一种微生物固化的轻质高强发光生态基材的制备方法与流程

本发明涉及土木工程的生态护坡技术领域，具体涉及一种微生物固化的轻质高强发光生态基材的制备方法。

背景技术：

生态护坡和坡面景观工程是以工程建设和环境保护为目的，利用基材对岩土的锚固作用，进行斜坡表层和浅表层稳定，防止坡面灾害、水土流失，从而达到延长建设工程使用寿命，迅速进行工程创伤的恢复，改善生态、美化环境目的的一项切实可行的工程技术，已成为我国山区交通、城市建设和地产开发景观打造的重要工程项目。我国生态护坡技术取得了巨大进步，有效遏制了由工程建设造成的水土流失、生态恶化和边坡失稳问题。但生态基材在轻质化的过程中往往无法保证更高的强度要求，在应用上有一定限制，而在坡面植物生长前，边坡的景观构建困难，此外生态防护措施不具备指示导向功能。

传统护坡基材消耗大量的资源、工作量大、耐久性差，且在工程材料生产工程中对环境污染严重，不能种植植物和花草，难以绿化，最终很大程度破坏了原有和谐的生态环境。微生物固化发光基材主要通过微生物反应的化学效应来固土、防止水土流失，在满足生态环境需要时，还可以造景，满足护坡基材的多功能性，进一步改善工程所在的周围环境的微气候，修复和改良工程所在地域的生态环境。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的不足，本申请发明人认为运用微生物固化后的轻质发光基材能显著提高其强度特性及物理特性，在坡面景观构建及导向指示方面作用显著，应用范围将十分广阔。

本发明的主要目的是增加基材的强度并且使其具有发光特性，满足边坡加固需求、边坡防护与景观构建，进而提供一种微生物固化的轻质高强发光生态基材的制备方法。该方法通过在土体中加入聚丙烯纤维对土体加筋，加入高抗冲聚苯乙烯、丙烯酸树脂，增加基材强度。在微生物固化后形成基材，从而赋予基材重量轻、强度高、无污染和可发光的特点，可减小边坡的坡面荷载，增加边坡稳定性。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种微生物固化的轻质高强发光生态基材的制备方法，具体步骤如下：

(1)制备固化微生物菌液1和发光微生物菌液2；

所述固化微生物为巴氏芽孢八叠球菌(sporosarcinasp.)和/或侧孢短芽孢杆菌(brevibacilluslaterosorus)；

所述发光微生物为发光杆菌属(photobacterium)、希瓦氏菌属(shewanella)和/或光杆菌属(photorhabdus)；

进一步，所述固化微生物为巴氏芽孢八叠球菌；

进一步，所述发光微生物为鳆发光杆菌和/或明亮发光杆菌；

进一步，所述固化微生物的培养基为nh⁴⁺-ye培养基；所述发光微生物的培养基为2216e液体培养基；

所述菌液1的制备方法为：将所述固化微生物接种至nh⁴⁺-ye培养基中培养一段时间后收集菌体，得菌液1，菌液1的od600值为1.80-2.20；

所述菌液2的制备方法为：将所述发光微生物接种至2216e液体培养基中，培养一段时间后收集菌液，再离心弃上清液，收集菌体，取菌体复溶于0.01mol/lph＝7.0pbs(含10mmol/ledta，1mmol/ldtt(二硫苏糖醇))，复溶比为2.5g菌体/(20-40)mlpbs，得菌液2；

(2)配制胶结液；

进一步，所述胶结液由蛋白胨、牛肉膏、甘油、nahco3、mgso4、尿素和ca(ch3coo)2和水组成。

进一步，所述胶结液中各组分含量为：蛋白胨2.0g/l、牛肉膏4.0g/l、甘油4.0g/l、nahco32.0g/l、mgso45.0g/l、尿素30.0g/l和ca(ch3coo)255.0g/l。

