一种微生物诱导沉积方解石粘结力的调控方法

本发明涉及调控基材性能的领域，具体涉及一种微生物诱导沉积方解石粘结力的调控方法。

背景技术：

生物矿化是指由生物体通过生物大分子的调控生成无机矿物的过程，与一般矿化最大区别在于有生物体细胞、代谢产物或有机基质的参与。微生物作为地球上数量最多、分布最广泛的生命形式，具有可诱导碳酸盐、磷酸盐、硫酸盐等矿物沉积的能力，因此微生物在生物矿化过程中扮演着重要的角色。生物矿化的过程与普通矿化最重要的不同在于通过有机大分子和无机物离子的界面作用，生成具有特殊的多级结构和组装方式的生物矿物。生物矿化过程与普通化学结晶过程的区别在于，普通化学结晶过程只经历晶体的成核、长大、晶面的外延生长，但生物矿化过程不仅要经历以上过程，而且在有机质的调控作用下，生物矿化的过程中有着其特殊的物理化学规律。在迄今发现的生物矿物中钙矿化体占据了近三分之二，其中碳酸钙作为分布最为广泛生物矿物，因其晶体容易表征且结构可在生物矿化过程中加以控制，常被作为典型的研究对象。在建筑材料中的微生物矿化，迄今研究较多的是沙土材料和水泥基材料。在沙土材料中，微生物矿化主要用于深层胶结和浅层胶结两类；在水泥基材料中，主要用于表面缺陷修复与裂缝的被动修复和自修复。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提供了一种成本低、效果显著、环境友好，不会产生二次污染，生态相容性好的微生物诱导沉积方解石粘结力的调控方法。

本发明的技术方案是：一种微生物诱导沉积方解石粘结力的调控方法，具体步骤包括如下：

步骤(1.1)、分别将胶质芽孢杆菌、光合细菌、嗜碱芽孢杆菌及巴氏芽孢杆菌的芽孢分别接种至对应的培养基溶液中进行培养，从而分别得到胶质芽孢杆菌、光合细菌、嗜碱芽孢杆菌及巴氏芽孢杆菌的菌液；调节各菌种菌液的ph；最终分别得到胶质芽孢杆菌、光合细菌、嗜碱芽孢杆菌及巴氏芽孢杆菌的浓缩菌液；

步骤(1.2)、将钙源分别加入得到的胶质芽孢杆菌、光合细菌、嗜碱芽孢杆菌及巴氏芽孢杆菌的浓缩菌液中静置，直至浓缩菌液产生沉淀；

步骤(1.3)、产生沉淀后，对沉淀物进行洗涤、过滤、烘干，烘干至恒重后进行粘附力分析，即达到调控方解石粘结力。

在步骤(1.1)中，

所述胶质芽孢杆菌、光合细菌、嗜碱芽孢杆菌及巴氏芽孢杆菌制备菌液浓度均为10⁶～10⁷个/ml；

所述胶质芽孢杆菌、光合细菌、嗜碱芽孢杆菌及巴氏芽孢杆菌的浓缩菌液的菌体浓度均为10⁸-10¹⁰个/ml。

在步骤(1.1)中，所述胶质芽孢杆菌的培养基溶液为每升培养基溶液中含有蔗糖8～12g、na2hpo4·12h2o2～3g、mgso40.4～0.6g、caco30.5～1.5g、kcl0.1～0.2g、(nh4)2so40.4～0.6g；

所述光合细菌的培养基溶液为每升培养基溶液中含有nh4cl1.0～1.5g、ch3coona3.0～4.0g、mgcl20.1～0.2g、cacl20.1～0.2g、kh2po40.5～0.6g、k2hpo40.4～0.5g、酵母膏0.1～0.2g；

所述嗜碱芽孢杆菌的培养基溶液为每升培养基溶液中含有蛋白胨4～7g、牛肉浸膏2～5g；

所述巴氏芽孢杆菌的培养基溶液为每升培养基溶液中含有葡萄糖10～15g、酵母提取物0.1～0.2g、kh2po40.5～0.6g、k2hpo40.4～0.5g、mgso40.1～0.2g、caco32.0～2.5g、nacl0.1～0.2g、mnso40.1～0.2g。

