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編輯推薦

適讀人群 ：本書屬於跨學科著作，讀者主要包括土木工程材料和微生物礦化領域的科研工作者和學生，以及對於跨學科研究有興趣的讀者
《微生物礦化的工程應用基礎》內容豐富、題材新穎,可供土木工程材料學科高校師生與科技人員參考閱讀.

內容簡介

微生物進化的一個重要特點是以其新陳代謝的多樣性而成為地球上所不在及其與倫比的巨大生物量，促使科學傢不斷重新審視它們在地球中的地位和作用，並認為微生物世界是"生物學中沉睡的巨人"，"巨人"的蘇醒正在給與人類更多的啓發。本世紀初以來，科學傢們從微生物在自然界成岩造丘過程中的作用得到啓發，"學習自然、模擬自然"，嘗試將微生物礦化技術應用於傳統建築材料中。本書重點介紹瞭微生物技術在膠砂固土、混凝土錶麵覆膜防護、混凝土裂縫被動修復和自修復，以及重金屬離子鈍化固結中的應用基礎研究。如何將自然界數十億年前已經存在的微生物礦化作用為人類所用，為人類造福，正是本書撰寫的初衷。

目錄

序言
前言
第1章緒論1
1.1自然界的微生物礦化現象與機理1
1.1.1生物礦物的分布與特徵1
1.1.2微生物在自然界成岩成礦中的作用2
1.1.3微生物在自然界中的礦化形成機製4
1.2微生物水泥與砂土穩定研究進展6
1.2.1砂土中的微生物水泥膠結機理7
1.2.2微生物水泥穩固砂土應用研究現狀9
1.3混凝土中微生物礦化技術研究進展13
1.3.1微生物誘導礦化修復防護混凝土錶麵缺陷及裂縫機理14
1.3.2基於微生物礦化的混凝土錶麵覆膜防護15
1.3.3基於微生物礦化的混凝土裂縫被動修復18
1.3.4基於微生物礦化的裂縫自修復效果評價錶徵方法20
1.3.5基於微生物礦化的混凝土裂縫自修復22
1.4重金屬離子原位生物礦化研究進展24
1.4.1重金屬汙染現狀及傳統治理方法24
1.4.2重金屬離子原位生物礦化技術研究進展27
參考文獻29
第2章基於生物礦化的砂土膠結41
2.1引言41
2.2微生物膠結鬆散砂顆粒機理41
2.2.1鬆散砂粒間的微生物礦化機理41
2.2.2鬆散砂粒間的微生物膠結機理50
2.3微生物膠結砂體微觀結構演化62
2.3.1XCT研究微生物水泥膠結砂體微觀結構演變62
2.3.2微生物水泥膠結砂體微觀結構和性能演變72
2.4不同尺度微生物膠結砂體性能76
2.4.1半米高微生物水泥膠結砂體製備76
2.4.20.5m×0.5m×0.5m尺寸的微生物水泥膠結體製備89
2.5微生物膠結過程的數學模型94
2.5.1模型的建立94
2.5.2邊界條件及參數97
2.5.3數值計算結果及其對比分析98
2.5.4工藝參數及材料參數對微生物水泥膠結效果影響的數值分析103
2.5.5微生物水泥膠結鬆散砂粒材料和工藝參數設計方法107
2.6微生物膠結其他顆粒110
2.6.1微生物膠結土110
2.6.2微生物膠結尾砂112
參考文獻114
第3章基於生物礦化的混凝土錶麵缺陷與裂縫被動修復117
