《Construction and Building Materials》：Low-viscosity dual-enzyme EICP with biopolymer for deep penetration and remediation of microcrack in cement mortar
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•重组碳酸酐酶SspCA经诱导优化后酶活力达到129.7 U/mL。•CA-脲酶DEICP体系克服了单酶EICP的CO?供应瓶颈。•CMC改性DEICP实现了99.7%的裂缝封堵率、99%的渗透率降低和28.7 kPa的抗拉强度。引言混凝土和水泥砂浆是土木工程中应用最广泛的结
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重组碳酸酐酶SspCA经诱导优化后酶活力达到129.7 U/mL。
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CA-脲酶DEICP体系克服了单酶EICP的CO?供应瓶颈。
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CMC改性DEICP实现了99.7%的裂缝封堵率、99%的渗透率降低和28.7 kPa的抗拉强度。
引言
混凝土和水泥砂浆是土木工程中应用最广泛的结构材料。由于固有的低抗拉强度，这些基体材料在外部荷载、温度变化以及长期环境侵蚀作用下不可避免地会产生微裂纹[1]。裂缝的形成促进了水分和侵蚀性介质的侵入，进而可能诱发钢筋腐蚀和碱-骨料反应[2]。这些劣化机理会损害结构耐久性，最终可能导致灾难性失效，对建筑物构成重大安全风险[3,4]。环氧树脂灌浆和聚合物砂浆是实际工程中用于混凝土裂缝修补的最常用方法[5]。然而，传统化学修补材料存在明显缺陷：它们仅能对微裂纹进行表面级处理而无法渗透到内部，并且可能因有毒化合物的释放而产生环境风险。因此，迫切需要开发创新的高性能、环境可持续的基体材料裂缝修复技术[6]。
微生物诱导碳酸盐沉淀（MICP）是一种研究充分的生物修复技术，可生成CaCO?填充内部孔隙。然而，MICP依赖活体细菌代谢，存在多项工程局限性：严格的氧气和营养供给要求以及缓慢的反应动力学[7]。酶诱导碳酸盐沉淀（EICP）利用碳酸酐酶催化CO?水化并进一步诱导CaCO?矿化，已成为建筑材料领域一种有前景的绿色生物修复技术[8]。与微生物诱导碳酸盐沉淀（MICP）不同，EICP是一种无细胞催化体系，具有操作简单和反应过程稳定等独特优势[9,10]。由于不涉及微生物参与，EICP消除了与微生物增殖相关的生态风险，并减轻了氧气需求等制约因素[11,12]。众多研究已证实EICP能够生成致密的碳酸钙沉淀以填充内部孔隙和裂缝，展现出在基体材料裂缝修复方面的巨大应用潜力[13,14]。
然而，目前EICP研究仍主要局限于实验室规模，多项技术瓶颈限制了其大规模工程推广。首先，大多数天然碳酸酐酶（CA）在复杂现场环境中活性和稳定性较差。其次，基于单CA的EICP体系严重依赖环境CO?浓度，导致矿化率低且对狭窄微裂纹的修复效率不理想。此外，修复液的高流动性往往使其无法在裂缝中滞留，造成大量试剂浪费[15,16]。第三，纯无机碳酸钙沉积物呈现脆性，修复后的裂缝在力学强度和防渗性方面仍存在不足[17]。为解决上述问题，有必要开发高活性酶资源、构建协同矿化体系并引入功能性添加剂，以改善用于混凝土微裂纹修复的EICP工艺。
为克服这些局限性，近期提出了一种将脲酶与CA整合的双酶诱导碳酸盐沉淀（DEICP）策略，通过其互补反应来解决CO?供应瓶颈和单酶体系稳定性差的问题[18]。在该DEICP体系中，脲酶水解尿素产生CO?（同时释放NH?以提升局部pH值），而CA则同时将原位生成的CO?转化为CO?2?以实现CaCO?沉淀。这种序贯耦合确保了碳酸盐供应与碱度升高同步，从而最大化矿化效率并最小化气态CO?损失。沉淀的CaCO?可与粗糙的裂缝壁产生机械咬合作用，在修复产物与砂浆基材之间提供黏附力[7]。基于此概念，本研究通过三项关键创新进一步开发了一种专为混凝土裂缝修复定制的高性能复合EICP体系：构建重组CA菌株并系统表征重组CA的酶学特性；采用气扩散反应体系探究pH值、钙离子浓度、酶用量及钙源对单酶矿化效率的影响；针对单CA对CO?的依赖性，建立了一种新型CA-脲酶DEICP体系以提高生物矿化效率；此外，将三种典型生物高分子与DEICP体系结合，旨在提高修复后裂缝的力学强度和耐水性，同时增加修复液的黏度以改善其在裂缝中的滞留能力。通过裂缝封堵率、抗拉强度和水渗透率测试综合评估修复效果，并利用XRD、SEM和FTIR分析修复产物的相组成、微观形貌和化学结构，以揭示酶催化与生物高分子改性的协同修复机理。本研究旨在为水泥砂浆微裂纹修复开发一种高效复合EICP体系并奠定理论基础。
章节摘要
菌株与质粒
重组表达体系采用大肠杆菌DH5α作为克隆宿主和大肠杆菌BL21(DE3)作为表达宿主，使用pET-28a(+)作为表达载体。CA基因来源于嗜碱菌株芽孢杆菌DCG02（CCTCC NO: M 20222037）和黄石硫氢杆菌，而脲酶产生则由耐碱细菌 Pasteuriaureacasea DC419（CCTCC NO: M 20222038）实现。S. yellowstonense菌株已被分离并获得
重组菌株的构建与验证
成功构建了四种重组大肠杆菌菌株（BL21/pET-28a-D1/D3/D4/SspCA），并通过PCR扩增和测序予以确认（图5）。SDS-PAGE分析（图6）验证了全部四种目标碳酸酐酶（CA）的成功可溶性表达，其分子量与理论值一致（D1: 23.9 kDa，D3: 24.6 kDa，D4: 23.2 kDa，SspCA: 32 kDa）。值得注意的是，SspCA菌株表现出最高的可溶性蛋白产量，具有清晰的条带
结论
本研究成功构建了高活性重组碳酸酐酶菌株，经诱导优化后酶活力达到129.7 U/mL。建立了结合生物高分子的CA-脲酶DEICP体系用于水泥砂浆微裂纹修复。两种酶的协同效应显著提高了生物矿化效率，羧甲基纤维素钠（CMC）进一步优化了矿化产物的微观结构，形成了致密的有机-无机复合材料
作者贡献声明（CRediT）
涂元哲：原稿撰写、可视化、验证、调查、形式化分析、数据整理、概念构思。姚宇威：可视化、验证、调查、数据整理。张博元：可视化、调查、形式化分析。刘晓萌：可视化、调查、形式化分析。马江峰：审阅与编辑、指导、资源、项目管理、资金支持、概念构思。陈科泉：审阅与编辑，
利益冲突声明
作者声明不存在已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。
致谢
本研究得到江苏省基础研究计划（2025CSJZN01400）和中国先进生物制造江苏协同创新中心的支持。
涂元哲｜姚宇威｜张博元｜刘晓萌｜马江峰｜陈科泉
