CN103773376A - 利用微生物固化松散珊瑚砂的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了利用微生物固化松散珊瑚砂的方法，具体为将巴斯德氏芽胞杆菌（Bacillus pasteurii）在氯化钠浓度为10～35g/L条件驯化，至氯化钠浓度为35g/L条件下菌液活性>2mM·min^-1停止驯化，离心收集菌体，采用真空冷冻干燥法冷藏；然后将保藏的菌体加入海水配制成菌液，并调节pH至7～8，再将菌液与每升含1mol氯化钙和1mol尿素的溶液按体积比为1:2混合，注入珊瑚砂中，每天1次，连续3-6天；利用此方法固化珊瑚砂颗粒与颗粒之间通过包裹的碳酸钙咬合，其强度达14MPa，并且菌体可以直接用海水稀释，氯化钙和尿素溶液亦可直接用海水配制，解决了岛礁淡水缺乏和原料运输问题。

Description

利用微生物固化松散珊瑚砂的方法

技术领域

本发明属于化学领域，特别涉及利用微生物固化松散珊瑚砂的方法。

背景技术

21世纪，人类进入了大规模开发利用海洋的时期。随着我国“提高海洋资源开发能力，发展海洋经济，保护海洋生态环境，坚决维护国家海洋权益，建设海洋强国”重大部署实施的逐步深入，大规模岛礁工程建设势在必行、刻不容缓。对于远离陆地的岛礁工程建设来说，缺少建筑材料，所需的各类建筑材料均需要从陆地运输，其成本非常昂贵。在不破坏岛礁生态环境的前提下，开发可以就地取材的建筑材料是岛礁工程建设的迫切问题。

我国的珊瑚礁主要分布于北回归线以南的热带海岸和海洋中。散布于南海中的岛礁绝大部分是由珊瑚礁构成的，礁体厚达2000m以上，根据南沙群岛南永1井岩芯地层分析，珊瑚礁17.3m以下已发生成岩变化，形成礁灰岩；17.3m以上为松散未胶结或弱胶结的珊瑚礁碎屑堆积。珊瑚砂是发育于热带海洋环境中的一种特殊的岩土介质类型，主要由珊瑚碎屑和其它海洋生物碎屑组成，碳酸钙含量高。特殊的物质组成、结构和发育环境导致珊瑚砂具有独特的工程性质。珊瑚砂具有颗粒易破碎，压缩性较大，地基承载力较低等特性，需要妥善处理。

土壤（砂土）固化处理方法很多，固化途径包括机械方法、物理作用、土工织物、化学胶结等多种手段。但这些方法用于远离陆地的珊瑚砂处理时会遇到机械设备、原材料运输等困难，施工环境差以及可能破坏岛礁生态环境等问题。生物矿化作用是自然界广泛发生的一种作用，微生物矿物学最新进展表明，在一定的人为环境和营养条件下，岩土中一些无毒害的天然微生物新陈代谢作用能显著析出多种矿物结晶，从而使得松散砂土的固化成为可能。目前，对于普通砂（硅砂）的微生物处理已取得一定进展，但对于主要成分为碳酸钙的珊瑚砂（钙质砂）的微生物处理尚无人问津；珊瑚砂的处理，除需考虑珊瑚砂及所处环境的特殊性，优化生物细菌的培养和保藏，提高其在高盐量海水中的活性，确保微生物反应在海水中顺利进行。还需考虑远离陆地，原材料运输和施工困难等。

发明内容

为了解决现有技术在固化处理珊瑚砂存在的问题，本发明的目的在于提供利用微生物固化松散珊瑚砂的方法，使得远离陆地的珊瑚砂处理简单，固结好的砂柱强度高，工程性能好。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

利用微生物固化松散珊瑚砂的方法，包括以下步骤：

A.将巴斯德氏芽胞杆菌（Bacillus pasteurii）在氯化钠浓度为10～35g/L的培养基中驯化，至氯化钠浓度为35g/L条件下菌液活性>2mM·min^-1停止驯化，离心收集菌体，采用真空冷冻干燥法冷藏；

B.将步骤A保藏的菌体加入海水配制成菌液，并调节pH至7～8，得菌液；

C.将步骤B所得菌液与每升含1mol氯化钙和1mol尿素的溶液按体积比为1:2混合，得混合液，然后将混合液由上部注入珊瑚砂中，并控制流速为2～10mL/min，每天注入一次，连续3-6天。

优选的，所述步骤A是将巴斯德氏芽胞杆菌（Bacillus pasteurii）在氯化钠浓度为10g/L的培养基中驯化24小时，再依次在氯化钠浓度为20g/L、30g/L、35g/L的培养基中驯化至氯化钠浓度为35g/L时，菌液活性>2mM·min^-1停止驯化，离心收集菌体，采用真空冷冻干燥法冷藏。

