土裂縫自修復22
1.4重金屬離子原位生物礦化研究進展24
1.4.1重金屬污染現狀及傳統治理方法24
1.4.2重金屬離子原位生物礦化技術研究進展27
參考文獻29
第2章基于生物礦化的砂土膠結41
2.1引言41
2.2微生物膠結松散砂顆粒機理41
2.2.1松散砂粒間的微生物礦化機理41
2.2.2松散砂粒間的微生物膠結機理50
2.3微生物膠結砂體微觀結構演化62
2.3.1XCT研究微生物水泥膠結砂體微觀結構演變62
2.3.2微生物水泥膠結砂體微觀結構和性能演變72
2.4不同尺度微生物膠結砂體性能76
2.4.1半米高微生物水泥膠結砂體制備76
2.4.20.5m×0.5m×0.5m尺寸的微生物水泥膠結體制備89
2.5微生物膠結過程的數學模型94
2.5.1模型的建立94
2.5.2邊界條件及參數97
2.5.3數值計算結果及其對比分析98
2.5.4工藝參數及材料參數對微生物水泥膠結效果影響的數值分析103
2.5.5微生物水泥膠結松散砂粒材料和工藝參數設計方法107
2.6微生物膠結其他顆粒110
2.6.1微生物膠結土110
2.6.2微生物膠結尾砂112
參考文獻114
第3章基于生物礦化的混凝土表面缺陷與裂縫被動修復117
3.1引言117
3.2礦化微生物酶活性與沉積過程調控118
3.2.1碳酸鹽礦化菌產脲酶機制與酶活測定118
3.2.2礦化微生物的產酶工藝條件與控制122
3.2.3礦化微生物沉積碳酸鈣結晶動力學研究126
3.2.4礦化微生物沉積碳酸鈣的晶型與形貌調控130
3.2.5礦化微生物沉積碳酸鈣速率調控145
3.3混凝土表面缺陷的生物礦化被動修復148
3.3.1混凝土表面缺陷修復用防護層的性能要求149
3.3.2菌液浸泡礦化修復混凝土表面缺陷150
3.3.3菌液噴涂礦化修復混凝土表面缺陷153
3.3.4海藻酸鈉固載微生物涂刷礦化修復混凝土表面缺陷160
3.3.5瓊脂固載微生物涂刷礦化修復混凝土表面缺陷164
3.4混凝土裂縫的生物礦化被動修復176
3.4.1表面涂抹閉合式修復混凝土微裂縫176
3.4.2固載微生物灌漿修復混凝土裂縫179
3.4.3微生物膠結基材修復混凝土裂縫184
參考文獻190
第4章基于生物礦化的混凝土自修復193
4.1引言193
4.2自修復機理194
4.2.1基于脲酶水解尿素誘導的自修復機理194
4.2.2基于內部碳酸根來源的自修復機理195
4.2.3基于外部碳酸根來源的自修復機理201
4.3裂縫自修復效果及表征207
4.3.1微生物誘導礦化自修復混凝土裂縫概述207
4.3.2混凝土裂縫制作方法209
4.3.3滲透系數和面積自修復率表征方法評價212
4.3.4裂縫寬度自修復率表征方法216
4.3.5CT表征裂縫自修復效果218
4.3.6實際工程中的微生物自修復裂縫表征方法220
4.4不同條件下裂縫自修復221
4.4.1不同條件下裂縫自修復概述221
4.4.2自修復劑組分配比及用量221
4.4.3不同養護條件下自修復效果225
4.4.4不同溫度下自修復效果227
4.4.5不同鹽度下自修復效果228
4.4.6不同pH環境下自修復效果229
4.4.7不同供氧條件下自修復效果230
4.4.8不同開裂齡期下自修復效果231
4.4.9不同裂縫寬度下自修復效果233
參考文獻237
第5章基于生物礦化的重金屬離子鈍化239
5.1引言239
5.2重金屬離子對微生物生長的影響239
5.2.1重金屬離子對碳酸鹽礦化菌生長的影響239
5.2.2重金屬離子對磷酸鹽礦化菌生長的影響240
5.3重金屬離子礦化過程中的酶催化241
5.3.1重金屬離子礦化過程中脲酶的催化241
5.3.2重金屬離子礦化過程中磷酸酶的催化246
5.4重金屬礦化物特性及其形成255
5.4.1碳酸鹽礦化物特性及其形成255
5.4.2磷酸鹽礦化物的特性及其形成267
5.5微生物鈍化劑的制備與施用方法271
5.5.1碳酸鹽微生物鈍化劑的制備與施用方法271
5.5.2磷酸鹽微生物鈍化劑的施用方法277
5.6微生物鈍化劑的實地應用280
5.6.1礦山開采尾礦治理實例280
5.6.2農用田土壤治理實例282
5.6.3水體修復實例289
參考文獻291
彩圖
第1章 緒論
1.1 自然界的微生物礦化現象與機理
1.1.1 生物礦物的分布與特征生物礦化作用是一種很普遍的自然現象，幾乎每一種生物都能合成礦物.近年來，研究者們對生物礦化產物的多樣性和生物礦化過程的認識有了驚人的增長.漫長的地質時代，有機體形成的礦物大大改變了生物圈的物理？化學特性，生物礦化對沉積環境做出了重大的貢獻.研究發現碳酸鈣幾乎構筑了廣闊的大陸邊緣.
