原生微生物风化引起的凝灰岩力学劣化与蠕变行为

《Biogeotechnics》：Mechanical Degradation and Creep Behaviour of Tuff by Indigenous Microbial Weathering

　　

摘要

虽然火山凝灰岩表面及内部的物理和化学风化过程已被广泛研究，但天然微生物群落在其力学劣化中的作用仍未得到充分定量评估。本研究通过结合单轴抗压强度（UCS）试验、分级蠕变试验、微观结构观测以及有机配体产量测定，评估了凝灰岩在微生物培养基中浸泡28天后对微生物风化的力学响应。本研究中，原生微生物和凝灰岩样品采集自日本北海道西南部的一处凝灰岩露头。试件分为三类：初始状态、在微生物培养基中浸泡28天、以及在灭菌对照培养基中浸泡28天。与完整试件和灭菌培养基浸泡试件相比，微生物浸泡试件的UCS降低了40%以上，表明微生物活动在单纯水-岩相互作用之外显著增强了强度劣化。尽管宏观蠕变应变演化在各条件下未表现出明显区分，但暴露于微生物浸泡的试件在蠕变期间表现出更早且更高的累计声发射活动，表明微裂纹活动增强。扫描电子显微镜结合能量色散X射线光谱分析进一步表明，碳信号集中分布于内部裂纹表面，尤其在富铁区域，这与微生物在裂隙网络内的优先附着相一致。此外，时间序列测量显示，铁载体产量早期增加，随后随着溶解铁下降，草酸盐产量在后期增加，暗示配体调控的铁获取过程可能促进含铁矿物的迁移与再分布。总体而言，研究结果表明，原生微生物群落能够定殖于凝灰岩裂隙并加速化学风化过程，从而导致显著的强度损失和微结构损伤活动增强。

论文解读：原生微生物风化对凝灰岩力学性能与蠕变行为的影响

一、研究背景与科学问题

岩石风化被广泛认为是引发岩崩、边坡失稳和滑坡等岩土工程灾害的关键因素之一，对人民生命财产安全构成严重威胁。在世界范围内，已报道了大量与凝灰岩风化和劣化相关的岩体坍塌和边坡失稳案例。凝灰岩是由火山灰和火山碎屑物质沉积固结形成的火山岩，具有独特的化学组成和高孔隙结构，其主要矿物成分包括火山玻璃和斜长石。高孔隙率促进了水和溶解离子在岩石基质内的运移，使凝灰岩对风化过程尤为敏感。在由火山凝灰岩构成的边坡中，高渗透性结合层状结构和不同程度的焊接非均质性使地下水流动行为复杂化。在此条件下，降雨入渗和长期供水在促进风化方面发挥关键作用，渐进式风化已被确定为主导边坡不稳定的因素。

物理风化和化学风化过程已被广泛研究，但除物理和化学风化外，栖息于岩石内部和表面的微生物活动日益被认识到是岩石风化的重要贡献者。微生物风化是指微生物产生的代谢产物促进矿物溶解和孔隙改造，最终导致岩石弱化的过程。微生物向周围环境分泌多种有机配体，包括有机酸、铁载体和胞外聚合物（EPS），这些化合物在金属络合、增溶和固定化中发挥重要作用，从而促进矿物的化学风化。已有研究表明，微生物活动可显著影响岩石的力学性能，可能通过诱导矿物溶解和结构改变导致岩石基质力学弱化，也可能通过改变孔隙结构和促进矿物沉淀而增强或削弱力学强度，具体取决于主导过程。

然而，尽管微生物风化日益受到重视，许多方面仍不清楚，包括涉及的微生物种类、详细的反应机制以及微生物活动与岩石力学性能变化之间的定量关系。特别是，将微生物活动直接与岩土工程尺度现象联系起来的研究仍然有限。基于上述背景，研究人员提出假设：凝灰岩内部表面的微生物定殖不仅有助于矿物学改变，还通过化学和结构改造促进力学劣化。为验证该假设，本研究通过实验调查了微生物风化对凝灰岩力学性能的影响。

