CN116622554A - 一种简便快速浓缩产脲酶菌的方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种简便快速浓缩产脲酶菌的方法及其应用，以解决生物矿化技术在实际工程应用中巨量体积菌液存储和运输的局限性问题。所述方法包括：1）向菌液中加入含钙离子的溶液，通过絮凝沉积方法浓缩菌液；2）将浓缩菌液运至施工现场后，用自来水将其稀释至原浓度，将其pH调至弱酸性后与胶结液混合配制成生物矿化处理液用于对地基加固。本发明通过向产脲酶菌菌液中加入钙离子使菌液浓缩，该方法无需使用离心机等任何专业设备，同时可一次性浓缩巨量体积的菌液，操作简单、成本低、效率高，具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及生物地基处理领域，具体涉及一种简便快速浓缩产脲酶菌的方法及其应用，以解决生物矿化技术在实际岩土工程中应用的局限性。
背景技术
基于产脲酶菌的生物矿化技术(MicrobiallyInducedCalcitePrecipitation，以下简称MICP技术)是近年来岩土工程领域兴起的一种绿色、高效、低成本的地基处理技术。该技术利用产脲酶菌诱导具有胶结及沉积作用的碳酸钙晶体，将松散的岩土体胶结成整体，并填充颗粒间孔隙，达到改善岩土体工程特性的目的。产脲酶菌是生物矿化技术得以实施的根本。然而，对于大规模的实际工程应用而言，需要巨量体积的产脲酶菌菌液，其储存和运输是亟待解决的一个重要问题。其中一种解决方法是将培养好的菌液进行浓缩，以大幅减小菌液的体积。传统的菌液浓缩方法是利用离心机进行离心提取。然而，该方法一次只能离心少量的菌液，完全无法满足大规模实际工程应用所需菌液的浓缩。因此，亟待研发一种简单、高效的产脲酶菌菌液浓缩方法，以解决MICP技术在实际岩土工程中应用的局限性。
发明内容
为解决上述MICP技术在实际工程应用中所存在的巨量体积菌液运输和储存难的问题，本发明提出了一种简便快速的产脲酶菌菌液浓缩技术，即通过向菌液中加入低浓度的钙离子，在不影响细菌活性的情况下，通过絮凝沉积的方法将原菌液进行浓缩，可大幅减小菌液的体积，从而解决MICP技术在实际工程应用中关于巨量体积菌液存储和运输的局限性。该方法无需使用离心机等任何专业设备，同时可一次性浓缩巨量体积的菌液，操作简单、成本低、效率高，具有广阔的应用前景。
具体技术方案如下：
1、沉降浓缩菌液
(1)本发明采用MICP技术所使用的产脲酶菌，配置相应的培养基并灭菌后，用母菌接种并进行扩大培养，得到原菌液，同时测定原菌液的活性和OD600值(即菌液在600nm条件下的光密度值，用于表征菌液中细菌的浓度)。
(2)向菌液中加入少量浓度在1～2mol/L的钙源溶液配制出混合液，混合液中的最终Ca2+浓度可根据原菌液的OD600值来确定，取(1/75～1/100)OD600。
(3)混合搅拌均匀后，将菌液静置6～12小时。
(4)当溶液中絮状物的沉积高度在混合液液面高度的1/3～1/4时，即可将上清液倒出，获得浓缩菌液。
作为优选，混合液中的最终Ca2+浓度应控制在0.01～0.1mol/L为宜，以不影响细菌的活性为准。
作为优选，菌液在沉降浓缩过程中以及最终所得到的浓缩菌液都应置于为4℃～25℃的环境中，避免环境温度过高而导致细菌失活。
2、工程应用方法
(1)直接使用自来水对浓缩菌液进行稀释，稀释的目标体积为菌液浓缩前原菌液的体积。
(2)将稀释后的菌液的pH值调至5.5～6.5左右，以去除菌液中的大部分絮状物，并且可以推迟碳酸钙晶体开始析出的时间，为后续的注浆工作提供一个窗口期。
(3)将处理好的菌液与胶结液混合后，根据实际工程的需要，对待加固的岩土体进行生物矿化处理。
作为优选，调节pH所用到的盐酸或醋酸浓度应小于2.0M。
作为优选，胶结液采用相同摩尔质量的氯化钙和尿素配置，胶结液的摩尔浓度为1.5M～2M。
作为优选，再注浆前将稀释好的菌液的pH调至弱酸性后，再与胶结液混合成最终的处理液，菌液与胶结液的体积比为1:1～1:2。
本发明的至少一个实施例中使用了菌液浓缩技术，所述细菌为巴氏芽孢八叠球菌，所使用的钙源溶液为浓度为0.5mol/L的氯化钙溶液。
本发明的至少一个实施例中使用了稀释后的浓缩菌液混合胶结液处理砂柱，所述的处理方法为渗透注浆法。需要说明的是，本发明所涉及的技术对工程中常见的岩土体均适用，因此，本发明不对所加固的岩土体类型及处理方法做出明确的限制要求，可使用不同的处理方法来加固相应的岩土体。
本发明利用产脲酶菌表面带负电易吸附于絮状物表面的特点，通过向呈碱性的菌液中加入低浓度钙离子溶液形成絮凝物，通过絮凝沉积方法对菌液进行浓缩。本发明主要具备以下优点：
(1)菌液浓缩操作工序简单而高效，只需向原菌液中加入低浓度的钙源溶液，静置后即可得到浓缩菌液，简便易操作、成本低、效率高。此外，本发明基于大量的试验数据，对菌液浓缩沉降工序提供了量化指标，对实际工程具有指导作用。
