微生物诱导碳酸盐沉淀（MICP）调控非饱和土结构特性提升砒砂岩力学性能的机制研究

针对砒砂岩地区土壤侵蚀严重、传统治理方法成本高且环境不友好的问题，内蒙古农业大学水利与土木工程学院团队通过调控土壤含水量优化空间结构，结合微生物诱导碳酸盐沉淀（MICP）技术，显著提升了砒砂岩改良土的力学性能。研究发现，混合法制备的土体骨架结构促进碳酸钙晶体均匀分布，钙离子转化率高达89.9%，抗压强度提升896.5%，揭示了黏土矿物溶解与生物矿化协同增强机制，为生态修复提供了新策略。

　　

论文解读

背景与问题
中国西北晋陕蒙地区的砒砂岩是一种低成岩度的特殊沉积岩，含30%膨胀性黏土矿物蒙脱石，遇水易崩解，年均向黄河输沙超1亿吨，引发严重生态危机。传统治理方法如植被覆盖、化学材料加固等存在成本高、环境风险大或资源依赖性强等局限。微生物诱导碳酸盐沉淀（MICP）技术虽能通过生物矿化提升砂土稳定性，但在黏粒含量高的砒砂岩中渗透不均、固化深度不足。如何通过调控土壤结构优化MICP效果，成为亟待解决的科学问题。

内蒙古农业大学团队在《Scientific Reports》发表研究，提出通过调控非饱和砒砂岩含水量（6%-18%）和混合法制备土体骨架，结合MICP技术，系统探究了土壤结构特性对生物矿化效果的影响机制。

关键技术方法
研究采用两种样品制备方法（未混合法、混合法），通过调整含水量（2%-18%）制备D×H=50×50 mm土柱，注入Sporosarcina pasteurii菌液（OD₆₀₀=1.2±0.1）和胶结液（1M CaCl₂·2H₂O+1M尿素），进行7天固化。通过无侧限抗压强度（UCS）、X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）等技术分析力学性能与微观结构，结合热重（TG）和傅里叶红外光谱（FTIR）揭示矿物转化机制。

研究结果

1. 含水量与碳酸钙生成的关系

• 未混合法样品碳酸钙产量随含水量先增后降，10%含水量时抗压强度提升28.2%；混合法样品产量线性增长，MW18组钙离子转化率89.9%，抗压强度较W2组提升896.5%。

2. 碳酸钙空间分布异质性

• 未混合法晶体分布不均（上层>下层>中层，异质系数C_v>0.6），混合法MW18组C_v降至0.14，晶体均匀填充土体孔隙，破坏模式从底部剪切破坏转为整体拉伸破坏。

3. 矿物组成与微观机制

• XRD显示蒙脱石衍射峰（20=5.9°）右移，石英峰强度降低，表明微生物代谢溶解黏土矿物。SEM证实混合法样品中碳酸钙形成“接触-桥接”双模式胶结，包裹团聚体表面（图8e-f）。

4. 热稳定性与分子相互作用

• TG分析显示MICP组碳酸钙热分解温度（733-737°C）高于水热合成组（726°C），FTIR揭示C-O键振动频率偏移，Si-O-Si键参与氢键形成，增强晶体稳定性。

结论与意义
研究首次提出通过调控非饱和砒砂岩含水量（14%-18%为最优）和混合法制备土体骨架，显著提升MICP效果：

1. 结构优化：混合法形成的团聚体骨架扩大孔隙通道，促进细菌扩散，钙晶体分布均匀性提高，抗压强度提升近9倍；
2. 矿物协同：蒙脱石溶解释放结构水，加速Ca²⁺表面扩散，促进方解石（CaCO₃）成核，同时降低砒砂岩遇水膨胀性；
3. 生态价值：为砒砂岩侵蚀治理提供低成本、环境友好的生物加固方案，钙离子利用率达89.9%，优于传统化学材料。

该研究突破MICP技术在细粒土中的应用瓶颈，揭示了土壤结构-微生物-矿物转化的多尺度耦合机制，为类似地质环境生态修复提供理论依据。