CN103789242A

CN103789242A - 铁氧菌及利用其改良粉土液化特性的方法

Info

Publication number: CN103789242A
Application number: CN201410045790.5A
Authority: CN
Inventors: 许朝阳; 马耀仁; 梅丽娟; 周锋; 吕惠; 孟涛
Original assignee: Yangzhou University
Current assignee: Yangzhou University
Priority date: 2014-02-08
Filing date: 2014-02-08
Publication date: 2014-05-14
Anticipated expiration: 2034-02-08
Also published as: CN103789242B

Abstract

本发明公开了铁氧菌及利用其改良粉土液化特性的方法,铁氧菌株：Arthobacter niigatensis已于2013年11月29日保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，保藏编号为CGMCC No.8524。将上述菌株接种到培养液中，菌株通过代谢作用合成的酶可将溶态的二价铁离子氧化为三价铁离子，生成氢氧化铁沉淀，沉淀聚集于细菌周围，最终沉积形成具有很大反应活性和吸附性的生物黏泥，可胶结粉土颗粒，填充和封堵土粒间的缝隙，改善土体的渗透性，提高土体无侧限抗压强度和动强度，从而改良粉土的液化特性。

Description

铁氧菌及利用其改良粉土液化特性的方法

技术领域

本发明涉及岩土工程技术领域，具体是涉及生物方法改性粉土技术应用，主要利用铁氧菌改良粉土液化特性的方法，属于微生物改性土体技术领域。

背景技术

进入21世纪以来，随着微生物学与工程科学间的互相促进与结合，生物技术已逐步渗透到土木工程领域，利用微生物新陈代谢作用快速析出的矿物晶体，充填在矿物的晶格构造中，可改变土体微观结构从而改善土体的工程性质，微生物技术已在岩石和混凝土的裂缝补强和防渗处理、胶结松散砂颗、路面粉尘处理、堤防加固等方面得到了运用。目前，微生物改性土体技术在岩土工程中的潜在应用还包括：(1)提高地基的承载力；(2)提高边坡的稳定性；(3)改善土体的液化特性；(4)修复岩石裂缝；(5)控制堤岸等工程的渗流；(6)形成灌浆帷幕减少污染物在土壤中的扩散；(7)防风固沙等。

地基的液化是岩土工程中长期存在的一个问题，松散的粉土地基中的液化现象尤为突出，地基液化会造成建筑物浮起、倾斜、开裂等现象，通常液化地基的处理方法是振冲法、排渗法、化学注浆等，这些方法一般都需消耗较多的能源或产生一定的生态污染，微生物改性土体技术具有快捷、经济、生态等特点，将生物改性技术应用到液化粉土处理中具有重要意义。

发明内容

为了改良粉土的液化特性，本发明提供了一株可将溶态的二价铁离子氧化为三价铁离子的铁氧菌株。

本发明所说的铁氧菌，其代号为S1968(Arthobacter niigatensis)，保藏编号为CGMCC No.8524是从土壤中分离得到的可以产生大量红色黏泥的细菌（如图1）。

本发明进一步公开了铁氧菌S1968及利用其灌浆改良粉土液化特性的应用，以渗透系数、抗压强度、动强度作为主要指标来考察铁氧菌在改良粉土液化特性上的应用。

本发明采用如下的技术方案：利用铁氧菌改良粉土液化特性的方法，操作如下：

（1）制备标准培养液：每升培养液含有柠檬酸铁铵10g，含结晶水的硫酸镁0.5g，硫酸亚铁铵0.5g，磷酸氢二钾0.5g，氯化钙0.2g，硝酸钠0.5g，并控制pH值为6.8～7。

（2）制备菌液：将权利要求1所述的铁氧菌株S1968接种至标准培养液，于30℃下培养3～5天，得到菌液，菌株浓度可达2×10⁵～2×10⁷cell/mL。

（3）制备高浓度培养液：每升培养液含有柠檬酸铁铵20g，含结晶水的硫酸镁2g，硫酸亚铁铵2g，磷酸氢二钾2g，氯化钙0.5g，硝酸钠2.0g，并控制pH值为7.5～7.8。

