Bacillus cereus与Bacillus subtilis菌株固定化对生物地质聚合物砂浆性能的增强机制及自修复效应研究

本研究针对传统水泥基材料易开裂、耐久性差的问题，创新性地将7种Bacillus菌株（3种B. subtilis和4种 B. cereus）固定于沸石骨料中，用于增强地质聚合物砂浆的物理力学性能与自修复能力。结果表明，B. subtilis DSM 5660使吸水率和孔隙率分别降低60.40%和53.65%，并通过CaCO3 沉淀实现175.7 μm裂缝的完全愈合，为绿色建筑材料的开发提供了新策略。

　　

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地质聚合物（Geopolymer）作为传统波特兰水泥的环保替代品，近年来因其低碳排放和优异耐久性备受关注。然而，与水泥基材料类似，地质聚合物仍面临微裂纹导致的渗透性增加、耐久性下降等问题。常规修复方法成本高昂且不可持续，而微生物诱导的碳酸钙沉淀（Microbially Induced Calcium Carbonate Precipitation, MICP）技术为自主修复提供了新思路。尽管细菌在水泥基材料中的应用已有研究，但针对地质聚合物体系的系统性探索仍属空白。

为突破这一局限，来自阿克德尼兹大学分子微生物学实验室的研究团队开展了一项创新研究，比较了3种Bacillus subtilis（包括DSM 5660标准菌株及Erz-21、Erz-23本地分离株）和4种Bacillus cereus菌株（含ATCC 13061等标准菌株及Ank-23本地分离株）对地质聚合物砂浆性能的影响。研究成果发表在《Next Materials》上，揭示了细菌固定化技术对材料性能的显著提升作用。

研究采用沸石颗粒（0.5-3 mm）作为细菌载体，通过40°C 24小时孵育实现微生物固定化。地质聚合物以硅灰（SF）和F级粉煤灰（FA-F）为粘结剂，10 M NaOH与Na₂
SiO₃
（体积比1:1）为碱激活剂。通过流动度测试、孔隙率测定、毛细吸水试验及光学显微镜观察等系列方法，系统评估了细菌对材料性能的影响。

物理性能方面，B. subtilis DSM 5660表现出最优异的孔隙填充效果，使吸水率和孔隙率分别降低至14.19%和14.69%，较对照组改善超50%。沸石固定化技术避免了细菌在混合过程中受损，同时保持砂浆流动度（S4级）不受影响。

力学性能研究显示，虽然细菌掺入未显著提升抗压强度（B. subtilis Erz-23组最高为9.32 MPa），但应力-应变曲线表明所有含菌样品均表现出更优异的延展性。B. subtilis菌株尤其展现出明显的"桥接效应"，能有效阻止微裂纹扩展，使韧性值显著提高。

耐久性测试证实，B. subtilis Erz-23使毛细吸水系数降低32.71%，极大增强了材料抗渗透性。通过计算机断层扫描（CT）观察到沸石颗粒在基体中的均匀分布，确保了裂缝修复的全面性。

自修复效果通过光学显微镜直观呈现：B. subtilis DSM 5660在14天内完全修复175.7 μm宽裂缝，B. subtilis Erz-23组也显示出沿裂缝长度的连续愈合。这种修复能力源于细菌代谢产生的CaCO₃
沉淀，其形成过程受沸石保护的细菌在裂缝遇水后被激活。

该研究首次系统比较了不同Bacillus菌株在地质聚合物中的性能差异，证实B. subtilis DSM 5660和Erz-23在孔隙填充和裂缝修复方面具有突出优势。通过创新的沸石固定化技术，解决了细菌在高碱环境中存活率低的关键难题。研究成果为开发具有自修复功能的绿色建筑材料提供了重要理论依据和实践指导，对延长建筑结构寿命、减少维护成本具有重要应用价值。未来研究可进一步探索长期性能表现及细菌在硬化基体中的存活动力学，推动该技术向实际工程应用转化。