微生物诱导沉积碳酸钙机理及其在混凝土裂缝修复中的应用

混凝土作为当今世界应用最广、用量最多的建筑材料，其服役寿命与耐久性问题一直被业界所重视。而混凝土开裂是分布范围最广、危害最大的耐久性问题之一。在复杂的应用场景和服役环境中，混凝土结构中微小裂缝的产生是无法避免的，而混凝土开裂不仅会导致渗漏使得混凝土内部结构水解破坏，造成承载力的降低，还会导致混凝土内部钢筋暴露在易腐蚀环境中，产生锈蚀，破坏结构的整体性。

近年来，微裂缝的修复方法成为了研究热点。学者们针对混凝土开裂这一亟需解决的问题提出了不同的修复方法，如使用人造材料（如聚氨酯、环氧树脂等）进行注浆修复、电沉积修复等。这些方法能在有效降低混凝土孔隙率、改善界面过渡区的同时进行微小裂缝的修复。但是，注浆修复与电沉积修复都存在能耗高、成本高、环境不友好等一系列问题。因此，开发一种简单高效、绿色环保的可持续修复技术是必然趋势。微生物诱导沉积碳酸钙（Microbial induced carbonate precipitation，以下简称MICP）技术因具有绿色环保、实时修复、无需人工干预等优点而引起了国内外诸多学者的关注。有研究者发现石油产出地附近的岩石裂缝可以自行修复，研究发现岩石裂缝附近的微生物在特定环境条件下诱导形成了沉积碳酸钙，而碳酸钙是一种天然矿石能填补岩石裂缝，同时提供较好的相容性，使修复效果长期有效。近几十年来，微生物诱导矿化技术已经被广泛应用于林地去重金属化、地下水重金属污染净化、复合材料修复等。而作为一项极具前景的环境友好型沉积修复技术，MICP还具有修复混凝土裂缝的较大潜力。早期RAMACHANDRAN等利用巴氏芽孢杆菌进行尿素降解达到修复混凝土裂缝的目的。CHU、SEIFAN等通过同样的机理，利用球形芽孢杆菌探究了氮属细菌在砂石修复上的可行性。国内钱春香等人在此基础上利用嗜碱芽孢杆菌、兼性厌氧芽孢菌等进行了更加深入的研究，使得微生物修复混凝土裂缝的理论基础进一步夯实。

本文回顾已知的微生物诱导矿化机理，分别从光合生物诱导沉积碳酸钙、硫酸盐还原菌诱导沉积碳酸钙、氮循环诱导沉积碳酸钙、其余生化作用诱导沉积碳酸钙四个方面对最新的研究进展进行综述，提出尚待解决的技术问题和未来的研究方向，以期为微生物修复混凝土裂缝的研究提供前沿的科研信息和可能的研究思路。

式中：K_sp是25℃下碳酸钙的溶度积的常数，通常取值为2.9×10^-9 。

除此之外，MORCE、HAMMES等学者的研究表明：系统中的酸碱度、能提供的成核位点数和溶解的无机碳浓度也是决定碳酸钙沉积能否实现的关键指标。四个关键指标并不是完全独立的。例如，CASTANIER在研究中指出，碳酸根离子的浓度取决于溶液中溶解的无机碳浓度。除上述四个关键性指标，其他因素同样会影响碳酸钙的沉积，如环境中的温度会直接影响二氧化碳气体的分压，二氧化碳的分压则直接影响溶液中无机碳的浓度，从而间接影响碳酸钙的沉积。基于各个因素间复杂的协同关系，改变某因素或多种因素来影响微生物碳酸钙沉积成为可能，也为混凝土结构修复提供新思路。

光合生物诱导矿化是是自然界中最常见的碳酸钙沉积形式。WANG等对海洋环境中地壳的形成开展了研究，认为颗石藻在地壳的成核阶段具有无可替代的作用，而在此过程中，颗石藻表面通过光合作用沉积的碳酸钙扮演了重要角色，证明了光合生物诱导沉积碳酸钙现象的普遍性和重要性。 

2.1   诱导沉积机理

在光合作用诱导机制下，可以根据微生物对氧气的需求，进一步将碳酸钙沉积机制分为好氧类、厌氧类两种类型。

好氧类光合作用在自然界中更为常见。部分学者认为，在光合作用中产生的二氧化碳会与水反应生成碳酸，不稳定的碳酸会进一步分解为碳酸氢根和氢离子，如果此时环境中能提供充足的钙离子，就会产生碳酸钙的沉积反应。但也有学者认为，此现象主要得益于水生光合生物（包括大型沉水植物、光合细菌等）对周围二氧化碳的吸收。这些二氧化碳在一定程度上提高了微环境碳酸钙饱和度，并最终引发碳酸钙的沉积。 

