基于多糖–碳酸钙网络的工艺强化生物矿化策略用于黄土抗水蚀性增强

《Process Safety and Environmental Protection》：Process-intensified biomineralization strategy with polysaccharide–CaCO? networks for water erosion resistance enhancement of loess

　　

摘要

黄土坡由于其高孔隙率、颗粒间胶结薄弱和强水敏性，极易遭受降雨引发的侵蚀。尽管酶诱导碳酸盐沉淀（EICP）作为一种可持续的土壤固化技术已经兴起，但其在黄土中的应用仍受到成核位点不足、CaCO?沉淀不均匀以及对持续水蚀抵抗能力有限等因素的限制。为了解决这些局限，本研究提出了一种生物杂化固化策略，即将球花蒿胶（ASK胶）——一种天然多糖——与EICP结合使用，以增强黄土的抗水蚀能力。通过实验室试验评估了矿化参数、抗剪强度、水稳定性、微观结构、矿物成分和热行为，并在自然降雨条件下进行了为期五个月的现场试验。结果表明，综合考虑力学性能和材料效率，1 mol/L尿素–CaCl?胶结溶液和5 g/L ASK胶是黄土固化的推荐参数。与未处理和EICP处理过的黄土相比，A-EICP处理试样表现出更高的抗剪强度和水稳定性。SEM、FTIR、XRD和TG分析表明，ASK胶促进了更为连续的多糖–CaCO?网络的形成，该网络填充孔隙、增强颗粒间结合力并提高结构完整性。现场试验结果进一步表明，A-EICP处理有效缓解了降雨引发的侵蚀，累计侵蚀质量减少了94.28%，侵蚀沟宽度和长度分别减少了高达83.33%和63.43%。这些发现表明，ASK胶辅助的EICP是一种在测试条件下改善黄土坡抗侵蚀性的有前景的生物介导方法。

引言

黄土是一种风成粉土，广泛分布于中国黄土高原，其天然胶结力弱、孔隙率高且渗透性强，极易遭受水致灾害，如侵蚀、湿陷和滑坡（Li等，2024a；Feng等，2021；Li等，2023a）。这些特性严重限制了其在岩土工程中的直接应用，需要先进行固化处理（Pu等，2021；Barman和Dash，2022；Disu和Kolay，2021）。传统的加固方法通常依赖无机胶凝材料，如水泥、石灰或纳米二氧化硅（López Ramírez等，2024；Yuan等，2023；Yuan等，2022），以及有机添加剂，如固化剂和木质素基材料（Hou等，2021；Anburuvel，2024）。虽然这些方法能有效改善力学性能，但往往会导致土壤结构破坏、引入环境污染物，并且材料成本和加工成本高昂。因此，对创新、可持续且经济的土壤固化策略的需求日益迫切。

近年来，生物技术方法作为传统土壤固化技术的可持续替代方案受到了关注。其中，微生物诱导碳酸盐沉淀（MICP）在基础加固、荒漠化控制和边坡稳定等方面展现了潜力（Zhang等，2024）。大量研究表明，碳酸钙作为MICP反应的产物，充当最终的胶凝剂，在确定土壤增强效果方面起着关键作用（Dong等，2023；Yang等，2020；Lin等，2023；Gowthaman等，2019；Zhang等，2023a）。在此基础上，MICP技术可以全面提高土壤的力学性能，包括抗压强度、抗拉强度、抗剪强度和动力特性（Wang等，2018；Lv等，2021；Han等，2023；Sharma等，2022；Shi等，2023）。此外，MICP技术还可通过反应生成的碳酸钙填充土壤颗粒间的空隙，有效降低土壤渗透性（Choi等，2016；Shen等，2019；Cheng等，2017；Qabany和Soga，2013）。最近的研究进一步将MICP扩展到了黄土和风积土的侵蚀控制领域。Sun等报道，MICP结合聚合物改性可提高黄土坡的降雨侵蚀抵抗力和冻融耐久性（Sun等，2022a）。另一项基于模拟的研究表明，生物胶结可通过CaCO?引起的颗粒结合和表面结壳形成来减轻黄土坡的表面侵蚀（Sun等，2022b）。Devrani等还表明，基于MICP的生物胶结和基于黄原胶的生物聚合对于风积土侵蚀控制是有效的（Devrani等，2021）。然而，由于天然土壤复杂的孔隙结构，MICP技术在现场应用中常受到细菌泄漏、渗透效率低和分布不均匀等问题的限制（Zhang等，2024；Bhowmick等，2024）。

