低成本钙源在微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）中的应用评估：对可持续生物胶结技术的启示

《Results in Engineering》：Evaluation of Low-Cost Calcium Sources for Microbially Induced Calcite Precipitation (MICP): Implications for Sustainable Bio-Cementation

本研究评估了三种低成本钙源（农业肥料Calci-Bor/Calci-Carb和石油化工废液）在微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）中的可行性。实验表明，CaCl?对照组沉淀量280-300 mg/100 mL，而Calci-Carb和废液分别达到610-690 mg/100 mL，显著提升钙碳酸盐产量。XRD分析显示三者均以纯度>95%的方解石为主，但晶体形态不同：CaCl?形成致密球状晶体，Calci-Carb为不规则碎片，废液为细粉状。经济性评估表明，Calci-Carb单位成本最低（0.0131 USD/g），废液虽效率稍低但成本优势显著（0.0330 USD/g）。Calci-Bor因硼毒害导致无沉淀。研究证实替代钙源在环保和经济性上具有潜力，但需注意材料杂质对晶体形态的影响。

　　微生物诱导方解石沉淀（MICP）是一种可持续的生物胶结技术，利用尿素分解细菌产生碳酸钙，从而增强颗粒介质的机械性能。然而，当前MICP技术依赖于高纯度化学级钙源，如氯化钙（CaCl?），这不仅增加了生产成本，还限制了其大规模应用。本研究旨在评估三种特定且低成本的钙源——农业肥料Calci Bor、Calci Carb以及来自石油化工设施的钙丰富液体废料——作为CaCl?的替代品在MICP中的可行性。实验使用了Sporosarcina pasteurii，在标准化培养条件下（OD??? ≈ 1.0；37°C；16小时）进行。重量分析表明，Calci Carb和石油化工废料分别达到了610–690 mg CaCO?/100 mL，是CaCl?对照组（280–300 mg）的2.3–2.5倍。相比之下，Calci Bor几乎不产生沉淀，这可能是由于硼酸毒性以及钙离子生物可利用性有限所致。显微镜分析揭示了不同的形态特征：CaCl?形成的致密球形颗粒，Calci Carb产生的不规则碎片晶体，以及废料产生的细粉末颗粒。X射线衍射（XRD）确认了方解石（>95 wt%）为主要相，而废料衍生产物中检测到了少量石英。结果表明，其中一种农业肥料和研究的工业废料可以作为MICP的有效钙源。这些替代材料经济可行且低碳，为更可持续的生物胶结方法提供了可能性。此外，它们通过利用工业副产品促进了废物再利用。通过减少对高纯度化学试剂的依赖，它们符合日益增长的可持续和成本效益解决方案在地基改良工程中的需求。

在土木工程领域，处理存在问题的土壤，特别是容易发生液化和过度沉降的松散颗粒沉积物，具有至关重要的意义。传统上，土壤改良问题通过各种机械和化学地基改良技术得到解决，如动力压实、碎石柱、深层土壤搅拌和水泥浆注浆。然而，这些传统方法正因高能耗、显著的温室气体（GHG）排放和地下水污染风险而受到质疑。值得注意的是，普通波特兰水泥（OPC）的生产，作为注浆中的主要成分，估计占全球人为二氧化碳排放的5-8%。考虑到这些问题，MICP作为一种可持续替代方案，正在成为土壤工程性质增强的首选方法，其环境影响远低于传统方法。MICP的工程效果与沉淀的碳酸钙多形密切相关，其中方解石是最常见的多形。具体多形——无论是方解石、文石还是球霰石——都会显著影响生物处理的性能。这种结果取决于所选的钙源以及尿素水解过程中的代谢途径。

