CN116769681A - 一种菌酶联用固化沙漠风积砂的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种菌酶联用固化沙漠风积砂的方法，包括如下步骤：1）将两种杆菌、脲酶、胶结液和沙漠风积砂按比例加入固化培养基中；2）将固化培养基填入固化装置中，固化风干；3）得到固化样砂柱，进行理化指标分析。该方法在固化沙漠风积砂过程中较传统的MICP技术、EICP技术和BICP技术有着固化周期短，固化速率快，固化样无侧限抗压强度提升大，最高可提升1.96倍。本发明还提供基于此的野外沙漠的治理方法。本发明的方法是一套对土壤改性温和、成本低廉、适应性强、无污染、短期内生态恢复效果显著的荒漠化、沙化治理新方案。
Description
技术领域
本发明属于土地荒漠化和沙化治理领域，具体地涉及一种用于固化沙漠风积砂的菌酶联用方法，利用该菌酶联用技术固化沙漠风积砂，具有明显技术优势，是可复制、可借鉴、可推广的荒漠化治理新方案。
背景技术
土地荒漠化是一种严重的自然灾害，它不仅破坏了人类赖以生存的土地和生态环境，而且还严重影响了经济、社会和生态系统，甚至可能导致人类的生存和发展受到极大的威胁。荒漠化已成为一种极具挑战的全球化现象，它对2/3的国家、1/5 的人口的健康及其未来的发展构成了巨大威胁，而且这种威胁还正在以每年5万-7万平方公里的速度增长。因此，有效的应对措施对于保护当前的生态系统、减缓全球气候变暖，实现经济社会的长期稳定增长都具有极其重要的意义。
当前，应对土壤退化、沙尘暴的传统措施包括：（1）采用人工栽培的植物来改善自然环境，构筑大规模的防护林，并在林内设置护林网。（2）通过建造草坪、粘土、栅栏、立体堆积沙、平坦沙地等多样化的沙漠防护技术，来实现沙漠化的防护目标。（3）采取喷洒化学粘合剂来处理沙漠，增加土壤的稳定性，防止水分和空气侵入，从而改善土壤的耐久性和耐磨损性。（4）在碳酸钙的微生物矿化方面，巴氏芽孢杆菌作为微生物诱导碳酸钙沉积技术（MICP），脲酶诱导碳酸钙沉淀技术（EICP）和胶质芽孢杆菌分泌碳酸酐酶诱导碳酸钙沉淀技术（BICP）是一种常规的生物诱导矿化反应过程，属于微生物固沙技术。
由于传统的植物治沙技术受到水资源的限制，使得植物的存活率降低，生长速度减慢，无法在短时间内建立起一个完整的生态体系。而传统的工程治沙技术，存在成本昂贵和治理周期长的问题。尽管化学治沙技术操作简便，效果也比较明显，但其所使用的化学粘合剂会产生重金属等有毒物质，严重破坏土壤的结构及理化特征，从而导致二次污染。在MICP和BICP固化过程中，参与固化过程的巴氏芽孢杆菌和胶质芽孢杆菌的生长都有延滞期，且脲酶和碳酸酐酶的表达量会因环境因素，培养基添加量而变化，进而会延长固化周期和固化强度。
巴氏芽孢杆菌迄今为止所知的利用尿素降解进行生物矿化的最为高效的微生物系统之一。基于其碳酸钙生物矿化形成的“超强能力”，巴氏芽孢杆菌已经被成功地应用于沙石、土壤等生物固化中，成为一种全新的、具有极大潜力的生物建筑辅助技术。微生物诱导碳酸钙沉积技术的机理包括，巴氏芽孢杆菌通过表达脲酶将尿素水解成NH3和CO2，从而迅速提高细胞微环境的pH值与碳酸根浓度，形成诱导碳酸钙沉淀所需的碱性环境。同时微生物细胞表面通常带有大量负电荷的官能团，从而吸附溶液中带正电荷的Ca2+形成碳酸钙，并沉淀在细胞表面，最终形成生物矿化体。碳酸酐酶能够促进CO2的水解，从而产生HCO3 -和CO3 2-，能够显著地改善生物体的矿物质转运过程，有助于矿物质的沉淀。但具体如何实现固化沙漠风积砂还没有成熟的做法。
因此急需一种用于生态修复的新型技术，能够有效地缓解荒漠化、沙化等问题，并且具有成本低廉、环境友好、可持续发展、治理周期短等优势。
