CN114164202A - 一种微生物活性多功能载体及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于微生物混凝土技术领域，涉及一种微生物活性多功能载体及其制备方法，以多孔陶粒作为细菌载体，保护细菌在纤维混凝土基体中免受破坏，中心层采用酵母浸膏直接包裹载体的方式，保证了细菌在激活后及时的营养供给，提高了细菌的活性和矿化作用效率，多功能组分层中的底物是微生物矿化必需的，活性多功能组分能够在提高微生物诱导碳酸钙沉淀愈合裂缝的同时，激发纤维混凝土本身对裂缝的自愈合能力；其通过矿化底物的加入，为细菌发生矿化反应提供了有利条件，添加可与纤维混凝土发生反应的活性物质的，同时促进纤维混凝土的化学和生物修复进程，大大提高纤维混凝土的裂缝愈合能力，使载体得到了充分的利用。

Description

一种微生物活性多功能载体及其制备方法

技术领域：

本发明属于微生物混凝土技术领域，涉及一种微生物活性多功能载体及其制备方法，具体为一种用于修复纤维混凝土裂缝的微生物活性多功能载体及其制备方法。

背景技术：

混凝土因其具有较高的抗压强度，良好的耐久性以及低廉的价格等优势，已经成为目前使用最广泛的建筑材料。混凝土在服役过程中由于荷载、温度、收缩等原因造成的裂缝是不可避免的，裂缝的出现为氯离子等有害离子的侵入提供了通道，使得钢筋锈蚀，混凝土耐久性降低，影响了结构的安全性和适用性。纤维混凝土具有良好裂缝控制能力，且裂缝在一定条件下具备自愈合的能力，然而，其愈合过程极为缓慢，同时由于缺少水分供给，未水化颗粒短缺等问题会造成自愈合过程发展不完善。利用纤维提供的成核位点，微生物矿化作用形成的碳酸钙沉淀堆积在纤维上以及裂缝附近，加速了纤维混凝土裂缝的愈合过程，且具有反应过程绿色环保，产物与基体相容性好等优势，因而具有巨大的研究和应用价值。

