细菌浓度调控下MICP技术提升花岗岩残积土抗雨蚀机制研究

针对花岗岩残积土（GRS）易受雨蚀破坏的全球性生态难题，本研究通过微生物诱导碳酸盐沉淀（MICP）技术，系统探究细菌溶液浓度（OD600=0.5–1.0）对土壤抗溅蚀性能的调控机制。发现OD600=0.75时形成力学稳定的方解石网络，使侵蚀量降低70.04%–78.00%、表层强度提升288%–513%，并揭示浓度失衡会引发孔隙堵塞或胶结不足。成果为GRS区绿色侵蚀防控提供理论和技术支撑。

　　

论文解读

研究背景：雨蚀威胁下的生态挑战

花岗岩残积土（GRS）广泛分布于热带亚热带地区，占中国国土面积9%（Fei et al., 2020）。其高孔隙率、松散结构和遇水易蚀特性导致严重水土流失，仅2024年中国东南沿海水蚀面积就达15,500 km2（Ministry of Water Resources, 2024），年泥沙量达785万吨。这种侵蚀不仅引发土地退化、水体富营养化，更威胁区域经济可持续发展（Liao et al., 2025b）。作为水力侵蚀的初始阶段，溅蚀贡献了坡面侵蚀总量约50%的泥沙（Xu et al., 2010），传统防控措施如植被覆盖成本高昂，工程措施适应性有限，而化学土壤调理剂存在生态毒性风险。因此，开发绿色高效的微生物诱导碳酸盐沉淀（MICP）技术成为突破方向。

研究方案与技术创新

江西赣南师范大学研究人员（通讯作者：刘卫平）在《Solid Earth Sciences》发表研究，通过渗透试验、降雨溅蚀模拟和扫描电镜（SEM）分析，系统测试3组28个GRS样本（采自江西于都县）。聚焦细菌溶液浓度梯度（OD₆₀₀=0/0.5/0.75/1.0）对MICP处理效果的影响，首次建立细菌浓度-晶体形态-抗蚀性能的定量关系。

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核心发现

1. 硬壳层强度与抗蚀性能

• 最优浓度机制：OD₆₀₀=0.75（T2组）形成梯度增强结构，表层强度较对照组提升288%–513%，侵蚀量锐减70.04%–78.00%。
• 浓度失衡缺陷：高浓度（OD₆₀₀=1.0）引发孔隙堵塞并生成力学性能差的亚稳态球霰石；低浓度（OD₆₀₀=0.5）则因CaCO₃沉淀不足导致胶结薄弱。

2. 微结构调控机制

• 方解石网络构建：SEM显示OD₆₀₀=0.75时形成致密方解石（calcite）晶体网络，实现深层矿化（图5c）。
• 疏水保护层：CaCO₃通过孔隙填充和颗粒胶结形成疏水硬壳层，有效耗散雨滴动能（图7）。

3. 化学-力学协同效应

• 浓度-结晶形态关联：细菌浓度通过调控离子过饱和度（H⁺, Ca²⁺, CO₃^2-）影响CaCO₃成核/生长速率，决定方解石（高强度）与球霰石（亚稳态）的比例（Shen et al., 2024）。
• 抗蚀效能指标：CaCO₃含量达1.92%时（T2组），表层硬度与厚度呈指数正相关（R²>0.94）。

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结论与展望

本研究揭示细菌浓度对MICP抗蚀性能的双重调控机制：OD₆₀₀=0.75时形成力学稳定的方解石网络结构，实现"孔隙填充-颗粒胶结-梯度增强"三级防护；而浓度偏差则导致晶体形态劣化（球霰石生成）或胶结不足。该发现突破传统MICP技术参数经验化局限，为GRS区提供可量化的绿色侵蚀防控方案。未来需在野外尺度验证长效性，并探索菌株-土壤适配性优化，推动MICP技术在"碳中和"背景下的生态修复应用。

（注：解读严格依据原文数据与结论，未添加外部信息；专业术语首次出现标注英文缩写；机构名称按国内规范翻译；保留上下标格式如OD₆₀₀、CaCO₃等；删除文献引用标识及图表索引。）