为克服MICP技术面临的挑战，酶诱导碳酸盐沉淀（EICP）作为一种有前景的替代方案应运而生。通过使用无细胞脲酶代替活微生物，EICP消除了细菌培养的需要，提供了更好的可控性，并增强了现场适用性（Alarifi等，2022；Chen等，2025）。在本研究中，脲酶来源为新鲜制备的大豆粗脲酶提取物，而非纯化的商业酶。基于EICP技术的土壤固化依赖于脲酶将尿素（CH?N?O）分解为铵离子（NH??）和碳酸根离子（CO?2?），后者与钙离子（Ca2?）反应沉淀为碳酸钙（CaCO?）（Arab等，2021），从而将土壤颗粒粘结在一起并填充颗粒间空隙。这进一步改善了土壤的力学性能并降低了渗透性（Shu等，2022；Liu等，2025；Li等，2025a）。最近，植物酶基EICP也被用于以大豆粗酶提取液作为脲酶来源来改善粉土的强度和抗侵蚀性（Hussain和Saif，2025）。同时，产生天然脲酶的细菌也被探索用于增强土壤强度，表明对本地可用的、基于自然的生物介导固化策略的兴趣日益增加（Devrani等，2024）。尽管具有这些优势，EICP仍面临自身的局限。由于脲酶分子量小，成核位点供应不足，导致碳酸盐沉淀有限且不均匀（Wang等，2024a；Fang和Achal，2024）。因此，需要进一步的增强策略来提高基于EICP的土壤处理效率和均匀性。

最近的研究表明，将纤维引入EICP体系可通过提供丰富的非均相成核位点来显著增强性能。这些位点促进了碳酸钙晶体的形成和生长，从而提高了沉淀速率以及矿化的总体效率和均匀性（Annadurai，2024；Yan等，2022；Jiang等，2025）。然而，纤维尺寸较大且分散性差，阻碍了其在黄土等细粒土壤中的均匀分布，导致孔隙尺度加固效果不佳（Wang等，2023；Xu等，2023；Zhang等，2023b）。此外，大多数合成纤维提供的化学功能性有限，缺乏促进矿物成核所需的活性位点（Siraj等，2024；Niu等，2022）。生物介导和植物基技术提供了有前景的替代方案，同时将生态兼容性与工程功能性结合在一起。球花蒿胶（ASK胶）是一种从原产于中国西北地区的植物中提取的多糖，其地理分布与黄土丰富地区重合（Martínez等，2012；Zhao等，2022）。化学组成包括D-葡萄糖、D-甘露糖、D-半乳糖、L-阿拉伯糖和D-木糖，ASK胶资源丰富、成本低廉、化学稳定且可生物降解（Guo等，2020；Kakar等，2021）。其无定形分子结构富含羟基，赋予其强亲水性、粘附性和交联能力（Jia等，2020；Yao等，2022；Wang等，2022）。此外，ASK胶在水中形成具有良好流动性和分散性的粘性溶液，可渗入黄土的孔隙结构。其官能团可能充当可能的成核或锚定位点，并可能影响碳酸盐沉淀的反应动力学和空间分布（Wang等，2025；Li等，2024b；Butler等，2006）。然而，这一潜在作用需要通过直接的空间共定位证据进一步验证。其作为化学增强剂和结构修饰剂的双重功能使其成为在环境敏感区域加固黄土的一种有前景且可持续的替代材料。

