微生物诱导碳酸盐沉淀与黑麦草联合抑尘及生态修复实验研究

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Experimental Study on Combined Dust Suppression and Ecological Restoration by Microbially Induced Carbonate Precipitation and Ryegrass

　　

摘要

微生物诱导碳酸盐沉淀（MICP）与植物结合具有抑制粉尘并促进矿区生态修复的潜力，但关键工艺参数对联合效应的影响尚不清楚。本研究采用正交实验评估了钙源类型、Ca²⁺ 浓度和播种量对抗风蚀性能和植物生长特性的影响。最佳组合为 0.1 mol/L 的 CaCl₂ 和 9 g/m² 的播种量，这既促进了黑麦草的良好发芽，又增强了抗风蚀能力。MICP-植物处理形成了厚度为 1.70 cm 的致密固结层，将风蚀质量损失率降低至 1.12%。MICP 和黑麦草的联合应用在抗风蚀方面表现出互补机制。MICP 过程通过填充孔隙和用水合碳酸钙胶结颗粒实现了微尺度土壤固结，同时也为植物提供了生长基质。植物根系的加固弥补了 MICP 表层固结的不足，根际微生物过程也驱动了持续的土壤固结。此外，MICP-植物处理使土壤 pH 值接近中性（7.08），增加了有机质和有效养分含量，并改变了微生物群落结构。这些发现为矿区的防尘和生态修复策略提供了理论依据。

引言

随着现代经济发展的需求，煤炭资源正被大规模开采。作为采矿过程中产生的固体废物集中存储区，废石堆由松散堆积的剥离表土、废石和尾矿组成。据统计，用于堆存地表岩石和土壤的外部排土场面积约为挖掘场面积的 1.50 倍[1]。在干旱和强风等自然外力作用下，这些堆场容易产生粉尘。这种粉尘污染降低了大气能见度，促进酸雨形成，退化生态系统[2]，并威胁人类健康[3]。因此，快速抑尘和生态修复对于保护矿山环境和确保安全生产至关重要。

为了解决矿山粉尘问题，常用方法之一是植物修复[4]。植物为土壤提供机械和水文保护[5]。植物根系固定土壤颗粒并增强表面硬度[6]。植物遮挡土壤表面免受风和水侵蚀，减少径流速度[7]，保持水分[8]，保护土壤结构[9]，并提高养分有效性[10]。例如，Song 等人发现，暴雨期间裸露坡面的土壤侵蚀量达到 2.20 kg，而加固了土工格室和植被的坡面侵蚀量小于 0.50 kg [11]。Bordoni 等人观察到，与裸露坡面相比，具有交替和永久草覆盖的葡萄园坡面安全系数分别增加了 3.50 倍和 2.00 倍 [12]。Babür 等人证明，植物绿希尔通过增加表层土和亚表层土的粘粒比例、分散比和团聚体稳定性指数，改善了土壤物理化学性质、微生物特性和可蚀性指标 [13]。因此，这些发现表明植被恢复是防止土壤侵蚀和改善土壤结构的有效方法。然而，植物生长受到土壤条件和环境因素的限制。土壤通常由高迁移性的细颗粒组成，易受风蚀。这一特性限制了植物生长和定植，导致植物恢复缓慢。因此，构建相对稳定的土壤基质可能是解决粉尘排放和实现矿区成功复绿的关键。

微生物诱导碳酸盐沉淀（MICP）技术是一种天然发生的生物矿化过程。其原理是利用天然微生物代谢过程生成 CaCO₃，从而有效胶结颗粒物并填充孔隙[14]。鉴于该反应过程温和且 CaCO₃ 环保，MICP 技术已成为材料裂缝修复[15], [16], [17]、尾矿处理[18], [19], [20]、土壤侵蚀控制和边坡滑坡防治[21], [22], [23] 等多个领域的研究焦点。团队初步研究表明，利用从煤矿和活性污泥中分离的产脲酶微生物制备的微生物抑尘剂，能有效将煤尘和土尘结合成粘性团聚体[24]。因此，它们代表了一种有前景的抑尘方法。MICP 技术形成的矿化层不仅通过稳定地表减少土壤侵蚀并防止粉尘扩散，还为植物定植提供了坚实基础。定植植物的根系可以进一步稳定和改良土壤。地上植物部分防止土壤侵蚀，两者共同实现抑尘和生态修复的双重目标。