在步骤(1.1)中，在所述胶质芽孢杆菌、光合细菌、嗜碱芽孢杆菌及巴氏芽孢杆菌接种于培养基溶液中，所述培养基溶液的ph值控制为7-8，温度于30-35℃下振荡培养24h。

在步骤(1.1)中，所述得到含有胶质芽孢杆菌、光合细菌、嗜碱芽孢杆菌及巴氏芽孢杆菌的菌液的ph值为7-13。

在步骤(1.2)中，所述钙源为氯化钙、硝酸钙或醋酸钙中的一种或几种；所述钙源中钙离子浓度为0.01～0.05mol/l。

在步骤(1.2)中，所述静置是为置于恒温恒湿的环境，其温度为30～35℃，静置时间120～150小时。

在步骤(1.3)中，所述的方解石为粘附力大小为30～70nn的生物碳酸钙。

本发明的有益效果是：本发明采用微生物诱导沉积矿化产物的方法，开创性的通过光合细菌、胶质芽孢杆菌捕获空气中的二氧化碳、转化为吐酸根离子，并以此作为碳源，与外加钙源反应生成具有胶凝特性的矿化产物方解石。巴氏芽孢杆菌通过酶化作用分解尿素作为碳源沉积矿化具有胶凝特性的产物方解石。本发明采用的微生物方法，形成的矿物性质稳定，方法成本低、效果显著、环境友好，不会产生二次污染，生态相容性好；过程中可有效捕获利用二氧化碳，减缓温室效应。

附图说明

图1是本发明的结构流程图；

图2本发明中不同微生物菌种条件下得到的沉淀物的粘附力；

图3本发明中不同溶液ph值条件下得到的沉淀物的粘附力；

图4本发明中不同浓度钙离子条件下得到的沉淀物的粘附力；

图5本发明中不同阴离子种类条件下得到的沉淀物的粘附力。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

如图1所述；一种微生物诱导沉积方解石粘结力的调控方法，具体步骤包括如下：

步骤(1.1)、分别将胶质芽孢杆菌、光合细菌、嗜碱芽孢杆菌及巴氏芽孢杆菌的芽孢分别接种至对应的培养基溶液中进行培养，从而分别得到胶质芽孢杆菌、光合细菌、嗜碱芽孢杆菌及巴氏芽孢杆菌的菌液；调节各菌种菌液的ph；最终分别得到胶质芽孢杆菌、光合细菌、嗜碱芽孢杆菌及巴氏芽孢杆菌的浓缩菌液；

步骤(1.2)、将钙源分别加入得到的胶质芽孢杆菌、光合细菌、嗜碱芽孢杆菌及巴氏芽孢杆菌的浓缩菌液中静置，直至浓缩菌液产生沉淀；

步骤(1.3)、产生沉淀后，对沉淀物进行洗涤、过滤、烘干，烘干至恒重后进行粘附力分析，即达到调控方解石粘结力的目的；

具体的，所述方解石粘附力通过原子力显微镜测量的探针与方解石表面的作用力值表征；方解石粘附力的大小与方解石的表面结构和微观组成有关，如微生物诱导生成的方解石因为包含有机质故其粘附力大于化学法生成的碳酸钙；因此，可以通过调控微生物种类和生物碳酸钙的沉积环境可以调节生成的生物方解石粘附力；微生物种类对于方解石粘结力的调控范围为37-69nn；溶液ph值对于方解石粘结力的调控范围为38-64nn；钙离子浓度对于方解石粘结力的调控范围为42-58nn；阴离子种类对方解石粘附力的调控范围为59-76nn；

其中，一、当微生物种类为a时，方解石的粘结力为35-40nn；为b和c时，则方解石的粘结力为50-55nn；为d时，则方解石的粘结力为65-70nn；

二、溶液ph值为7时，方解石的粘结力为45-50nn；为8或12时，方解石的粘结力为55-60nn；为10时，方解石的粘结力为60-65nn；为13时，方解石的粘结力为35-40nn；

三、钙离子浓度为0.01mol/l时，方解石的粘结力为40-45nn；为0.02mol/l时，方解石的粘结力为45-50nn；为0.03mol/l时，方解石的粘结力为50-55nn；为0.04mol/l时，方解石的粘结力为55-60nn；为0.05mol/l时，方解石的粘结力为50-55nn；