微生物矿化作用修复混凝土的技术路线是在混凝土拌和过程中加入经处理的具有矿化能力的微生物，使其成为混凝土基体的一部分，裂缝出现后，由于水分和氧气的进入，激活了休眠的微生物，经过一系列生物化学反应将混凝土中预埋的底物代谢形成碳酸钙沉淀，堆积在裂缝中，从而实现裂缝的愈合。由于混凝土基体中恶劣的生存环境，直接加入细菌，会造成细菌的大量死亡，影响愈合效果。现有的微生物修复技术常利用包括陶粒、沸石、膨胀珍珠岩、纳米石墨片等的多孔物质对微生物进行固载后，再掺入混凝土基体中。例如：中国专利200910157604.6公开的一种微生物混凝土砖，由按照如下重量份配比的成分组成：水泥10～50、碎石子10～150、饵料0.1～10、混合微生物1～10、水1～10；所述饵料是木屑、秸秆屑、纸屑或者它们之中任意两种或三种的混合物；所述混合微生物由按照如下重量份配比的成分组成：芽孢杆菌1～50、硝化细菌1～50、光合细菌1～30、放线菌1～50、酵母菌1～50、乳酸菌1～50，所述混合微生物由按照如下重量份配比的成分组成：芽孢杆菌20～40、硝化细菌20～30、光合细菌15～20、放线菌10～15、酵母菌5～10、乳酸菌5～10，所述碎石子的粒径为0.2～10mm；所述微生物混凝土砖的制备方法，包括如下步骤：(1)混合菌的制备：①菌种采集：以盐碱地、沿海滩涂自然环境下的土壤、水、淤泥以及污水处理厂的活性污泥作为采集菌种的样本；②分离筛选：采用涂布法或混菌法，经过平板接种、划线分离、纯化三个步骤从采集到的样本中分别定向分离出含有芽孢杆菌、硝化细菌、光合细菌、放线菌、酵母菌、乳酸菌的菌群；然后将上述六个菌群分别接种到装有人工模拟污水的三角瓶中，分别用恒温摇床培养各菌群中的好氧菌、用恒温培养箱静置密闭培养各菌群中的厌氧菌；3天后对人工模拟污水进行水质评估，对于COD(化学需氧量)和氨氮的去除率均达到30％以上的，认为是经过具有良好净水能力的优势菌群的处理，从而筛选出优势菌群；③提纯复壮：对筛选出的每个优势菌群分别进行提纯，并分别对其进行逐级碱性驯化使其对强碱性环境的耐受能力明显增强，从而得到适合本发明使用的芽孢杆菌、硝化细菌、光合细菌、放线菌、酵母菌、乳酸菌六类微生物；具体的驯化方法是以每0.5pH为一个梯度，在pH8～12的范围内配制不同碱度的培养液，将菌群由低碱度到高碱度逐级培养，每级培养5d后转接入下一级培养液，共经过4～8次驯化；④混合发酵：对步骤③得到的六类微生物分别进行一级种子培养和二级增殖培养后，按照芽孢杆菌1～50、硝化细菌1～50、光合细菌1～30、放线菌1～50、酵母菌1～50、乳酸菌1～50的重量份配比将它们加入到混合发酵罐中，发酵制得混合微生物菌剂，再通过冷冻干燥制成混合微生物菌粉；(2)微生物混凝土砖的制备：①取上述混合微生物菌粉1～10重量份与水1～15重量份预混0.5分钟～24小时，配置成混合微生物菌液；②将上述混合微生物菌液与水泥1～50重量份、碎石子10～120重量份、饵料0.1～10重量份共同组成的基料通过提升漏斗倒入基料搅拌机中，搅拌1～10分钟；③通过皮带机将基料输送至成型机的基料漏斗中，开启成型机，将基料加入到模具中，下压模具上压头1～10秒钟，即制得砖头半成品；④将砖头半成品转入养护房内用常规方法养护1～3天，或者使砖头半成品在自然状态下硬化3～28天，即得微生物混凝土砖成品。但是，载体的加入仅起到了保护微生物的作用，无法提高矿化作用效率，激发混凝土基体本身的裂缝愈合潜力，且载体自身没有得到充分利用。因此，需要研发设计一种微生物载体，在保护细菌的同时自身能够得到充分利用，提高矿化效率，激发纤维混凝土本身的裂缝愈合能力，使混凝土裂缝得到最大程度的修复。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计一种微生物活性多功能载体及其制备方法，促进纤维混凝土化学和生物修复进程，提高纤维混凝土的裂缝愈合能力。

本发明涉及的一种微生物活性多功能载体由内而外依次为由酵母浸膏及其内包覆的固载有脲酶细菌的多孔陶粒组成的中心层、添加活性物质的多功能组分层和由偏高岭土、硅酸钠与水混合形成的浆体状外部保护层。

本发明涉及的中心层中的酵母浸膏的浓度为1～2g/L，厚度为100～150μm；脲酶细菌具有产脲酶功能，能够将尿素分解为CO₃ ^2-，脲酶细菌自身提供成核位点，吸引环境中游离的Ca²⁺，形成碳酸钙沉淀，脲酶细菌为好氧嗜碱型巴氏芽孢杆菌，菌种编号为ATCC11859；多孔陶粒的粒径为1～3mm。

本发明涉及的多功能组分层的厚度为150～300μm，由矿化底物、氢氧化钙和过氧化物按照3：1：1的质量比混合组成；其中，矿化底物是脲酶细菌发生矿化反应必需的物质，包含尿素以及钙的化合物，具体为尿素、乙酸钙和碳酸钠按照2：2：1的质量比混合形成的混合物，脲酶细菌产生的脲酶分解尿素产生碳酸根离子，尿素起到间接提供矿化反应底物的作用，乙酸钙提供游离的钙离子，碳酸钠起到碳酸根缓释的作用，为脲酶细菌矿化反应提供额外的碳酸根离子，防止脲酶细菌分解尿素产生尿素不足的情况，补充裂缝内部碳酸根离子；氢氧化钙能够与纤维混凝土中添加的粉煤灰发生火山灰反应，生成的产物堆积在裂缝处，有助于裂缝的修复，促进裂缝愈合，还能为矿化反应提供钙离子，保证充足的钙离子供应；过氧化物为过氧化钙、过氧化镁、过氧化硫酸钠、过氧化碳酸钠中的一种或几种，其与水反应生成氧气和水化产物，氧气为脲酶细菌提供适宜的生长环境，促进矿化反应的进行，水化产物能够促进裂缝的愈合，过氧化物优选过氧化镁，过氧化镁作为释氧剂，能够补充裂缝水环境中的含氧量，促进微生物的呼吸作用，加快生命活动进程，进而加速碳酸钙的合成，同时，其水化产物氢氧化镁的体积膨胀后，有助于裂缝的愈合，且能与进入裂缝中的水分和二氧化碳发生反应，生成稳定的复合产物，填充在裂缝中起到自修复的目的。