二、研究意义

该研究的意义在于首次将原生微生物群落对凝灰岩的化学风化作用与其力学响应定量关联起来，通过联合单轴压缩强度（UCS）测试、分级蠕变试验、微观结构观测和有机配体产量测定，揭示了微生物活动在凝灰岩强度劣化和微损伤累积中的关键作用。研究结果不仅增进了对长期风化过程中微生物贡献的理解，也为火山岩边坡长期稳定性的岩土工程评价提供了新的视角。

三、主要关键技术方法

研究人员从日本北海道西南部的一处海岸凝灰岩露头采集岩石样品和微生物样本。利用X射线荧光（XRF）分析岩石的体相矿物组成；通过16S rRNA基因序列分析鉴定岩石中栖息的微生物类群，采用聚合酶链反应（PCR）扩增、BLASTn比对和最大似然法构建系统发育树，使用分子进化遗传学分析（MEGA）软件进行进化分析。通过有机配体产量实验，利用铬天青S（CAS）比色法测定铁载体产量，利用草酸盐比色试剂盒测定草酸盐浓度，利用1,10-菲咯啉比色法测定铁离子浓度。开展为期28天的浸泡风化加速实验，微生物在营养肉汤（NB）培养基中于30℃、光合光子通量密度30 μmol/m2/s条件下培养，每4天补充新鲜微生物接种物以维持活性。随后进行UCS测试和分级蠕变试验，蠕变试验中初始荷载设为200 kg（约为初始状态试件平均UCS的40%），每日增加50 kg，同时记录轴向变形、电位差和声发射（AE）信号。利用扫描电子显微镜结合能量色散X射线光谱（SEM-EDS）观察试件表面和内部微观结构变化。

四、研究结果

1. 野外调查结果

XRF分析表明，采集自北海道的凝灰岩具有高硅含量（约59%）和相对较高的铁含量（约13%），这种富铁组成为铁相关微生物代谢提供了有利的地球化学环境。基于16S rRNA基因序列的菌群分析显示，凝灰岩样品中的优势微生物类群包括放线菌门和蓝藻门，系统发育树表明许多检测到的微生物在系统发育上与放线菌门和变形菌门相关，这些门类的多种成员具有产生有机配体的能力。

2. 风化试验结果（OD590和pH）

浸泡风化试验期间，OD590值表现出约3-4天的周期性波动，约两周后达到最大值约1.0，约20天后下降并稳定。OD590的增加表明试验早期微生物活跃生长和代谢活动。同时期pH从初始约7.1升至最终8.8，这种碱化现象可能与微生物代谢过程中铵离子吸收和含氮化合物降解导致氢氧根离子释放有关。OD590在约10天后的下降可能表明微生物在液相中丰度降低，转而附着于凝灰岩试件表面。

3. 微生物活性（铁载体、草酸与铁浓度的关系）

铁载体产量随时间逐渐增加，试验最终阶段达到约40%（相对CAS单位），同时总铁离子浓度从初始约5 mg/L降至约0.6 mg/L。草酸盐浓度在第二周后急剧增加，最终达到约3.5 mg/L。铁载体产量在培养第一周快速增加，随后趋于平稳，而草酸盐产量出现在微生物活动后期，表明铁载体和草酸盐的产生存在明显的时间差异。

4. 单轴抗压强度（UCS）

初始（未处理）试件的UCS为13.06 MPa，在灭菌液体培养基中浸泡的试件（NS）UCS为12.09 MPa，表明培养基和化学效应引起的轻微强度降低。而微生物培养基浸泡试件（MS）的UCS显著降至7.70 MPa，强度降低超过40%。尽管天然岩石试件存在固有变异性，但微生物存在条件下的强度降低是一致的，微生物组的最大观测强度仍相当或低于对照组（初始和NS）的平均强度。这些结果表明观察到的弱化受水-岩相互作用和培养基化学影响，而微生物活动贡献了额外的强度降低，但在当前实验设计下无法完全分离各过程的单独贡献。

