中国不同地区尿素分解菌的分离筛选及其诱导碳酸钙沉积能力的比较研究

摘要

近年来，基于尿素分解菌脲酶活性的微生物诱导碳酸钙沉积（MICP）技术已被广泛用于岩土工程中的生物封堵和生物粘结，该项技术具有绿色、节能、环境友好的优点，逐步成为岩土工程加固修复领域的研究热点之一。其中具有诱导碳酸钙沉淀能力的尿素分解菌更是MICP研究的关键，因此，选择脲酶活性更高且环境适应能力更强的新型土著尿素分解菌将更有助于MICP的研究与应用。
　　本研究首先从中国不同地区采集47份不同类型的土壤进行尿素分解菌的分离筛选，从中分离纯化并通过分子生物学方法鉴定了51株目的菌株。研究发现它们分布于7个属，包括醋杆菌属2株，节杆菌属8株，芽孢杆菌属24株，梭形杆菌属7株，大洋芽孢杆菌属2株，类芽孢杆菌属6株，芽孢八叠球菌属2株。其中，分离筛选的菌株HZ1T和LZ2T通过多项分类学研究鉴定为可以分解尿素的细菌新种，分别命名为河边类芽孢杆菌（Paenibacillus ripae）和土生芽孢八叠球菌（Sporosarcina terrae）。
　　其次，通过菌株遗传稳定性、脲酶活性、诱导碳酸钙沉淀能力及碱性环境中生长特性等多方面的比较筛选发现，菌株Sporosarcina sp.LZ3具有良好的遗传稳定性，且脲酶活性、诱导碳酸钙沉淀能力最强，并且在碱性环境中仍能保持较高活性，各方面均优于对照菌株巴氏芽孢八叠球菌（S.pasteurii ATCC11859）及其他筛选菌株，在碳酸钙沉积实验中经过XRD、SEM和EDX分析证实沉积物为稳定的方解石晶体，因此，选择Sporosarcina sp.LZ3用于后续诱导碳酸钙沉积的研究。在接种量6％，温度30℃，Ni2+浓度100μM，pH9.0条件下，Sporosarcina sp.LZ3于YE-NH4培养基中培养36～40h的菌液用于诱导碳酸钙沉积实验，并通过响应面法优化了MICP反应体系，其中4个重要影响因子及水平为：pH7.0，Ca2+浓度0.60M，尿素浓度0.60M，菌液浓度10.0%（OD600=1.0）。
　　最后，在上述条件下利用标准砂进行砂柱凝结试验，并对砂柱的固化效果进行整体性评价。结果表明，砂柱无侧限抗压强度达到1.79MPa；三轴压缩实验当周围压力为100KPa和200KPa时，轴向应力分别为495KPa和750KPa；直剪实验中平均剪应力达到496.6KPa，是湿砂对照的将近100倍。经过XRD、SEM和EDX分析证实砂粒周围布满了碳酸钙并且全是稳定的方解石晶体。以上研究表明固化后的砂柱具备了一定的工程性能，具有进一步应用的潜力。
　　综上所述，本文中分离鉴定的尿素分解菌Sporosarcina sp.LZ3具有较强的脲酶活性及诱导碳酸钙沉淀的能力，能更好的耐受碱性环境，在优化MICP反应体系中其诱导的碳酸钙沉淀可以成功的将松散的砂粒固化成具有一定强度的砂柱整体。以上研究从菌种筛选、细菌培养、反应条件、砂柱凝结实验及固化效果评价等多方面对整个MICP体系进行了系统研究，为后期应用研究提供良好的理论依据和数据参考，在微生物岩土工程加固修复中具有潜在的应用价值。

目录

声明

缩略词表

第一章 文献综述

1. 微生物诱导碳酸钙沉积（MICP）的简介

2．基于尿素水解的MICP研究进展

3．岩土工程加固修复领域MICP研究进展

4. 立题依据

第二章 中国不同地区尿素分解菌的分离、纯化、鉴定

1. 引言

2. 实验材料

3. 实验方法

4. 结果与分析

5. 讨论

第三章 尿素分解菌生长条件优化及其诱导碳酸钙沉积能力比较

1. 引言

2. 实验材料

3. 实验方法

4. 结果与分析

5. 讨论

第四章 MICP反应体系的优化设计研究

1. 引言

2. 实验材料

3. 实验方法

4. 结果与分析

5. 讨论

第五章 砂柱凝结实验及固化效果评价

1. 引言

2. 实验材料

3. 实验方法

4. 结果与分析

5. 讨论

第六章 论文总结

参考文献

在学期间的研究成果

致谢