本土耐酸芽孢杆菌通过MICP技术强化花岗岩残积土的机理研究：环境适应性优于高脲酶活性菌株

《Scientific Reports》：Strengthening mechanisms of indigenous bacteria in granite residual soil improvement via microbial induced calcite precipitation

本文推荐：针对传统微生物诱导碳酸酸盐沉淀(MICP)技术中Sporosarcina pasteurii菌在酸性土壤环境适应性差的问题，研究人员从本土花岗岩残积土中分离出耐酸菌株Bacillus aryabhattai，通过注浆和喷洒两种加固方式系统比较了其与S. pasteurii的固化效果。研究发现，尽管B. aryabhattai的脲酶活性(36.55 mM/min)略低，但其在pH 6-9和20-40°C范围内表现出更优的环境适应性，促使碳酸钙在土体中分布更均匀，注浆加固试样的无侧限抗压强度(UCS)提升522.68%，下部碳酸钙沉淀量比S. pasteurii处理组高36.22%。该研究为酸性土壤的微生物加固提供了新思路，表明平衡菌株脲酶活性和环境适应性对提升MICP技术应用效果至关重要。

　　

在我国南方山区，花岗岩分布面积占比高达30%-40%，由此形成的花岗岩残积土边坡在降雨作用下极易发生滑坡灾害。这类土壤中富含的钾长石经水解碳化后形成的 kaolinite（高岭石）遇水易软化膨胀，导致边坡失稳。传统锚杆加固和植被护坡等方式存在施工复杂、成本高、陡坡应用受限等问题，迫切需要开发绿色高效的加固新技术。

近年来，微生物诱导碳酸酸盐沉淀(Microbially Induced Carbonate Precipitation, MICP)技术因其环境友好特性受到广泛关注。该技术利用高产脲酶细菌分解尿素，在钙源存在下快速生成碳酸钙(CaCO₃)结晶，有效胶结土壤颗粒。然而，目前广泛使用的Sporosarcina pasteurii（巴氏芽孢八叠球菌）虽具有高脲酶活性，但其作为嗜碱菌在弱酸性环境（如南方花岗岩残积土典型pH值5.3）中适应性较差，严重制约了MICP技术在酸性土壤中的应用。

为解决这一难题，王荣等研究人员在《Scientific Reports》上发表了最新研究成果。他们从武夷山国道237边坡的植被根区土壤中成功分离出一株本土尿素酶产生菌Bacillus aryabhattai，系统比较了其与S. pasteurii的生长特性差异，并通过注浆和喷洒两种加固方式，深入探讨了MICP技术加固弱酸性花岗岩残积土的机理。

关键技术方法包括：通过16S rDNA序列分析鉴定菌种；采用超声速测定、无侧限抗压强度(UCS)测试、直剪试验和崩解试验评估注浆加固效果；通过电阻测定和碳酸钙含量分析评价喷洒加固效果；利用X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)分析矿物组成和微观结构。

3.1 细菌鉴定与生长特性

分离的Bacillus aryabhattai在OD₆₀₀=1.543时脲酶活性为36.55 mM/min，虽比S. pasteurii低6.69%，但诱导生成的碳酸钙均为最稳定的方解石晶型。

生长特性比较显示，B. aryabhattai在20-40°C和pH 6-9范围内均能良好生长，而S. pasteurii仅适30-40°C和pH 8-9环境。特别是在pH=6的弱酸性条件下，S. pasteurii需约30小时滞后期才能进入正常生长期，而B. aryabhattai能快速适应。

3.3 注浆加固效果分析

注浆加固试样测试表明，B. aryabhattai处理组(Z1)的超声波速(1209 m/s)和UCS(1.675 MPa)分别比S. pasteurii处理组(M1)高9.12%和17.79%。剪切试验显示，Z2组黏聚力(154.60 kPa)和内摩擦角(52.72°)均高于M2组。崩解试验中，B. aryabhattai处理组经历6次干湿循环后仍保持较高完整性，表明其加固效果更持久。

3.4 喷洒加固效果分析

喷洒加固14天后，B. aryabhattai处理区域(III)电阻值为752.150 Ω，比对照组(II)降低79.79%。碳酸钙含量分析显示，III区下部碳酸钙含量达6.28%，较S. pasteurii处理区(I)的4.61%高出36.22%。SEM观察发现，B. aryabhattai生成的碳酸钙呈三角锥形紧密堆积，而S. pasteurii产生的方解石晶体分布较为松散。

3.5 加固机理与讨论

研究揭示了菌株环境适应性对MICP效果的重要影响。在弱酸性土壤中，S. pasteurii因漫长的适应期导致其在土体下部分布不均，高脲酶活性反而促使碳酸钙在上部过度沉淀，形成"一维特性"加固。而B. aryabhattai能快速适应酸性环境，其在土体中均匀分布确保了碳酸钙沉淀的均匀性，这是其加固效果更优的关键。

该研究首次系统比较了本土菌株与模式菌在酸性土壤MICP加固中的性能差异，证实平衡脲酶活性和环境适应性对提升加固效果的重要性。未来需开展现场试验验证该技术在真实边坡环境下的耐久性，特别是考虑干湿循环、酸雨等南方典型环境因素的影响。这项研究为MICP技术在酸性土壤加固中的推广应用提供了重要理论依据和实践指导。