5. 蠕变行为和声发射（AE）特征

在蠕变试验中，大多数试件在破坏前表现出约0-2.0%的轴向应变，随后在破坏点快速增加至约2.0-4.0%。两种条件下整体蠕变应变行为未观察到由微生物风化引起的清晰或统计学显著差异。然而，累计AE计数方面，微生物培养基浸泡试件在蠕变期间表现出更早的AE起始和更高的累计AE信号累积。以应力比（σ/UCS）表示时，各条件下应变均随应力比增加而增加，WB试件在最高应力比下达到破坏，其次是WoB试件，初始试件在最低应力比下破坏。WB试件的AE活动起始发生在略高应力比处，而以绝对加载历史来看，WB试件的AE活动出现更早，表明微生物风化试件具有更早AE活动的倾向。

五、讨论与结论总结

讨论部分通过四个连续步骤的框架评价微生物风化机制。在微生物定殖与附着方面，SEM-EDS观测表明碳信号分布于微生物浸泡试件的表面和截面，尤其在凝灰岩富铁区域的裂隙和内部表面，这被解释为微生物附着或微生物活动残余痕迹的证据，与先前关于页岩、花岗岩和独居石表面微生物优先附着于微裂纹的研究一致。在生化驱动力方面，铁载体浓度在培养早期增加后稳定，草酸盐产量在铁离子浓度显著下降后增加，反映了微生物铁获取机制的动态调控；铁载体分泌可显著加速矿物风化速率，而生物碱化条件可促进SiO?溶解。研究观察到液体培养基pH升高至8.8，表明微生物活动促进了碱化和相关化学过程，包括硅酸盐溶解和配体介导的相互作用。在微观损伤向宏观力学弱化转变方面，微生物风化促进了蠕变过程中微裂纹的萌生和扩展，改变了损伤演化过程，即使宏观变形行为相似。AE活动的增加反映了微裂纹的间歇性破坏，主要由生物碱化导致的SiO?基质局部溶解和铁载体/草酸盐螯合导致的铁离子耗竭驱动，两者均弱化了矿物晶界。由于这些损伤事件在空间上孤立，尚未汇合成连续的宏观剪切带，岩石整体骨架结构保持完整，因此累计变形保持在宏观应变测量可检测阈值以下。综合概念模型表明，微生物渗透到岩石表面和内部裂隙，通过生物碱化反应和分泌铁载体及有机酸加速凝灰岩风化，促进矿物蚀变和微裂纹发育，最终导致宏观强度退化和蠕变相关损伤累积增强。

研究结论为：（1）在微生物培养基中浸泡的凝灰岩试件与灭菌培养基浸泡试件和初始（未处理）试件相比，单轴抗压强度降低超过40%，这种强度退化不能仅由水-岩相互作用解释，表明微生物活动显著加速了凝灰岩的力学弱化。（2）蠕变试验中，各实验条件在破坏前的宏观应变行为未观察到明显差异，但微生物浸泡试件从蠕变早期就表现出累计声发射（AE）活动增加的趋势，表明微生物风化促进了变形过程中微裂纹的更早萌生和增强扩展。（3）SEM-EDS观测显示，暴露于微生物活动的试件表面和内部裂纹区域存在碳信号，尤其在富铁区域，表明微生物附着或微生物存在的残余痕迹，这种对裂纹表面的选择性定殖与先前岩石风化研究一致，表明微生物可能直接与岩石内部结构相互作用。（4）在有机配体产量实验中，铁载体浓度在培养早期增加，而草酸盐产量在后期随铁离子浓度下降而显著增加，这些时间趋势反映了微生物根据铁获取阶段选择性地使用不同有机配体，暗示形成了促进凝灰岩内含铁矿物相浸出和再分布的化学环境。

总体而言，研究结果表明，本研究中使用的天然来源微生物群落能够定殖于岩石表面和内部裂隙，随后通过生物碱化反应和分泌铁载体及有机酸加速凝灰岩的化学风化，这些过程可能是观测到的强度退化和微裂纹活动增强的原因。然而，在本实验条件下，微生物风化对蠕变破坏寿命和总变形的影响未能定量阐明。未来研究应集中于阐明微生物群落组成对力学性能的影响，明确暴露时长如何影响微生物诱导的风化行为，并引入将微生物活动与力学响应直接联系的定量指标。