目前，大多数关于 MICP 与植物生长兼容性以及土壤稳定性的研究都采用单因素实验设计，仅考察喷涂频率[25]、改性材料用量[26]、胶结溶液浓度[27] 或种植密度[28] 的单独影响。缺乏对多因素优化的系统研究，研究人员尚未建立完整的参数体系。此外，现有研究主要集中在通过 MICP 或植物单独提高土壤机械强度。然而，研究人员很少探索这两种方法联合对土壤结构改良、有效养分增强、酸碱调节或微生物群落富集的影响。而且，大多数关于 MICP-植物技术的相关研究集中在降雨引起的边坡保护，对半干旱矿区抑尘和土壤改良的研究有限。MICP-植物技术在半干旱矿区抑尘和土壤改良方面的应用仍存在空白，需要更全面的系统研究。

综上所述，本研究应用正交实验设计优化 MICP-植物抑尘参数，并系统揭示了 MICP-植物处理改善土壤物理、化学和生物特性的机制。本研究为 MICP 结合植物在矿区抑尘和生态修复中的潜在应用提供了初步实验证据，并为实际应用提供了理论依据。

章节片段

植物与砂土

实验中使用的植物是黑麦草。它具有生物量大、生长快、分布广和密集的纤维状根系等特性，使其能够适应半干旱矿区的荒芜环境[29]。种子的基本特性见表 1。土壤采集自内蒙古的一个矿区。按照《GB/T 50123—2019 土工试验标准》测量土壤的基本物理性质，相应的测试结果如下

风蚀抗性能分析

图 2 显示，随着微生物抑尘剂中 Ca²⁺ 浓度的增加，平均风蚀质量损失率降低。S1 组表现出最低的质量损失率（图 2A；图 SI 1A）。风蚀质量损失率随着 Ca²⁺ 浓度和处理时间的增加而降低。各处理间的累计风蚀质量损失率存在显著差异。在第 30 天，0.1 mol/L 的 S1 组风蚀质量损失率为

MICP-植物处理对土壤抗风蚀性能影响的机理

表 SI2 将本研究的抗蚀性能与之前报道的研究进行了比较。在定性、数量级的基础上，本研究通过优化钙源类型、浓度和播种量，提高了 MICP-植物处理的抗风蚀性能，并阐明了互补机制。MICP 和植物的联合效应增强了表面抗风蚀能力。本研究证实，30 天后，MICP 组达到了土壤

结论

本研究通过室内实验验证了 MICP-植物处理在抑尘和生态修复方面的有效性及其潜在机制。主要研究结果总结如下：

• (1)
  黑麦草发芽和生长的最佳条件是 0.10 mol/L 的 CaCl₂ 和 9 g/m² 的播种量。
• (2)
  在第 30 天，MICP-黑麦草处理形成了致密的固结层，将风蚀质量损失率降低至 1.12%，并提高了抗风蚀性能。
• (3)
  该

CRediT 作者贡献声明

Yue Feng: 验证，方法论。Xueying Fan: 调查，概念化。Jingqian Wang: 监督，软件。Yanyun Zhao: 写作 – 审阅与编辑，可视化。Yanli Cong: 写作 – 审阅与编辑，数据整理。Xiangming Hu: 资源，资金获取。

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金的资助（52274217, U25B20139, 52274216）。

Yanyun Zhao|Yanli Cong|Xiangming Hu|Yue Feng|Xueying Fan|Jingqian Wang

山东科技大学安全与环境工程学院，中国山东省青岛市 266590