CN107445564B - 一种低碱胶凝封装型微生物自修复剂及其应用 - Google Patents

一种低碱胶凝封装型微生物自修复剂及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种低碱胶凝封装型微生物自修复剂及其应用，自修复剂由A组分和B组分构成，其中，A组分是将营养成份、低碱胶凝介质与水混合后搅拌，再与浓缩芽孢菌液混合均匀，放置硬化后，粉磨至颗粒得到，B组分为尿素和无水硝酸钙的混合物，将加入微生物自修复剂的水泥干混砂浆用于修补水泥破坏的裂缝的自修复，可有效保护菌体，提高产矿率，且与水泥基材相容性好，所产生的修复介质为天然碳酸钙，有良好的耐久性、体积稳定性以及环境友好性，其自修复特性可节约大量的维护资金，同时能显著提高负载量，并且与水泥基材料有很好的相容性，可在不对水泥基材料自身性能造成影响的同时，大幅度提高自修复效率。

Description

一种低碱胶凝封装型微生物自修复剂及其应用
技术领域
本发明属于生物技术领域，尤其是涉及一种低碱胶凝封装型微生物自修复剂及其应用。
背景技术
生物矿化是自然界中的一种常见现象，而微生物的矿化作用是其中的典型代表。在环境满足一定的物理化学条件下，微生物通过主动或被动的方式，将可溶性离子转化为固相矿物，可以有选择性地填塞或粘结具有渗透性的孔或裂隙，其在石油工程、地质工程和土木工程中的应用已引起人们的广泛关注。在已发现的30多种生物矿物中的近三分之二是钙矿，而其中以方解石最为重要。作为一种稳定的矿物，生物矿化所产生的方解石可用于水泥基材料等人工石材的自修复。由于其反应条件温和、环境友好，且具有可持续和可反复点修复的特点，具有其他自修复手段不可比拟的优势。
然而，由于水泥基材料的高碱度和有限的孔空间环境，对微生物的生长繁殖造成很大的影响，因而需要借助某些封装手段来对减轻微生物的生存压力。中国专利CN102584073 A公布了一种裂缝自修复水泥基材料添加剂及其使用方法和水泥基材料。该专利中采用Bacillus halodurans菌种，采用炉渣或陶粒作为载体进行保护。但一方面，炉渣或陶粒因强度低，其引入会对水泥基材料基体造成强度损失；另一方面，炉渣或陶粒的负载量有限，使得修复效率受限。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题而提供一种低碱胶凝封装型微生物自修复剂及其应用。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种低碱胶凝封装型微生物自修复剂，由A组分和B组分构成，其中，所述的A组分是将营养成份、低碱胶凝介质与水混合后搅拌，再与浓缩芽孢菌液混合均匀，放置硬化后，粉磨至颗粒得到，所述的B组分为尿素和无水硝酸钙的混合物。
所述的A组分和B组分的质量比为3～4﹕1。
所述的A组分具体制备方法为：将36～40重量份的营养成份与220～240重量份的低碱胶凝介质以及100重量份的水混合后搅拌3～5min，再与浓缩芽孢菌液以100～200﹕1的体积比混合均匀，在18～22℃、相对湿度为100％的环境下放置24～48h后硬化，粉磨颗粒，颗粒粒径达到10～20μm。
所述的B组分中尿素和无水硝酸钙的重量份比例为1﹕0.15～0.25。
所述的营养成份包括牛肉膏和蛋白胨，其重量份比例为1﹕1.5～2。
所述的低碱胶凝介质包括硫铝酸盐水泥和硅粉，其重量份比例为1﹕0.1～0.2。
所述的浓缩芽孢菌液的浓度为2×108～2×1010cell/ml。
所述的浓缩芽孢菌液具体制备方法为：将巴氏生孢八叠球菌接种于培养液中，每升培养液含有牛肉膏2～4g、蛋白胨4～6g及尿素15～20g，于20～37℃在水浴摇床上以100～150rpm的速度振荡培养，14～28天后将获取的培养菌液在离心机上以3000～4000rpm的速度离心10～20min后，去除上层清液并用去离子水收集芽孢菌液，浓缩芽孢菌液即得。