經過20億年物競天擇的優化，生物體結構幾乎是的，許多類型的有機體在其細胞和組織位置形成沉積礦物，并且此過程在細胞的生命活動中不斷得以重復.這些細胞包括從細菌？海藻？原生物到骨的成骨細胞.礦物可能存在于細胞的封閉泡囊膜內？細菌細胞壁的黏液內或孕育在細胞外空間的生物聚合物內.
至今，人類已經在生物中發現了60多種不同的生物礦物，表1-1列出了部分這些礦物的分布.表
1-1 生物礦物的種類及其分布
這些礦物的分布具有三個顯著的特點:①近三分之二是鈣礦;②幾乎三分之二含水或羥基;③四分之一是膠體材料.
生物礦化往往能形成有序排列的？結構非常優異的天然有機—無機復合材料.如軟體動物的貝殼珍珠層，它是由定向排列的文石小板片及少量有機質(質量百分含量
(1)結構的高度有序使得生物礦物具有極高的強度和良好的斷裂韌性.細胞分泌的有機機制與無機晶體(如羥磷灰石和碳酸鈣)間復雜的相互作用而形成的高級自組裝結構，這種高度有序的組裝使占質量95%的礦物得以緊密堆積，從而顯示出優良的力學性質和理化性質.
(2) 生物礦物一般具有確定的晶體取向. 例如趨磁細菌中的磁小體(ma-osome)常沿細菌長軸呈鏈狀排列，盡管在不同種類的細胞中磁小體皆有自己的特征，但在某一特定的細胞種類中，磁小體的粒徑？結晶形態及在細胞內的排列都是一致的，這樣晶體鏈就提供了一個足夠強的永磁矩使細菌在地磁場中取向.
(3)礦物質與有機質的相互作用.有機基質與礦物質之間存在著多種復雜的相互作用和多種形式的結合，使得基質大分子的微觀結構發生改變，這更有利于形成高度有序的生物礦物，從而使生物礦化產物顯示出優異的物理？化學和生物性能.
(4)礦物質在整個生物代謝過程中形成，并參與代謝過程.生物礦物的發現為制造高級復合材料提供了新的思路和途徑.
1.1.2 微生物在自然界成巖成礦中的作用
地球史研究表明，微生物可能是地球上早出現的一種生物，其種類繁多？分布廣泛？生長繁殖快？代謝能力強？遺傳穩定性差，已成為地球上無所不在？種類眾多的巨大生物量.自地球歷史早期微生物便廣泛的存在于地球表面環境，生存并分布于所有潮濕的沉積物表面及內部(深度可達幾千米)，與其他生物相互競爭與合作，廣泛的參與自然界的成巖成礦過程.如上所述，其中近三分之二是鈣礦，并且相當一部分具有膠結功能.微生物通過其自身的生命活動，與周圍環境介質之間不斷循環發生著礦化作用，再經過漫長時期的累積，終將自然界中沉積的疏松碎屑物質膠結形成堅硬的巖石，如圖1-1所示，微生物參與礦化形成的方解石在自然界成巖過程中起了膠結的作用.一般來講，微生物的礦化作用既不局限于微生物的特殊種類，也不限定于微生物的一定數量，幾乎所有微生物的代謝產物對地質環境都有影響，是自然界沉積變化？成巖作用和一些沉積礦床的作用者或主要參與者.