四、钙源阴离子为氯离子时，方解石的粘结力为58-62n；为硝酸根离子时，方解石的粘结力为63-67nn；为醋酸根离子时，方解石的粘结力为73-77nn。

进一步的，在步骤(1.1)中，

所述胶质芽孢杆菌、光合细菌、嗜碱芽孢杆菌及巴氏芽孢杆菌制备菌液浓度均为10⁶～10⁷个/ml；

所述胶质芽孢杆菌、光合细菌、嗜碱芽孢杆菌及巴氏芽孢杆菌的浓缩菌液的菌体浓度均为10⁸-10¹⁰个/ml。

进一步的，在步骤(1.1)中，所述胶质芽孢杆菌的培养基溶液为每升培养基溶液中含有蔗糖8～12g、na2hpo4·12h2o2～3g、mgso40.4～0.6g、caco30.5～1.5g、kcl0.1～0.2g、(nh4)2so40.4～0.6g；

所述光合细菌的培养基溶液为每升培养基溶液中含有nh4cl1.0～1.5g、ch3coona3.0～4.0g、mgcl20.1～0.2g、cacl20.1～0.2g、kh2po40.5～0.6g、k2hpo40.4～0.5g、酵母膏0.1～0.2g；

所述嗜碱芽孢杆菌的培养基溶液为每升培养基溶液中含有蛋白胨4～7g、牛肉浸膏2～5g；

所述巴氏芽孢杆菌的培养基溶液为每升培养基溶液中含有葡萄糖10～15g、酵母提取物0.1～0.2g、kh2po40.5～0.6g、k2hpo40.4～0.5g、mgso40.1～0.2g、caco32.0～2.5g、nacl0.1～0.2g、mnso40.1～0.2g。

在步骤(1.1)中，在所述胶质芽孢杆菌、光合细菌、嗜碱芽孢杆菌及巴氏芽孢杆菌接种于培养基溶液中，所述培养基溶液的ph值控制为7-8，温度于30-35℃下振荡培养24h。

在步骤(1.1)中，所述得到含有胶质芽孢杆菌、光合细菌、嗜碱芽孢杆菌及巴氏芽孢杆菌的菌液的ph值为7-13。

进一步的，在步骤(1.2)中，所述钙源为氯化钙、硝酸钙或醋酸钙中的一种或几种；所述钙源中钙离子浓度为0.01～0.05mol/l。

进一步的，在步骤(1.2)中，所述静置是为置于恒温恒湿的环境，其温度为30～35℃，静置时间120～150小时。

进一步的，在步骤(1.3)中，所述的方解石为粘附力大小为30～70nn的生物碳酸钙。

具体实施例

实施例1：

(1)、将光合细菌接种于灭菌后的培养基溶液，每升培养基含有nh4cl1.0g、ch3coona3.0g、mgcl20.1g、cacl20.1g、kh2po40.5g、k2hpo40.4g、酵母膏0.1g，并控制ph为7，于30℃下振荡培养24h，得到含有光合细菌的菌液，菌液中所含菌体浓度为10⁶个/ml；

(2)、将胶质芽孢杆菌接种于灭菌后的培养基溶液，每升培养基含有蔗糖8g、na2hpo4·12h2o2g、mgso40.4g、caco30.5g、kcl0.1g、(nh4)2so40.4g，并控制ph为7，于30℃下振荡培养24h，得到含有胶质芽孢杆菌的菌液，菌液中所含菌体浓度为10⁶个/ml；

(3)、将巴氏芽孢杆菌接种于灭菌后的培养基溶液，每升培养基含有葡萄糖10g、酵母提取物0.1g、kh2po40.5g、k2hpo40.4g、mgso40.1g、caco32.0g、nacl0.1g、mnso40.1g，并控制ph为7，于30℃下振荡培养24h，得到含有巴氏芽孢杆菌的菌液，菌液中所含菌体浓度为10⁶个/ml；

(4)、嗜碱芽孢杆菌接种于灭菌后的培养基溶液，每升培养基含有蛋白胨4g、牛肉浸膏2g，并控制ph为7，于35℃下振荡培养24h，得到含有嗜碱芽孢杆菌的菌液，菌液中所含菌体浓度为10⁶个/ml；