发明内容
针对上述存在的问题，本发明提出了一种用于固化沙漠风积砂的菌酶联用方法，该方法在固化沙漠风积砂过程中较传统的MICP技术、EICP技术和BICP技术有着固化周期短，固化速率快，固化样无侧限抗压强度提升大（最高可提升1.96倍），是一套对土壤改性温和、成本低廉、适应性强、无污染、短期内生态恢复效果显著的荒漠化、沙化治理新方案。
本发明提出了一种固化沙漠风积砂的方法，包括以下步骤：
步骤S1：将巴氏芽孢杆菌、可分泌碳酸酐酶的胶质芽孢杆菌两种杆菌、脲酶、胶结液和沙漠风积砂按比例加入固化培养基中；
步骤S2：将固化培养基填入固化装置中，固化4-10天，自然烘干1-3天；
步骤S3：得到固化样砂柱，进行理化指标分析。
优选地，所述胶结液是尿素和氯化钙混液，两者摩尔比1：0.8-1.2；所述固化培养基的含有糖蜜，大豆蛋白胨，氯化钠，磷酸二氢钾，硫酸锰，且pH在6-7之间；更优选地，其配方为：糖蜜15.0 g/L，大豆蛋白胨5.0 g/L，氯化钠5.0 g/L，磷酸二氢钾0.5 g/L，硫酸锰0.05 g/L，pH 7.0，121℃灭菌20 min。
另外优选地，所述巴氏芽孢杆菌添加量为1-10×1011 CFU/g，脲酶添加量为0.5-2.0×106 U/g，碳酸酐酶添加量为20-40 U·mL-1·OD600-1，对应芽孢杆菌菌粉的添加量为3-6 g，胶结液浓度3-7 mol/L；
更优选地，巴氏芽孢杆菌最适添加量为6.0-6.5×1011 CFU/g，脲酶最适添加量为1.0-1.1×106 U/g，碳酸酐酶最适添加量为27-35 U·mL-1·OD600-1 (对应芽孢杆菌菌粉的最适添加量为4.6 g) 胶结液最适浓度5 mol/L，沙漠风积沙450 g。
在具体实施方式中，所述沙漠风积砂天然含水率为0.41%，干密度为1.63 g/cm3，体积质量为2.63 g/cm3，孔隙率为0.42，渗透系数为1.08×10-3 cm/s，pH值为8.25。或者所述沙漠风积砂中包含Si含量28.3-35.25wt%，Ca含量0.25-0.55wt%。或者所述沙漠风积砂主要成分为伊利石和蒙脱石，分别占比19.5%和11.5%；非粘土矿物的主要成分为钾长石、石英、钠长石，分别占比15.6%、12.9%和12.4%；所述沙漠风积砂中阳离子以钠离子和钙离子主，分别达到0.451 g/Kg和0.128 g/Kg，硫酸根、碳酸氢根分别占阴离子含量的0.9166 g/Kg和0.560 g/Kg。
在实施方式中，所述固化样砂柱的无侧限抗压强度达到28.32Mpa以上；所述固化样砂柱产生了以方解石晶型为主的碳酸钙沉淀，CaCO3生成量不低于20%；所述固化样砂柱的密度增加到至少为2.78 g/cm3；所述固化样砂柱的渗透系数降低到3.25×10-6 cm/s以下。
本发明也提供一种野外沙漠的治理方法，其是将两种杆菌、脲酶、胶结液按比例加入固化培养基混匀，用工业化喷雾器将其均匀喷洒至沙漠处理区，用旋耕机旋耕，例如2-4遍后，再喷一次所述固化培养基；任选地，每天检测其pH值，5-8天后测定无侧限抗压强度。
优选地，所述胶结液是尿素和氯化钙混液，优选地两者摩尔比1：0.8-1.2。
另外优选地，所述巴氏芽孢杆菌添加量为1-10×1011 CFU/g，脲酶添加量为0.5-2.0×106 U/g，碳酸酐酶添加量为20-40 U·mL-1·OD600-1(对应芽孢杆菌菌粉的添加量为3-6 g)，胶结液浓度3-7 mol/L。
