热带根瘤菌胞外多糖改良密西西比河堤坝黏土表面特性及整体土壤性能的研究

全球气候变化加剧极端洪水事件，堤坝稳定性面临严峻挑战。美国陆军工程师研发中心团队创新性利用热带根瘤菌(Rhizobium tropici)胞外多糖(EPS)改良密西西比河堤坝黏土，研究发现EPS通过形成黏土-EPS复合物显著增大颗粒粒径(增幅达28.6 μm/g EPS)，降低zeta电位(-0.052 m2/mg EPS)，使液限提升30.3%(56.7%→73.9%)，渗透系数降低1个数量级，为生态友好型堤坝加固提供新策略。

　　

随着全球气候变化导致极端洪水事件频发，堤坝溃决风险日益加剧。美国陆军工程师研发中心(US Army Engineer Research and Development Center, ERDC)的研究团队发现，传统工程材料在生态可持续性方面存在局限，而微生物产生的胞外多糖(Exopolysaccharides, EPS)因其独特的胶结特性可能成为新型环保加固剂。这项发表在《Soil Biology and Biochemistry》的研究，首次系统揭示了热带根瘤菌(Rhizobium tropici)EPS对密西西比河堤坝黏土的改良机制。

研究人员采用多尺度表征技术，通过X射线衍射(XRD)确认堤坝黏土以蒙脱石(montmorillonite)为主，结合激光粒度分析、zeta电位测定、比表面积测试(WBET)等物理表征方法，以及阿太堡界限测定、标准击实试验和恒应变率固结试验(CRS)等工程测试，系统评估了EPS对黏土特性的影响。

研究结果显示，EPS通过"桥接效应"显著增大黏土颗粒粒径，每克EPS可使平均粒径增加28.6 μm。zeta电位分析揭示EPS通过羧基(-COOH)基团改变表面电荷特性，在0.06 g/g临界浓度后出现电荷屏蔽效应。比表面积测试表明EPS使黏土表面面积从35.6 m²/g降至12.4 m²/g，同时平均孔径增大至30 nm。工程性能测试中，1% EPS处理使液限(LL)从56.7%提升至73.9%，塑性指数(PI)从37.2增至54.9，渗透系数降低一个数量级。扫描电镜(SEM)直观显示EPS处理后的土壤气孔率显著降低，傅里叶变换红外光谱(FTIR)在1032 cm^-1处的Si-O振动峰变化证实了EPS-黏土相互作用。

该研究证实EPS通过三重机制提升堤坝稳定性：微团聚体形成增强抗侵蚀能力，孔隙结构优化降低渗透性，塑性提升改善变形适应性。这种生物聚合物改良技术为应对气候变化下的堤坝工程挑战提供了可持续解决方案，其降低维护成本、减少环境影响的特性，在防洪基础设施领域具有广阔应用前景。未来研究需进一步考察EPS在不同环境条件下的长期稳定性，以及大规模田间应用的可行性。