将加入微生物自修复剂的水泥干混砂浆用于水泥破坏裂缝的自修复，添加量占水泥干混砂浆和微生物自修复剂总质量的20％～30％，在温度为20～37℃、干湿循环或水饱和、供氧充分的环境下养护7～14天。
本发明的自修复原理为，包括硫铝酸盐水泥和硅粉的低碱胶凝介质共同为菌株的生长和繁殖提供了一个良好的微环境，菌株产生脲酶可将尿素分解为NH3以及CO2，NH3的水解造成溶液pH值迅速上升，促进二氧化碳的溶解以及碳酸氢根的水解反应，具体反应式如式(1)～(3)：
同时，菌体细胞膜界面处带负电荷的水可溶有机质，不断螯合环境中的Ca2+，诱导出局部的晶体阴离子CO3 2-，使其浓度进一步增大，从而吸引更多的Ca2+，直到晶体前驱物浓度增大到高于CaCO3溶度积，且菌体自身提供成核位点，使得能够不断缓慢矿化沉积出CaCO3颗粒，具体反应式如式(4)～(5)：
Cell+Ca2+→Cell-Ca2+ (4)
当硬化后的水泥基材料发生开裂等损伤时，将其置于温度为20～37℃、干湿循环或水饱和、供氧充分的环境下养护7～14天后，沉积将产生大量的CaCO3颗粒牢固固结于水泥裂缝内部，达到自修复损伤的目的。
本发明提供一种应用于水泥基材料的低碱胶凝封装型微生物自修复剂，与现有技术相比，本发明的有益效果为：该修复剂中的低碱胶凝介质能保护芽孢不受水泥基材料内部恶劣环境的影响，且有足够的负载量并能保证修复剂能均匀分布，可有效提高修复效率。同时，其粉剂的形态可对水泥基材料自身的强度影响降至最低，因而能够增强结构的耐久性并延长其服役寿命，该低碱胶凝封装型微生物自修复剂可节约大量维护资金，所产生的修复介质为天然碳酸钙，有良好的耐久性和体积稳定性，且与水泥石相容性好，环境友好性突出。
附图说明
图1为封装有微生物及营养介质的低碱胶凝材料粉磨颗粒的SEM图像；
图2为水泥石裂缝中沉积产物的XRD图谱。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
一种低碱胶凝封装型微生物自修复剂，通过以下方法制备得到，将巴氏生孢八叠球菌Sporosarcina pasteurii接种于基础培养基中，每升培养液含有牛肉膏3g、蛋白胨5g及尿素18g，于37℃在水浴摇床上以100rpm的速度振荡培养，21天后将获取的培养菌液在离心机上以4000rpm的速度离心10min后，去除上层清液并用去离子水收集芽孢菌液，浓缩芽孢菌液最终浓度控制在2×109cell/ml。配制牛肉膏与蛋白胨质量比例为1﹕1.6的营养成份，以及硫铝酸盐水泥与硅粉质量比例为1﹕0.2的低碱胶凝介质，随后将营养成份40g、低碱胶凝介质240g与100g水混合后搅拌5min，再与浓缩芽孢菌液以150﹕1的体积比混合均匀，在20℃、相对湿度100％的环境下放置48h后硬化，通过手工或球磨机粉磨至颗粒粒径达到15μm而成A组分，图1为颗粒的SEM图。另外配制尿素与无水硝酸钙质量比例为1﹕0.2的B组分。最后，将A组分与B组分混合，A与B双组分的质量比例为3﹕1。
实施例2
一种低碱胶凝封装型微生物自修复剂，通过以下方法制备得到，将巴氏生孢八叠球菌Sporosarcina pasteurii接种于基础培养基中，每升培养液含有牛肉膏2.4g、蛋白胨4g及尿素16g，于25℃在水浴摇床上以150rpm的速度振荡培养，14天后将获取的培养菌液在离心机上以3000rpm的速度离心20min后，去除上层清液并用去离子水收集芽孢菌液，浓缩芽孢菌液最终浓度控制在2×108cell/ml。配制牛肉膏与蛋白胨质量比例为1﹕2的营养成份，以及硫铝酸盐水泥与硅粉质量比例为1﹕0.1的低碱胶凝介质，随后将营养成份36g、低碱胶凝介质220g与100g水混合后搅拌3min，再与浓缩芽孢菌液以100﹕1的体积比混合均匀，在20℃、相对湿度100％的环境下放置24h后硬化，通过手工或球磨机粉磨至颗粒粒径达到20μm而成A组分。另外配制尿素与无水硝酸钙质量比例为1﹕0.16的B组分。最后，将A组分与B组分混合，A与B双组分的质量比例为3.5﹕1。