本发明提供的一种用于固化沙漠风积砂的菌酶联用方法，在固化沙漠风积砂过程中较传统的MICP技术、EICP技术和BICP技术有着固化周期短，固化速率快，固化样无侧限抗压强度提升大（最高可提升1.96倍）。因此，可以说明菌酶联用方法固化沙漠风积砂，具有明显技术优势，是可复制、可借鉴、可推广的荒漠化治理新方案。
附图说明
图1：不同脲酶添加量对沙漠风积沙固化样无侧限抗压强度的影响
图2：不同碳酸酐酶添加量对沙漠风积沙固化样无侧限抗压强度的影响
图3：不同巴氏芽孢杆菌添加量对沙漠风积沙固化样无侧限抗压强度的影响
图4：AB对无侧限抗压强度的响应曲面图和等高线图。（a）巴氏芽孢杆菌和脲酶的交互作用对无侧限抗压强度影响的3D响应曲面图；（b）巴氏芽孢杆菌和脲酶的交互作用对无侧限抗压强度影响的等高线图。
图5：AC对无侧限抗压强度的响应曲面图和等高线图。（a）巴氏芽孢杆菌和碳酸酐酶的交互作用对无侧限抗压强度影响的3D响应曲面图；（b）巴氏芽孢杆菌和碳酸酐酶的交互作用对无侧限抗压强度影响的等高线图。
图6：BC对无侧限抗压强度的响应曲面图和等高线图。（a）脲酶和碳酸酐酶的交互作用对无侧限抗压强度影响的3D响应曲面图；（b）脲酶和碳酸酐酶的交互作用对无侧限抗压强度影响的等高线图。
图7：菌酶联用方法对沙漠风积砂固化样无侧限抗压强度的影响。CK：沙漠风积沙；J：胶质芽孢杆菌处理组；E：脲酶处理组；M：巴氏芽孢杆菌处理组；E+M：巴氏芽孢杆菌与脲酶联用处理组；E+M+J：巴氏芽孢杆菌与脲酶、碳酸酐酶联用处理组。
图8：菌酶联用方法对沙漠风积砂固化样CaCO3生成量的影响。CK：沙漠风积沙；J：碳酸酐酶处理组；E：脲酶处理组；M：巴氏芽孢杆菌处理组；E+M：巴氏芽孢杆菌与脲酶联用处理组；E+M+J：巴氏芽孢杆菌与脲酶、碳酸酐酶联用处理组。
图9：菌酶联用方法对沙漠风积砂固化样固化时间的影响。（a）CK：沙漠风积沙；（b）J：胶质芽孢杆菌对沙漠风积沙固化样固化时间的影响；（c）E：脲酶对沙漠风积沙固化样固化时间的影响；（d）M：巴氏芽孢杆菌对沙漠风积沙固化样固化时间的影响；（e）E+M：巴氏芽孢杆菌与脲酶联用对沙漠风积沙固化样固化时间的影响；（f）E+M+J：巴氏芽孢杆菌与脲酶、碳酸酐酶联用对沙漠风积沙固化样固化时间的影响。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
本发明实施例中的巴氏芽孢杆菌菌剂是委托内蒙古某生物技术有限公司制备，所用脲酶购买自河南瑞伦特生物技术有限公司，所用碳酸酐酶以可分泌碳酸酐酶的胶质芽孢杆菌替代，购买自河南瑞伦特生物技术有限公司，巴氏芽孢杆菌菌剂活菌数为1.8×1011CFU/g，脲酶活性为2×104 U/g，15 g胶质芽孢杆菌菌粉分泌碳酸酐酶的活性为100 U·mL-1·OD600 -1。
实施例1：不同脲酶添加量对沙漠风积沙固化样无侧限抗压强度的影响
脲酶作为固化实验的关键酶，其直接影响固化样的固化晶体成型的种类及固化晶体产生的多少，同时也直接影响固化样固化晶体的均匀分布。研究表明，不同来源的脲酶在固化实验中所产生的固化晶型也是不一样的。例如，植物源脲酶，在固化实验中产生的固化晶型为球霰石，而细菌源的脲酶多为方解石。添加脲酶相较于添加细菌来说，省去了培养基成本，缩短了固化时间，固化样晶体分布更均匀，固化效果更好，固化效率更快，固化样无侧限抗压强度更高，但也受限于脲酶活性及其添加量。因此，为获得最佳脲酶添加量，本实验考察了在245 g风积沙体系中添加0 U/g、0.2×106 U/g、0.6×106 U/g、1×106 U/g、1.4×106 U/g、1.8×106 U/g六组脲酶添加量对沙漠风积沙固化样无侧限抗压强度的影响。
