黏土调控生物灌浆中碳酸钙沉淀位置的微流控可视化研究及其工程应用

本研究针对生物灌浆(Biogrouting)中生物水泥(biocement)空间分布调控难题，通过微流控技术直观揭示了膨润土(bentonite)与高岭土(kaolin)对细菌吸附及CaCO3沉淀位置的差异化调控机制，发现黏土形态差异是影响孔隙填充率(pore-filling ratios)和强度提升的关键因素，为土壤固化、CO2封存等工程应用提供了新策略。

　　

在地球表面演化与工程实践中，生物矿化(biomineralization)始终扮演着关键角色。从地质历史的解密到现代岩土工程的创新应用，微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)技术已成为改善土壤力学性能的重要手段。然而，这一技术的核心瓶颈在于如何精确控制生物水泥在孔隙尺度的空间分布——这直接决定着加固效果的均一性和工程可靠性。传统方法通过添加辅助剂、调控湿度或细菌絮凝等策略试图优化，但对黏土矿物这类天然辅助剂的作用机制仍缺乏直观认知。更棘手的是，现有表征技术如扫描电镜(SEM)需样品干燥处理，而黏土矿物的形态会随含水率剧烈变化，导致难以捕捉真实孔隙水环境下的动态相互作用。

针对这一挑战，中国的研究团队创新性地采用微流控(microfluidics)技术，首次实现了含水状态下黏土-细菌-矿物三元体系的实时观测。研究聚焦两种典型黏土——膨润土(以蒙脱石为主)和高岭土的差异化效应，通过荧光/明场双模式成像，定量分析了黏土形态对细菌吸附效率和CaCO₃晶体位置的影响规律。论文发表在《Applied Clay Science》，为生物灌浆技术的精准调控提供了理论基石。

关键技术方法包括：1) 微流控芯片模拟真实孔隙网络，结合高分辨率成像系统；2) 荧光标记技术追踪Sporosarcina pasteurii细菌在黏土悬浮液中的分布；3) 图像处理算法定量计算孔隙填充率和CaCO₃分布比；4) 电导率法测定细菌脲酶活性(urease activity)。

【细菌和胶结溶液】
研究采用CGMCC 1.3687菌株的Sporosarcina pasteurii，通过0.85% NaCl溶液洗涤后调整脲酶活性至0.5 mS/min。实验发现黏土矿物显著改变细菌的空间分布模式。

【生物黏土浆中的细菌吸附】
在1 g/L膨润土(BM_1)条件下，细菌与黏土形成簇状聚集体(clusters)，但仍有游离细菌存在；而同等浓度高岭土(KM_1)则呈现均匀分散的细菌-黏土复合体。这种差异源于两种黏土截然不同的表面特性与形态结构。

【黏土浆的形态学特征】
10 g/L膨润土在NaCl溶液中形成絮凝态蒙脱石与分散大颗粒的混合体系，加入Ca²⁺后转变为致密网状结构；高岭土则始终保持片状堆叠形态。这种形态差异直接导致二者对细菌的吸附能力相差达3倍。

【黏土矿物对沉淀位置的影响】
无黏土对照组中CaCO₃晶体随机分布于孔隙；添加膨润土后，78%沉淀位于颗粒接触点(active biocement)，使强度提升3倍；高岭土组则主要增加孔隙填充率(pore-filling ratio达35%)，更适合防渗工程。

结论与讨论部分揭示：1) 膨润土通过形成三维网状结构高效捕获细菌，促使CaCO₃在颗粒间关键位置沉淀，适用于承重结构加固；2) 高岭土的片层结构更利于均匀分布沉淀物，可优化防渗性能；3) 黏土剂量存在阈值效应，过量添加反而会阻塞传质通道。该研究不仅阐明了黏土调控生物矿化的微观机制，更建立了"黏土类型-沉淀分布-工程性能"的对应关系，为CO₂封存中的泄漏控制、重金属修复中的污染物固定等跨学科应用提供了新材料设计思路。值得注意的是，微流控技术在此展现出的原位观测优势，为后续研究胶体-微生物-矿物复杂相互作用设立了方法学标杆。