碳酸钙主要存在于三种多形形式中：方解石、文石和球霰石。在MICP过程中，不同碳酸钙多形的成核和生长机制受到多种生化和物理化学因素的影响。在尿素水解产生的碳酸盐过饱和条件下，球霰石由于其快速、动力学驱动的成核过程，通常会首先沉淀，尤其是在细菌细胞壁和胞外聚合物的表面。这种亚稳态相可以通过溶液介导的再结晶转化为文石或方解石，这与Ostwald的阶段规则一致。文石通常在富含Mg2?和Sr2?的环境中或在高温（>30°C）下优先形成，因为这些条件增强了其正交晶格的稳定性。相反，方解石是标准环境条件下最稳定的相，当碳酸盐过饱和适中且有足够时间让晶体重新排列成菱面体结构时，方解石会成为主导形式。从工程角度来看，富含方解石的沉淀物能形成更强的颗粒间胶结键，这归因于其相对较低的溶解度（Ksp ≈ 3.3 × 10??）和更致密的晶体排列。

球霰石的高溶解度和多孔微观结构通常会导致长期强度保持能力下降。文石虽然性能中等，但最终可能转化为方解石，从而增强现场的耐久性。最稳定的方解石相因其三斜晶系晶体结构而被优先用于建立土壤颗粒间的强胶结键。另一方面，球霰石，一种亚稳态六方多形，由于其高溶解度，会形成较弱的颗粒间键，可能导致工程改进效果不足。文石以其正交晶系结构而闻名，稳定性低于方解石，但可以承受一定的温度和压力条件。

这种复杂性突显了在MICP过程中对碳酸钙多形的深入理解的重要性。沉淀的晶体形态对MICP处理土壤的长期耐久性和机械性能有显著影响。具体而言，富含方解石的沉淀物表现出更高的无侧限抗压强度（UCS）、在循环荷载下更好的刚度保持能力，以及比以文石或文石为主的土壤更低的水力传导性。这些操作特性主要归因于方解石的低溶解度和更致密的晶体结构，这有助于在变化的水-化学条件下建立稳固的胶结键。值得注意的是，在以球霰石为主导的工程条件下，抗压能力会随时间下降。相反，文石会随着时间的推移转化为方解石，导致微结构的轻微重组。支持这一观点的是，现场和实验室研究都强调了最大化方解石含量以实现处理土壤的最优耐久性和水力性能的重要性。

尽管实验室环境下MICP已显示出显著的效果，但其广泛应用和商业化面临两个主要障碍：初始成本较高和性能不确定性。对高纯度钙源的依赖，如纯氯化钙，显著增加了整个过程的总体成本，使得该地基处理方法相比其他技术缺乏成本效益。这些挑战促使研究者探索两种策略：在循环经济框架内实现废物再利用，以及寻找环保且低成本的钙源。核心策略是用低成本、富含钙的工业副产品和农业改良剂，以及钙丰富的肥料来替代昂贵的原料。近年来，研究已显示出替代钙源的前景，包括水泥窑灰、粉煤灰、钢渣、大理石粉和蛋壳废弃物。转向使用环保肥料和工业废料作为钙源不仅提高了成本效率，还带来了显著的环境效益。使用这些替代材料可以降低运营成本，同时解决废物管理问题，从而减少对土壤和水体的污染风险。此外，这种方法强化了MICP作为一种低碳替代方案。

生命周期评估（LCA）表明，与传统化学钙源相关的碳足迹很大一部分来自这些材料的生产和运输。用环保肥料或工业废料替代传统钙源对于减少废物处置过程中的温室气体排放至关重要。这一转变不仅增强了整个过程的可持续性，还可能带来轻微或负的碳足迹。虽然已有许多研究比较了不同的钙源，但很少有研究明确探讨了替代源（如肥料和石油化工废料）的化学性质和离子组成如何影响碳酸钙多形的形成，以及由此产生的处理土壤的机械和耐久性性能。此外，试剂级CaCl?相关的财务和环境成本对MICP的实际应用构成了重大障碍。之前关于肥料级输入和工业废料的研究显示出潜力，但往往在三个关键方面存在不足：（i）在标准化生化条件下进行严格的对比实验；（ii）对碳酸钙多形的全面定量分析；（iii）明确且可重复的单位钙含量成本分析。