与好氧类光合作用不同，一些铁菌、氢菌和硝化细菌在不产生氧气的情况下也能通过光来产生能量，发生厌氧类光合作用，如绿硫细菌和紫硫细菌等。此外，区别于好氧类光合作用，厌氧类光合作用的电子供体为无机化合物，可以生成硫化物、铁化物或氮化物。细菌内部的光合化学反应能提高周围微环境的pH值，在产生糖分和能量的同时，通过三羧酸循环等生物内循环产生二氧化碳，并在有充足钙源的情况下诱导碳酸钙的沉积。

无论是好氧类光合生物还是厌氧类光合生物，其诱导碳酸钙沉积的机制都可以简单概括：在有光能和电子供体等的条件下，生物内部通过能量代谢、物质代谢作用释放二氧化碳，提高微环境中的无机碳浓度或碳酸钙饱和度，从而使碳酸钙沉积。

2.2   光合生物诱导沉积在混凝土修复中的应用

国内学者很早就开始关注藻类诱导碳酸钙沉积的现象。水生光合生物能广泛驱动元素的迁移转化，诱导沉积低镁方解石和文石等碳酸钙矿物，形成不同的孔隙结构和纹层结构。尽管沉积的碳酸钙中含有丰富的动植物残体，并形成大量孔隙，但水生光合生物为修复水下混凝土裂缝提供了可能。 

CAPEZZUOLI等在研究中表明温度能影响沉积碳酸钙的孔隙率，在温水中诱导沉积碳酸钙的孔隙率比冷水中要低。CAPEZZUOLI等认为原因在于较高温度能加快碳酸钙沉积，帮助微生物占据诱导沉积的主要地位。因此，适当提高修复区域的温度会帮助水生生物更好地进行裂缝的修复。

国外学者TABITA等通过试验测量分析出蓝藻生活在pH值7~10之间的水域中，其中，无机碳主要以碳酸氢根离子的形式存在。KAMENNAY等在研究蓝藻通过光合作用引发碳酸钙沉积的能力时也进行过类似的描述。通过分析矿物沉淀的成分，KAMENNAY等指出，在海水中蓝藻能通过光合作用析出方解石和霞石，并对藻类在碱性环境下析出水镁石的能力进行了肯定。这一发现对于光合作用诱导碳酸钙沉积在混凝土修复中的应用具有重要价值，因为这些细菌具有在碱性环境中生存的能力符合混凝土对自修复细菌的要求。

李骐言等通过分离藻类的胞外聚合物（EPS）研究了胞外产物对碳酸钙沉积的影响，表明此类细菌可以沉淀胞内及周围微环境中的碳酸钙。该试验表明海水中的藻类能在自身的微环境周围通过EPS促进碳酸钙的沉积。

在对混凝土裂缝进行实际修复的试验研究中，ZHU等探讨了蓝细菌聚球菌PCC8806用于裂缝修复的可能性。ZHU等将混凝土粉末与水混合，制备了pH值为11.7的溶液以模拟裂缝或退化混凝土中的流体，模拟中能观察到PCC8806链球菌在此溶液中诱导沉积了碳酸钙。将混凝土块在PCC8806聚球菌存在的氯化钙溶液中浸泡45 d后，发现一层厚达270 μm的生物方解石聚集体黏附在混凝土表面。而无微生物的对比组则只有少量的碳酸盐岩薄片分布在混凝土表面。这是首次利用自噬型蓝藻进行混凝土修复的研究，在自养型蓝细菌PCC8806的参与下超过38%的碳酸钙沉积在混凝土的表面。试验佐证了光合生物存在修复混凝土结构的能力。

自养型光合生物的特点保证蓝藻等能从光中获取能量，不用额外地供给营养物质；同时细菌利用二氧化碳固定碳源能有效提高周围环境的无机碳浓度，胞外聚合物能提供更多的成核位点，二者共同促进了碳酸钙的沉积。

但也有学者对光合生物沉积碳酸钙的能力提出质疑。PENTECOST等在研究英国Waterfall Back泉水后报道，在藻类碳酸钙沉积的贡献中，光合作用沉积碳酸钙占比估算在6%到12%之间，很难达到20%，与二氧化碳脱气沉淀接近80%的贡献相比光合作用的影响较弱。PENTECOST对意大利泉水Le Zitelle的研究也进一步表明，在较高浓度的钙离子和二氧化碳的环境条件下，水中光合作用对碳酸钙形成的影响有限。