本发明涉及的外部保护层的厚度为50～100μm，由偏高岭土、硅酸钠与水按照1：1：2的质量比混合。

本发明涉及的一种微生物活性多功能载体制备方法的工艺过程包括以下步骤：

(1)对脲酶细菌进行培养，得到细菌悬浊液，对细菌悬浊液进行高速离心，得到高浓度的菌泥，将菌泥重悬于蒸馏水中，并重复数次，得到高浓度的细菌悬浮液，将多孔陶粒置于细菌悬浮液中，在负压条件下，通过真空浸渍法将脲酶细菌固载到多孔陶粒的表面及内部，在固载有脲酶细菌的多孔陶粒的表面喷涂酵母浸膏，为脲酶细菌生长发育提供营养物质，得到中心层；

(2)将活性物质固载到酵母浸膏的表面，烘干，得到多功能组分层；

(3)在多功能组分层的表面覆盖外部保护层，以防止中心层在水泥基材料拌和时流失，同时起到保护脲酶细菌的作用。

本发明涉及的中心层的制备方法包括以下步骤：

(1)将脲酶细菌原种以液体培养的方式接种到pH值为9～10的培养基中振荡培养18～24小时，得到活化后的细菌培养液；

(2)将活化后的细菌培养液以5％的接种量接种的新的培养基中，在37℃和120rpm的条件下振荡培养18～24小时，得到高脲酶活性的细菌培养液；

(3)采用离心法对细菌培养液进行离心并收集菌泥，将菌泥用灭菌的蒸馏水重悬制得浓度为2.0～8.0×10⁷cells/mL的菌体悬浮液；离心机的转速为3000r/min，离心时间为20min；

(4)采用真空浸渍法在负压条件下将菌体悬浮液中的细菌吸附在多孔陶粒1.2的表面及内部，在温度为30～45℃的条件下烘干24小时；真空浸渍法的浸渍压力为-0.05～-0.1MPa，浸渍时间为15～20min；菌体悬浮液与多孔陶粒1.2的重量比为1:10～15；

(5)在多孔陶粒1.2的表面喷涂酵母浸膏1.1，在温度为30～45℃的条件下烘干24小时，得到中心层。

本发明涉及的多功能组分层的制备方法包括以下步骤：

(1)将尿素、乙酸钙、碳酸钠、氢氧化钙和过氧化镁按照设定的质量比混合置于研磨器中，研磨至均匀的粉末；

(2)开启水雾加湿器，将流量设定为10～15ml/min，对中心层进行时长为10min的加湿后，将中心层置于研磨好的粉末中，翻动中心层，使粉末均匀包裹在其表面上，直至粉末达到设定厚度，取出中心层，将水雾加湿器的流量设定为20～30ml/min，对中心层进行时长为10s的加湿，确保粉末紧密包裹在中心层的表面，形成多功能组分层；

(3)将外侧固载有多功能组分层的中心层置于35～45℃的烘箱中烘干至恒重。

本发明涉及的外部保护层的制备方法包括以下步骤：

(1)将偏高岭土和水混合，添加到喷枪的料筒中，用玻璃棒搅匀，振荡数次；

(2)将硅酸钠添加到喷枪的料筒中，搅拌、振荡均匀，形成混合液；

(3)调节喷枪的压力，保证每次喷涂时的初始压力一致，将混合液喷涂到多功能组分层的表面：将若干个外侧固载有多功能组分层的中心层平铺于托盘中，按照从上到下，从左到右的喷涂顺序重复喷涂3～5次，翻转，利用同样的方式进行喷涂，得到外部保护层；