此外，许多研究仅从矿物学评估中推导出地质工程意义，未能提出具体的、可测试的假设，关于产量和相组成。为了解决这些差距，假设了以下几点：（i）等摩尔Ca2?–尿素条件会因共离子相互作用影响尿酶动力学和成核密度，导致经济型钙源的CaCO?产量显著不同；（ii）方解石将是成功处理中的主要多形，其变化由源化学性质决定；（iii）在单位Ca2?的生产成本上，至少有一个成本效益源将展示出经济优势，同时确保相纯度不被妥协。

基于此，本研究的主要目标是严格评估两种农业肥料和一种石油化工行业钙丰富的液体废料作为MICP的替代、经济且可持续的钙源的可行性。这项研究旨在建立一个实际框架，将环境负债转化为可持续的工程解决方案，同时减少与地基改良技术相关的成本和碳排放。特别地，本研究旨在：

- 评估两种特定农业肥料和一种石油化工行业钙丰富的液体废料作为MICP的可行、低成本和可持续钙源的可行性；
- 量化不同源在细菌活动期间产生的碳酸钙量；
- 确定沉淀物的多形类型（方解石、文石、球霰石）及其对土壤稳定性的意义；
- 通过显微镜检查沉淀物的形态，以验证胶结潜力；
- 讨论将传统氯化钙替换为研究的替代源在环境和经济上的好处。

这些目标将通过量化细菌活动期间产生的碳酸钙、进行沉淀物形态的显微镜检查、执行X射线衍射分析，以及基于市场数据讨论经济优势来评估。以下部分详细描述了材料、细菌培养和实验方法，以实现研究目标。

实验采用Sporosarcina pasteurii IBRC PTCC 1645菌株，这是一种来自伊朗生物资源中心（IBRC，德黑兰，伊朗）的非致病性尿素分解细菌，因其在尿素转化为铵和二氧化碳过程中促进碳酸钙沉淀的高效性而被选用。为了确保实验的可靠性和可重复性，工业石油化工钙丰富的液体废料采用了实用的质量保证协议。每一批次都来自固定的生产线上，由供应商提供稳定的配方记录，以最小化与操作变化相关的可变性。收到后，批次被检查以确保清晰度和无沉淀物，并测量pH值和电导率（EC），以验证是否符合预定义的操作范围（pH：7.5–8.2；EC：45–55 mS cm?1）。钙浓度通过供应商数据和文献报告的相似废料的组成进行推断，确保在Ca2?含量的接受窗口±5%内的一致性，以及其他主要离子成分（Mg2?、Na?、Cl?、SO?2?）的±10%内。超出这些范围的批次被排除在实验之外。评估基于碳酸钙多形的特性。为了比较，使用MERCK 102378提供的无水氯化钙粉末作为基准。

