CN101759438A - 一种利用海藻酸钠固载菌株在水泥基材料表面覆膜的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种利用海藻酸钠固载菌株在水泥基材料表面覆膜的方法。充分利用自然界微生物的生物矿化作用，选用具有碳酸盐矿化特性的菌株Bacilluspasteurii，使其在海藻酸钠载体提供的微环境中，利用本身的酶化特性，在基材表面缓慢生成致密坚硬的碳酸钙，大幅度提高了基材的抗渗性能，从而对基材起到了原位保护和加固的作用。而且随着时间的延长，海藻酸钠会逐渐被细菌分解，不会妨碍生成的碳酸钙与基材的紧密结合。海藻酸钠载体可以直接将菌株固定在基材表面，这样就可以对基材进行原位的防护和加固，适于实际应用。本发明方法是一种环境友好，工艺简单，成本低廉的防护方法。
Description
技术领域
本发明专利受生物矿化原理启发，选取了一种碳酸盐矿化菌株，提供适宜的条件，使其在天然高分子海藻酸钠为载体提供的微环境中，利用自身的酶化特性，在水泥基材料表面矿化沉积出一层碳酸钙，起到防护和加固的作用，属于微生物技术应用研究领域。
背景技术
作为如今使用最广泛的建筑材料-水泥基复合材料，如混凝土，由于其服役环境中各种侵蚀性介质的存在，使表面性能的逐渐下降，引起表面疏松剥落，微细裂缝等问题。若不及时修复表面缺陷，侵蚀性介质将进一步渗入材料内部，最终将导致其耐久性能的加速破坏。因此，水泥基材料的修复技术非常重要，目前，用于混凝土表面防护和加固主要有有机防水剂，聚合物砂浆，水泥基渗透结晶型材料等。这些材料在对混凝土表面防护中起了重要作用，但同时它们还存在一些缺陷，限制了它们的应用范围。例如，有的材料含有毒性成分，对人体和环境造成危害；有的材料耐久性不够，如现在常用的环氧树脂砂浆，由于收缩和老化的原因，其长期效果不甚理想；有些有机物质本身对环境会造成一定的污染。
自然界中许多物质具有生物矿化功能，即在生物的特定部位，在一定物理化学条件下，在生物有机物质的控制或影响下，具有将溶液中的离子转变为固相矿物的功能。
发明内容
技术问题：为了解决现有技术存在的水泥基材料修复中强度不够有污染的问题，本发明提供了一种利用海藻酸钠固载菌株在水泥基材料表面覆膜的方法，选用了一种具有碳酸盐矿化特性的菌株Bacillus pasteurii，使其在天然高分子在海藻酸钠为载体提供的微环境中，利用自身的酶化特性，矿化沉积出一层碳酸钙保护层。
技术方案：一种利用海藻酸钠固载菌株在水泥基材料表面覆膜的方法，步骤如下：
a.将巴氏芽胞杆菌Bacillus pasteurii接种至新配制的培养基中，在恒温培养箱中振荡培养；
b.将上述生长至稳定期的菌株以5000～8000rpm离心5～8min；
c.将离心后所得浓度为1.0×109～1.0×1010cell/mL的高浓缩菌液涂抹于试样表面，待表面风干；
d.将海藻酸钠粘稠溶液涂抹于步骤c所得试样表面，形成海藻酸钠层；
e.在海藻酸钠层上滴加营养物质、Ca2+和尿素的混合液，Ca2+和尿素的浓度为0.5～2mol/L，6h内每小时滴加一次，接下来的6h每两小时滴加一次，最后每12h滴加一次，每次滴加的量为1000～4000ml/m2，持续四天。
所述的海藻酸钠粘稠溶液质量体积浓度为10～30g/L。所述的海藻酸钠层厚1～3mm。所述新配制的培养基是牛肉膏蛋白胨培养基，培养基中牛肉膏的含量为3～6g/L，蛋白胨的含量为5～10g/L。为了达到更好的效果，也可以在培养基中添加尿素，含量为20g/L。所述恒温培养箱温度设定为25～37℃，初始控制pH：6.0-8.0。所述的菌株生长至稳定期是指对照所测菌株生长的标准曲线，用分光光度计测定菌液混浊度OD值：混浊度与菌液浓度成正比，当其OD值在曲线上的稳定期范围内时，认为此时的菌株处于稳定生长期。