综上所述，光合生物诱导沉积碳酸钙具有修复混凝土结构的潜力，尤其是在近海或海内条件下这种潜力更加明显。但是对应的修复效果、能力和效率仍不明确，需要进一步的研究。

硫酸盐还原菌（Sulfate-reducing bacteria, 以下简称SRB）具有诱导沉积碳酸钙的能力，但此类菌种在实际应用上具有较大的局限性，副产物对混凝土结构存在潜在破坏的可能性。刘笑言等指出，SRB在缺氧条件下会使环境呈弱腐蚀性，其生成的硫酸可能会腐蚀混凝土结构。ELIZABETH表明SRB在硫循环的过程中会生成硫化氢等酸性物质，这些物质会导致混凝土内部钢筋的劣化，影响混凝土结构的耐久性能。目前SRB在混凝土修复上具有较高的局限性，如何避免或减缓SRB对钢筋混凝土结构的腐蚀是现阶段的研究重点。

3.1   诱导沉积机理

SRB诱导碳酸钙的沉积依赖于氧化还原作用，通过氧化环境里的有机质释放硫化氢气体，提高微环境中的碱度，诱导碳酸钙的沉积。根据环境条件和沉积机制的不同，SRB诱导沉积碳酸钙的机理可以分为以下两类。

第一类为在富钙和富硫酸盐的环境中，硫酸菌对硫酸盐的还原。在混凝土中，富钙可能源于石膏在自然条件下的溶解，富硫酸盐则是外界提供的条件，是SRB能正常诱导碳酸钙沉积的条件之一。在有机物存在的情况下，SRB将硫酸盐还原为硫化氢，在无氧的情况下释放碳酸氢根离子。硫化氢是一种弱酸，微环境中硫化氢的脱气会导致pH值升高，从而为碳酸钙沉积创造有利条件。 

第二类是SRB将硫酸钙还原为硫化钙引发的碳酸钙沉积。硫化钙在潮湿空气中会发生水解，因此，在水中硫化钙会分解并释放出硫化氢。一方面，硫化氢导致的碱度提高有利于碳酸钙晶体沉积；另一方面，硫化钙分解得到的氢氧化钙会和二氧化碳反应，在微环境中沉积碳酸钙。

3.2   SRB在混凝土修复中的应用

对于微生物修复混凝土而言，在硫循环中生成的酸性产物会造成混凝土结构和钢筋的劣化，SRB在金属或者混凝土表面产生的生物膜也会诱导腐蚀的发生[28]。虽然SRB具有诱导沉积碳酸钙的能力，但是在过程中产生的酸性产物一方面会破坏混凝土的碱性环境，另一方面会与混凝土中的组成物质反应，加剧结构的破坏程度。因此，SRB不建议用于混凝土自修复，当下SRB修复混凝土中重要的研究方向之一是如何在合理利用SRB诱导碳酸钙沉积的基础上，避免过程性产物对混凝土的破坏。

国内学者钱江等通过气体扩散法估测了SRB诱导沉积碳酸钙能力的大小。将SRB分离为微生物分泌SMP、死细胞和EPS三种组分，模拟了SRB的最适生存环境，发现在高钙离子强度环境中，SRB各组分均能稳定的促进方解石的形成，沉淀产物由纳米颗粒团聚而成，晶粒尺度分布均匀。同时，不同细胞成分对碳酸钙结晶的作用均表现为表面吸附和鳌合作用。

国外学者ETIM等提出利用有机硅季铵盐（OSA）来缓解SRB对混凝土钢筋的腐蚀。ETIM等制备了无菌微碱模拟混凝土孔隙液（STR），通过对OSA、SRB、STR三者的有机组合配置了四组溶液：STR 、STR+OSA、STR+SRB+OSA和STR+SRB。试验结果显示，STR介质中出现均匀腐蚀，STR + OSA介质中出现轻微局域腐蚀，在STR + SRB和STR + SRB + OSA介质中出现局域0点蚀，证明OSA可以抑制SRB的生长，减少SRB对混凝土结构的破坏。

目前SRB修复技术尚不成熟，对混凝土结构的潜在破坏限制了SRB在混凝土裂缝修复中的应用。如果能抑制沉积碳酸钙过程中产生的酸性副产物，或通过掺入其他物质以避免酸性副产物对结构的影响， SRB诱导沉积碳酸钙在混凝土修复中的应用将具备更加广阔的前景。而如何抑制SRB在自修复过程中的作用，或如何尽量合理的利用SRB沉积碳酸钙的能力，仍需进行进一步的探索研究。