将不同添加量的脲酶和3 mol/L尿素和3 mol/L氯化钙共同溶解于100 mL固化培养基中，将此混合溶液与风积沙混合并用搅拌器混匀，固化7天后，自然风干2天，将风干后的试样进行微切割，得到直径和高度为5 cm，高径比为1.0。两端抛光变平，然后使用微机控制电子万能试验机机（CMTZE-100KN）以1 mmol/L/min的加载速率进行无侧限抗压强度测试。每组样品进行三次重复实验，确定最佳脲酶添加量（如图1所示）。
在探究不同脲酶添加量对沙漠风积沙固化样无侧限抗压强度的影响实验中，1×106 U/g 实验组固化效果最佳，固化样无侧限抗压强度达到了16.78 Mpa。在其余五组固化实验中，0.6×106 U/g和1.4×106 U/g实验组固化样无侧限抗压强度分别达到了10.86 Mpa和12.45 Mpa。在0.2×106 U/g-1.8×106 U/g 固化实验组范围内，固化样强度呈先增加后递减的趋势。根据实验结果，选取脲酶添加量为0.6×106 U/g、1×106 U/g、1.4×106 U/g 三个实验浓度进入响应面优化。
实施例2：不同碳酸酐酶添加量对沙漠风积沙固化样无侧限抗压强度的影响
传统的沙漠风积沙固化实验中二氧化碳的水和反应速率非常低，极大地限制了固化样的固化反应速率和固化样的晶体产量，并且固化周期较长。有研究表明，在固化实验中加入碳酸酐酶可有效提升固化速率，并且由于在固化反应过程中碳酸酐酶和脲酶具有协同固化关系，使得碳酸酐酶的加入后极大的提高了固化晶体的产量和固化样无侧限抗压强度。同时也使固化晶体在固化样当中分布更均匀，形成的方解石更稳定，极大的缩短了固化时间。因此，为获得最佳碳酸酐酶添加量，本实验选取0 U·mL-1·OD600 -1、10 U·mL-1·OD600 -1、20 U·mL-1·OD600 -1、30 U·mL-1·OD600 -1、40 U·mL-1·OD600 -1、50 U·mL-1·OD600 -1六组不同的碳酸酐酶添加量进行沙漠风积沙固化实验，探究不同添加量的碳酸酐酶对沙漠风积沙固化样无侧限抗压强度的影响（如图2所示）。
将不同添加量的碳酸酐酶和3 mol/L尿素和3 mol/L氯化钙共同溶解于100 mL固化培养基中，将此混合溶液与245 g风积沙混合并用搅拌器混匀，固化7天后，自然风干2天，将风干后的试样进行微切割，得到直径和高度为5 cm，高径比为1.0。两端抛光变平，然后使用微机控制电子万能试验机机（CMTZE-100KN）以1 mmol/L/min的加载速率进行无侧限抗压强度测试。每组样品进行三次重复实验，确定最佳碳酸酐酶添加量。
在探究添加量的碳酸酐酶对沙漠风积沙固化样无侧限抗压强度的影响的实验中，30 U·mL-1·OD600 -1实验组固化效果最为显著，固化样无侧限抗压强度达到了11.96 Mpa，其余四组实验当中40 U·mL-1·OD600 -1实验组和20 U·mL-1·OD600 -1实验组固化效果也较为显著，分别达到了5.02 Mpa和4.86 Mpa。在10 U·mL-1·OD600 -1-50 U·mL-1·OD600 -1固化实验组范围内，固化样强度呈先增加后递减的趋势。因此，选取添加量为20 U·mL-1·OD600 -1、30 U·mL-1·OD600 -1、40 U·mL-1·OD600 -1碳酸酐酶进入响应面优化。
实施例3：不同巴氏芽孢杆菌添加量对沙漠风积沙固化样无侧限抗压强度的影响