研究结果表明，Calci Carb肥料和石油化工废料作为替代钙源，其碳酸钙产量显著高于基准CaCl?（280–300 mg），分别达到了610–690 mg/100 mL。尽管试剂级CaCl?的分子结构具有更高的钙含量，但MICP中碳酸钙沉淀的总体效率并不完全由钙离子的绝对浓度决定。Calci Carb和石油化工废料显著的产量提升可以归因于多种物理化学和微生物因素。这两种替代源含有促进Sporosarcina pasteurii尿素分解活性的共离子和营养成分（如Calci Carb中的硝酸盐；石油化工废料中的铵、Mg2?、Fe2?/Fe3?和溶解的二氧化硅），从而加速尿素水解和碳酸盐的产生。此外，这些源中较低的氯负荷减轻了对细菌代谢的渗透和抑制影响，而高浓度的CaCl?中的氯离子可能会抑制尿酶动力学和细胞活性。营养补充和离子介导的成核共同促进了更快速的过饱和度达到，进一步推动了沉淀速率。然而，在Calci Bor的存在下，没有观察到碳酸钙沉淀。这一结果可直接归因于硼对尿素分解细菌活性的抑制作用，特别是对Sporosarcina pasteurii的影响。硼通常以硼酸或硼酸盐的形式存在，已被证明会通过结合或阻塞关键的催化位点来干扰细菌的尿酶活性，从而抑制尿素水解。这种毒理学效应与基因组和生化证据一致，表明Sporosarcina pasteurii和其他Bacillus spp.缺乏强大的硼耐受机制，只有少数特殊菌株如Lysinibacillus boronitolerans表现出适应性耐受。因此，在Calci Bor环境中，细胞活性和碳酸盐离子的产生显著减少，尽管钙离子浓度充足，也无法促进晶体成核。这种机制理解强调了所观察到的零沉淀的生物学有效性，并突显了在MICP应用中选择不含抑制性共离子的钙源的重要性。

为了评估钙源对碳酸钙沉淀的影响，采用了一元方差分析（ANOVA）和Tukey的诚实显著性差异（HSD）后验检验进行所有成对比较。在所有处理中，F值的大小无疑被Calci Bor组放大，其中在三个独立生物重复中均未观察到碳酸钙沉淀。这些零产量的结果代表了一个真实的、可重复的生物学现象，而不是测量误差或统计异常值。沉淀的缺失与硼对尿素分解细菌活性的已知抑制作用以及随后的生物可利用钙的显著减少相一致，使得这些零值成为机制性指标，而非极端噪声。排除Calci Bor后的重新分析仍显示剩余钙源之间存在高度显著的差异，F (2,6) = 382.2，p < 0.0001，η2 partial = 0.9938，从而确认观察到的性能排名是有意义的，并且独立于Calci Bor处理。随后的Tukey’s HSD后验比较（详见表4）进一步通过揭示Calci Carb肥料和工业化学废料处理显著高于对照CaCl?组（p < 0.0001，两者均增加约378 mg和367 mg）来支持ANOVA的发现。

值得注意的是，Calci Carb和工业废料之间未检测到显著差异（平均差异=10.33 mg CaCO?；95% CI [–32.82, 53.49]；p = 0.8672），表明尽管它们的化学组成不同，但生物胶结潜力相当。这些替代源的增强产量可能源于刺激细菌代谢的共离子（如Calci Carb中的硝酸盐和废料中的铵），这些共离子可以协同加速尿酶活性和碳酸盐的可用性。这些两个高表现处理之间无显著差异的比较重点从产量数量转向质量方面，如晶体尺寸分布、多形纯度和处理矩阵中的结合效果。这与先前报告一致，即除了沉淀质量外，方解石沉淀的微观结构特征决定了MICP稳定材料的机械耐久性和水力性能。

总之，定量评估显示，Calci Carb肥料和石油化工废料的碳酸钙沉淀量显著高于对照CaCl?（280-300 mg），归因于有益的共离子和营养成分增强了尿酶活性和成核。相比之下，Calci Bor由于硼对细菌尿酶的抑制作用而未产生沉淀。通过一元方差分析和Tukey’s HSD的统计分析确认了这些差异的显著性（p < 0.0001），突显了钙源选择在优化MICP效率中的重要性。