圖1-1 自然界中微生物礦化形成方解石膠結成巖
參與自然界成巖成礦的微生物類型多樣，包括光合原核生物(藍細菌)？真核微體藻類？化學自養或異養微生物等.由于大部分微生物不具鈣質骨骼，且只有部分微生物可以被鈣化并保存為化石，因此，對地史中微生物碳酸鹽巖中的微生物類群的識別較為困難.在前寒武紀大量碳酸鹽疊層石中，主要在一些硅質巖中發現球狀或絲狀微生物化石.從顯生宙開始，在許多微生物碳酸鹽巖中發現大量鈣化微生物化石.Curtis指出，許多常見的沉積巖類在埋藏成巖作用過程中因微生物的作用而有重要變化，有時微生物的影響十分顯著，如形成結核.在早期壓實作用階段快速凝聚的結核，通常由方解石(CaCO3)組成.結核中還常可發現未被壓縮的？保存極完好的化石，甚至這些化石的軟體構造都可保存下來.這表明，有機質的分解有助于局部微生物的活動，而微生物活動的產物引起膠結物的沉淀.他還指出，對于許多成巖環境來說，不能以超溫和超壓為由排除微生物的存在，可以肯定，在深度淺得多的地方，沉積物中必然伴隨有微生物的活動.
同時，微生物也是海底礦化沉積重要的化學和地質的作用者，其數量眾多，生物作用多樣，分布又極廣泛，因而能夠長時期有效地與周圍環境之間發生反應.例如，微生物通過自身的生命活動可使環境中有機物腐解而產生一種穩定的物質———腐殖質;在堿性環境中，當有鈣鹽出現時，細菌能促使鈣的沉淀.由此，某些學者認為海洋中的微生物是促進海洋沉積物中碳酸鈣沉淀的主要力量.Defra-e等分別對南太平洋Tua-motu群島和中太平洋的現代疊層石進行了研究，指出其形成及鈣化過程為水體鹽度？鈣離子和鎂離子的濃度變化及細菌的生命活動綜合效應的結果.Pedone和Folk通過掃描電鏡觀察發現，猶他州大鹽湖沉積物粒內及其間的文石膠結物中有細菌及微細菌實體存在，而細菌的菌壁在其生活過程中，對鈣？鎂離子具很強的吸附性，因此碳酸鹽礦物能以細菌體作為結晶核心而結晶.此外，在現代喀斯特洞穴黑暗環境中，也發現有菌？藻類成因的疊層石和凝塊石存在，說明在無光的條件下，微生物群也可促使碳酸鈣沉淀.
微生物礦化成巖作用的研究，首先是從碳酸鹽巖開始的.碳酸鹽巖多為生物作用的產物，已成為共識，這一理念被稱為“索比原理”，該現象遍布于全球各種環境中，而且在地球表層環境中，從38億年以來對由不穩定的方解石？文石和白云石所組成的碳酸鹽巖貢獻大的毋庸置疑是微生物作用.學者們研究了微生物成因沉積構造疊層石和核形石？樹枝石和凝塊石，以及各種鈣質藻的成巖等.Murray和Irvine等首先研究了碳酸鈣的沉淀問題.他們認為碳酸鈣的沉淀是由于碳酸銨及硫酸鈣的作用所產生的:
(NH4)2CO3 CaSO4 →CaCO3 (NH4)2SO4 (1-1)
碳酸銨來自于二氧化碳，而這兩種化合物是微生物分解含氮有機物質而產生的.Nadson發現，微生物所產生的銨來自蛋白質物質，如此即促進了在某些湖中的碳酸鈣沉淀.起主要作用的微生物是:普通變形桿菌？蕈狀桿菌？白色放線菌等.銨的產生使海水的pH 增加，如此即促進碳酸鈣的沉淀.通過蛋白質物質除銨外，Nadson還發現某些微生物能夠將硝酸鹽還原成氮或銨，使水變成堿性，有利于碳酸鈣及碳酸鎂的沉淀及石灰石與白云石的形成.