实施例3
一种低碱胶凝封装型微生物自修复剂，通过以下方法制备得到，将巴氏生孢八叠球菌Sporosarcina pasteurii接种于基础培养基中，每升培养液含有牛肉膏3.6g、蛋白胨6g及尿素20g，于30℃在水浴摇床上以120rpm的速度振荡培养，28天后将获取的培养菌液在离心机上以4000rpm的速度离心15min后，去除上层清液并用去离子水收集芽孢菌液，浓缩芽孢菌液最终浓度控制在2×1010cell/ml。配制牛肉膏与蛋白胨质量比例为1﹕1.8的营养成份，以及硫铝酸盐水泥与硅粉质量比例为1﹕0.15的低碱胶凝介质，随后将营养成份40g、低碱胶凝介质230g与100g水混合后搅拌5min，再与浓缩芽孢菌液以100﹕1的体积比混合均匀，在22℃、相对湿度100％的环境下放置48h后硬化，通过手工或球磨机粉磨至颗粒粒径达到10μm而成A组分。另外配制尿素与无水硝酸钙质量比例为1﹕0.18的B组分。最后，将A组分与B组分混合，A与B双组分的质量比例为3.2﹕1。
实施例4
按照占水泥干混砂浆和自修复剂总质量25％的比例将自修复剂加入水泥干混砂浆中搅拌均匀。已添加自修复剂的水泥砂浆硬化后，在SANS万能试验机上采用四点弯曲的方式对棱柱体试件进行加载，在峰值荷载过后试件中部产生裂缝，监测试件挠度并将最终裂缝宽度控制在0.1～0.5mm范围。破坏后的试件在温度为30℃的饱水环境下养护14天后，水泥基材料裂缝得以完全修复。水泥石裂缝中沉积物质的XRD图如图2所示，经分析标定为方解石。
实施例5
按照占水泥干混砂浆和自修复剂总质量30％的比例将自修复剂加入水泥干混砂浆中搅拌均匀。已添加自修复剂的水泥砂浆硬化后，在SANS万能试验机上采用四点弯曲的方式对棱柱体试件进行加载，在峰值荷载过后试件中部产生裂缝，监测试件挠度并将最终裂缝宽度控制在0.1～0.5mm范围。破坏后的试件在温度为25℃、每日2h干燥及22h饱水循环的环境下养护7天后，水泥基材料裂缝得以完全修复。
实施例6
一种低碱胶凝封装型微生物自修复剂，由A组分和B组分构成，其中，A组分是将营养成份、低碱胶凝介质与水混合后搅拌，再与浓缩芽孢菌液混合均匀，放置硬化后，粉磨至颗粒得到，B组分为尿素和无水硝酸钙的混合物，A组分和B组分的质量比为3﹕1。
具体的，B组分中尿素和无水硝酸钙的重量份比例为1﹕0.15。A组分制备方法为：将36重量份的营养成份与220重量份的低碱胶凝介质以及100重量份的水混合后搅拌3min，再与浓缩芽孢菌液以100﹕1的体积比混合均匀，在18℃、相对湿度为100％的环境下放置24h后硬化，粉磨颗粒，颗粒粒径达到10μm，其中，营养成份包括牛肉膏和蛋白胨，其重量份比例为1﹕1.5，低碱胶凝介质包括硫铝酸盐水泥和硅粉，其重量份比例为1﹕0.1，浓缩芽孢菌液的浓度为2×108cell/ml，浓缩芽孢菌液具体制备方法为：将巴氏生孢八叠球菌接种于培养液中，每升培养液含有牛肉膏2g、蛋白胨4g及尿素15g，于20℃在水浴摇床上以100rpm的速度振荡培养，14天后将获取的培养菌液在离心机上以3000rpm的速度离心10min后，去除上层清液并用去离子水收集芽孢菌液，浓缩芽孢菌液即得。将加入微生物自修复剂的水泥干混砂浆用于水泥破坏裂缝的自修复，添加量占水泥干混砂浆和微生物自修复剂总质量的20％，在温度为20℃、干湿循环或水饱和、供氧充分的环境下养护7天。
实施例7
