一种增强土中生物膜粘附性和稳定性的组合物及方法

技术领域

本发明属于微生物岩土技术领域，具体涉及一种增强土中生物膜粘附性和稳定性的组合物及方法。

背景技术

微生物岩土技术主要是利用自然界广泛存在的微生物的代谢功能，与环境中其他物质发生一系列生物化学反应，以改变土体的物理力学及工程性质，从而实现环境净化、土壤修复和地基处理等目的。微生物岩土技术作为岩土工程领域新的分支逐渐成为一个热门研究方向，近年来，许多学者已经开展了相关研究。微生物岩土技术在土体加固，岩土体抗渗封堵，金属污染土修复等方面已有大量研究成果和报道。

微生物岩土作用过程主要包括生物矿化、生物产气和生物成膜三大类。微生物岩土作用可以改善岩土体力学强度和水力特性。其中，生物矿化作用和生物产气作用研究成果丰硕，已被成功应用于土体加固、裂缝修复、抗液化、抗蚀、污染土处理及岛礁地基处理示范工程等。生物成膜作用多集中于土体降渗研究，主要应用于污染场地隔离、路基渗漏治理、河堤渗流封堵、土壤固结固定等。生物成膜作用类型包括微生物发酵产生生物聚合物和微生物在土中原位分泌胞外聚合物(EPS)形成粘附性生物膜。相比于直接投加生物聚合物，微生物原位成膜更具有自发性、再生性和环境适应性。利用微生物原位成膜可实现土体绿色加固，非常符合目前的低碳战略需求，其在未来绿色工程建设中具有一定应用前景。

然而，微生物成膜研究多是向土中投加高浓度碳源促进土中微生物生长成膜，但这种方式形成的生物膜易受外部环境因素影响，特别是在受到孔隙流体剪切作用或营养缺乏时，易从土中解离脱落或降解变性，导致其粘附性低且不稳定；这严重限制了其在土体加固和绿色工程建设领域中的应用。因此亟需攻克土壤生物膜粘附性低、不稳定等瓶颈问题，提高生物膜粘附性和长效稳定性，这对丰富岩土体绿色加固理论与技术，助力工程建设绿色可持续发展具有重要意义。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于现有技术的上述缺点、不足，本发明提供一种增强土中生物膜粘附性和稳定性的组合物及方法，其解决了现有土壤微生物膜易受外部环境因素影响、粘附性和稳定性不佳等技术问题，为岩土体绿色加固提供技术支撑。

(二)技术方案

第一方面，本发明提供一种增强土中生物膜粘附性和稳定性的组合物，其包括：第一组分、第二组分、第三组分和第四组分；

第一组分为成膜菌群悬浊液，第二组分为驯化营养液，第三组分为覆膜生物炭，第四组分为成膜促进剂；

所述覆膜生物炭是以厌氧发酵沼渣和作物秸秆为原料，经水热反应处理制得；

所述成膜菌群悬浊液由土壤淋滤液和活性污泥菌胶团混合而成，按质量百分比计，其含有：土壤淋滤液10-80％，活性污泥菌胶团20-90％，土壤淋滤液的菌总数高于10

所述成膜促进剂组成为：过硫酸盐0.5％-5％、氯化镁0.1％-1％、过氧化钙0.1％-5％，余量为水。

根据本发明的较佳实施例，所述驯化营养液中含有：L-谷氨酸0.1-10g/L、葡萄糖0.1-10g/L、大豆蛋白胨0.3-30g/L、胰蛋白胨2-30g/L、氯化钠2-10g/L、磷酸二氢钾0.5-2.5g/L、硫酸钾0.2-5g/L、溴化十六烷基三甲铵0.1-0.5g/L、萘啶酮酸0.01-0.1g/L。

溴化十六烷基三甲铵为季铵盐型阳离子表面活型剂和选择性抑菌剂，以保持驯化营养液中各成分的均匀性，不变质，使驯化营养液具有稳定性。萘啶酮酸是防腐剂，主要抑菌谱:大肠杆菌、痢疾杆菌、伤寒杆菌及变形杆菌等，对假单胞菌属、不动杆菌属和葡萄球菌属等革兰阳性球菌均无抗菌活性；其用量不可过高，过高也可能在一定程度上抑制土壤中接种的生物菌群生长。

根据本发明的较佳实施例，所述覆膜生物炭的制备方法为：取厌氧发酵沼渣及作物秸秆，厌氧发酵沼渣的质量占比为20-80％；在密闭反应釜中进行水热反应处理，处理温度为120-280℃保温4-8h，固液分离后，将固体烘干碾碎至40-80目。