巴氏芽孢杆菌是一种产脲酶细菌，具有较强的环境适应性，在MICP技术的研究中得到了广泛应用。巴氏芽孢杆菌固化沙漠风积沙具体过程为：细菌在沙土颗粒表面附着后，通过其新陈代谢活动中产生的脲酶催化尿素水解，生成铵根离子和碳酸根离子，在引入钙离子的情况下发生化学反应，生成碳酸钙结晶，从而将沙土颗粒胶结在一起。因此，巴氏芽孢杆菌作为固化实验的核心，巴氏芽孢杆菌添加量的多少将直接影响固化样的固化效果、固化晶体晶型、固化晶体分布及无侧限抗压强度。因此，为获得最佳巴氏芽孢杆菌添加量，本实验考察了0 CFU/g、0.5×1011 CFU/g、1×1011 CFU/g、6×1011 CFU/g、11×1011 CFU/g五组巴氏芽孢杆菌添加量对沙漠风积沙固化样无侧限抗压强度的影响（如图3所示）。
将不同添加量的巴氏芽孢杆菌和3 mol/L尿素和3 mol/L氯化钙共同溶解于100mL固化培养基中，将此混合溶液与245 g风积沙混合并用搅拌器混匀，固化7天后，自然风干2天，将风干后的试样进行微切割，得到直径和高度为5 cm，高径比为1.0。两端抛光变平，然后使用微机控制电子万能试验机机（CMTZE-100KN）以1 mmol/L/min的加载速率进行无侧限抗压强度测试。每组样品进行三次重复实验，确定最佳碳酸酐酶添加量。
在五组巴氏芽孢杆菌添加量固化实验中，在0.5×1011 CFU/g -11×1011 CFU/g固化实验中，随着巴氏芽孢杆菌添加量的增加，固化样无侧限抗压强度呈先递增后递减趋势。在五组巴氏芽孢杆菌添加量固化实验中，巴氏芽孢杆菌添加量为6×1011 CFU/g的固化实验组固化效果最显著，固化样无侧限抗压强度达到了12.38 Mpa。在其余三组中11×1011 CFU/g相较于其他两个实验组较为显著，固化样无侧限抗压强度达到了7.85 Mpa。因此，选择巴氏芽孢杆菌添加量为1×1011 CFU/g、6×1011 CFU/g、11×1011 CFU/g三组进入响应面优化。
实施例4：MICP技术固化沙漠风积砂各组分添加量响应面优化实验结果
4.1 响应面设计及结果
通过Design Expert10.0.3数据处理软件，将各因素数据输入到 Box-Behnken数据分析软件中，得到响应面实验设计表，按照设计表的因素水平进行实验得到实验数据（如表1所示）。
4.2无侧限抗压强度模型建立与分析
通过对实验数据进行二次回归方程分析，将响应变量与实验变量联系起来。遵循二阶多项式方程：对表1实验数据运用Design expert 10.0.7 数据分析软件对实验数据进行多元回归拟合，设巴氏芽孢杆菌、脲酶、碳酸酐酶分别为 A、B、C，以无侧限抗压强度为响应值进行多元回归拟合，得到二次多项回归方程：Y=28.42+1.18*A+0.66*B+0.81*C+0.69*AB+0.48*AC+0.0075*BC-11.31*A2-5.75*B2-5.64*C2。
以无侧限抗压强度为响应值进行多元回归拟合，回归模型系数及显著性检验结果如表2所示。
注：p＜0.01为极显著，用**表示，p＜0.05为显著，用*表示，p＞0.05为不显著，用ns表示。
进一步对该模型及回归系数进行回归分析，可以看出该回归模型P＜0.0001（极显著），其失拟项 P=0.1049＞0.05（不显著），说明模型拟合程度良好，可以对回归方程相应回归值进行预测，同时模型回归系数R2=0.9977，调节后的R2=0.9977，表明99.77%的数据可用该模型解释，说明方程可靠性较高。通过分析相关数据可以看出，一次项碳酸酐酶、脲酶、巴氏芽孢杆菌对无侧限抗压强度具有极显著影响（P＜0.01），分析各因素的主效应关系为：A＞C＞B，即巴氏芽孢杆菌＞碳酸酐酶＞脲酶。其二次项交互作用AB对无侧限抗压强度具有极显著的影响（P＜0.01），AC对无侧限抗压强度具有显著的影响（P＜0.05），BC对无侧限抗压强度的影响不显著（P＞0.05）。
4.3 各因素的交互作用