在显微镜评估中，研究发现，在三种测试钙源（包括两种替代和对照组）中，碳酸钙沉淀在整个MICP过程中都得到了一致的观察。沉淀的形态、尺寸和密度显著影响其在增强地质材料中的效能。为了全面评估这些特性，使用光学显微镜在400倍放大倍数下对沉淀物样品进行了分析，并在图7中提供了代表性图像。图7（a）显示了在试剂级氯化钙存在下沉淀的碳酸钙晶体。这些晶体表现出近球形颗粒、高密度和光滑的表面纹理，表明了均匀的晶体生长。观察到的较大晶粒尺寸表明了快速成核过程与随后受限生长的结合。相反，图7（b）展示了使用Calci Carb肥料获得的沉淀晶体。这些晶体的特点是不规则的形态、碎片化和与试剂级氯化钙相比更小的晶粒尺寸。Calci Carb肥料中有机和有机金属添加剂的存在被假定会减缓Ca2?离子的释放速率，从而诱导非均匀的过饱和度分布，促进形成大量、分散的成核位点，具有高比表面积。尽管这种形态可能增强吸附能力和促进后续化学反应，但可能会导致与致密球形晶体结构相比的机械稳定性降低。图7（c）显示了使用石油化工废料作为钙源时观察到的晶体形态。这些晶体以显著的细小且均匀的粒径为特征，呈现出粉末状纹理。石油化工废料中存在多种共离子，包括Mg2?、Fe2?/Fe3?和溶解的SiO?，显著阻碍了传统的晶体生长，从而促进了具有高比表面积的纳米结构的形成。

总体而言，CaCl?产生了致密的近球形晶体，表明了均匀的生长；Calci Carb生成了更细、不规则的碎片，与试剂级氯化钙相比，显示出较低的晶体生长；而废料产生了均匀的细小颗粒，这可能是由于生长抑制的共离子（如Mg2?、Fe2?/Fe3?和溶解的SiO?）。这些结构差异预示了不同的颗粒间结合效率。

XRD分析显示，方解石相的稳定性和吸引力是影响钙源适合MICP过程的关键因素。为了评估所生产材料的相和晶体学特性，进行了X射线衍射（XRD）分析，结果如图8所示。图8（a）表明，对照样品中未观察到石英峰，确认了结果主要为纯方解石，这是由于使用纯氯化钙作为钙源在微生物沉淀碳酸钙过程中形成的。相反，对图8（b-c）的更深入分析显示，来自Calci Carb肥料和工业石油化工废料的样品中存在明显的石英峰，表明存在硅杂质。尽管这些杂质存在，但生成的热力学稳定的方解石使得这些源适合MICP应用。然而，在土地复垦利用MICP的情况下，钙源的选择受到沉淀晶体的尺寸和形状的显著影响，以及形成的多形相的性质。通过使用图8中的数据和表5，应用公式6-8计算了每个钙源沉淀晶体的尺寸，结果如表7所示。结果显示，使用纯氯化钙沉淀的晶体最大，而Calci Carb肥料生成的晶体最小，这与光学显微镜观察一致。显著的晶体尺寸差异预示了不同的颗粒间结合效率。

表7中的数据表明，使用纯氯化钙沉淀的晶体最大，而Calci Carb肥料生成的晶体最小，这与光学显微镜的观察一致。显著的晶体尺寸差异预示了不同的颗粒间结合效率。这些结果表明，除了沉淀量外，方解石的微观结构质量在预期的地质性能（增强剪切强度、刚度和降低渗透性）中起关键作用。

在经济效率方面，基于2025年的全球市场价格预测，研究结果表明，将纯CaCl?替换为农业肥料或工业副产品可以将原料成本降低高达50%。此外，使用这些替代材料，这些通常是工业或农业废物流，可以降低整个过程的碳足迹。这种环境效益源于废物的再利用以及避免与试剂级化学品生产相关的排放。从工程角度来看，这两种替代源不仅具有较低的碳足迹，还可能具有更低的成本（与实验室级盐相比），使其成为可持续地基改良的可行选项，前提是化学成分和生物相容性得到适当控制。

Calci Carb和工业废料在碳酸钙产量和多形纯度方面显著优于实验室级CaCl?，展示了它们作为低碳、成本效益的替代源的潜力。相反，Calci Bor中的硼对MICP过程是不利的。建议的未来研究方向旨在解决工程适用性方面的差距，从而进行现场规模验证和扩展。