(4)将喷涂完外部保护层的中心层置于湿度为90±5％的环境中养护24小时后，置于温度为35～45℃的烘箱中烘干至恒重，得到微生物活性多功能载体。

本发明与现有技术相比，以具有孔隙率高、易于细菌附着的多孔陶粒作为细菌载体，保护细菌在纤维混凝土基体中免受破坏，中心层采用酵母浸膏直接包裹载体的方式，保证了细菌在激活后及时的营养供给，提高了细菌的活性和矿化作用效率，多功能组分层中的底物是微生物矿化必需的，活性多功能组分能够在提高微生物诱导碳酸钙沉淀愈合裂缝的同时，激发纤维混凝土本身对裂缝的自愈合能力；其在保护微生物的同时，利用微生物的矿化作用愈合裂缝的基础上，通过矿化底物的加入，为细菌发生矿化反应提供了有利条件，添加可与纤维混凝土发生反应的活性物质的，同时促进纤维混凝土的化学和生物修复进程，大大提高纤维混凝土的裂缝愈合能力，使载体得到了充分的利用。

附图说明：

图1为本发明涉及的微生物活性多功能载体的主体结构示意图。

图2为本发明涉及的微生物活性多功能载体制备方法的工艺流程示意图。

图3为本发明涉及的负载细菌的多孔陶粒的结构示意图。

具体实施方式：

下面通过实施例并结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1：

本实施例涉及的微生物活性多功能载体的主体结构包括中心层、多功能组分层2和外部保护层3，中心层、多功能组分层2和外部保护层3由内而外依次排布，其中，中心层由酵母浸膏1.1及其内包覆的固载有脲酶细菌的多孔陶粒1.2组成，多功能组分层2为多种活性物质的混合物，外部保护层3为由偏高岭土、硅酸钠与水混合形成的浆体。

实施例2：

本实施例涉及的微生物活性多功能载体制备方法的工艺过程包括以下步骤：

(一)中心层的制备：

(1)液体培养基选择ATCC推荐的#1376NH4-YE培养液，成分为：20g/L的酵母提取物，10g/L的(NH₄)₂SO₄，0.13M的Tris缓冲液，用1M的NaOH溶液将液体培养基的pH值调节至9(巴氏芽孢杆菌生长的最适pH值)，将液体培养基置于121℃的高温高压灭菌锅中灭菌30min后，立即将盛有液体培养基的锥形瓶置于超净工作台上冷却至室温；

(2)脲酶细菌选择菌种编号为ATCC11859的以冻干粉的形式储存的巴氏芽孢杆菌菌株，其特征是革兰氏阳性，具有高脲酶活性，细胞呈杆状，长度为2～3μm，逆境可产芽孢，孢子呈圆形，直径为0.5～1μm；

(3)将冻干粉甩至冻干管的底部圆球位置，用浓度为70％的酒精脱脂棉擦净冻干管，将冻干管的尖端放在火焰上稍微加热灭菌，用镊子敲打尖端，敲开后，将破口处置于火焰上加热灭菌，在火焰旁，逐步敲开冻干管，向开裂的冻干管中滴加0.2～0.3ml的溶解液(脑心浸出液SHBCC-T1224)，轻弹，使冻干粉与溶解液混合均匀，形成菌液，用无菌吸头吸出菌液，将菌液以5％的接种量接种于液体培养基中后，用透气的塑料封口膜封住瓶口，在37℃和120rpm的条件下，摇床振荡培养24h，液体培养基明显浑浊后，得到细菌悬浊液；

(4)将细菌悬浊液置于离心机中以3000r/min的速度离心20min，收集菌泥，将菌泥重悬于蒸馏水中，重复重悬操作数次，得到浓度为2.0～8.0×10⁷cells/mL的细菌悬浮液；