根据回归方程，考察响应面曲面图及等高线图的形状，分析巴氏芽孢杆菌、脲酶和碳酸酐酶对无侧限抗压强度的影响。响应面曲面图和等高线可以很好的反应自变量之间的相互作用。通过观察响应曲面图的坡度陡峭程度，确定两者对响应值的影响程度，响应面曲面图越陡峭说明两者的交互作用越明显。巴氏芽孢杆菌（A）、脲酶（B）、碳酸酐酶（C）对无侧限抗压强度的影响如图4-图6所示。
AB交互曲面中，随着巴氏芽孢杆菌的增加，无侧限抗压强度呈先增加后降低的趋势，当巴氏芽孢杆菌较低时，无侧限抗压强度的变化坡度随脲酶的增加呈先增加后降低的趋势，当巴氏芽孢杆菌较高时，无侧限抗压强度的变化坡度随脲酶的增加呈先增加后平缓的趋势，且变化趋势较平缓，由此说明巴氏芽孢杆菌和脲酶之间存在显著的交互效应，仅考虑二者交互作用的条件下，当巴氏芽孢杆菌为3-9×1011 CFU/g水平左右、脲酶在80-120×104 U/g水平范围内时，无侧限抗压强度达到最大值，曲面图与表2方差分析的结果也是相符合的。
脲酶和碳酸酐酶的交互作用对无侧限抗压强度的影响如图6所示，BC交互曲面中，无侧限抗压强度的变化坡度随碳酸酐酶、脲酶的增加呈先增加后降低的趋势，仅考虑二者交互作用的条件下，在脲酶为80-120×104 U/g、碳酸酐酶为25-35 U·mL-1·OD600 -1水平范围内，其无侧限抗压强度取得最大值，曲面图与表2方差分析的结果也是相符合的。
4.4 验证实验结果
根据回归方程模型，以无侧限抗压强度最大值为优化目标，得到预测的最优条件为：巴氏为6.276×1011 CFU/g、脲酶为102.41×104 U/g、碳酸酐酶为30.742 U·mL-1·OD600 -1，根据实验实际条件，将条件修正为巴氏为6.3×1011CFU/g、脲酶为102×104 U/g、碳酸酐酶为31 U·mL-1·OD600 -1，在此最优条件下经3次平行实验，得到其无侧限抗压强度为28.32±0.574 Mpa，与预测值无侧限抗压强度为28.507 Mpa相差在5%范围内，证实了预测值和实验值之间的良好相关性。
实施例5：菌酶联用方法对沙漠风积砂固化样无侧限抗压强度的影响
在当前微生物治沙技术中，MICP技术固化周期长，并在固化过程中有氨的产生，而EICP技术固化周期短，但也存在着成本高，固化效果易受酶活影响等问题。因此，本研究提出利用菌酶联用方法制备生物水泥固化沙漠风积砂的新治理方案，以期达到缩短固化周期，降低固化成本，减少氨的产生，提高固化样无侧限抗压强度的目的。本研究固化样无侧限抗压强度为响应值，对比了MICP技术、EICP技术和菌酶联用方法对沙漠风积砂固化样无侧限抗压强度的影响（如图7所示）。
将6.3 ×1011 CFU/g的巴氏芽孢杆菌、102×104 U/g的脲酶和4.6 g的胶质芽孢杆菌以不同组合形式溶解于100 mL固化培养基中，固化培养基中已含有3 mol/L尿素和3mol/L氯化钙。将此混合溶液与245 g风积沙混合并用搅拌器混匀，固化7天后，自然风干2天，将风干后的试样进行微切割，得到直径和高度为5 cm，高径比为1.0。两端抛光变平，然后使用微机控制电子万能试验机机（CMTZE-100KN）以1 mmol/L/min的加载速率进行无受限抗压强度测试。每组样品进行三次重复实验，比较不同组间的固化效果。
在同一固化时间下的六组实验中，巴氏芽孢杆菌与脲酶、胶质芽孢杆菌联用处理组固化效果最好，固化样无侧限抗压强度高达28.4 Mpa。其余各组无侧限抗压强度由大到小依次为：巴氏芽孢杆菌与脲酶联用处理组（18.6 Mpa）>脲酶处理组（16.56 Mpa）>巴氏芽孢杆菌处理组（14.58 Mpa）>胶质芽孢杆菌处理组（7.85 Mpa）>沙漠风积砂（0.00 Mpa）。在本次实验中可以明显看出，菌酶联用方法（双酶双菌）固化效果最佳，较传统的EICP技术和MICP技术固化样的无侧限抗压强度分别提升 171.5%和195.8%。
