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微生物自修复水泥砂浆的性能增强及群落分析研究
作者及机构
本研究由广东以色列理工学院（Guangdong Technion – Israel Institute of Technology）环境科学与工程系的Chaolin Fang和Varenyam Achal合作完成，发表于期刊*Construction and Building Materials*（2025年，卷462，文章编号139934）。Varenyam Achal为通讯作者。
学术背景
研究领域与动机
混凝土结构的裂缝是工程耐久性的主要挑战之一，裂缝会加速水分、盐分和腐蚀性物质的渗透，导致钢筋腐蚀和结构性能退化。传统修复方法成本高且环境负担大，因此微生物诱导碳酸钙沉淀（Microbially Induced Carbonate Precipitation, MICP）技术成为研究热点。本研究旨在通过兼性厌氧反硝化细菌（Stutzerimonas stutzeri CF3）封装于海藻酸钠-膨润土复合材料中，提升水泥砂浆的自修复能力，并分析微生物群落的动态变化对修复机制的贡献。
科学问题
尽管MICP技术（尤其是尿素分解途径）已广泛应用于自修复混凝土，但尿素分解产生的氨可能对环境不利。因此，本研究探索了硝酸盐还原途径的可行性，并评估其在需氧和厌氧环境中的适应性。
研究流程与方法
1. 微生物培养与封装
- 菌株选择：采用从中国沿海分离的Stutzerimonas stutzeri CF3，该菌株耐碱（pH 7.5–10.5）且适应高盐环境。
- 封装技术：将细菌冻干粉与海藻酸钠（1.5%质量比）、膨润土（4%质量比）混合，通过滴入氯化钙溶液形成微胶囊（图1）。膨润土的加入降低了微胶囊孔隙率，提高了细菌存活率。
2. 水泥砂浆制备与裂缝模拟
- 材料配比：水泥（P.O 42.5 R）与砂质量比1:3，水灰比0.5，实验组添加含细菌的微胶囊（BCM），对照组为纯膨润土微胶囊（CM）和无添加组（Reference）。
- 裂缝模拟：在50×50×50 mm³试件中心插入铜片，形成300 μm宽、300 μm深的预制裂缝（图2）。
3. 自修复性能评估
- 宏观观测：通过光学显微镜和ImageJ软件量化裂缝面积变化。
- 力学测试：按中国标准GB/T 50081–2019测试7、14、28天的抗压强度，并测定吸水率和孔隙率。
- 微观分析：
- X射线光电子能谱（XPS）：检测裂缝表面化学组成，确认碳酸钙（CaCO₃）的存在。
- X射线衍射（XRD）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）：分析愈合产物的矿物相和官能团。
4. 微生物群落分析
- 高通量测序：针对16S rRNA基因V3–V4区扩增，使用DADA2和RDP分类器分析细菌群落结构。
- 功能预测：通过FAPROTAX数据库预测微生物的生态功能（如硝酸盐还原、硫氧化）。
主要结果
裂缝修复效率
- 微生物组（BCM）在14天内实现裂缝完全闭合，而对照组（CM和Reference）仅显示部分修复（图3）。
- 抗压强度：BCM组14天强度提升71.7%，28天提升53%（图4）。
微观机制验证
- XPS与XRD：BCM组裂缝区域检测到显著的CaCO₃峰（结合能347 eV），证实微生物诱导的方解石沉淀（图5–7）。
- FTIR：1416 cm⁻¹处的CO₃²⁻振动峰进一步支持碳酸盐形成（图8）。
微生物群落动态
- 优势菌门：变形菌门（Proteobacteria）和厚壁菌门（Firmicutes）占主导，其中Stutzerimonas在早期（1天）丰度最高（图9–10）。
- 功能预测：硝酸盐还原和硫氧化功能在BCM组中显著富集（图11），表明反硝化途径对修复的贡献。
结论与价值
科学意义
- 首次将兼性厌氧反硝化细菌封装于膨润土复合材料中，验证了其在混凝土裂缝修复中的高效性。
- 揭示了微生物群落的动态变化与修复性能的关联，为优化自修复材料设计提供了理论依据。
应用价值
- 该方法成本低（膨润土为廉价材料），且减少氨排放，适合海洋工程等恶劣环境。
- 通过延长混凝土寿命，降低维护成本和碳排放，符合可持续发展目标。
研究亮点
- 创新方法：开发了基于硝酸盐还原的MICP技术，避免了尿素分解的环境风险。
- 多尺度验证：结合宏观力学测试与微观表征（XPS/XRD/FTIR），全面解析修复机制。
- 群落分析：通过宏基因组学揭示了微生物功能与修复效率的因果关系。
其他价值
研究还发现膨润土的加入不仅保护细菌，还通过火山灰反应（Pozzolanic Reaction）改善了砂浆的微观结构，这一发现可拓展至其他胶凝材料的改性研究。
（报告总字数：约2000字）