(3)取原料土置烘箱烘干后，过1mm筛，备用；

进一步，所述原料土为河道淤泥质土。

(4)往步骤(3)的过筛原料土里依次加入聚丙烯纤维、高抗冲聚苯乙烯、丙烯酸树脂；

(5)向步骤(4)所得混合物中加入水，然后在搅拌机中搅拌均匀；

(6)向步骤(5)所得混合物中加入发光组分；

进一步，所述发光组分为：萤火虫荧光素酶、d-虫荧光素、乙二胺四乙酸(edta)和二硫苏糖醇(dtt)；

萤火虫荧光素酶：d-虫荧光素：edta：dtt重量比为1：(1-2)：(3-4)：(1-2)；

(7)依次向步骤(6)所得试样中滴灌步骤(1)所得菌液1和菌液2，然后浸泡在胶结液中或者向试样中喷淋胶结液，养护28d后，得微生物固化的轻质高强发光生态基材；

在工地实际操作中，将注入菌液后的试样混合均匀后喷洒在边坡上，然后向试样喷洒胶结液，经过多次喷洒，充分结合后即形成轻质高强发光基材。

菌液1的用量：步骤(3)中烘干、过筛后的原料土重量＝1ml：(1-6)g；

菌液2的用量：步骤(3)中烘干、过筛后的原料土重量＝1ml：(3-8)g；

进一步，菌液1的用量：步骤(3)中烘干、过筛后的原料土重量＝1ml：(2.5-3.5)g；

菌液2的用量：步骤(3)中烘干、过筛后的原料土重量＝1ml：(4.5-5.5)g；

进一步，所述步骤(5)中搅拌速率设置为110-125r/min，搅拌时间为10～20min。

进一步，所述聚丙烯纤维采用9mm级。

进一步，所述高抗冲聚苯乙烯颗粒采用直径2-3mm级。

进一步，所述丙烯酸树脂颗粒采用直径1-2mm级。

进一步，所述基材各组分掺量为(占步骤(3)中烘干、过筛后的原料土的质量百分数)：

聚丙烯纤维(0.2％～1％)、高抗冲聚苯乙烯(1％～5％)、丙烯酸树脂(1％～3％)、水(50-70％)、发光组分(0.2％～0.4％)。

由于atp存在于包括微生物在内的所有活细胞中，在萤火虫荧光素酶fl和mg²⁺的作用下，d-虫荧光素lh2与atp发生腺苷酰化而被活化，活化后的d-虫荧光素与萤火虫荧光素酶相结合，形成了d-虫荧光素-amp复合体，并放出焦磷酸(ppi)。该复合体被分子氧氧化，形成激发态复合物p^*-e·amp，放出co2，当该复合物从激发态回到基态时发射光。其反应式为：

fl·ln-amp+o2→[p^*-fl·amp]+co2

[p^*-fl·amp]→fl-p+hv+amp

聚丙烯纤维具有强度高、弹性好、耐磨、耐腐蚀等优点，并且自身性质稳定不会与微生物反应而分解，并且通过生成的碳酸钙沉淀胶结在一起，可以形成界面力，能有效抑制裂缝扩展、增大固化强度和改善轻质基材的韧性和整体性，防止土体突然破坏，为微生物固化提供了附着条件，提高了固化效果。

高抗冲聚苯乙烯(hips)是由弹性体改性聚苯乙烯制成的热塑性材料，具有易加工、有刚性、尺寸稳定和透明的特性，起到了增韧增亮的作用。该材料本身透明，微生物发出的光可透过材料发射出来，对基材内部的光亮度有很大提升，微生物固化后也解决了自身低抗冲击强度的限制。

丙烯酸树脂具有良好的保光保色性、耐水耐腐蚀性、干燥快、易于施工，具有优异的丰满度、光泽、硬度、耐溶剂性、耐候性，不仅提高基材整体光亮度，同时也增加了基材的强度。

乙二胺四乙酸(edta)和二硫苏糖醇(dtt)可以保护酶活性中心的活性基团，防止萤火虫荧光素酶的巯基被氧化。

由于渗透系数和吸水率与循环灌浆呈现负相关关系，循环灌浆达到三次及以上时，固化效果变化趋势逐渐趋于平稳，另外轻质基材的孔隙较多，也为微生物的固化提供了良好的反应场所，其产生的碳酸钙沉淀能牢牢固定在基材孔隙中，并使内部材料全部胶结在一起，显著提升轻质基材的强度，固化后的基材强度远远满足生态固坡要求。