实施例6：菌酶联用方法对沙漠风积砂固化样CaCO3生成量的影响
固化样的无侧限抗压强度与固化样中CaCO3生成量呈正相关。因此，本研究探究了MICP 技术、EICP 技术和菌酶联用方法对沙漠风积砂固化样CaCO3生成量的影响（如图8所示）。
将6.3 ×1011 CFU/g的巴氏芽孢杆菌、102×104 U/g的脲酶和31 U·mL-1·OD600 -1的碳酸酐酶以不同组合形式溶解于100 mL固化培养基中，固化培养基中已含有3 mol/L尿素和3 mol/L氯化钙。将此混合溶液与245 g风积沙混合并用搅拌器混匀，固化7天后，自然风干2天，将风干后的试样进行微切割，得到直径和高度为5 cm，高径比为1.0。两端抛光变平，然后使用微机控制电子万能试验机机（CMTZE-100KN）以1 mmol/L/min的加载速率进行无侧限抗压强度测试。每组样品进行三次重复实验，比较不同组间的CaCO3生成量。
在同一固化时间下的六组实验中，巴氏芽孢杆菌与脲酶、碳酸酐酶联用处理组CaCO3生成量最多，高达21.42%。其余各组CaCO3生成量由大到小依次为：巴氏芽孢杆菌与脲酶联用处理组（19.53%）>脲酶处理组（16.98%）>巴氏芽孢杆菌处理组（13.86%）>胶质芽孢杆菌处理组（6.95%）>沙漠风积砂（0.29%）。同时本研究固化样产生了以方解石晶型为主的碳酸钙沉淀，而在球霰石、文石、方解石等碳酸钙沉淀中，方解石晶型的碳酸钙沉淀结构最稳定，这也解释了巴氏芽孢杆菌与脲酶、碳酸酐酶联用处理组CaCO3生成量与其无侧限抗压强度呈正相关的结论。
实施例7：菌酶联用方法对沙漠风积砂固化样固化时间的影响
固化时间是影响固化样固化效果的主要因素之一。固化时间的长短直接影响固化样CaCO3生成量，进而影响固化样的无侧限抗压强度。固化时间过短，固化样CaCO3生成量少，无法粘结沙粒，固化样无法成型。固化时间过长，固化成本增加，固化样的无侧限抗压强度提升有限。因此，本研究以固化样无侧限抗压强度为响应值，对比了MICP技术、EICP技术和菌酶联用方法的固化时长对沙漠风积砂固化结果的影响（如图9所示）。
将6.3 ×1011 CFU/g的巴氏芽孢杆菌、102×104 U/g的脲酶和4.6 g的胶质芽孢杆菌以不同组合形式溶解于100 mL固化培养基中，固化培养基中已含有3 mol/L尿素和3mol/L氯化钙。将此混合溶液与245 g风积沙混合并用搅拌器混匀，分别固化1、3、5、7、9天后，自然风干2天，将风干后的试样进行微切割，得到直径和高度为5 cm，高径比为1.0。两端抛光变平，然后使用微机控制电子万能试验机机（CMTZE-100KN）以1 mmol/L/min的加载速率进行无侧限抗压强度测试。每组样品进行三次重复实验，比较不同组间固化时长对沙漠风积砂固化结果的影响。
在同一固化时间下的六组实验中，巴氏芽孢杆菌与脲酶、胶质芽孢杆菌联用处理组固化效率最快，该组固化时长为3天时，固化样无侧限抗压强度分别是同一时间的EICP技术和MICP技术固化样的4.1倍和6.9倍；固化时长为5天时，菌酶联用组的无侧限抗压强度分别是EICP 技术和MICP技术固化样的2倍和2.1倍。巴氏芽孢杆菌与脲酶、胶质芽孢杆菌联用处理组固化样无侧限抗压强度随着固化时长的增加而增大，当其固化时长为 9 天时，其固化样无侧限抗压强度达到极值为30.65 Mpa，是同一固化时长EICP技术和MICP技术固化样的1.83倍和1.96倍。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种菌酶联用固化沙漠风积砂的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：将巴氏芽孢杆菌、可分泌碳酸酐酶的胶质芽孢杆菌、脲酶、胶结液和沙漠风积砂按比例加入固化培养基中；
