CN110670575B - 一种微生物诱导碳酸钙与聚丙烯酰胺联合固沙方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微生物诱导碳酸钙与聚丙烯酰胺联合固沙方法，是在等浓度的尿素和醋酸钙组成的胶凝液中添加PAM，取等体积的巴氏芽孢杆菌悬液和胶凝液混合，然后喷洒到风积沙表面，PAM遇水后亲水基和疏水基自动展开成三维网状结构，亲水基通过水中氢离子作用，使PAM的三维网状体的水量增加，有利于碳酸钙的沉淀。同时PAM可有效增大沙颗粒的内聚力，从而使得沙颗粒聚集成团，胶凝液中的尿素先被细菌产生的脲酶水解为CO₃ ^2‑和NH₄ ⁺，水解的CO₃ ^2‑再与Ca²⁺结合生成碳酸钙，生成的碳酸钙再将沙颗粒胶结起来，使风积沙表面形成硬化层，从而增强固沙效果。该方法操作简单，可增大风积沙表面强度，提高风积沙的抗风蚀能力。

Description

一种微生物诱导碳酸钙与聚丙烯酰胺联合固沙方法

技术领域

本发明涉及微生物诱导碳酸钙与聚丙烯酰胺联合固沙方法，可用于防尘固沙，改善生态环境。

背景技术

生物成岩成矿作用是一种自然现象，它在地球形成的历史起了重要作用，这是近三十年地球化学的研究成果。重新认识生物成岩成矿的作用和地位，对岩土工程技术发展具有重要意义。其原理是通过微生物生长繁殖过程中产生脲酶，不断分解尿素，形成CO₃ ^2-，在菌体细胞膜界面处带负电荷的水溶液中，与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-)，随着CO₃ ^2-浓度进一步增大，吸引更多的Ca²⁺，直至晶体表面CaCO₃浓度增大到不断核化，最终沉积出CaCO₃颗粒。正是利用微生物诱导碳酸钙这一原理进行固化沙土。

单一微生物诱导碳酸钙固化沙土效率较低，且成本相对较高。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明目的是提供一种微生物诱导碳酸钙与聚丙烯酰胺联合固沙方法，采用高产脲酶微生物巴氏芽孢杆菌诱导碳酸钙沉淀胶结沙土，碳酸钙生成效率高；同时，在胶凝液中添加聚丙烯酰胺，增大沙颗粒之间的内聚力，使得沙颗粒聚集成团，从而更容易捕获碳酸钙晶体，增大碳酸钙沉淀产率，提高固化效果，比单一微生物固化效果更好；且PAM成本低，环境友好，便于该技术推广应用。

为解决上述问题，本发明的技术方案如下：

一种微生物诱导碳酸钙与聚丙烯酰胺联合固沙方法，包括以下步骤：

1)采用LB营养液配制巴氏芽孢杆菌悬液，测定菌液的OD₆₀₀值为1.283-1.517，冷藏备用；

所述的巴氏芽孢杆菌悬液在发明人之前的授权专利CN106085944B中有所公开，具体而言，是将巴氏芽孢杆菌接种于特定的培养液中获得，该特定培养液的的组成为：酪蛋白胨13-17g/L、豆粉蛋白胨4-6g/L、酵母浸膏4-6g/L、NaCl 5-6g/L、尿素18-22g/L、琼脂18-22g/L、余量为蒸馏水。

在上述授权专利中，尿素的功能是作为菌株酶化反应参与底物，与下述步骤中的尿素作用不同。

2)配制等摩尔浓度尿素和醋酸钙混合液，并添加PAM，获得胶凝液；

胶凝液中尿素浓度为0.5-1.0mol/L，醋酸钙浓度为0.5-1.0mol/L。

PAM浓度为0-0.8g/L(不取端点0)，较佳地，PAM添加量为0.6g/L。

3)将步骤1)的巴氏芽孢杆菌悬液与步骤2)的胶凝液等体积混合后，喷洒到风积沙表面，静置后沙表面形成硬壳层，可抵抗风的侵蚀。喷洒量为1.5-3.5L/m²。

本发明原理如下：为增强微生物固沙效果，降低固沙成本，采用高产脲酶微生物巴氏芽孢杆菌诱导碳酸钙沉淀胶结沙土与PAM联合固沙方法。胶凝液(包含尿素、醋酸钙和PAM)中的尿素先被微生物产生的脲酶水解为CO₃ ^2-和NH₄ ⁺，CO₃ ^2-再与醋酸钙的Ca²⁺结合生成碳酸钙，在风积沙表面形成硬化层；PAM是一种由γ射线高能辐射引发聚合而成的高分子聚合物，呈白色细沙粉末状，水溶性好，遇水后膨胀，亲水基和疏水基自动展开成三维网状结构，亲水基通过水中氢离子作用，使PAM的三维网状体的水量增加，有利于碳酸钙的沉淀，并且表现出极强的絮凝和粘结效果，可以通过有效地增大沙颗粒之间的内聚力，使沙颗粒聚集成团，来提高土壤抗风蚀能力。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)采用巴氏芽孢杆菌诱导碳酸钙沉淀固化风积沙，碳酸钙沉淀效率高，环境友好，且可在沙表面形成硬化层抵抗风的侵蚀。

(2)采用在胶凝液中添加PAM，经济成本低，通过增强沙颗粒的内聚力，从而沙颗粒与沙颗粒之间更容易捕获碳酸钙晶体，提高碳酸钙的沉积效率，增强固沙效果。比单一微生物固化效果好，且PAM成本低，环境友好，便于该技术推广应用。