3.1引言117
3.2礦化微生物酶活性與沉積過程調控118
3.2.1碳酸鹽礦化菌産脲酶機製與酶活測定118
3.2.2礦化微生物的産酶工藝條件與控製122
3.2.3礦化微生物沉積碳酸鈣結晶動力學研究126
3.2.4礦化微生物沉積碳酸鈣的晶型與形貌調控130
3.2.5礦化微生物沉積碳酸鈣速率調控145
3.3混凝土錶麵缺陷的生物礦化被動修復148
3.3.1混凝土錶麵缺陷修復用防護層的性能要求149
3.3.2菌液浸泡礦化修復混凝土錶麵缺陷150
3.3.3菌液噴塗礦化修復混凝土錶麵缺陷153
3.3.4海藻酸鈉固載微生物塗刷礦化修復混凝土錶麵缺陷160
3.3.5瓊脂固載微生物塗刷礦化修復混凝土錶麵缺陷164
3.4混凝土裂縫的生物礦化被動修復176
3.4.1錶麵塗抹閉閤式修復混凝土微裂縫176
3.4.2固載微生物灌漿修復混凝土裂縫179
3.4.3微生物膠結基材修復混凝土裂縫184
參考文獻190
第4章基於生物礦化的混凝土自修復193
4.1引言193
4.2自修復機理194
4.2.1基於脲酶水解尿素誘導的自修復機理194
4.2.2基於內部碳酸根來源的自修復機理195
4.2.3基於外部碳酸根來源的自修復機理201
4.3裂縫自修復效果及錶徵207
4.3.1微生物誘導礦化自修復混凝土裂縫概述207
4.3.2混凝土裂縫製作方法209
4.3.3滲透係數和麵積自修復率錶徵方法評價212
4.3.4裂縫寬度自修復率錶徵方法216
4.3.5CT錶徵裂縫自修復效果218
4.3.6實際工程中的微生物自修復裂縫錶徵方法220
4.4不同條件下裂縫自修復221
4.4.1不同條件下裂縫自修復概述221
4.4.2自修復劑組分配比及用量221
4.4.3不同養護條件下自修復效果225
4.4.4不同溫度下自修復效果227
4.4.5不同鹽度下自修復效果228
4.4.6不同pH環境下自修復效果229
4.4.7不同供氧條件下自修復效果230
4.4.8不同開裂齡期下自修復效果231
4.4.9不同裂縫寬度下自修復效果233
參考文獻237
第5章基於生物礦化的重金屬離子鈍化239
5.1引言239
5.2重金屬離子對微生物生長的影響239
5.2.1重金屬離子對碳酸鹽礦化菌生長的影響239
5.2.2重金屬離子對磷酸鹽礦化菌生長的影響240
5.3重金屬離子礦化過程中的酶催化241
5.3.1重金屬離子礦化過程中脲酶的催化241
5.3.2重金屬離子礦化過程中磷酸酶的催化246
5.4重金屬礦化物特性及其形成255
5.4.1碳酸鹽礦化物特性及其形成255
5.4.2磷酸鹽礦化物的特性及其形成267
5.5微生物鈍化劑的製備與施用方法271
5.5.1碳酸鹽微生物鈍化劑的製備與施用方法271
5.5.2磷酸鹽微生物鈍化劑的施用方法277
5.6微生物鈍化劑的實地應用280
5.6.1礦山開采尾礦治理實例280
5.6.2農用田土壤治理實例282
5.6.3水體修復實例289
參考文獻291
彩圖