本发明技术方案是将特选的微生物反应固定在选定的载体上，使其高度聚集并保持生物活性，在适宜条件下能够快速、大量增殖的技术。这种技术的优点是采用的细菌本身是无毒无污染的，对环境不会造成影响，在反应过程中不会有有毒气体排出，且试样强度特性和物理特性指标均良好，发光性能优越。通过产脲酶微生物催化尿素水解，在有钙源的情况下生成碳酸钙晶体，而部分碳酸钙产物为发光细菌提供媒介，经过化学反应后可发射出光亮，该发光基材能有效地进行生态护坡，即可以有效地防止塌方、减少水土流失等造成的损失，而且从景观角度来说，生态护坡也能对裸露的坡面进行绿化美化，从而更具生态景观效果。将发光基材运用于边坡工程，可以作为景点装饰，构造各种景观图案并用作导向标识。基材可以结合边坡自身特点进行，在坡面设计多层次发光设计，与挡土墙相互结合、相互影响，达到美化效果，也可以减少生态灾害、保护环境便于司乘人员消除疲劳、提高欣赏度。亦可以将基材设计为艺术文字形式或图画形式，展示人文特色。总而言之，在边坡治理和景观设计中，既有利于安全防护又能降低工程造价，且能产生生态景观、人文景观和景观美学三者的综合效益，最终能体现其社会效益。

将基材应用于岩土工程护坡领域中，能显著提高基材抗裂性能、抗渗性能及机械强度。发光基材在边坡防护、景观设计等领域有广泛的应用前景，具有适应性强、适用面广等特点，体现特色、环保与美学设计的要求，符合当前绿色环保、人与自然和环境协调发展的理念。

与现有技术相比，本发明的优点和有益效果在于：

本发明的优点在于该复合基材的多功能化，具有适用性强、使用范围广等特点。本发明的轻质高强基材应用于边坡防护时，能起到较好的加固与围护作用，可以充分保护土体稳固，便于绿化，有利于环保，同时基材本身发光可作为功能型装饰材料，在美化环境方面具有积极作用。

附图说明

图1为实施例1制得的基材的激发光谱。

具体实施方式

下面将结合具体的实施例对本发明的技术方案做进一步的详细说明。应理解，所举实施例的目的在于进一步阐述本发明的内容，而不能在任何意义上解释为对本发明保护范围的限制。

以下实施例中，9mm级ppf-9-s-400/10聚丙烯纤维(型号表示为：长度为9mm、抗拉强度大于400mpa、断面延伸率大于10％的聚丙烯纤维单丝纤维)购自瑞鑫纤维素工厂；直径2-3mm级ph-879高抗冲聚苯乙烯购自硕果塑化有限公司；直径1-2mm级degalanp24n丙烯酸树脂购自广州博峰化工科技有限公司；atcc11859巴氏芽孢八叠球菌、atcc27561鳆发光杆菌、atcc11040明亮发光杆菌均购自上海联迈生物工程有限公司；萤火虫荧光素酶(fl，13.75mg/ml)、d-虫荧光素(ln，264364)均购自promega公司；2216e液体培养基购自青岛海博生物技术有限公司；edta、二硫苏糖醇(dtt)购自sigma公司；其他均为常规试剂和仪器。

实施例1：

一种微生物固化的轻质高强发光生态基材，其制备方法的步骤如下：

(1)制备菌液：将巴氏芽孢八叠球菌接种至nh⁴⁺-ye培养基上(该培养基含酵母提取物20.0g/l，(nh4)2so410.0g/l，用2g/lnaoh溶液调节ph值至9)，于25℃，140r/min振荡培养12h后收集菌体，得菌液1，用f-2500荧光分光光度计测得其od600值为2.068；将鳆发光杆菌接种至2216e液体培养基中，25℃恒温150r/min振荡，培养12h后收集菌液，10000r/min，4℃离心20min，弃上清液，收集菌体，复溶于0.01mol/lph＝7.0pbs(该pbs中edta、dtt浓度分别为10mmol/l、1mmol/l)，复溶比为2.5g菌体/30mlpbs，得菌液2；

(2)配制胶结液：称取蛋白胨、牛肉膏、甘油、nahco3、mgso4、尿素和ca(ch3coo)2，混合后加1l水溶解后定容，各物质的终浓度分别为蛋白胨2.0g/l、牛肉膏4.0g/l、甘油4.0g/l、nahco32.0g/l、mgso45.0g/l、尿素30.0g/l和ca(ch3coo)255.0g/l，在30℃、200r/min转速下搅拌混合18h，形成胶结液；