（4）灌浆：

a.生物灌浆的步骤

第一步：进行一次灌浆，取2-3mL的菌液加入到一定量的新制标准培养液中充分摇匀混合，配制成S1968菌液，将S1968菌液灌入到放置重塑试样的模型容器内，S1968菌液与土样的体积比为3:1，静置培养7～10天后，待灌浆试样中产生生物黏泥，上部培养液变清，完成一次灌浆。生物黏泥主要由氢氧化铁组成，黏液中的氢氧化铁分子通过羟基和电离的阳离子作为桥连配体连接成的一种具有相当大的反应活性和吸附性的大分子络合物，具体过程如下：

第二步：进行二次灌浆，即灌入新制高浓度培养液，培养液与土样的体积比为0.25:1，静置培养7～10天后，待生物黏泥沉积，出现上清液，完成二次灌浆；

第三步：进行三次灌浆，即重复第二步，进行灌浆；

最后排放出灌浆后产生的上清液，完成灌浆。

b.重塑试样制备

为了验证本发明的效果，按照《土工试验规程》制取重塑试样若干分别灌浆，进行对照试验，试样的分组编号如下表1所示：

表1 试样制备

c.灌浆试样制备

A₁、B₁组试样不进行灌浆，为素土试样。

A₂、B₂组试样采用无菌标准培养液灌浆得到：即灌入无菌标准培养液，灌入浆液与土样的体积比为3:1，培养液自上往下渗入试样，静置培养7～10天后，放出灌浆液，完成灌浆。

B₃组试样采用一次生物灌浆后得到：即按生物灌浆步骤的第一步进行灌浆，将S1968菌液，灌入放置重塑试样的模型容器内，灌入浆液与土样的体积比为3:1，培养液自上往下渗入试样，静置培养7～10天后，排放出灌浆后产生的上清液，完成灌浆。

试样A₃、B₄采用生物三次灌浆得到：即按灌浆步骤的第一步至第三步进行灌浆，最后排放出灌浆后产生的上清液，完成灌浆。

经过S1968菌液生物灌浆的粉土试样与不灌浆的粉土试样和无菌培养液灌浆的粉土试样相比，渗透系数显著降低，无侧限抗压强度和动剪强度明显提高，粉土试样的抗液化能力提高。

附图说明

图1铁氧菌株产生红色黏泥的过程图。(a)培养3天后，(b)培养10天后，(c)过滤后浆液，(d)风干后粉末。

图2无侧限抗压强度图。

图3粉土动剪应力与振次关系曲线图。

图4素土和灌浆土的金相显微镜细观照片。(a)素土(100倍)，(b)灌浆土(100倍)。

图5素土和灌浆土的SEM扫描电镜图。(a)素土(×4000倍)，(b)灌浆土(×4000倍)。

具体实施方式

实施例1：S1968菌株的获得

采集土壤，用纯净水溶解，稀释涂布铁氧菌固体培养基上，置30℃培养箱中培养3～7d，根据菌落形态、颜色等挑取单菌落，纯化后保存。

采用平板培养法筛选目标铁菌株。首先将采集土壤的稀释液在10个固体培养基上培养涂布分离，待菌长满平板后用接种环在菌块边缘挑取不同形态、颜色的菌落，将得到的菌株逐一接种到500mL的液体铁细培养基中，放入30℃恒温摇床中震荡培养，7天后取出静置进行培养，每天观察，记录有产生红色黏泥铁氧化菌菌株，从土壤中共分离出80株细菌，采用液体培养法对这80株菌株进行筛选，共筛选出5株可以产生红色黏泥的细菌。其中命名代号为S1968的菌株，代谢旺盛，个体的形态和生理特性比较稳定，产生的红色黏泥最多。