有益效果：
1.本发明充分利用自然界微生物的生物矿化作用，选用具有碳酸盐矿化特性的菌株Bacillus pasteurii，使其在海藻酸钠载体提供的微环境中，利用本身的酶化特性，在基材表面缓慢生成致密坚硬的碳酸钙，大幅度提高了基材的抗渗性能，从而对基材起到了原位保护和加固的作用。
2.选用的天然高分子海藻酸钠载体，不仅对微生物无害，具有良好的传质性，为离心菌体恢复和保持活性提供了一种适宜的微环境。而且随着时间的延长，海藻酸钠会逐渐被细菌分解，不会妨碍生成的碳酸钙与基材的紧密结合。
3.海藻酸钠载体可以直接将菌株固定在基材表面，这样就可以对基材进行原位的防护和加固，适于实际应用。
4.而且碳酸钙属于无机材料，具有较好的耐候性，与基材有良好的相容性，能自动平衡基材内部各种应力：温度应力、结晶应力等，并且防护材料失效后对基材造成的影响很小。
5.同时由于所得碳酸钙层是在细菌分泌的有机质调控下生成，因此比一般化学法制得的碳酸钙具有更优良的性能，对基材可以起到有效的保护。
6.本发明方法是一种环境友好，工艺简单，成本低廉的防护方法。
附图说明
图1为不同放大倍数下的水泥石上所得复合膜中碳酸钙颗粒的形貌图。
图2为菌株生长标准曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进一步说明：
本发明中选用了具有碳酸盐矿化特性的菌株Bacillus pasteurii，巴氏芽胞杆菌，详见沈德中.环境和资源微生物学[M].北京：中国环境科学出版社，2003：65。菌株在培养基中生长繁殖至对数期后，为了原位防护和加固的需要，将菌液离心所得的高浓缩菌体直接刷涂至基材表面。离心菌体在海藻酸钠载体创造的微环境中，利用外掺的营养物质，底物尿素和Ca2+，生长繁殖并进行脲酶酶化作用。脲酶是一种诱导酶，在底物尿素的诱导下菌株产生脲酶，脲酶进一步分解尿素产生CO3 2-和NH3，使微环境中的pH逐渐增加。由于细菌细胞表面带有较多负电荷，所以CO3 2-会附着在细菌的表面，与掺入的Ca2+结合生成CaCO3。具体过程可如式1～3所示：
(NH2)2CO+2H2O————→CO3 2-+2NH4 + (1)
Cell+Ca2+＝Cell-Ca2+ (2)
Cell-Ca2++CO3 2-＝Cell-CaCO3 (3)
外掺的Ca2+首先会与海藻酸钠结合生成海藻酸钙凝胶，后续滴加的混合液中的营养物质，尿素分子和Ca2+逐渐渗入凝胶到达基材表面与菌体发生作用，在基材表面生成一层碳酸钙。由于菌体的流动性，在海藻酸钙凝胶内部也会生成一定量的碳酸钙，最终得到一层碳酸钙海藻酸钙复合膜，这层膜与基材结合不牢，可以揭去，然而在基材表面直接生成的碳酸钙与基材结合十分紧密，可以大幅度提高基材的抗渗性。
实施例1：
将菌株Bacillus pasteurii接种至装有培养基的三角瓶中：培养基成分如表1所示，于恒温振荡培养箱中25～37℃振荡培养，初始pH条件控制在6.0～8.0，培养24～36小时将生长至稳定期的菌株取出。将所得一定浓度的菌液以5000rpm离心6min，用200～500μl微量新配制培养基洗出离心菌体得浓度为1.0×109～1.0×1010cell/mL的高浓缩菌液，用画笔刷(0.8～1cm宽)轻轻地将菌液涂抹在3cm×3cm×3cm水泥石基材表面，等表面风干后，再用另一画笔刷将海藻酸钠粘稠溶液质量体积浓度为10g/L涂抹于基材表面。海藻酸钠层约1～3mm厚。然后在海藻酸钠层上滴加新配制的培养基、Ca2+和尿素混合液，Ca2+和尿素的浓度为0.5～2mol/L，起初6h内每小时滴加一次，接下来的6h每两小时滴加一次，最后每12h滴加一次，每次滴加的量为1000～4000ml/m2，持续四天。
