石灰岩地区碳酸盐矿化菌驱动下泥石流易发地上缘生态胶固研究
泥石流灾害的防治一直以来是一个普遍关注的问题，岩土工程措施在泥石流灾害的防治工作中发挥了重要的作用，但其在防治效果的生态性和持久性等方面依然存在各种亟待解决的问题。本研究阐明泥石流上缘区的天然胶结现象的特征，从石灰岩地区分离筛选了碳酸盐矿化菌，研究了其生长特性和矿化特性，同时，探究了土壤常驻霉菌-黑曲霉对石灰岩矿物的风化侵蚀作用特性，在此基础上，利用黑曲霉的风化液和碳酸盐矿化菌构建了泥石流上缘区胶固体系。 探究了采样点及天然胶结现象的矿物学特性、力学特性和生物学特性。采样点位于滇、川、藏三省交汇处，该地属泥石流多发地带；起主要胶结作用的矿物是方解石，方解石的胶结作用对Fe、Mn、Cr、Mg、Al、Ca、Na、Cu等元素具有一定封存效应；胶结矿物具有较高的热稳定性，其中，实验室方解石型碳酸钙分解温度为730℃，天然石灰岩（方解石）分解温度为738.33℃，天然胶结矿物（方解石）分解温度可达745℃；自然界的岩石矿物经方解石胶结后，其抗压强度可达2.55-2.61 Mpa；取样环境中存在大量矿化微生物，包括弧菌、芽孢杆菌、克雷伯氏菌、聚球藻菌、假单胞菌等，胶结矿物的形成与微生物的存在有一定关系。 从石灰岩矿山分离筛选出三株碳酸盐矿化菌，通过对其生长特性和矿化特性研究发现，三株碳酸盐矿化菌在中性及弱碱性环境均能够生长，具有一定的环境普适性；在实验室条件下，三株菌株的酶活性分别为0.7 U/min、1.37 U/min、0.9 U/min，且均具有一定产碱能力，W-1菌株HCO3-最大产量为2000 mg/L，CO32-最大产量为225.07 mg/L， W-2 菌株 HCO3-最大产量为 2860.3 mg/L，CO32-最大产量为 492.92 mg/L；W-3 菌株HCO3-最大产量为2173.84 mg/L，CO32-最大产量为300 mg/L左右；当液相环境中Ca2+浓度为2000 mg/L时，三株实验菌株11 d矿化率分别为48%、61%、57%，矿化产物是具有胶结作用的方解石。 探究了土壤常驻霉菌-黑曲霉对石灰岩矿物的风化侵蚀特性。研究发现，黑曲霉具有一定的产酸能力，能够使培养基pH由6.0降低至2.5附近，分泌的有机酸主要为草酸，占有机酸总量的86.5%；黑曲霉在pH值为5-8的范围内，温度在20℃和30℃下，均能够通过有机酸的化学侵蚀和黑曲霉菌丝的生物力学的协同作用，有效实现对石灰岩的风化侵蚀；此外，黑曲霉的菌丝对液相环境中金属离子具有一定的吸附作用；黑曲霉一方面能够通过有机酸和菌丝实现对石灰岩的风化侵蚀，另一方面，有机酸同 Ca2+结合形成的钙盐表层沉积，又能够对进一步风化侵蚀具有钝化效果，石灰岩风化侵蚀后，溶出的Ca2+能够用于碳酸盐矿化菌的矿化沉积。 基于碳酸盐矿化菌对Ca2+的矿化沉积作用、土壤常驻霉菌-黑曲霉对石灰岩的风化侵蚀作用，探讨了利用石灰岩风化溶蚀液中的 Ca2+做钙源，在碳酸盐矿化菌的作用下进行液相矿化沉积和固相矿化胶固研究。研究发现，在以石灰岩风化溶液的液相环境下，在风化溶液和碳酸盐矿化菌培养液体积比为1:1时，Ca2+矿化率高达90.7%；矿化产物主要是呈球状和哑铃形的方解石；热重分析发现，生物矿化形成的球形和哑铃形方解石分解温度为 704.59℃，而化学法合成的方解石分解温度为 702.51℃。因此，矿化产物较化学法合成的方解石型碳酸钙具有一定的热稳定性；固相胶固的过程中，胶固处理能够使松散的岩土颗粒凝聚成一个整体，胶固处理能够降低样品的表观孔隙，不含土壤的胶固样品孔隙率由最初34.74%可以降低至6.84%，含有土壤颗粒的样品孔隙率可以降低至17.56%；样品胶固后，其透水系数和力学性质均有所提高。其中，透水系数降低了97.56%，不添加土壤和添加土壤的样品抗压强度分别提高了0.2 Mpa和0.03 Mpa；胶固处理使样品抗剪强度提高了18.1%，胶固处理和植物根系的锚固作用能够使其抗剪强度提高43.2%。 因此，基于碳酸盐矿化菌的矿化作用及典型生物-黑曲霉的风化特点，构建的泥石流上缘区生态胶固体系，对泥石流防治工作中的“稳岩固土”能够发挥一定的作用，为今后生物工程在泥石流防治乃至其他生态修复领域的研究提供了有力的理论依据。
泥石流上缘区;生态胶固;石灰岩地区;碳酸盐矿化菌;生长特性;矿化特性
西南科技大学
硕士
环境科学与工程
代群威
2023
中文
P642.23
2023-09-12（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）