根据本发明的较佳实施例，所述过硫酸盐为过硫酸铵或过硫酸钠。

根据本发明的较佳实施例，所述土壤淋滤液为从待处理的土样中就地取材制备土壤淋滤液，或者从待处理土样附近的土壤中制备土壤淋滤液。土壤淋滤液指下渗水流通过溶解、水化、水解、碳酸化等作用，使土壤表层中部分成分进入水中所获得的溶液。

上述四种组分为分别配制或制备、分别储存或盛装，不直接混合在一起，使用时按照下述方法使用。

第二方面，本发明提供一种增强土中生物膜粘附性和稳定性的方法，其包括：使用上述任一实施例中的组合物对土壤进行处理，处理方法为：

S1、向土样中加入第一组分和第二组分，拌匀；

S2、向土样中加入第三组分和第四组分，拌匀；

S3、对土样进行恒温恒湿静置养护。

根据本发明的较佳实施例，S1中，每100-200g土样加入50mL第一组分和50mL第二组分。

根据本发明的较佳实施例，S2中，每100g土样加入1-10％的第三组分和50mL第四组分。

根据本发明的较佳实施例，S1中，在拌匀时加入水辅助搅拌，加水量为每100-200g土样加20-100mL，并置于20-30℃恒温下10-300rpm搅拌3-10min；其中加水量为土样质量的15-50％。

根据本发明的较佳实施例，S2中，搅拌是在20-30℃恒温下10-300rpm搅拌3-10min。

根据本发明的较佳实施例，S3中，养护条件为：10-40℃，养护湿度为40-70％，养护时间为2-15天。

第三方面，本发明还涉及上述任一实施例所述的增强土中生物膜粘附性和稳定性的组合物在岩土体绿色加固或绿色工程建设中的应用。

(三)有益效果

本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

本发明的组合物中，成膜菌群悬浊液主要用于提供适于在土壤中成膜生长的菌群，包括好氧菌(以及兼性好氧菌)，其中土壤淋滤液与土壤具有相近的理化性质、pH、优势菌群和微量元素等，可为菌群提供初始的过渡环境，防止成膜菌群因生长环境的突然变化而生长受到抑制，促进菌群快速生长成膜，在对土样短期养护后即可较强的生物膜粘结强度。驯化营养液提供了丰富、充足且持续的营养物质，包括菌群生长所需的氨基酸、蛋白质、单糖和多糖、无机盐等。覆膜生物炭添加到土壤中，能改善土壤生态系统中的细菌多样性；可为土壤细菌提供一个舒适的栖息环境，并刺激土壤细菌功能和群落多样性发生变化，增强土壤微生物的活性和改善群落结构。

所述成膜助剂作用原理在于：当微生物在亚致死量的氧化压力下，生物膜生长量不仅会显著提高，而且EPS蛋白质组分变性及胞内物溶出，增强了生物膜粘附性。成膜促进剂中含有形成氧化活性的自由基(·OH、SO

本发明的方法简单，操作简便，制作且运行成本较低。利用本发明的组合物和调控方法，土壤中的成膜菌群能形成高粘结强度且长效稳定的特异性生物膜。与现有技术中仅通过投加高浓度碳源促进土壤微生物成膜的方法，本发明可提高土壤微生物膜的粘附性和长效稳定性，使土壤微生物膜不容易受到外部环境因素影响，为岩土体的绿色加固提供技术支撑。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合具体实施方式，对本发明作详细描述。以下各实施例中％若未特别说明，均指代质量百分数。

实施例1

本实施例为利用本发明提供的增强土中生物膜粘附性和稳定性的组合物，进行土壤生物膜培养及粘附性测试实验。

所述增强土中生物膜粘附性和稳定性的组合物组成如下：

实验方法如下：

(1)取100g土砂样品于1000ml烧杯中。取50ml成膜菌群悬浊液和50ml驯化营养液倒入土砂样品，加入20ml水。将以上混合物放置于20℃的水浴中并以10rpm的转速搅拌3分钟。

(2)继续向土砂样品中加入质量百分比为1％的覆膜生物炭及50ml成膜促进剂，将以上混合物放置于20℃的水浴中并以10rpm的转速搅拌3分钟。

(3)将搅拌混合均匀的土样放入恒温恒湿培养箱中静置养护，其中养护温度为10℃，养护湿度为40％，养护时间为2天。

实施例2

本实施例为利用本发明提供的增强土中生物膜粘附性和稳定性的组合物，进行土壤生物膜培养及粘附性测试实验。

所述增强土中生物膜粘附性和稳定性的组合物组成如下：

实验方法如下：

(1)取150g土砂样品于1000ml烧杯中。取50ml成膜菌群悬浊液和50ml驯化营养液倒入土砂样品；加入32.8ml水。将以上混合物放置于25℃的水浴中并以155rpm的转速搅拌3分钟。