Berkeley認為在海水中碳酸鈣的沉淀主要是由于細菌對有機鈣鹽的氧化作用:
Ca(COOCH3)2 4O2 →CaCO3 3CO2 3H2O (1-2)
Nadson認為，硫酸鹽細菌的還原作用，也能造成碳酸鹽的沉淀:
CaSO4 CH3COOH →CaCO3 H2S H2O CO2 (1-3)
Drew認為，海中碳酸鈣的沉淀是由于脫氮細菌所造成，其中作為作用物的氫與碳系來自有機物在厭氧情況下氧化作用:
Ca(NO3)2 3H2 C →CaCO3 3H2O N2 (1-4)
綜上所述，對微生物參與碳酸鹽礦化的機制，雖然以上許多學者有多種認識，但主要是微生物的作用這一點卻達成了共識.Vasconcelos等研究了缺氧條件下微生物參與白云巖沉淀和成巖作用，表明原先認識的現代白云巖的形成環境，如根據對巴哈馬安德羅斯島潮上白云石結殼的研究，應當重新來評估白云石沉淀過程中微生物媒介的重要性.Reid等對現代海洋疊層石在生長？成層和巖化過程中微生物的作用進行了研究，指出現代海洋疊層石的生長代表了一種沉積和間歇藍細菌席巖化的動態平衡.Frederik等研究了pH 和鈣代謝在微生物碳酸鹽沉淀過程中的關鍵作用，認為微生物的鈣代謝是特定沉淀條件下的一種不可避免的事件，活性鈣代謝可能造成獨特的沉淀條件，而且碳酸鈣沉淀在化學上利于細菌生存和擴散.-autret等研究現代瀉湖微生物巖中碳酸鈣沉淀的生物化學控制，強調由藍菌鞘腐爛釋放出的二羧基的天門冬氨酸和谷氨酸含量在碳酸鈣形成過程中的重要性，超細泥晶的原地沉淀是一種具有高度選擇性的過程，微生物巖建造中的藍菌種群的生物親和力是控制原地沉淀的碳酸鈣生物化學差別的主要因素之一.
1.1.3 微生物在自然界中的礦化形成機制
自然界中微生物的活動及其代謝作用，一方面能改變礦化的物理和化學環境，促進金屬元素的遷移和富集;另一方面，微生物機體及其生命活動可吸附和吸收成礦元素，并在有利成礦部位直接沉淀和聚集成礦.20世紀70年代中期以后，大量的文獻報道了微生物在沉積成巖和成礦過程中的作用.微生物對許多礦物和巖石的形成都具有較大影響，如碳酸鹽？氧化物？磷酸鹽？硫化物？硅酸鹽等礦物，疊層石？核形石？樹枝石？凝塊石等巖石以及某些鮞粒？團粒？球粒和泥晶.由于微生物對形成巖石的影響，Burne等提出了微生物巖(microbiolite)的概念，以描述由微生物的生長和生理活動而產生的生物沉積巖.
碳酸鹽的微生物成礦過程的研究一直是微生物成礦作用研究的熱點.研究認為微生物對碳酸鹽礦物的影響既可以影響碳酸鹽沉淀的地球化學條件，也可以作用碳酸鹽礦物沉淀的晶核.Jones研究了微生物的鈣化？捕獲和黏結碎屑對碳酸鹽新晶體生長的作用，認為鈣化微生物直接對洞穴堆積物起了貢獻.微生物充當碳酸鈣沉淀的核心位置，在許多情況下控制了形成晶體的類型.在碳酸鈣的沉淀中微生物通過其新陳代謝作用起了直接的和主動的作用.相反，-olubic認為碳酸鈣的沉淀主要是受環境要素的控制(如和碳酸鹽有關的飽和度)，而微生物只是起到一個被動的作用.在這種情況下，微生物只是方解石沉淀于其上的底物，并沒有起直接的作用.Merz發現只有在和方解石沉淀有關的水溶液過飽和的情況下，藍細菌的鈣化作用才發生.絲狀或纖維狀微生物通常能黏結和捕獲碎屑顆粒，Jones等通過實驗證明了這一特性，并用于解釋洞穴沉淀.
1. 礦化形成過程
在微生物礦化形成碳酸鹽巖過程中，無論是微生物對沉積物的捕捉？黏附還是原地碳酸鹽的沉淀，起關鍵作用的是微生物胞外聚合物(ExtracellularPoly-mericSub-stances，EPS)？微生物膜及微生物席，它們是微生物碳酸鹽巖形成的生物基礎.EPS主要聚集于細胞外，形成一種具有黏結性的基質，使得微生物附著于基底之上，能夠提供物理和化學保護作用.微生物膜是由生存于EPS中的一薄層細菌群落(幾十至幾百微米厚)組成，附著于需水環境的基底.微生物膜在合適的生態條件下繼續生長而形成較厚的？較明顯的層而被定義為微生物席(一般為毫米級)，微生物席通?？梢愿采w較大的沉積面和捕捉微晶沉積物，較厚的微生物席也可捕捉較大的沉積顆粒.微生物通過對沉積顆粒的捕捉與黏附？自身的鈣化以及碳酸鹽的原地沉淀，在埋藏？壓實？巖化等成巖作用下，終形成微生物碳酸鹽巖.
2. 礦化形成條件
微生物的微觀形態