实施例2：S1968菌株的鉴定、保藏

按生工SK1201提取菌株S1968的DNA进行16SrDNA序列扩增。扩增采用细菌通用引物7F（5′-CAGAGTTTGATCCTGGCTCAG-3′，SEQ ID NO.1）。扩增产物回收纯化后送上海生工生物工程有限公司测序，将测序结果与rep数据库中的已知序列进行比较，确定菌株的分类地位。菌株S1968的菌落呈红色，表面粗糙，边缘不整齐，为革兰氏阳性菌，菌株S1968于2013年11月29日保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，（北京市朝阳区北辰西路1号院3号，中国科学院微生物研究所），分别分类命名为Arthobacter niigatensis，保藏编号为CGMCC No.8524。

实施例3：制备试样的方法

试验粉土取自扬州沿江地区，其主要性质指标见下表2和表3。该粉土具有低塑性、高压缩性等特点。

表2 粉土的主要性能指标

表3 土的颗粒组成

按照《土工试验规程》制取击实次数和含水率相同直径为61.8mm，高40mm的重塑A组试样若干；再制取击实次数和含水率相同的39.1mm，高80mm的重塑B组试样若干。

实施例4：灌浆方法的筛选

首先进行液体培养试验：选取500ml锥形瓶3个，分别编号为Ia、Ib、Ic，其中Ia装入390ml的无菌标准培养液，静置7～10天后，发现试样Ia中无沉积物；Ib装入390ml的S1968菌液，静置7～10天后，发现培养液中沉积出生物黏泥，且沉积物已基本稳定；Ic装入290ml的S1968菌液，静置7～10天，待沉积物稳定后，加入新制高浓度培养液25ml，间隔7～10天，待沉积物稳定后，再次加入高浓度培养液25ml待沉积物沉积稳定。结果发现Ib和Ic中沉积得到的生物黏泥量基本相当，说明沉积出的生物黏泥量与菌液中化学药品量相关。

再进行土样灌浆试验：选取B组试样3个，分别编号为IIa、IIb、IIc。试样IIa采用一次生物灌浆，自上而下一次性灌入390mLS1968菌液（培养液与土样体积比接近4:1），静置培养7～10天；试样IIb进行了两次生物灌浆，第一步灌入290ml的S1968菌液（培养液与土样体积比接近3:1），静置培养7～10天，第二步灌入新制高浓度培养液50ml（培养液与土样体积比接近0.5:1），静置培养7～10天；试样IIc进行了三次生物灌浆，第一步灌入290ml的S1968菌液（培养液与土样体积比接近3:1），静置培养7～10天，第二步灌入新制高浓度培养液25ml（培养液与土样体积比接近0.25:1），静置培养7～10天；第三步再次灌入新制高浓度培养液25ml，静置培养7～10天。试验结果发现试样IIa沉积的红色黏泥不能全部沉积至试样内部，部分黏泥附着于试样表面，试样IIb和试样IIc沉积附着于试样表面的黏泥比试样IIa减少，说明沉积至试样内部的黏泥增多，且通过土样切面可以看出，试样IIc的黏泥沉积更加均匀。故分次灌浆的效果优于等量一次灌浆，本专利的灌浆选用分次灌浆。

实施例5：渗透系数值的测定

选取A₁、A₂、A₃三组试样各2个，分别采用TST-55型渗透仪进行变水头渗透特性试验，每组试验结果取平均值。渗透试验的汇总表结果如表3。由试验结果表3可以看出：A₁试样的渗透系数为2.84x10^-4cm/s，A₂试样的渗透系数为2.75x10^-4cm/s,二者渗透系数接近，A₃试样的渗透系数为5.9x10^-6cm/s，相比素土试样A₁降低约95%，表明经S1968菌液灌浆后，土粒的缝隙被生物黏泥填充和封堵，试样的渗透性有效降低，而无菌标准培养液灌浆的试样中无生物黏泥产生，故性能接近素土。