精彩書摘

第1章 緒論
1.1 自然界的微生物礦化現象與機理
1.1.1 生物礦物的分布與特徵生物礦化作用是一種很普遍的自然現象，幾乎每一種生物都能閤成礦物.近年來，研究者們對生物礦化産物的多樣性和生物礦化過程的認識有瞭驚人的增長.漫長的地質時代，有機體形成的礦物大大改變瞭生物圈的物理？化學特性，生物礦化對沉積環境做齣瞭重大的貢獻.研究發現碳酸鈣幾乎構築瞭廣闊的大陸邊緣[1，2].
經過20億年物競天擇的優化，生物體結構幾乎是完美的，許多類型的有機體在其細胞和組織位置形成沉積礦物，並且此過程在細胞的生命活動中不斷得以精確重復.這些細胞包括從細菌？海藻？原生物到骨的成骨細胞.礦物可能存在於細胞的封閉泡囊膜內？細菌細胞壁的黏液內或孕育在細胞外空間的生物聚閤物內.
至今，人類已經在生物中發現瞭60多種不同的生物礦物，錶1-1列齣瞭部分這些礦物的分布.錶
1-1 生物礦物的種類及其分布
這些礦物的分布具有三個顯著的特點:①近三分之二是鈣礦;②幾乎三分之二含水或羥基;③四分之一是膠體材料.
生物礦化往往能形成有序排列的？結構非常優異的天然有機—無機復閤材料.如軟體動物的貝殼珍珠層，它是由定嚮排列的文石小闆片及少量有機質(質量百分含量<5%)組成層狀結構[3，4]，其力學性能優越，同時具有硬度大及韌性高的特點，破裂韌度比相應的無機成因文石大2~3個數量級[5];海膽骨針由方解石單晶組成，但不像無機成因方解石單晶那樣極易沿解理麵裂開，力學性能獨特[6].在火成岩和變質岩中，磁鐵礦是一種普遍的礦物，必須在高溫高壓下纔能形成.然而，利用某些細菌卻能在常溫常壓環境下簡易閤成得到磁鐵礦及其他礦物，充分發揮其生物誘導礦化作用.生物誘導礦化是有機體的生物活性和周圍物理環境之間的相互作用，這一礦化過程往往由生物體新陳代謝的終産物如CO23-？H+？NH4+和包圍細胞外環境中的離子的互作用所引發.與自然界中形成的一般礦物相比，生物礦物具有如下特徵:
(1)結構的高度有序使得生物礦物具有極高的強度和良好的斷裂韌性.細胞分泌的有機機製與無機晶體(如羥磷灰石和碳酸鈣)間復雜的相互作用而形成的高級自組裝結構，這種高度有序的組裝使占質量95%的礦物得以緊密堆積，從而顯示齣優良的力學性質和理化性質.
(2) 生物礦物一般具有確定的晶體取嚮. 例如趨磁細菌中的磁小體(ma-netosome)常沿細菌長軸呈鏈狀排列，盡管在不同種類的細胞中磁小體皆有自己的特徵，但在某一特定的細胞種類中，磁小體的粒徑？結晶形態及在細胞內的排列都是一緻的，這樣晶體鏈就提供瞭一個足夠強的永磁矩使細菌在地磁場中取嚮.
(3)礦物質與有機質的相互作用.有機基質與礦物質之間存在著多種復雜的相互作用和多種形式的結閤，使得基質大分子的微觀結構發生改變，這更有利於形成高度有序的生物礦物，從而使生物礦化産物顯示齣優異的物理？化學和生物性能.
(4)礦物質在整個生物代謝過程中形成，並參與代謝過程.生物礦物的發現為製造高級復閤材料提供瞭新的思路和途徑[7-10].
1.1.2 微生物在自然界成岩成礦中的作用
地球史研究錶明，微生物可能是地球上最早齣現的一種生物，其種類繁多？分布廣泛？生長繁殖快？代謝能力強？遺傳穩定性差，已成為地球上無所不在？種類眾多的巨大生物量[11].自地球曆史早期微生物便廣泛的存在於地球錶麵環境[12，13]，生存並分布於所有潮濕的沉積物錶麵及內部(深度可達幾韆米)，與其他生物相互競爭與閤作，廣泛的參與自然界的成岩成礦過程[14，15].如上所述，其中近三分之二是鈣礦，並且相當一部分具有膠結功能.微生物通過其自身的生命活動，與周圍環境介質之間不斷循環發生著礦化作用，再經過漫長時期的纍積，最終將自然界中沉積的疏鬆碎屑物質膠結形成堅硬的岩石，如圖1-1所示，微生物參與礦化形成的方解石在自然界成岩過程中起瞭膠結的作用.一般來講，微生物的礦化作用既不局限於微生物的特殊種類，也不限定於微生物的一定數量，幾乎所有微生物的代謝産物對地質環境都有影響，是自然界沉積變化？成岩作用和一些沉積礦床的作用者或主要參與者[16，17].
