聚天冬氨酸与聚赖氨酸协同增效微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）用于沙土固结的机制与应用研究

本研究针对沙漠化治理中沙土工程性能差的问题，创新性地采用聚天冬氨酸（PAsp）和聚赖氨酸（PLys）双肽添加剂协同优化微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）技术。通过电荷互补效应，PAsp螯合Ca2+促进成核，PLys桥接微生物与沙粒，使固化沙样的无侧限抗压强度（UCS）提升212.50%，CaCO3含量增加68.43%，渗透性降低57.28%，为生态友好型土壤加固提供了新策略。

　　

研究背景与意义
全球沙漠化面积已占陆地面积的41%，中国荒漠化土地达58.7万平方公里，而传统沙土加固方法如动力压实、化学灌浆等存在高能耗、污染环境等问题。微生物诱导碳酸钙沉淀（Microbially Induced Carbonate Precipitation, MICP）技术通过微生物代谢产生的脲酶分解尿素生成CO₃^2?，与Ca²⁺形成CaCO₃沉淀，实现沙粒胶结。然而，传统MICP存在氨排放污染、钙源成本高（如CaCl₂）及结晶效率低等瓶颈。

研究设计与方法
南京林业大学团队创新性地提出联合使用聚天冬氨酸（PAsp，阴离子型）和聚赖氨酸（PLys，阳离子型）作为双肽添加剂，利用PAsp的羧基螯合Ca²⁺、PLys的氨基桥接微生物与沙粒的特性，系统优化MICP工艺。研究采用石灰石废料制备的醋酸钙（成本降低32%），通过环境扫描电镜（ESEM）和X射线衍射（XRD）分析晶体形貌与相组成，结合渗透系数、干密度及无侧限抗压强度（UCS）测试评估性能。

研究结果

1. 沙粒特性分析：腾格里沙漠沙粒粒径0.106–0.178 mm占91.35%，均匀系数Cu=1.33，属级配不良土，初始渗透系数1.02×10^?3 m/s。
2. 双肽协同效应：PAsp:PLys为5:5时，CaCO₃含量达14.99%（较无肽组+68.43%），UCS提升212.50%，渗透系数降低65.27%。
3. 晶体调控机制：XRD显示沉淀以球霰石（vaterite）为主，含少量方解石（calcite）；ESEM证实5:5比例下CaCO₃均匀包覆沙粒，界面结合紧密。
4. 成本效益：仅增加3%处理成本，干密度提高25.65%，醋酸钙使用使材料成本降低32%。

结论与展望
该研究首次揭示了PAsp与PLys通过电荷互补调控CaCO₃结晶的协同机制，5:5比例实现最优力学性能与生态效益。其意义在于：（1）为沙漠公路边坡、堤坝加固提供可规模化应用的绿色技术；（2）拓展生物矿化理论在多肽-微生物互作领域的认知。未来需验证 Vaterite 的长期稳定性，并探索多肽-菌群协同的分子机制。

技术方法概要
研究采用醋酸钙-尿素胶结液（1:1体积比），以Sporosarcina pasteurii（ATCC 11859）为菌种，通过恒水头法测渗透系数，酸洗法测CaCO₃含量，UTM6503电子万能试验机进行UCS测试，结合ESEM/XRD表征微观结构。