(5)调节溶液ph至7；

(6)、将0.01mol/l硝酸钙分别加入上述三类微生物菌液中，置于恒温恒湿的环境，温度为30℃，静置时间120小时；

产生沉淀后，对沉淀物进行充分洗涤、过滤、烘干，烘干至恒重后进行晶粒尺寸分析；

具体如图1所示，不同微生物种类诱导矿化生成的碳酸钙粘附力不同，粘附力由大到小依次为巴氏芽孢杆菌>嗜碱芽孢杆菌>光合细菌>胶质芽孢杆菌。可通过调节微生物种类制备不同粘附力大小的生物碳酸钙。

实施例2：

(1)、将胶质芽孢杆菌接种于灭菌后的培养基溶液，每升培养基含有蔗糖12g、na2hpo4·12h2o3g、mgso40.6g、caco31.5g、kcl0.2g、(nh4)2so40.6g，并控制ph为8，于35℃下振荡培养24h，得到含有胶质芽孢杆菌的菌液，菌液中所含菌体浓度为10⁷个/ml；

(2)、分别抽取上述菌液5份，调节溶液ph至7、8、10、12、13。

(3)、将0.05mol/l氯化钙分别加入上述三类微生物菌液中，置于恒温恒湿的环境，温度为30-35℃，静置时间120-150小时；产生沉淀后，对沉淀物进行充分洗涤、过滤、烘干，烘干至恒重后进行晶粒尺寸分析；

如图3所示，不同ph条件下微生物诱导生成的生物碳酸钙具有不同的粘附力性能，ph为10时生物碳酸钙粘附力最大，随着ph的增大或减小生物碳酸钙的粘附力逐渐减小；可通过调节ph实现不同粘附力的生物碳酸钙调控。

实施例3：

(1)、将巴氏芽孢杆菌接种于灭菌后的培养基溶液，每升培养基含有葡萄糖13g、酵母提取物0.15g、kh2po40.55g、k2hpo40.45g、mgso40.15g、caco32.2g、nacl0.15g、mnso40.15g，并控制ph为7.5，于32℃下振荡培养24h，得到含有巴氏芽孢杆菌的菌液，菌液中所含菌体浓度为10⁶个/ml；

(2)、抽取上述菌液5份，调节溶液ph至10；

(3)、分别将0.01、0.02、0.03、0.04、0.05mol/l醋酸钙分别加入上述微生物菌液中，置于恒温恒湿的环境，温度为32℃，静置时间130小时；产生沉淀后，对沉淀物进行充分洗涤、过滤、烘干，烘干至恒重后进行晶粒尺寸分析；

如图4所示，微生物诱导产生碳酸钙的粘附力大小可通过调控溶液钙离子浓度实现，随着溶液中钙离子浓度的增加的生物碳酸钙的粘附力先增加后减小；因此调控溶液钙离子可生物碳酸钙粘附力大小进行调节。

实施例4：

(1)、将光合细菌接种于灭菌后的培养基溶液，每升培养基含有nh4cl1.0、ch3coona3.0、mgcl20.1g、cacl20.1g、kh2po40.5g、k2hpo40.4g、酵母膏0.1g，并控制ph为7，于35℃下振荡培养24h，得到含有光合细菌的菌液，菌液中所含菌体浓度为10⁶～10⁷个/ml；

(2)、抽取上述菌液3份，调节溶液ph至8；

(3)、分别将0.05mol/l醋酸钙、氯化钙和硝酸钙加入上述溶液，置于恒温恒湿的环境，温度为35℃，静置时间120小时；产生沉淀后，对沉淀物进行充分洗涤、过滤，烘干至恒重后进行晶粒尺寸分析，获得光合细菌沉积矿化产物特征；

如图5所示，可通过调控钙源阴离子种类调节生物碳酸钙粘附力大小，其中醋酸根离子型钙源诱导生物碳酸钙粘附力最大，硝酸根离子型钙源次之，氯离子型钙源最小；因此，可以调整阴离子的种类实现粘附力的调控。

最后，应当理解的是，本发明中所述实施例仅用以说明本发明实施例的原则；其他的变形也可能属于本发明的范围；因此，作为示例而非限制，本发明实施例的替代配置可视为与本发明的教导一致；相应地，本发明的实施例不限于本发明明确介绍和描述的实施例。