圖1-1 自然界中微生物礦化形成方解石膠結成岩[18]
參與自然界成岩成礦的微生物類型多樣，包括光閤原核生物(藍細菌)？真核微體藻類？化學自養或異養微生物等[19].由於大部分微生物不具鈣質骨骼，且隻有部分微生物可以被鈣化並保存為化石，因此，對地史中微生物碳酸鹽岩中的微生物類群的識彆較為睏難.在前寒武紀大量碳酸鹽疊層石中，主要在一些矽質岩中發現球狀或絲狀微生物化石[20-22].從顯生宙開始，在許多微生物碳酸鹽岩中發現大量鈣化微生物化石[16，23-25].Curtis指齣，許多常見的沉積岩類在埋藏成岩作用過程中因微生物的作用而有重要變化，有時微生物的影響十分顯著，如形成結核.在早期壓實作用階段快速凝聚的結核，通常由方解石(CaCO3)組成.結核中還常可發現未被壓縮的？保存極完好的化石，甚至這些化石的軟體構造都可保存下來.這錶明，有機質的分解有助於局部微生物的活動，而微生物活動的産物引起膠結物的沉澱.他還指齣，對於許多成岩環境來說，不能以超溫和超壓為由排除微生物的存在，可以肯定，在深度淺得多的地方，沉積物中必然伴隨有微生物的活動.
同時，微生物也是海底礦化沉積重要的化學和地質的作用者，其數量眾多，生物作用多樣，分布又極廣泛，因而能夠長時期有效地與周圍環境之間發生反應.例如，微生物通過自身的生命活動可使環境中有機物腐解而産生一種穩定的物質———腐殖質;在堿性環境中，當有鈣鹽齣現時，細菌能促使鈣的沉澱.由此，某些學者認為海洋中的微生物是促進海洋沉積物中碳酸鈣沉澱的主要力量[26].Defra-e[27，28]等分彆對南太平洋Tua-motu群島和中太平洋的現代疊層石進行瞭研究，指齣其形成及鈣化過程為水體鹽度？鈣離子和鎂離子的濃度變化及細菌的生命活動綜閤效應的結果.Pedone和Folk[29，30]通過掃描電鏡觀察發現，猶他州大鹽湖沉積物粒內及其間的文石膠結物中有細菌及微細菌實體存在，而細菌的菌壁在其生活過程中，對鈣？鎂離子具很強的吸附性，因此碳酸鹽礦物能以細菌體作為結晶核心而結晶.此外，在現代喀斯特洞穴黑暗環境中，也發現有菌？藻類成因的疊層石和凝塊石存在，說明在無光的條件下，微生物群也可促使碳酸鈣沉澱[31].
微生物礦化成岩作用的研究，首先是從碳酸鹽岩開始的.碳酸鹽岩多為生物作用的産物，已成為共識，這一理念被稱為“索比原理”，該現象遍布於全球各種環境中，而且在地球錶層環境中，從38億年以來對由不穩定的方解石？文石和白雲石所組成的碳酸鹽岩貢獻最大的毋庸置疑是微生物作用.學者們研究瞭微生物成因沉積構造疊層石和核形石？樹枝石和凝塊石，以及各種鈣質藻的成岩等.Murray和Irvine等首先研究瞭碳酸鈣的沉澱問題.他們認為碳酸鈣的沉澱是由於碳酸銨及硫酸鈣的作用所産生的[26]:
(NH4)2CO3 +CaSO4 →CaCO3 +(NH4)2SO4 (1-1)
碳酸銨來自於二氧化碳，而這兩種化閤物是微生物分解含氮有機物質而産生的.Nadson發現，微生物所産生的銨來自蛋白質物質，如此即促進瞭在某些湖中的碳酸鈣沉澱.起主要作用的微生物是:普通變形杆菌？蕈狀杆菌？白色放綫菌等.銨的産生使海水的pH 增加，如此即促進碳酸鈣的沉澱.通過蛋白質物質除銨外，Nadson還發現某些微生物能夠將硝酸鹽還原成氮或銨，使水變成堿性，有利於碳酸鈣及碳酸鎂的沉澱及石灰石與白雲石的形成.
Berkeley認為在海水中碳酸鈣的沉澱主要是由於細菌對有機鈣鹽的氧化作用:
Ca(COOCH3)2 +4O2 →CaCO3 +3CO2 +3H2O (1-2)
Nadson認為，硫酸鹽細菌的還原作用，也能造成碳酸鹽的沉澱:
CaSO4 +CH3COOH →CaCO3 +H2S+H2O+CO2 (1-3)
Drew認為，海中碳酸鈣的沉澱是由於脫氮細菌所造成，其中作為作用物的氫與碳係來自有機物在厭氧情況下氧化作用:
Ca(NO3)2 +3H2 +C →CaCO3 +3H2O+N2 (1-4)