(5)选择粒径为1～3mm的多孔陶粒1.2，采用真空浸渍法将细菌悬浮液中的细菌固载到多孔陶粒1.2上，细菌悬浮液与多孔陶粒1.2的重量比为1:10～15，浸渍压力为-0.05～-0.1MPa，浸渍时间为15～20min；

(6)将细菌固载有细菌的多孔陶粒1.2置于烘箱中，以35～45℃的温度烘干24h，取出，通过喷壶向多孔陶粒1.2的表面喷洒150g/L浓度为1～2g/L的酵母浸膏1.1后，置于烘箱中，以35～45℃的温度再次烘干24h，得到中心层；

(二)多功能组分层的制备：

(1)将尿素、乙酸钙、碳酸钠、氢氧化钙和过氧化镁按照6:6:3:5:5的质量比混合置于研磨器中，研磨至均匀的粉末；

(2)开启水雾加湿器，将流量设定为10～15ml/min，对中心层进行10min的加湿后，将中心层置于研磨好的粉末中，翻动中心层，使粉末均匀包裹在其表面上，直至粉末达到150～300μm，取出中心层，将水雾加湿器的流量设定为20～30ml/min，对中心层进行10s的加湿，确保粉末紧密包裹在中心层的表面，形成多功能组分层2；

(3)将外侧固载有多功能组分层2的中心层置于35～45℃的烘箱中烘干至恒重；

(三)外部保护层的制备：

外部保护层采用比例的浆体对微生物颗粒进行包裹，主要包括以下步骤：

(1)将偏高岭土与水混合搅拌均匀后，置于喷枪内；

(2)将硅酸钠加入喷枪内，搅拌均匀，形成混合液；

(3)将外侧固载有多功能组分层2的中心层平铺于喷涂箱中，将喷枪的压力调节为1MPa，将混合液喷涂到多功能组分层2的表面，喷涂30s后，翻转，对多功能组分层2的另一面进行喷涂，重复喷涂，得到厚度为50～100μm的外部保护层3；

(4)将喷涂完外部保护层3的中心层置于温度为20±5℃，湿度为90±5％的环境中养护24小时后，置于温度为35～45℃的烘箱中烘干至恒重，得到微生物活性多功能载体。

Claims (9)

1.一种微生物活性多功能载体，其特征在于,由内而外依次为由酵母浸膏及其内包覆的固载有脲酶细菌的多孔陶粒组成的中心层、添加活性物质的多功能组分层和由偏高岭土、硅酸钠与水混合形成的浆体状外部保护层。

2.根据权利要求1所述的微生物活性多功能载体，其特征在于,中心层中的酵母浸膏的浓度为1～2g/L，厚度为100～150m；脲酶细菌为好氧嗜碱型巴氏芽孢杆菌，菌种编号为ATCC11859；多孔陶粒的粒径为1～3mm。

3.根据权利要求1所述的微生物活性多功能载体，其特征在于,多功能组分层的厚度为150～300m，由矿化底物、氢氧化钙和过氧化物按照3：1：1的质量比混合组成；其中，矿化底物包含尿素以及钙的化合物，具体为尿素、乙酸钙和碳酸钠按照2：2：1的质量比混合形成的混合物，脲酶细菌产生的脲酶分解尿素产生碳酸根离子，尿素起到间接提供矿化反应底物的作用，乙酸钙提供游离的钙离子，碳酸钠起到碳酸根缓释的作用，为脲酶细菌矿化反应提供额外的碳酸根离子；氢氧化钙与纤维混凝土中添加的粉煤灰发生火山灰反应，生成的产物堆积在裂缝处修复裂缝，使裂缝愈合，为矿化反应提供钙离子；过氧化物为过氧化钙、过氧化镁、过氧化硫酸钠、过氧化碳酸钠中的一种或几种，其与水反应生成氧气和水化产物，氧气为脲酶细菌提供生长环境，促进矿化反应的进行，水化产物促进裂缝的愈合。

