扬尘是造成空气污染极其重要的因素之一，国内外科研工作者对其防治技术开展了大量的研究工作，研制了多类无机的、有机的及复合抑尘剂，但普遍存在功能单一、价格昂贵、甚至具有毒性、腐蚀性、难降解以及二次污染等一系列弊端。微生物水泥是基于微生物诱导矿化形成无机矿物从而胶结松散颗粒的一类新型胶凝材料，具有制备过程快速高效、容易控制和环境友好等诸多优势，在扬尘控制、沙漠治理、地基加固、边坡稳定等领域有重要应用前景。
目前，尿酶类微生物水泥研究较为广泛，但在胶结过程中有氨释放，对生态环境有一定的负面影响。本文筛选、培育出通过捕获空气中二氧化碳作为碳源并矿化沉积碳酸盐矿物的微生物，研制了生态性更好、适合浅层胶结的新型抑尘微生物水泥。本文首先创新提出了微生物捕碳浅层矿化胶结沙土抑尘的技术路线，围绕微生物水泥的配方优化和应用方法两个关键问题，深入开展了模拟沙土孔溶液中微生物捕碳矿化机理和沙土中微生物浅层矿化的胶结机理研究，优化了抑尘微生物水泥的配方，并系统研究了微生物水泥浅层胶结沙土性能和微观结构的表征方法及影响因素，提炼了微生物水泥的应用方法。针对微生物水泥低温环境胶结效果差的问题，遴选了耐低温微生物，研制了适用于低温环境的微生物水泥。
最后，结合三个实际工程施工现场的三类土壤，验证了微生物水泥的扬尘抑制效果和生态相容性。
本文主要研究内容和研究结论包括以下四个方面:
(1)揭示了模拟沙土孔溶液中微生物捕碳矿化机理从热激、萌发剂、营养物出发，提高微生物芽孢萌发率，获取最适的热激温度为70℃、热激时间为10 min，最佳的萌发剂为丙氨酸、萌发剂浓度为6 mmol/L，而营养物对改善微生物芽孢萌发率无明显促进作用；从微生物生长所需的碳源、氮源、无机盐及生长因子出发，促进微生物营养体生长繁殖，菌液OD_(400)值由0.43增至0.83，提高93.0%左右。采用电泳仪和凝胶成像系统鉴别微生物分泌酶蛋白表达形式，明确了微生物菌液中主要酶蛋白为碳酸酐酶；对比分析了模拟溶液、微生物培养液、分泌液对矿化过程中离子形成速率的影响，探明了酶促反应作用、微生物细菌体作为成核位点及加速反应的作用；通过X射线衍射(XRD)、能谱(EDS)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)分析手段，确定了微生物诱导矿化产物为类球状的方解石。基于微生物生长繁殖特性和矿化产物形成过程，建立了微生物矿化机理模型。
(2)阐明了微生物捕碳浅层胶结沙土的机理采用SEM、TEM分析了矿化产物与松散沙土颗粒间的微观结构，阐明了不同方法胶结效果的差异，论证了微生物捕碳浅层胶结沙土的可行性；采用傅立叶红外光谱(FTIR)、热重差热(TG/DSC)、核磁共振(NMR)分析微生物诱导矿化产物与松散沙土颗粒间的作用，揭示了微生物水泥胶结松散沙土颗粒的本质原因是形成了分子间氢键；研究了微生物、钙源对胶结性能的影响，优化了微生物水泥的配方。
(3)明确了微生物捕碳浅层胶结沙土的表征方法和影响因素深入研究了胶结工艺、pH值、环境温度、土壤类型对胶结效果的影响，结果表明无压喷洒工艺胶结强度更高、结构更密实、操作便捷；微生物水泥较为适宜pH环境为中性和弱碱性；随着环境温度的升高，胶结效果明显改善，低温环境下胶结效果最差；微生物水泥用量相同时，胶结粘土效果最好，胶结粉土次之，胶结沙土最差。从液限、塑限、塑性指数、渗透系数、压缩固结、直接剪切等方面研究了土壤的工程性能，明确了微生物水泥对土壤的工程性能基本无影响。研究了不同深度胶结体组成、方解石含量、表面硬度及微观形貌，结果表明由表层到深层均发现胶结产物方解石的形成、方解石的含量逐渐降低、断面硬度逐渐下降，且断面微观孔隙和缺陷逐渐增多；采用X射线计算机断层扫描(X-CT)研究胶结体三维立体结构和二维断面孔隙分布，随着微生物水泥用量的增加，胶结体整体孔隙数量和尺寸逐渐降低，胶结效果逐渐增强；在喷洒不同用量微生物水泥的情况下，胶结体表层处断面的孔隙数量和尺寸均最低，均呈现最优的胶结效果。针对低温环境胶结效果差的问题，选育了耐低温微生物，研制了适用于低温的微生物水泥，论证了胶结效果。
(4)论证了微生物水泥现场应用的抑尘效果针对不同的土壤类型，分别遴选了相应的工程进行现场应用。现场应用结果表明微生物水泥可将三类土壤胶结形成具有一定力学性能的胶结体，胶结体具有良好的抗风蚀性、抗雨水冲刷性、保湿性、抗老化性、抗冻融性和生态相容性；在处理不同类型土壤时，可适当调整微生物水泥的用量，如胶结沙土可适当增加微生物水泥的用量，而在胶结粘土时可适当减少微生物水泥的用量。与传统的抑尘方法相比，微生物水泥具有更优越的经济性和生态性。
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