相较于其他几种沉积机制，氮循环诱导碳酸钙沉积具有特殊的应用优势。由于尿素分解菌具有较好的抗碱性，并且得益于其孢子的形成能力，它们能够在没有营养物质的情况下存活数百年，因此，氮属细菌具备长期有效修复混凝土裂缝的潜力。细菌将环境中的有机氮转化为矿物质，根据反应的不同，诱导沉积碳酸钙的机理可以分为两类：尿素降解作用和反硝化作用。

4.1   尿素降解作用沉积机理

巴氏芽孢杆菌（Sporosarcina pasteurii）、球形芽孢杆菌（Bacillus sphaericus）等是氮循环诱导沉积碳酸钙的代表菌属。此类细菌通过代谢作用能产生具有诱导矿化能力的关键蛋白酶——脲酶。当环境尿素含量高时，在细菌内部脲酶的作用下尿素分子会被水解为氨分子和氨基甲酸分子；作为过程中间产物，一分子氨基甲酸会在很短时间内自发水解为一分子碳酸和一分子氨。上述反应中氨分子会与水发生反应，提高水环境中的碱度，碱度的提高促进了溶于水中的无机碳向碳酸根离子的转化，最终使环境中的碳酸根离子浓度上升，在有钙源的情况下生成了碳酸钙。人类首次纯化的微生物脲酶即巴氏芽孢杆菌产生的脲酶，其催化功能单一，仅可催化尿素或尿素类似物；同时，通过脲酶水解尿素来诱导碳酸盐沉积的模型是MICP 中最直接且最容易控制的，其效率高，能够在短时间内诱导生成大量的碳酸盐。因此，脲酶微生物水解尿素的模型是一种被广泛应用的微生物矿化模型。除了产生脲酶，巴氏芽孢杆菌还能吸附微环境中的钙离子，为碳酸盐沉积提供晶核。

4.2   反硝化作用沉积机理

反硝化作用，一般指缺氧时微生物将硝酸盐及亚硝酸盐还原为气态氮化物和氮气的过程，脱氮硫杆菌、反硝化杆菌、微球菌等假单胞菌属是此类作用的代表。它们在脱氮过程中的电子受体不是氧气，而是在自身作用中形成的硝酸根离子。在钙离子存在的条件下，硝酸根离子的还原会诱导碳酸钙的沉积。 

近年来有学者指出，少数反硝化细菌可以作为自养菌，如脱氮硫杆菌。它们氧化硫或氢获得能量，同化二氧化碳，以硝酸盐为呼吸作用的最终电子受体，进行脱氮反应。同样，如果在环境中有大量钙离子，硝酸根离子的还原同样会导致碳酸钙的沉积。

4.3   氮循环诱导沉积在混凝土修复中的应用

氮循环诱导沉积碳酸钙是MICP修复中常用的机理，其原因是脱氮菌属具有良好的可控制性与抗碱性，强大的存活能力，以及诱导沉积碳酸钙的高效性。此特性符合自修复混凝土对细菌的期望。

球形芽孢杆菌是被广泛研究的尿素分解菌之一。早期MUYNCK等发现球形芽孢杆菌能显著提高砂浆试件的耐久性，根据孔隙率的不同，吸水率可降低90%，而碳化速率和氯离子迁移率分别能降低30%和40%。在此基础上，KIM等课题组研究了巴氏芽孢杆菌和球形芽孢杆菌在普通混凝土和轻质混凝土上的碳酸钙微生物沉淀特性。KIM等将混凝土试件分别采用纯水、无细胞培养液和有细胞培养液处理，对混凝土试件进行毛细吸水试验，指出用球形芽孢杆菌处理的普通混凝土试件和轻质混凝土试件的单位面积增重均最低，认为球形芽孢杆菌对混凝土表面的处理效率高于巴氏芽孢杆菌。ERSAN等则对比了球形芽孢杆菌和硝基还原杆菌（Diaphorobacter nitroreducens）对砂浆试件的影响，指出含球形芽孢杆菌的样品抗压强度下降幅度可达68%，凝结时间延迟340 min，而硝基还原杆菌对砂浆试件的凝结时间和抗压强度都没有产生重大影响，因此，后者更适合作为自愈合混凝土的细菌剂。