4.根据权利要求1所述的微生物活性多功能载体，其特征在于,外部保护层的厚度为50～100m，由偏高岭土、硅酸钠与水按照1：1：2的质量比混合。

5.根据权利要求3所述的微生物活性多功能载体，其特征在于,过氧化物为过氧化镁，过氧化镁作为释氧剂，能够补充裂缝水环境中的含氧量，其水化产物氢氧化镁的体积膨胀后，有助于裂缝的愈合，且能与进入裂缝中的水分和二氧化碳发生反应，生成稳定的复合产物，填充在裂缝中起到自修复的目的。

6.一种微生物活性多功能载体制备方法，其特征在于,工艺过程包括以下步骤：

(1)对脲酶细菌进行培养，得到细菌悬浊液，对细菌悬浊液进行高速离心，得到高浓度的菌泥，将菌泥重悬于蒸馏水中，并重复数次，得到高浓度的细菌悬浮液，将多孔陶粒置于细菌悬浮液中，在负压条件下，通过真空浸渍法将脲酶细菌固载到多孔陶粒的表面及内部，在固载有脲酶细菌的多孔陶粒的表面喷涂酵母浸膏，为脲酶细菌生长发育提供营养物质，得到中心层；

(2)将活性物质固载到酵母浸膏的表面，烘干，得到多功能组分层；

(3)在多功能组分层的表面覆盖外部保护层，防止中心层在水泥基材料拌和时流失，同时起到保护脲酶细菌的作用。

7.根据权利要求6所述的微生物活性多功能载体制备方法，其特征在于,中心层的制备方法包括以下步骤：

(1)将脲酶细菌原种以液体培养的方式接种到pH值为9～10的培养基中振荡培养18～24小时，得到活化后的细菌培养液；

(2)将活化后的细菌培养液以5％的接种量接种的新的培养基中，在37℃和120rpm的条件下振荡培养18～24小时，得到高脲酶活性的细菌培养液；

(3)采用离心法对细菌培养液进行离心并收集菌泥，将菌泥用灭菌的蒸馏水重悬制得浓度为2.0～8.0×10⁷cells/mL的菌体悬浮液；

离心机的转速为3000r/min，离心时间为20min；

(4)采用真空浸渍法在负压条件下将菌体悬浮液中的细菌吸附在多孔陶粒1.2的表面及内部，在温度为30～45℃的条件下烘干24小时；

真空浸渍法的浸渍压力为-0.05～-0.1MPa，浸渍时间为15～20min；

菌体悬浮液与多孔陶粒的重量比为1:10～15；

(5)在多孔陶粒的表面喷涂酵母浸膏，在温度为30～45℃的条件下烘干24小时，得到中心层。

8.根据权利要求6所述的微生物活性多功能载体制备方法，其特征在于,多功能组分层的制备方法包括以下步骤：

(1)将尿素、乙酸钙、碳酸钠、氢氧化钙和过氧化镁按照设定的质量比混合置于研磨器中，研磨至均匀的粉末；

(2)开启水雾加湿器，将流量设定为10～15ml/min，对中心层进行时长为10min的加湿后，将中心层置于研磨好的粉末中，翻动中心层，使粉末均匀包裹在其表面上，直至粉末达到设定厚度，取出中心层，将水雾加湿器的流量设定为20～30ml/min，对中心层进行时长为10s的加湿，确保粉末紧密包裹在中心层的表面，形成多功能组分层；

(3)将外侧固载有多功能组分层的中心层置于35～45℃的烘箱中烘干至恒重。

9.根据权利要求6所述的微生物活性多功能载体制备方法，其特征在于,外部保护层的制备方法包括以下步骤：

(1)将偏高岭土和水混合，添加到喷枪的料筒中，用玻璃棒搅匀，振荡；

(2)将硅酸钠添加到喷枪的料筒中，搅拌、振荡均匀，形成混合液；

(3)调节喷枪的压力，保证每次喷涂时的初始压力一致，将混合液喷涂到多功能组分层的表面：将若干个外侧固载有多功能组分层的中心层平铺于托盘中，按照从上到下，从左到右的喷涂顺序重复喷涂3～5次，翻转，利用同样的方式进行喷涂，得到外部保护层；

(4)将喷涂完外部保护层的中心层置于湿度为90±5％的环境中养护24小时后，置于温度为35～45℃的烘箱中烘干至恒重，得到微生物活性多功能载体。

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