(2)钙离子是生物矿化过程所需，加入低浓度钙离子溶液不会影响细菌的活性，且所加入的钙离子还可为后续生物矿化过程提供钙源。
(3)浓缩后的菌液与原菌液相比细菌细胞并无明显差异，避免了传统使用离心处理来浓缩菌液的方法中大量细菌细胞出现挤压变形的情况，且几乎不影响细菌的活性。
(4)浓缩菌液在运达施工现场后通过稀释即可使用，且用于稀释浓缩菌液的自来水在施工现场易于获得。
(5)可有效解决生物矿化技术在实际工程应用中的局限性，避免了大量菌液运输和储存困难的问题，为该技术提供了一个更广阔的应用前景。
本发明的显著优点在于：无需使用任何专业设备，仅添加氯化钙溶液即可同时一次性浓缩巨量体积的产脲酶菌菌液，将浓缩的菌液运至施工现场后采用自来水将浓缩菌液稀释即可使用，整个过程操作简单、成本低、效率高，且几乎不会影响细菌的活性。
附图说明
图1为菌液沉降浓缩实拍图。
图2为浓缩菌液自来水稀释后实拍图。
图3为调节pH后菌液实拍图。
图4为使用浓缩菌液制作试样实拍图。
具体实施方式
为了使本发明所述的内容更加便于理解，下面结合具体实施方式对本发明所述的技术方案做进一步的说明，但是本发明不仅限于此。
实施例1
本实施例采用巴氏芽孢八叠球菌作为产脲酶菌。
将巴氏芽孢八叠球菌接种至灭菌后的培养基，在30～35℃的恒温条件下进行扩大培养，培养15～20h后，测得细菌的活性为10mM/min以及菌液OD600值为3.75；其中，所述培养基的配方为：酵母提取物20g/L，NH4Cl15g/L、Ni(Cl)212g/L，其余为水。
巴氏芽孢八叠球菌液浓缩及工程应用具体操作步骤如下：
1)根据菌液OD600值确定需添加的钙离子的终浓度为0.05mol/L((1/75)OD600)，故将500mlOD600值为3.75的巴氏芽孢八叠球菌液与浓度为2.0mol/L的氯化钙溶液按39：1的体积比在烧杯中混合均匀，得到巴氏芽孢八叠球菌液氯化钙溶液混合液，于24℃静置12小时以分层。如图1所示，静置12小时后，巴氏芽孢八叠球菌液氯化钙溶液混合液发生分层，上层为棕色清澈液体，下层为白色絮状物，且白色絮状物沉积高度占巴氏芽孢八叠球菌液氯化钙溶液混合液液面总高度的1/3，表明巴氏芽孢八叠球菌液浓缩已完成沉降浓缩。弃去上层棕色清澈液体，收集下层白色絮状物，得到巴氏芽孢八叠球浓缩菌液。
2)向步骤1)得到的巴氏芽孢八叠球浓缩菌液加入自来水至菌液体积回升至500ml(图2)，而后用浓度为2mol/l的盐酸将菌液的pH值调节至6.0，此时可观察到白色絮状物消失(图3)，得到去除白色絮状物后的菌液。
3)向步骤2)得到的去除白色絮状物后的菌液中加入等体积的胶结液，混合均匀，得到生物矿化处理液；其中，所述胶结液的配方为：2M氯化钙+2M尿素。
4)采用渗透注浆法将120ml步骤3)得到的生物矿化处理液注入待加固的砂柱(直径×高度＝50mm×100mm)中，每隔24小时排出已反应完的废液并注入新的处理液，共处理6次。处理后的砂柱如图4所示，松散的砂柱经固化后形成一类岩砂柱，强度高达1.17MPa。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (8)
1.一种简便快速浓缩产脲酶菌的方法，其特征在于：包括以下步骤：
1）将产脲酶菌接入培养基中进行扩大培养，得到产脲酶菌液，测定并记录产脲酶菌液OD600值；
2）向步骤1）的产脲酶菌液中加入钙离子溶液，得到混合液；
3）将步骤2）的混合液于4℃~25℃静置以分层；
4）静置6~12小时后，可观察到步骤3）的混合液分层，弃去上层棕色清澈液体，收集下层白色絮状物即为产脲酶菌浓缩菌液。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤1）所述培养基配方为：酵母提取物20g/L，NH4Cl 15 g/L 、Ni(Cl)2 12 g/L，其余为水。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤2）所述钙离子溶液为氯化钙溶液。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：以mol/L为单位，步骤2）所述混合液中钙离子的终浓度是依据步骤1）中产脲酶菌液的OD600值而确定、为产脲酶菌液OD600值的1/75~1/100。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤3）所述静置的时间为6~12小时。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤4）所述上层棕色清澈液体与下层白色絮状物的体积比为2：1~3：1。
7.一种产脲酶菌浓缩菌液，其特征在于：由权利要求1所述的方法制备形成。
8.权利要求1所述的方法或权利要求7所述的产脲酶菌浓缩菌液在岩土工程领域的地基加固中的应用。
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