表3 渗透试验结果汇总表

实施例6：无侧限抗压强度值的测定

选取B₂、B₃、B₄组试样各2个，脱模并于常温下风干后，分别进行无侧限抗压强度试验，试验结果取同组2个试样的平均值，由结果（如图2）可以看出：无菌标准培养液灌浆试样的无侧限抗压强度均值为16.01kpa，而经过S1968菌液一次、三次灌浆后的试样抗压强度分别提高到了19.26kPa、22.88kPa，这表明经S1968菌株培养液的灌浆可以提高粉土的无侧限抗压强度，且灌浆次数越多，抗压强度提高越多。

实施例7：动剪强度值的测定

动强度对粉土液化性能的影响很大，动强度越高，抗液化能力越大，选取B₂、B₃、B₄组试样若干，抽气饱和后，分别进行动三轴试验，得出土样的剪应力与破坏周数的关系曲线（如图3），由图可见经过S1968菌液一次灌浆的试样在不同围压，循环周数相同时动剪强度较无菌标准培养液灌浆的试样有增大趋势，经过S1968菌液三次灌浆的试样在100kPa围压下土样的动剪切强度提高约16%，这表明通过铁基灌浆可以提高粉土的动强度，且灌浆次数越多，动强度值提高越多。

实施例8：颗粒细观结构观测

取B₁和B₄组试样各1个，分别做成等厚度的土样切片，利用OLYMPUS-BX51M金相显微镜将试样放大100倍进行观测（如图4），通过两张图片的对比可以看出：素土土样颗粒比较松散，存在较大的孔隙，而经过灌浆处理后土颗粒孔隙间充满了胶状物和细粒物，土颗粒被粘结在一起，土体密实度增加。

实施例9：颗粒微观结构观测

取B₁和B₄组试样各1个，经过处理制成样品后，利用环境扫描电子显微镜将试样放大4000倍进行拍摄，可以观察到二个试样的结构形貌（如图5），通过两张图片的对比可以看出：素土土样颗粒分布松散，架空孔隙明显，颗粒间无明显连接，灌浆土样的骨架颗粒周围附着细小胶状颗粒，颗粒间孔隙减小，粒间的连接增加，故灌浆后土体的工程特性发生变化。

Claims

1.铁氧菌(Arthobacter niigatensis)S1968，其保藏编号为CGMCC No.8524。

2.权利要求1所述铁氧菌S1968在改良粉土液化特性中的应用。

3.一种利用铁氧菌改良粉土液化特性的方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）制备标准培养液：每升培养液含有柠檬酸铁铵10g，含结晶水的硫酸镁0.5g，硫酸亚铁铵0.5g，磷酸氢二钾0.5g，氯化钙0.2g，硝酸钠0.5g，并控制pH值为6.8～7;

（2）制备菌液：将权利要求1所述的铁氧菌株S1968接种至300mL新制标准培养液，于30℃下培养3～5天后，菌株浓度可达2×10⁵～2×10⁷cell/mL；

（3）制备高浓度培养液：每升培养液含有柠檬酸铁铵20g，含结晶水的硫酸镁2.5g，硫酸亚铁铵2.5g，磷酸氢二钾2.5g，氯化钙1g，硝酸钠2.5g，并控制pH值为7.5～7.8；

（4）灌浆：

第一步：进行一次灌浆，取2-3mL的菌液加入到一定量的新制标准培养液中充分摇匀混合，配制成S1968培养液，将S1968培养液灌入到放置重塑试样的模型容器内，浆液和土样体积比为3:1，静置培养7～10天后，待灌浆试样中产生生物黏泥，上部培养液变清，完成一次灌浆；

第二步：进行二次灌浆，即灌入新制高浓度培养液，浆液和土样体积比为0.5:1，静置培养7～10天后，待生物黏泥沉积，出现上清液，完成二次灌浆；

第三步：进行三次灌浆，即重复第二步，进行灌浆；

最后排放出灌浆后产生的上清液，完成灌浆。