綜上所述，對微生物參與碳酸鹽礦化的機製，雖然以上許多學者有多種認識，但主要是微生物的作用這一點卻達成瞭共識[26].Vasconcelos等[32]研究瞭缺氧條件下微生物參與白雲岩沉澱和成岩作用，錶明原先認識的現代白雲岩的形成環境，如根據對巴哈馬安德羅斯島潮上白雲石結殼的研究，應當重新來評估白雲石沉澱過程中微生物媒介的重要性.Reid等[33]對現代海洋疊層石在生長？成層和岩化過程中微生物的作用進行瞭研究，指齣現代海洋疊層石的生長代錶瞭一種沉積和間歇藍細菌席岩化的動態平衡.Frederik等[34]研究瞭pH 和鈣代謝在微生物碳酸鹽沉澱過程中的關鍵作用，認為微生物的鈣代謝是特定沉澱條件下的一種不可避免的事件，活性鈣代謝可能造成獨特的沉澱條件，而且碳酸鈣沉澱在化學上利於細菌生存和擴散.-autret等[35]研究現代瀉湖微生物岩中碳酸鈣沉澱的生物化學控製，強調由藍菌鞘腐爛釋放齣的二羧基的天門鼕氨酸和榖氨酸含量在碳酸鈣形成過程中的重要性，超細泥晶的原地沉澱是一種具有高度選擇性的過程，微生物岩建造中的藍菌種群的生物親和力是控製原地沉澱的碳酸鈣生物化學差彆的主要因素之一[36].
1.1.3 微生物在自然界中的礦化形成機製
自然界中微生物的活動及其代謝作用，一方麵能改變礦化的物理和化學環境，促進金屬元素的遷移和富集;另一方麵，微生物機體及其生命活動可吸附和吸收成礦元素，並在有利成礦部位直接沉澱和聚集成礦.20世紀70年代中期以後，大量的文獻報道瞭微生物在沉積成岩和成礦過程中的作用.微生物對許多礦物和岩石的形成都具有較大影響，如碳酸鹽？氧化物？磷酸鹽？硫化物？矽酸鹽等礦物，疊層石？核形石？樹枝石？凝塊石等岩石以及某些鮞粒？團粒？球粒和泥晶[37-39].由於微生物對形成岩石的影響，Burne等[40]提齣瞭微生物岩(microbiolite)的概念，以描述由微生物的生長和生理活動而産生的生物沉積岩[31].
碳酸鹽的微生物成礦過程的研究一直是微生物成礦作用研究的熱點.研究認為微生物對碳酸鹽礦物的影響既可以影響碳酸鹽沉澱的地球化學條件，也可以作用碳酸鹽礦物沉澱的晶核[41].Jones[42]研究瞭微生物的鈣化？捕獲和黏結碎屑對碳酸鹽新晶體生長的作用，認為鈣化微生物直接對洞穴堆積物起瞭貢獻.微生物充當碳酸鈣沉澱的核心位置，在許多情況下控製瞭形成晶體的類型.在碳酸鈣的沉澱中微生物通過其新陳代謝作用起瞭直接的和主動的作用.相反，-olubic[43]認為碳酸鈣的沉澱主要是受環境要素的控製(如和碳酸鹽有關的飽和度)，而微生物隻是起到一個被動的作用.在這種情況下，微生物隻是方解石沉澱於其上的底物，並沒有起直接的作用.Merz[44]發現隻有在和方解石沉澱有關的水溶液過飽和的情況下，藍細菌的鈣化作用纔發生.絲狀或縴維狀微生物通常能黏結和捕獲碎屑顆粒，Jones等[45]通過實驗證明瞭這一特性，並用於解釋洞穴沉澱[31，46].
1. 礦化形成過程
在微生物礦化形成碳酸鹽岩過程中，無論是微生物對沉積物的捕捉？黏附還是原地碳酸鹽的沉澱，起關鍵作用的是微生物胞外聚閤物(ExtracellularPoly-mericSub-stances，EPS)？微生物膜及微生物席，它們是微生物碳酸鹽岩形成的生物基礎[47].EPS主要聚集於細胞外，形成一種具有黏結性的基質，使得微生物附著於基底之上，能夠提供物理和化學保護作用.微生物膜是由生存於EPS中的一薄層細菌群落(幾十至幾百微米厚)組成，附著於需水環境的基底.微生物膜在閤適的生態條件下繼續生長而形成較厚的？較明顯的層而被定義為微生物席(一般為毫米級)，微生物席通常可以覆蓋較大的沉積麵和捕捉微晶沉積物，較厚的微生物席也可捕捉較大的沉積顆粒[48].微生物通過對沉積顆粒的捕捉與黏附？自身的鈣化以及碳酸鹽的原地沉澱，在埋藏？壓實？岩化等成岩作用下，最終形成微生物碳酸鹽岩[16].
2. 礦化形成條件
微生物的微觀形態

前言/序言

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