CN103725288B - 一种利用碳酸酐酶微生物固结土壤的试剂及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用碳酸酐酶微生物固化土壤的试剂及其使用方法，组成以质量份计为1000份干土、50～200份MgO、50～200份水中按照20～100mL/g的量加入高浓缩胶质芽孢杆菌菌液，所述的高浓缩胶质芽孢杆菌菌液浓度为109～1011个/mL。将试剂混合搅拌均匀后填入试模中压实，从试模顶部通入CO2气体，保持通气20～200min后，拆模后可获得已固化胶结的土壤样品，抗压强度可达5MPa以上。主要利用碳酸酐酶的催化作用，促进CO2的水合反应，矿化形成具有胶结能力的碳酸盐化合物，代替水泥固化土壤，节能环保。

Description

一种利用碳酸酐酶微生物固结土壤的试剂及其使用方法
技术领域
本发明涉及一种利用碳酸酐酶微生物固化土壤的方法，主要利用碳酸酐酶的催化作用，促进CO2的水合反应，矿化形成具有胶结能力的碳酸盐化合物，代替水泥固化土壤，属于微生物和土木工程材料交叉技术领域。
背景技术
传统土壤固化剂以水泥、石灰为主，其正日益面临资源贫瘠、能源消耗、CO2排放和大气污染等可持续发展问题，且其固化土壤强度增长较慢。自然界中某些特定环境下形成的方解石不仅具有高强度，还具有一定的胶结作用。本发明从此自然现象中得到启发，尝试通过碳酸酐酶微生物的酶加速与调控作用，吸收CO2矿化制备出具有胶凝作用的复合碳酸盐，用于胶结加固不良地质，固化过程快速且环境友好，并可吸收电厂和水泥厂排放出的CO2，节能减排效益显著。
发明内容
技术问题：本发明提供一种环境友好的可以快速固化土壤的试剂及其使用方法。
技术方案：一种利用碳酸酐酶微生物固结土壤的试剂，组成以质量份计为1000份干土、50～200份MgO、50～200份水中按照20～100mL/g的量加入高浓缩胶质芽孢杆菌菌液，所述的高浓缩胶质芽孢杆菌菌液浓度为109～1011个/mL。
一种所述的利用碳酸酐酶微生物固结土壤的试剂的使用方法，步骤为：
（1）将胶质芽孢杆菌接种至灭菌后的培养基中培养，制备得到菌体浓度为107～108个/mL的胶质芽孢杆菌菌液；
（2）将培养获得的胶质芽孢杆菌菌液离心浓缩后，调节得到菌液浓度为109～1011个/mL高浓缩胶质芽孢杆菌菌液；
（3）将高浓缩胶质芽孢杆菌菌液、MgO、水按比例混合得到所述的固结土壤的试剂，然后按照1000质量份干土中加入高浓缩胶质芽孢杆菌菌液20～100mL/g的量，将固结土壤的试剂与干土搅拌均匀后装模，通入体积浓度为80%～100%的CO2气体，通入速率为2L/min～10L/min，保持通气20～200min，拆模后获得已固化胶结的土壤样品。
所述的培养基的组成以质量体积浓度计为：蔗糖8～12g/L、Na2HPO4·12H2O2～3g/L、MgSO40.4～0.6g/L、CaCO30.5～1.5g/L、KCl0.1～0.2g/L、(NH4)2SO40.4～0.6g/L、酵母提取物0.2～0.4g/L。
步骤（1）培养条件为pH为7～8，温度为30～37℃。
有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：
（1）通过胶质芽孢杆菌分泌的碳酸酐酶的酶催化作用，极大加速了CO2与MgO的矿化反应，固化土壤速率较快，最快20min就可以完成固化胶结，传统技术一般需要24h以上。
（2）所用原材料环境友好，摒弃了传统的水泥类与石灰类土壤固化剂，采用微生物-MgO-CO2的固化体系，将CO2以复合碳酸盐矿物形态固定与土壤中，同时为土壤提供胶结作用，加固不良地质，相较于传统的水泥土壤固化剂，不仅减少了水泥生产过程中CO2的高排放量，还可进一步吸收电厂和水泥厂排放出的CO2，节能减排效益显著。
附图说明
图1为采用此微生物固化土壤方法在通入CO2气体20min后获得的土壤胶结样品实物图。
图2为采用此微生物固化土壤方法获得的土壤胶结样品的SEM图。
图3为未添加微生物的土壤在通入CO2气体后获得的土壤胶结样品的SEM图。
图4为添加微生物和未添加微生物土壤在分别通入CO2气体20min和200min后的土壤样品的抗压强度对比图。
具体实施方式
本发明所用的胶质芽孢杆菌（Bacillus mucilaginous）来源于中国工业微生物菌种保藏中心，编号为22523。
本发明用于快速固化土壤的方法，方法步骤如下：
（1）获取胶质芽孢杆菌（Bacillus mucilaginous）浓缩菌液：将胶质芽孢杆菌（Bacillus mucilaginous）接种于灭菌后的培养基溶液，每升培养基含有蔗糖8～12g、Na2HPO4·12H2O2～3g、MgSO40.4～0.6g、CaCO30.5～1.5g、KCl0.1～0.2g、(NH4)2SO40.4～0.6g、酵母提取物0.2～0.4g，并控制pH为7～8，于30～37℃下振荡培养24h，得到含有胶质芽孢杆菌（Bacillus mucilaginous）的菌液；
（2）将上述培养获得的菌液在4℃下经5000～8000rpm高速离心5～10min后，除去上层培养基营养物质后加去离子水，浓缩菌液中所含菌体浓度为109～1011个/mL；
（3）将1000g干土、20～100mL高浓缩胶质芽孢杆菌菌液、50～200g MgO、50～200g水混合，搅拌均匀后填入Φ10cm×15cm的圆柱体试模中压实成型；
（4）从试模顶部通入浓度为80%～100%的CO2气体，通入速率为2L/min～10L/min，保持通气20～200min，拆模后获得已固化胶结的土壤圆柱体样品。
实施例1：
（1）称取蔗糖12g、Na2HPO4·12H2O3g、MgSO40.6g、CaCO31.5g、KCl0.2g、(NH4)2SO40.6g、酵母提取物0.4g于1000mL去离子水中溶解，配置成所需培养基溶液，调节pH为7，125℃高温下灭菌25分钟后取出待冷却，将胶质芽孢杆菌接种至冷却培养基溶液中，30℃下振荡培养，振荡频率为170r/min，培养时间24h；
（2）将培养好的菌液高速离心5min，离心机转速为8000rpm，温度为4℃，去除上层培养基营养物质，加去离子水20mL制成浓缩菌液，菌体浓度为1×1010个/mL；
（3）将1000g干土、20mL高浓缩胶质芽孢杆菌菌液、200g MgO、200g水混合，搅拌均匀后填入Φ10cm×15cm的圆柱体试模中压实成型；
（4）从试模顶部通入浓度为98%的CO2气体，通入速率为5L/min，保持通气20min，拆模后获得已固化胶结的土壤圆柱体样品。
土壤样品在通气20min后已经迅速完成了固化（图1），抗压强度为5.6MPa（图4），在电子扫描电镜下观察，土壤样品结构致密，颗粒之间形成胶结（图2）。
实施例2：
（1）将1000g干土、200g MgO、200g水混合，搅拌均匀后填入Φ10cm×15cm的圆柱体试模中压实成型；
（2）从试模顶部通入体积浓度为98%的CO2气体，通入速率为5L/min，保持通气200min，拆模。
土壤样品在通气200min后才完成了固化，抗压强度为1.8MPa（图4），显著低于实施例1,；在电子扫描电镜下观察，土壤样品结构较为疏松，颗粒之间胶结不明显（图3）。
实施例3：
（1）称取蔗糖9.6g、Na2HPO4·12H2O2.4g、MgSO40.48g、CaCO31.2g、KCl0.16g、(NH4)2SO40.48g、酵母提取物0.32g于1000mL去离子水中溶解，配置成所需培养基溶液，调节pH为7，125℃高温下灭菌25分钟后取出待冷却，将胶质芽孢杆菌接种至冷却培养基溶液中，30℃下振荡培养，振荡频率为170r/min，培养时间24h；
（2）将培养好的菌液高速离心10min，离心机转速为5000rpm，温度为4℃，去除上层培养基营养物质，加去离子水100mL制成浓缩菌液，菌体浓度为2×109个/mL；
（3）将1000g干土、100mL高浓缩胶质芽孢杆菌菌液、100g MgO、50g水混合，搅拌均匀后填入Φ10cm×15cm的圆柱体试模中压实成型；
（4）从试模顶部通入浓度为80%的CO2气体，通入速率为10L/min，保持通气60min，拆模后获得已固化胶结的土壤圆柱体样品。
土壤样品在通气60min后迅速完成了固化，抗压强度为4.8MPa。