(3)取河道淤泥原料土150g，置烘箱烘干后，过1mm筛后备用；

(4)往步骤(3)的过筛原料土里按一定的掺量配比依次加入9mm聚丙烯纤维(掺量为原料土质量的0.2％)、直径2-3mm级高抗冲聚苯乙烯颗粒(掺量为原料土质量的1％)、直径1-2mm级丙烯酸树脂颗粒(掺量为原料土质量的1％)；

(5)向步骤(4)所得混合物加入90g水(掺量为原料土质量的60％)，然后在搅拌机中搅拌均匀(设置搅拌速率为110-125r/min，搅拌时间为10～20min)；

(6)向步骤(5)所得混合物依次加入4.77mg萤火虫荧光素酶、7.21mgd-虫荧光素，搅拌均匀后依次加入16.75mg乙二胺四乙酸(edta)和6.94mg二硫苏糖醇(dtt)；

(7)将步骤(6)所得试样装入基材模具，模具采用土工织布，将其缝制成直径为3.9cm、高为8cm的上部开口的圆柱形，可以延缓菌液和营养液的流失，增加固化效果。向试样依次缓慢滴灌50ml步骤(1)所得菌液1、30ml菌液2，搅拌均匀，将所得试样分3层填充，每层约50g试样装入制样器后分层击实，保证试样表面平整。将注入菌液后的试样浸泡在1.5l的胶结液中放入标准养护箱中养护，养护温度为(20±2)℃，相对湿度大于95％，养护24h后脱模继续养护；养护至设计龄期28d后，即得微生物固化的轻质高强发光生态基材。

实施例2：

一种微生物固化的轻质高强发光生态基材，其制备方法除了步骤(4)中不加入聚丙烯纤维以外，其余均与实施例1相同。

实施例3：

一种微生物固化的轻质高强发光生态基材，其制备方法除了将步骤(1)中鳆发光杆菌替换为明亮发光杆菌以外，其余均与实施例1相同。

实施例4：

一种微生物固化的轻质高强发光生态基材，其制备方法除了将步骤(4)中加入9mm聚丙烯纤维(掺量为原料土质量的1％)、直径2-3mm级高抗冲聚苯乙烯颗粒(掺量为原料土质量的5％)、直径1-2mm级丙烯酸树脂颗粒(掺量为原料土质量的3％)以外，其余均与实施例1相同。

试验例1：

将实施例1制得微生物固化的轻质高强发光生态基材，应用tu-1810紫外可见分光光度计测定到发射光为461nm的发射光谱(λb)；将实施例1步骤(7)所得基材取出称重约60g，进行无侧限抗压强度试验(参考自《生态护坡理论与技术》)，测得基材土体强度为645kpa，满足生态固坡要求。

设定发射波长为460nm～462nm，扫描220nm～550nm范围内的激发波长，分别在232nm、273nm和342nm处出现荧光峰，见图1。以232nm作激发波长，在460nm～462nm处无荧光峰。其中273nm和342nm为得到的激发波长，最终确定激发波长为342nm，发射波长为461nm，说明与d-虫荧光素反应能够产生波长为461nm的荧光。

试验例2：

将实施例2制得微生物固化的轻质高强发光生态基材，应用tu-1810紫外可见分光光度计测定到发射光为453nm的发射光谱(λb)；将实施例2步骤(7)所得基材取出称重约59g，进行无侧限抗压强度试验，测得基材土体强度为552kpa(强度同比降低14.4％)，满足生态固坡要求。

试验例3：

将实施例3制得微生物固化的轻质高强发光生态基材，应用tu-1810紫外可见分光光度计测定到发射光为442nm的发射光谱(λb)；将实施例3步骤(7)所得基材取出称重约60g，进行无侧限抗压强度试验，测得基材土体强度为618kpa，满足生态固坡要求。

试验例4：

将实施例4制得微生物固化的轻质高强发光生态基材，应用tu-1810紫外可见分光光度计测定到发射光为455nm的发射光谱(λb)；将实施例3步骤(7)所得基材取出称重约61g，进行无侧限抗压强度试验，测得基材土体强度为634kpa，满足生态固坡要求。

应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。因此，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或者等同替换；而一切不脱离本发明的精神和技术实质的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明专利的保护范围当中。