更优选的，所述步骤A中，所述培养基还含有如下组分，酵母提取物20-25g/L、尿素20g/L、六水氯化镍23.8mg/L、四水氯化锰13.9mg/L，溶剂为水。

更优选的，所述步骤A中，所述离心是在温度为4℃、4000转/分条件下离心25分钟。

更优选的，所述步骤A中，所述驯化的温度为25±2℃。

优选的，所述步骤B中，将菌体加入海水配制成活性>1mM·min^-1的菌液。

优选的，所述步骤C中，所述混合液的注入量相当于珊瑚砂孔隙体积的1.5倍。

本发明中所述步骤C可以由如下步骤代替，将步骤B所得菌液由上部注入珊瑚砂中，2小时后通入浓度为0.1mol/L的CaCl₂固定溶液，再注入每升含1mol氯化钙和1mol尿素的溶液，整个过程控制流速为2～10mL/min，每天按上述步骤注入1次，连续3-6天。

优选的，所述步骤C中，先由上部向珊瑚砂通入相当于珊瑚砂孔隙体积0.5倍的活性>1mM·min^-1的菌液，2小时后通入相当于珊瑚砂孔隙体积0.5倍的浓度为0.1mol/L的CaCl₂固定溶液，最后通入相当于珊瑚砂孔隙体积1倍的每升含1mol氯化钙和1mol尿素的混合液，整个过程控制流速为2～10mL/min，每天按上述步骤注入1次，连续3-6天。

本发明的有益效果：本发明公开了利用微生物固化松散珊瑚砂的方法，通过不断提高培养基中氯化钠含量驯化巴斯德氏芽胞杆菌，提高其在高含盐量的海水中的繁殖能力和酶的活性；并将驯化培养好的菌液离心后取底部固态细菌采用真空冷冻干燥法保藏，其保藏后的菌种体积小，方便携带至远离陆地的珊瑚岛礁上，并且保藏后的菌体能够直接用海水稀释，氯化钙和尿素溶液亦可直接用海水配制，解决了岛礁淡水缺乏和原材料运输成本高的问题。采用真空冷冻干燥法保藏的菌粉可以现场配制菌液，可以有效避免其它杂质的影响和化学反应，确保主要反应为生物反应，胶结强度高；通过调节菌液PH为7～8，较好的解决了三者混合之后在砂体注入端产生大量沉淀造成的堵塞，提高了处理深度范围内的均匀性；微观结构显示利用本方法固化的珊瑚砂颗粒被大量微米级的碳酸钙包裹，颗粒与颗粒之间通过包裹的碳酸钙咬合；不同于微生物处理硅砂固化体的微观结构。本发明将菌液和氯化钙与尿素的混合液同时注入珊瑚砂粒中，与传统的先注入菌液，再注入氯化钙与尿素的混合液相比，简化了施工工序；另外，分别注入时，是先注入菌液，2小时后注入浓度为0.1M的CaCl₂固定溶液，确保细菌附着到珊瑚砂颗粒表面，最后通入氯化钙与尿素的混合液进行固化；同时注入与分别注入菌液和氯化钙与尿素的混合溶液效果相差不大。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图：

图1为固化前的珊瑚砂颗粒SEM扫描图片。

图2为微生物试验装置图。

图3为无侧限抗压强度试验应力-应变曲线。

图4为珊瑚砂柱破坏模式图。

图5为固化后的珊瑚砂柱SEM扫描图片（A为放大150倍的图片，可以观察到珊瑚砂颗粒被大量微米级的碳酸钙包裹；B为放大1500倍的图片，可以观察到颗粒与颗粒之间通过包裹的碳酸钙咬合）。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。

实施例1

细菌的驯化培养和保藏

配制培养基，培养基成分如表1所示，溶剂为水。

表1培养基成分

成分	酵母提取物	尿素	氯化钠	氯化镍（六水）	氯化锰（四水）
						含量	20g/L	20g/L	10/20/30/35g/L	23.8mg/L	13.9mg/L

将巴斯德氏芽胞杆菌（Bacillus pasteurii）接种至按表1配制的培养基（其中氯化钠含量10g/L）中，在25±2℃条件下培养24h；再接种至氯化钠为20g/L培养基中驯化24h，然后依次在氯化钠浓度为30g/L和35g/L的培养基中驯化24h，至菌液在氯化钠浓度为35g/L条件下活性>2mM·min^-1，即停止驯化培养；然后将菌液在4℃、转速为4000转/分条件下离心25分钟，取底部固态细菌采用真空冷冻干燥法保藏；使用前将保藏的细菌加入海水稀释至菌液活性为1.5mM·min^-1，调节pH=7～8，备用。