步骤S2：将固化培养基填入固化装置中，固化4-10天，自然烘干1-3天；
步骤S3：得到固化样砂柱，进行理化指标分析。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述胶结液是尿素和氯化钙混液，两者摩尔比1：0.8-1.2；所述固化培养基含有糖蜜，大豆蛋白胨，氯化钠，磷酸二氢钾，硫酸锰，且pH在6-7之间。
3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述巴氏芽孢杆菌添加量为1-10×1011CFU/g，脲酶添加量为0.5-2.0×106 U/g，碳酸酐酶添加量为20-40 U·mL-1·OD600-1，胶结液浓度3-7 mol/L。
4. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于：巴氏芽孢杆菌最适添加量为6.0-6.5×1011 CFU/g，脲酶最适添加量为1.0-1.1×106 U/g，碳酸酐酶最适添加量为27-35 U·mL-1·OD600-1，胶结液最适浓度5 mol/L，沙漠风积沙450 g。
5. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述风积砂天然含水率为0.41%，干密度为1.63 g/cm3，体积质量为2.63 g/cm3，孔隙率为0.42，渗透系数为1.08×10-3 cm/s，pH值为8.25；所述沙漠风积砂中包含Si含量28.3-35.25wt%，Ca含量0.25-0.55wt%。
6. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述沙漠风积砂主要成分为伊利石和蒙脱石，分别占比19.5%和11.5%；非粘土矿物的主要成分为钾长石、石英、钠长石，分别占比15.6%、12.9%和12.4%；所述沙漠风积砂中阳离子以钠离子和钙离子主，分别达到0.451 g/Kg和0.128 g/Kg，硫酸根、碳酸氢根分别占阴离子含量的0.9166 g/Kg和0.560 g/Kg。
7. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述固化样砂柱的无侧限抗压强度达到28.32 Mpa以上；所述固化样砂柱产生了以方解石晶型为主的碳酸钙沉淀，CaCO3生成量不低于20%；所述固化样砂柱的密度增加到至少为2.78 g/cm3；所述固化样砂柱的渗透系数降低到3.25×10-6cm/s以下。
8.一种野外沙漠的治理方法，其特征在于，将巴氏芽孢杆菌、可分泌碳酸酐酶的胶质芽孢杆菌、脲酶、胶结液按比例加入固化培养基混匀，用工业化喷雾器将其均匀喷洒至沙漠处理区，用旋耕机旋耕，再喷一次所述固化培养基；所述胶结液是尿素和氯化钙混液。
9.如权利要求8所述的野外沙漠的治理方法，其特征在于，所述胶结液中的尿素和氯化钙的摩尔比为1：0.8-1.2。
10. 如权利要求8或9所述的野外沙漠的治理方法，其特征在于，所述巴氏芽孢杆菌添加量为1-10×1011 CFU/g，脲酶添加量为0.5-2.0×106 U/g，碳酸酐酶添加量为20-40 U·mL-1·OD600-1，胶结液浓度3-7 mol/L。
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