一种低碱胶凝封装型微生物自修复剂，由A组分和B组分构成，其中，A组分是将营养成份、低碱胶凝介质与水混合后搅拌，再与浓缩芽孢菌液混合均匀，放置硬化后，粉磨至颗粒得到，B组分为尿素和无水硝酸钙的混合物，A组分和B组分的质量比为4﹕1。
具体的，B组分中尿素和无水硝酸钙的重量份比例为1﹕0.25。A组分具体制备方法为：将40重量份的营养成份与240重量份的低碱胶凝介质以及100重量份的水混合后搅拌5min，再与浓缩芽孢菌液以200﹕1的体积比混合均匀，在22℃、相对湿度为100％的环境下放置48h后硬化，粉磨颗粒，颗粒粒径达到20μm，其中，营养成份包括牛肉膏和蛋白胨，其重量份比例为1﹕2，低碱胶凝介质包括硫铝酸盐水泥和硅粉，其重量份比例为1﹕0.2，浓缩芽孢菌液的浓度为2×1010cell/ml，浓缩芽孢菌液具体制备方法为：将巴氏生孢八叠球菌接种于培养液中，每升培养液含有牛肉膏4g、蛋白胨6g及尿素20g，于37℃在水浴摇床上以150rpm的速度振荡培养，28天后将获取的培养菌液在离心机上以4000rpm的速度离心20min后，去除上层清液并用去离子水收集芽孢菌液，浓缩芽孢菌液即得。将加入微生物自修复剂的水泥干混砂浆用于水泥破坏裂缝的自修复，添加量占水泥干混砂浆和微生物自修复剂总质量的30％，在温度为37℃、干湿循环或水饱和、供氧充分的环境下养护14天。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种低碱胶凝封装型微生物自修复剂，其特征在于，由A组分和B组分构成，其中，所述的A组分是将营养成分、低碱胶凝介质与水混合后搅拌，再与浓缩芽孢菌液混合均匀，放置硬化后，粉磨至颗粒得到，所述的B组分为尿素和无水硝酸钙的混合物，所述的低碱胶凝介质包括硫铝酸盐水泥和硅粉，其重量份比例为1﹕0.1～0.2。
2.根据权利要求1所述的一种低碱胶凝封装型微生物自修复剂，其特征在于，所述的A组分和B组分的质量比为3～4﹕1。
3.根据权利要求1所述的一种低碱胶凝封装型微生物自修复剂，其特征在于，所述的A组分具体制备方法为：将36～40重量份的营养成分与220～240重量份的低碱胶凝介质以及100重量份的水混合后搅拌3～5min，再与浓缩芽孢菌液以100～200﹕1的体积比混合均匀，在18～22℃、相对湿度为100％的环境下放置24～48h后硬化，粉磨颗粒，颗粒粒径达到10～20μm。
4.根据权利要求1所述的一种低碱胶凝封装型微生物自修复剂，其特征在于，所述的B组分中尿素和无水硝酸钙的重量份比例为1﹕0.15～0.25。
5.根据权利要求1所述的一种低碱胶凝封装型微生物自修复剂，其特征在于，所述的营养成分包括牛肉膏和蛋白胨，其重量份比例为1﹕1.5～2。
6.根据权利要求1所述的一种低碱胶凝封装型微生物自修复剂，其特征在于，所述的浓缩芽孢菌液的浓度为2×108～2×1010cell/ml。
7.根据权利要求6所述的一种低碱胶凝封装型微生物自修复剂，其特征在于，所述的浓缩芽孢菌液具体制备方法为：将巴氏生孢八叠球菌接种于培养液中，每升培养液含有牛肉膏2～4g、蛋白胨4～6g及尿素15～20g，于20～37℃在水浴摇床上以100～150rpm的速度振荡培养，14～28天后将获取的培养菌液在离心机上以3000～4000rpm的速度离心10～20min后，去除上层清液并用去离子水收集芽孢菌液，浓缩芽孢菌液即得。
8.一种如权利要求1-7任一项所述的低碱胶凝封装型微生物自修复剂的应用，其特征在于，将微生物自修复剂加入水泥砂浆中对水泥砂浆中的破坏裂纹进行自修复，添加量占水泥干混砂浆和微生物自修复剂总质量的20％～30％。
9.根据权利要求8所述的低碱胶凝封装型微生物自修复剂的应用，其特征在于，在温度为20～37℃、干湿循环或水饱和、供氧充分的环境下养护7～14天。
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