本实施例中，使用前将保藏的细菌用海水稀释至菌液活性大于1mM·min^-1均可。

实施例2

珊瑚砂的固化

珊瑚砂是发育于热带海洋环境中的一种特殊的岩土介质类型，主要由珊瑚碎屑和其它海洋生物碎屑组成，碳酸钙含量高，珊瑚砂SEM扫描照片如图1所示。

珊瑚砂的固化方法：将浓度为2mol/L的氯化钙溶液和2mol/L的尿素溶液等体积混合，然后将实施例1制得的菌液与含氯化钙与尿素的混合液按1：2的体积比混合，得混合液，再将混合液由上部向珊瑚砂中注入，注入量相当于珊瑚砂孔隙体积的1.5倍，由下部自然排出液体，并控制流出速度为2～10mL/min，每天注入1次，连续注入3-6天。由于考虑以后实际工程应用，采用从上部通入，下端排出方式进行（图2），一般情况下，注入后1-2天，由于珊瑚砂较为松散，自然流速快，若自然流出速度>10mL/min时，需要控制流速到2～10mL/min；3-4天时，随着珊瑚砂被固化，自然流速减慢，当自然流出速度介于2-10mL/min时，让其自然流出；5-6天，自然流出速度<2mL/min时，用蠕动泵从底部以2mL/min的速度吸出。注入过程中为了使细菌附着到珊瑚砂表面，还可以将流出的液体重复注入珊瑚砂中1～2次。

固化过程中也可以将菌液和氯化钙与尿素的混合液分别注入珊瑚砂粒中，具体为先通入相当于珊瑚砂孔隙体积0.5倍的菌液活性>1mM·min^-1的菌液，2h后通入相当于珊瑚砂孔隙体积0.5倍的浓度为0.1mol的CaCl₂固定溶液，最后通入相当于珊瑚砂孔隙体积1倍的每升含1mol氯化钙与1mol尿素的混合液，并控制流速为2～10mL/min。

实施例3

强度试验

对固化后的珊瑚砂柱进行无侧限抗压强度试验。试验前对砂柱进行表面磨平处理，并置于50℃烘箱48h烘干，然后进行试验。无侧限抗压强度试验所测得的应力应变曲线如图3所示，破坏模式如图4所示，试验结果如表2所示。由表2可知，固化后的珊瑚砂柱的无侧限抗压强度最高可达14MPa左右。

表2、珊瑚砂柱试样抗压强度

砂柱	直径/cm	高度/cm	抗压强度/MPa	破坏方式
					1	5.141	8.385	5.76	压裂破坏
2	5.145	7.763	6.68	压裂破坏
					3	5.115	8.505	7.70	压裂破坏
4	5.120	8.815	14.14	压裂破坏

SEM试验

对固化后的珊瑚砂柱样品进行SEM试验，其结果如图5所示。微观结构显示利用本方法固化的珊瑚砂颗粒被大量微米级的碳酸钙包裹，颗粒与颗粒之间通过包裹的碳酸钙咬合；不同于微生物处理硅砂固化体的微观结构。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (9)

1.利用微生物固化松散珊瑚砂的方法，其特征在于，包括以下步骤：

A.将巴斯德氏芽胞杆菌（Bacillus pasteurii）在氯化钠浓度为10～35g/L的培养基中驯化，至氯化钠浓度为35g/L条件下菌液活性>2mM·min^-1停止驯化，离心收集菌体，采用真空冷冻干燥法冷藏；

B.将步骤A保藏的菌体加入海水配制成菌液，并调节pH至7～8，得菌液；

C.将步骤B所得菌液与每升含1mol氯化钙和1mol尿素的溶液按体积比为1:2混合，得混合液，然后将混合液由上部注入珊瑚砂中，并控制流速为2～10mL/min，每天注入一次，连续3-6天。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤A是将巴斯德氏芽胞杆菌在氯化钠浓度为10g/L的培养基中驯化24小时，再依次在氯化钠浓度为20g/L、30g/L、35g/L的培养基中驯化至氯化钠浓度为35g/L时，菌液活性>2mM·min^-1停止驯化，离心收集菌体，然后采用真空冷冻干燥法冷藏。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述步骤A中，所述培养基还含有如下组分，酵母提取物20-25g/L、尿素20g/L、六水氯化镍23.8mg/L、四水氯化锰13.9mg/L，溶剂为水。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述步骤A中，所述离心是在温度为4℃、4000转/分条件下离心25分钟。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述步骤A中，所述驯化的温度为25±2℃。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤B中，将菌体加入海水配制成活性>1mM·min^-1的菌液。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤C中，所述混合液的注入量相当于珊瑚砂孔隙体积的1.5倍。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤C由如下步骤代替，将步骤B所得菌液由上部注入珊瑚砂中，2小时后通入浓度为0.1mol/L的CaCl₂固定溶液，再注入每升含1mol氯化钙和1mol尿素的溶液，整个过程控制流速为2～10mL/min，每天按上述步骤注入1次，连续3-6天。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述步骤C中，先由上部向珊瑚砂通入相当于珊瑚砂孔隙体积0.5倍的活性>1mM·min^-1的菌液，2小时后通入相当于珊瑚砂孔隙体积0.5倍的浓度为0.1mol/L的CaCl₂固定溶液，最后通入相当于珊瑚砂孔隙体积1倍的每升含1mol氯化钙和1mol尿素的混合液，整个过程控制流速为2～10mL/min，每天按上述步骤注入1次，连续3-6天。

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