巴氏芽孢杆菌也是目前自修复混凝土学者研究的热点之一。QIU等研究了巴氏芽孢杆菌对再生骨料的改性作用，指出巴氏芽孢杆菌沉积碳酸盐的最适碱度为9.5。CHAHAL 等在粉煤灰混凝土中掺入巴氏芽孢杆菌，使混凝土的抗压强度最大增加22%，吸水率降低4倍，降低了粉煤灰混凝土的孔隙率和渗透性。郝小虎等用巴氏芽孢杆菌沉积碳酸钙对再生骨料进行改性，研究表明，随着巴氏芽孢杆菌改性时间的延长，再生骨料的质量逐渐提高，骨料的表观密度最大可达2 600 kg/m3，比未改性骨料提高4.42%。

尽管脱氮细菌能促进不同类型混凝土的裂缝愈合，对力学性能有显著的改善，但是在分解尿素或者反硝化的过程中，伴随尿素的生成会产生大量的二氧化碳，造成环境质量下降。同时，尿素水解还会产生具有刺激性气味的氨，一定浓度的氨气能灼伤皮肤、眼睛、呼吸器官的黏膜。因此，此类细菌在应用过程中可能存在安全隐患。JONKERS等注意到了这个问题，他们利用好氧的嗜碱芽孢杆菌进行试验，发现水泥石中含有的细菌孢子能够通过裂隙进入水中，将含有的乳酸钙转化为碳酸钙矿物质。钱春香等同样对嗜碱芽孢杆菌展开了研究，在培育出耐碱性较强且可以产生碳酸钙晶体的改良嗜碱芽孢杆菌的基础上，研究了此类细菌对裂缝的修复效果。结果表明，在40 d时混凝土表面处裂缝已被碳酸钙晶体完全填充，有效地阻碍有害物质对混凝土的入侵；在裂缝深度方向上，裂缝表面10 mm范围内均有碳酸钙生成。上述研究表明，利用嗜碱芽孢杆菌可以减少氨气的产生，在一定程度上克服脱氮细菌带来的问题。

综上所述，在利用氮循环细菌修复混凝土的过程中如何做到环境友好的同时保证修复效果，亟需更多的研究。

在上述MICP机制外还存在一些其他的机制，其中之一为甲烷厌氧氧化诱导的碳酸钙沉积。这个机制的机理为甲烷与硫酸盐在厌氧的情况下被细菌氧化，甲烷被氧化为碳酸氢根离子，硫酸根离子被还原为硫化氢根离子。如果环境中有充足的钙离子，那么就会进行碳酸盐的沉积。

GANENDRA等首次利用Methylocystis parvus OBBP培养法从甲酸钙中沉淀碳酸钙，并提出利用此法进行建筑工程中裂缝的修复。研究表明，经甲烷处理的培养基中钙的析出率高达91.4% ，而未加甲烷处理的培养基中钙的析出率为35.1%，证明甲烷氧化具有诱导碳酸钙的可行性。

近年来，另一种新型技术为植物源脲酶诱导碳酸钙沉积。考虑脲酶的来源，一些豆科植物、瓜类植物中都含有丰富的脲酶，并且粗提简单，经济实惠。刘阳、吴林玉等提取了大豆中的脲酶，通过选取不通的胶结液在砂石表面生成了硬壳。但是，生成的盐结皮脆弱，抗压强度最大为1.21 MPa，实际应用价值有限。从植物中提取的脲酶能否运用于混凝土裂缝的修复仍待商榷。

尽管 MICP已经被证明能用于混凝土结构的修复，能提高混凝土的耐久性，但目前依旧有一些需要解决的问题。

（1）裂缝修复存在均匀性问题。混凝土环境中细菌的分散程度是影响MICP修复效果的原因之一，虽然QIAN等提出在菌液灌注速度较低时，微生物能更加均匀地分布于砂粒表面与砂粒间隙，但是如何将微生物更加均匀地分布在混凝土中，如何让裂缝修复的更加均匀，仍是一大挑战。

（2）细菌的使用受到环境的限制。在一些极端条件下，诸如严寒或冰冻的条件下，细菌的生存将会受到挑战。为了在非常规的环境中实现细菌对混凝土结构的自修复，研究人员需要采取不同的方法，这可能会对微生物水泥的批量生产造成限制。

（3）MICP技术对环境的友好性仍需考量。目前脲酶微生物水解尿素的模型是一种被广泛应用的微生物矿化模型，但是如何处理分解尿素的过程中释放的二氧化碳气体、副产物等是对环境友好性的挑战。

（4）MICP技术成本较高，经济性有待提升。可以考虑利用生活废弃物中的营养物质，如运用工业废水、牲畜排泄物等进行灌浆，进一步降低MICP工艺成本。