(3)采用菌液和添加PAM的胶凝液混合喷洒方式进行固沙，固化后沙表面强度高，抵御风蚀能力强，且操作简便，有利于实际工程应用。

具体实施方式

以下将结合实施例，具体说明本发明的技术方案：

实施例1：

一种微生物诱导碳酸钙与PAM联合固沙方法，步骤如下：

1)采用LB营养液配制巴氏芽孢杆菌悬液，测定菌液的OD₆₀₀值为1.357，置于4℃条件下保存；

2)配制等摩尔浓度尿素和醋酸钙混合液，其中尿素浓度为0.75mol/L，醋酸钙浓度为0.75mol/L；添加PAM，其浓度为0.6g/L；

3)将步骤1)菌液与步骤2)的胶凝液等体积混合后，按3L/m²用量喷洒到风积沙表面；

4)室温静置5天，得到碳酸钙沉淀产率为72.2％。

实施例2：比较不同PAM浓度对碳酸钙沉淀产率的影响方案1-5通过控制不同PAM浓度研究其对碳酸钙沉淀产率的影响。

在步骤2)中PAM添加量分别为0、0.2g/L、0.4g/L、0.6g/L、0.8g/L，其余内容同实施例1，结果见表1：

表1

方案	方案1	方案2	方案3	方案4	方案5
						PAM浓度(g/L)	0	0.2	0.4	0.6	0.8
碳酸钙沉淀产率(％)	46.2％	53.5％	61.7％	72.2％	64.8％

表1的结果说明：添加PAM情况下，碳酸钙产率均比不添加PAM情况高，推测可能原因是PAM具有良好的絮凝性，可有效地增大沙颗粒之间的内聚力，从而使得沙颗粒与沙颗粒之间更容易捕获碳酸钙晶体，由此增大碳酸钙沉淀产率，在PAM浓度为0.6g/L时，碳酸钙沉淀产率最高，因此，将0.6g/L作为PAM最优添加量。

实施例3：比较不同胶凝液浓度对碳酸钙沉淀产率的影响

方案1，2，3比较不同胶凝液浓度对碳酸钙沉淀产率的影响。

在步骤2)中，胶凝液浓度分别为0.5mol/L、0.75mol/L、1mol/L(注尿素和醋酸钙均为等摩尔浓度)。

其余内容同实施例1，结果见表2，可见采用0.75mol/L胶凝液碳酸钙沉淀产率高于0.5mol/L和1mol/L情况，这是因为过高浓度的胶凝液会抑制脲酶的作用，导致其催化水解尿素的能力降低，碳酸钙产率减小，考虑到经济效益，胶凝液浓度宜采用0.75mol/L。

表2

方案	方案1	方案2	方案3
				胶凝液浓度(mol/L)	0.5	0.75	1
碳酸钙沉淀产率％	57.2％	72.2％	63.5％

实施例4：比较不同喷洒量对碳酸钙沉淀产率的影响

方案1-5比较不同喷洒量对碳酸钙沉淀产率的影响。

在步骤3)中，菌液和胶凝液混合液的喷洒量分别为1.5L/m²、2L/m²、2.5L/m²、3L/m²、3.5L/m²。

其余内容同实施例1，结果见表3，可见碳酸钙沉淀产率随喷洒量增大而增大，考虑到经济成本，喷洒量在2-3L/m²为宜。

表3

方案	方案1	方案2	方案3	方案4	方案5
						喷洒量(L/m<sup>2</sup>)	1.5	2	2.5	3	3.5
碳酸钙沉淀产率(％)	45.4％	57.1％	62.6％	72.2％	76.7％

实施例5：胶凝液中不同高分子聚合物对碳酸钙沉淀产率的影响PAM是一种由γ射线高能辐射引发聚合而成的高分子聚合物，呈白色细沙粉末状，水溶性好，遇水后膨胀，并表现出极强的絮凝和粘结效果，考察不同的具有遇水溶胀的高分子聚合物对碳酸钙沉淀产率的影响见表4所示，虽然，其他的高分子化合物也具有遇水溶胀的性质，但该性质并非本申请考核的唯一指标，在治沙的同时，不能对环境造成二次污染，因此结合碳酸钙沉淀产率和环保考虑，选择PAM。

表4

根据试验结果，选定PAM作为添加材料，提高固沙的效果。

Claims (1)

1.一种微生物诱导碳酸钙与聚丙烯酰胺联合固沙方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）配制巴氏芽孢杆菌悬液，冷藏备用，巴氏芽孢杆菌悬液600nm光度值OD₆₀₀为1.357；

巴氏芽孢杆菌悬液是将巴氏芽孢杆菌接种于培养液中获得，该培养液的组成为：酪蛋白胨 13-17g/L、豆粉蛋白胨4-6g/L、酵母浸膏4-6g/L、NaCl 5-6g/L 、尿素 18-22g/L 、琼脂 18-22g/L、余量为蒸馏水；

2）配制等摩尔浓度尿素和醋酸钙混合液，并添加PAM，获得胶凝液，胶凝液中尿素浓度为0.75mol/L，醋酸钙浓度为0.75mol/L，PAM浓度为0.6g/L；

3）步骤1）的巴氏芽孢杆菌悬液与步骤2）的胶凝液等体积混合后，喷洒到风积沙表面，喷洒量为3L/m²。