四天后，在水泥石表面生成一层白色膜，揭开膜层发现有一层白色物质与基材结合紧密。将稀盐酸滴在膜和基材的白色物质上，均有大量气泡生成，根据前期研究可得出，可揭开的膜是碳酸钙海藻酸钙的复合膜，与基材紧密接触的白色物质是碳酸钙。复合膜中碳酸钙的形貌如图1所示，碳酸钙颗粒呈规则球形，粒径约为3～4μm，且分布均匀。在碳酸钙颗粒的下面可明显看到海藻酸钙多孔的网络结构。
将揭去复合膜的水泥石烘干至恒重：24h质量变化小于0.1％，用蜡固封与被覆膜面相邻的四个侧面，使被覆膜面向下泡入10+1mm水中，测其毛细吸水系数K为0.0003～0.0004g.cm-2.s-1/2，与未经微生物覆膜处理的水泥石毛细吸水系数0.0027～0.004g.cm-2.s-1/2相比，降低了约一个数量级，说明抗渗性能得到很大幅度的提高。
表1培养基成分
实施例2：
将菌株Bacillus pasteurii接种至装有培养基的三角瓶中(培养基成分如表2所示)，于恒温振荡培养箱中25～37℃振荡培养，初始pH条件控制在6.0～8.0，培养24～36小时取出。接下来的步骤同实施例1中的步骤。仍将所得处理后的水泥石将揭去复合膜测其毛细吸水系数K为0.0004～0.0008g.cm-2.s-1/2。
表2实施例2中所用培养基成分
Claims (7)
1.一种利用海藻酸钠固载菌株在水泥基材料表面覆膜的方法，其特征在于步骤如下：
a.将巴氏芽胞杆菌Bacillus pasteurii接种至新配制的培养基中，在恒温培养箱中振荡培养；
b.将上述生长至稳定期的菌株以5000～8000rpm离心5～8min；
c.将离心后所得浓度为1.0×109～1.0×1010cell/mL的高浓缩菌液涂抹于试样表面，待表面风干；
d.将海藻酸钠粘稠溶液涂抹于步骤c所得试样表面，形成海藻酸钠层；
e.在海藻酸钠层上滴加新配制的培养基、Ca2+和尿素的混合液，Ca2+和尿素的浓度为0.5～2mol/L，6h内每小时滴加一次，接下来的6h每两小时滴加一次，最后每12h滴加一次，每次滴加的量为1000～4000ml/m2，持续四天。
2.根据权利要求1所述的利用海藻酸钠固载菌株在水泥基材料表面覆膜的方法，其特征在于所述的海藻酸钠粘稠溶液质量体积浓度10～30g/L。
3.根据权利要求1所述的利用海藻酸钠固载菌株在水泥基材料表面覆膜的方法，其特征在于所述的海藻酸钠层厚1～3mm。
4.根据权利要求1所述的利用海藻酸钠固载菌株在水泥基材料表面覆膜的方法，其特征在于所述新配制的培养基是牛肉膏蛋白胨培养基，培养基中牛肉膏的含量为3～6g/L，蛋白胨的含量为5～10g/L。
5.根据权利要求1～4任一所述的利用海藻酸钠固载菌株在水泥基材料表面覆膜的方法，其特征在于所述的新配制的培养基中含有尿素20g/L。
6.根据权利要求1所述的利用海藻酸钠固载菌株在水泥基材料表面覆膜的方法，其特征在于所述恒温培养箱温度设定为25～37℃，初始控制pH：6.0-8.0。
7.根据权利要求1所述的利用海藻酸钠固载菌株在水泥基材料表面覆膜的方法，其特征在于所述的菌株生长至稳定期是指对照所测菌株生长的标准曲线，用分光光度计测定菌液混浊度OD值：混浊度与菌液浓度成正比，当其OD值在曲线上的稳定期范围内时，认为此时的菌株处于稳定生长期。
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