(2)继续向土砂样品中加入质量百分比为5.5％的覆膜生物炭及50ml成膜促进剂，将以上混合物放置于25℃的水浴中并以155rpm的转速搅拌3分钟。

(3)将将搅拌混合均匀的土样放入恒温恒湿培养箱中静置养护，其中养护温度为25℃，养护湿度为55％，养护时间为8.5天。

实施例3

本实施例为利用本发明提供的增强土中生物膜粘附性和稳定性的组合物，进行土壤生物膜培养及粘附性测试实验。

所述增强土中生物膜粘附性和稳定性的组合物组成如下：

实验方法如下：

(1)取200g土砂样品于1000ml烧杯中。取50ml成膜菌群悬浊液和50ml驯化营养液倒入土砂样品；加入96.8ml水。将以上混合物放置于30℃的水浴中并以300rpm的转速搅拌3分钟。

(2)继续向土砂样品中加入质量百分比为10％的覆膜生物炭及50ml成膜促进剂，将以上混合物放置于30℃的水浴中并以300rpm的转速搅拌3分钟。

(3)将将搅拌混合均匀的土样放入恒温恒湿培养箱中静置养护，其中养护温度为40℃，养护湿度为70％，养护时间为15天。

实施例4

本实施例为利用本发明提供的增强土中生物膜粘附性和稳定性的组合物，进行土壤生物膜培养及粘附性测试实验。

所述增强土中生物膜粘附性和稳定性的组合物组成如下：

实验方法如下：

(1)取175g土砂样品于1000ml烧杯中。取50ml成膜菌群悬浊液和50ml驯化营养液倒入土砂样品；加入64ml水。将以上混合物放置于30℃的水浴中并以150rpm的转速搅拌5分钟。

(2)继续向土砂样品中加入质量百分比为6％的覆膜生物炭及50ml成膜促进剂，将以上混合物放置于30℃的水浴中并以150rpm的转速搅拌5分钟。

(3)将将搅拌混合均匀的土样放入恒温恒湿培养箱中静置养护，其中养护温度为37℃，养护湿度为60％，养护时间为10天。

对比例1

本对比例是在实施例1基础上，仅使用驯化营养液进行土壤生物膜培养实验。其他实验操作和条件均与实施例1相同。

对比例2

本对比例是在实施例1基础上，仅使用成膜菌群悬浊液和驯化营养液进行土壤生物膜培养实验。其他实验操作和条件均与实施例1相同。

对比例3

本对比例是在实施例1基础上，仅使用成膜菌群悬浊液、驯化营养液和覆膜生物炭进行土壤生物膜培养实验。其他实验操作和条件均与实施例1相同。

对比例4

本对比例是在实施例1基础上，改变成膜菌群悬浊液的组成，去除10％土壤淋滤液，全部使用100％活性污泥菌胶团。活性污泥菌胶团为来自污水厂曝气池的活性污泥浓缩至含固率为2％制成。其他实验操作和条件均与实施例1相同。

按照实施例1-4和对比例1-4的实验方法完成生物膜团聚体培养后，用刮刀将待测的生物膜团聚体从培养皿中取出恒定质量放置于特定夹具中并放(10-15天)风干至目标含水量(含水率约6％)，利用微机控制电子万能试验机(WDW-100GE)进行生物膜粘结强度测试。投加高浓度碳源是目前较常用的方法，其仅通过向土样中投加高浓度碳源以促进土样中微生物成膜并形成团聚体，培养时间为40℃、湿度为65％、养护12天。前述各实验培养的生物膜团聚体的粘结强度测试值统计如下表：

由上表可知，本发明培养的生物膜团聚体的粘接强度至少在50kPa以上，远大于与仅投加高浓度碳源所得到的生物膜粘结强度(15kPa)。而对比例4中成膜菌群悬浊液没有使用土壤淋滤液配制，使菌群短期内难以快速适应土砂样品环境，经过2天养护后并不能快速形成高粘附性的土壤生物膜，因此其生物膜团聚体的粘结强度仍较小。对比例1-3使用了本发明组合物的部分组分，虽然相较于目前常用的投加高浓度碳源的方法，也能在一定程度上提高土壤生物膜团聚体的粘结强度，但仍然无法达到本发明实施例1-4的技术效果。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。