Claims (4)

1.一种利用碳酸酐酶微生物固结土壤的试剂，其特征在于，组成为50~200g MgO、50~200g水中按照20~100mL的量加入高浓缩胶质芽孢杆菌菌液，所述的高浓缩胶质芽孢杆菌菌液浓度为109~1011个/mL。
2.一种权利要求1所述的利用碳酸酐酶微生物固结土壤的试剂的使用方法，其特征在于，步骤为：
（1）将胶质芽孢杆菌接种至灭菌后的培养基中培养，制备得到菌体浓度为107~108个/mL的胶质芽孢杆菌菌液；
（2）将培养获得的胶质芽孢杆菌菌液离心浓缩后，调节得到菌液浓度为109~1011个/mL高浓缩胶质芽孢杆菌菌液；
（3）将高浓缩胶质芽孢杆菌菌液、MgO、水按比例混合得到所述的固结土壤的试剂，然后按照1000g干土中加入高浓缩胶质芽孢杆菌菌液20~100mL的量，将固结土壤的试剂与干土搅拌均匀后装模，通入体积浓度为80%~100%的CO2气体，通入速率为2L/min~10 L/min，保持通气20~200min，拆模后获得已固化胶结的土壤样品。
3.如权利要求2所述的利用碳酸酐酶微生物固结土壤的试剂的使用方法，其特征在于，所述的培养基的组成以质量体积浓度计为：蔗糖8~12g/L、Na2HPO4·12H2O 2~3 g/L、MgSO4 0.4~0.6 g/L、CaCO3 0.5~1.5 g/L、KCl 0.1~0.2 g/L、(NH4)2SO4 0.4~0.6 g/L、酵母提取物 0.2~0.4 g/L。
4.如权利要求2所述的利用碳酸酐酶微生物固结土壤的试剂的使用方法，其特征在于，步骤（1）培养条件为pH为7~8，温度为30~37℃。
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