尽管人们对EICP在土壤固化中的应用越来越感兴趣，但当前研究仍面临CaCO?沉淀不均匀、纤维与土壤相容性差、成核效率有限以及不可生物降解添加剂的环境问题等局限，阻碍了黄土的有效且可持续的固化。本研究探索了一种生物杂化方法来增强黄土的抗水蚀能力，同时最大限度减少环境影响。我们假设，将ASK胶与EICP结合使用将通过以下方式增强黄土固化：(i) 影响CaCO?沉淀的形成和空间分布；(ii) 贡献于更致密的三维孔隙填充网络，从而改善抗剪强度和水稳定性；(iii) 与常规EICP或未处理土壤相比减少降雨引发的侵蚀。

为验证这一假设，对经EICP和ASK胶辅助EICP处理的黄土进行了抗剪强度试验、水稳定性评估、X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和热重分析（TG）。这些试验用于评估处理后黄土的矿化产物、力学性能、抗水蚀能力和微观结构特征。此外，进行了为期五个月的现场试验，以在自然降雨条件下验证该生物杂化固化策略的有效性。本研究为生态敏感且易侵蚀地区的黄土坡防护提供了一种潜在的生物介导方法。

材料与方法

除另有说明外，基本土壤性质试验和力学试验参照GB/T 50123—2019《土工试验方法标准》进行。微观结构、矿物成分和热特性表征试验，包括SEM-EDS、XRD、FTIR和TG分析，按照相应仪器平台的标准操作规程进行。对于EICP沉淀试验、ASK胶辅助矿化试验、改性水稳定性试验和

胶结溶液浓度

不同胶结溶液浓度下碳酸钙沉淀量和沉淀速率如图2(c)所示。随着浓度增加，碳酸钙含量也增加，碳酸钙沉淀量呈现非线性增长趋势。在0.25–1 mol/L浓度范围内，碳酸钙沉淀量增长趋势较快。当浓度大于1 mol/L时，增长速率放缓。当

现场试验介绍

为进一步评估A-EICP处理在自然降雨条件下的现场性能和抗水蚀能力，在内蒙古鄂尔多斯一处弃土坡进行了现场试验。图8(a, b)展示了现场位置和当地气候条件。该站点海拔为1305 m，年平均降水量为348.3 mm，主要集中在7月至9月，年均温度为8.2 °C，最高记录温度为28.4 °C。该

结论

本研究提出了一种ASK胶辅助EICP策略来提高黄土的抗水蚀能力。本工作的主要新颖性在于引入球花蒿胶作为一种天然多糖来辅助酶诱导碳酸盐沉淀，并促进黄土中多糖–CaCO?网络的形成。主要结论如下：

(1) 溶液沉淀试验表明，6 g/L ASK胶有利于自由溶液中CaCO?的沉淀

资金

本研究得到中国国家重点研发计划（编号：2023YFF1306001）、新疆维吾尔自治区重大科技专项（编号：2024A01002）、国家自然科学基金（编号：52374145、52394193、52204159、52304157）以及黑龙江省自然科学基金重点项目（编号：ZD2023E003）的资助。

CRediT作者贡献声明

徐慧宁：验证、资源、项目管理。李士源：撰写——审阅与编辑、可视化、验证、项目管理、方法论、形式分析。敖中辰：调查研究。田雨：获取资金、概念构思。周伟：资源、项目管理、获取资金。卢翔：方法论、调查研究、获取资金。张桂芳：可视化、方法论、调查研究。王志乐：撰写——初稿、可视化

利益冲突声明

作者声明不存在已知的可能影响本文报告的竞争性经济利益或个人关系。

王志乐|张桂芳|卢翔|周伟|田雨|敖中辰|李士源|徐慧宁