基于肥料级尿素产脲酶微生物菌群与多层胶囊优化的水泥裂缝愈合自修复剂(Self-Healing Agent, SHA)研究

《Cleaner Materials》：Optimization of fertilizer-based ureolytic consortia and multi-layer capsule for cement crack healing

　　

摘要：微生物诱导碳酸钙沉淀(Microbially Induced Calcium Carbonate Precipitation, MICP)在自修复混凝土中的广泛应用受限于高昂生产成本、对纯培养物的依赖及微生物递送系统与水泥基环境相容性不足。现有方法常需无菌条件、昂贵试剂及脆弱包埋方式，制约了大规模实施。本研究提出一种新型低成本自修复剂(Self-Healing Agent, SHA)，整合微生物菌群、低成本营养源及稳固的三层胶囊体系。为降低成本，肥料级尿素替代实验室级尿素使主要营养成本降低至约十分之一。采用响应面法(Response Surface Methodology, RSM)在肥料基培养基中富集环境产孢脲酶微生物菌群(Consortia)，免除无菌培养维护需求。包封采用卡拉胶(Carrageenan)水凝胶核心负载孢子、二氧化硅涂层增强及水泥基类外层以提高与混凝土基体的相容性。优化后微生物群落碳酸钙沉淀产量达2.17 g/L，群落分析显示Metabacillus属富集（该属此前未关联MICP）。胶囊吸水率21.27 g/100 g干重，活孢子数维持1.75×105CFU/g。通过28天图像分析评估裂缝愈合性能，含包埋孢子砂浆试件在高湿(98% RH)下呈现轻微但可测裂缝闭合，符合CaCO3沉淀愈合机制。结果表明低本、强韧SHA用于水泥基材料微生物裂缝愈合之可行性，未来应关注SHA掺量、营养负载、养护条件及力学性能测试以推进生物驱动自修复混凝土技术。

论文解读：基于肥料级尿素产脲酶微生物菌群与多层胶囊优化的水泥裂缝微生物自修复研究

研究背景与意义

微生物诱导碳酸钙沉淀(Microbially Induced Calcium Carbonate Precipitation, MICP)利用产脲酶微生物水解尿素产氨提升pH促使碳酸根与钙离子结合生成CaCO₃，是混凝土自修复的有前景途径。然而当前MICP自修复体系普遍依赖纯培养物（如Sporosarcina pasteurii）、分析纯试剂及复杂无菌操作，且常用包埋载体成本高、与水泥基体相容差或吸湿不足，难以规模化工程应用。本研究由Zachary Keith Holt等来自University of Houston的研究人员开展，旨在开发低成本、非无菌富集的环境芽孢形成脲酶菌群及其配套湿度触发三层胶囊自修复剂(Self-Healing Agent, SHA)，相关成果发表于《Cleaner Materials》。

主要关键技术方法

研究人员采集美国德州三处环境样品（Bell县土壤B、Ellis县土壤E、Shiner镇鸡粪堆肥C）作 inoculum；用含Scotts Sta-Green草坪肥料（28.13%尿素）提取液的肥料基最小富集培养基(pH 7.0, 含尿素、CaCl₂、Ni(NO₃)₂、酵母浸粉)进行三批次12 h间隔转接富集，再经10 d孵育、热(80℃, 10 min)及35%乙醇处理获得芽孢形成(Bacillus-forming)孢子悬液；采用中心复合设计(Central Composite Design, CCD)响应面法优化尿素(5–35 g/L)与CaCl₂(5–35 g/L)浓度以最大化CaCO₃沉淀产率，火焰原子吸收光谱(Flame Atomic Absorption Spectroscopy, AAS)测定钙消耗计算沉淀量；对原始样品及各阶段子群落做16S rRNA基因Nanopore测序分析群落演替；将孢子悬液乳化封装于κ-卡拉胶(Carrageenan)微球，依次覆硅酸钠原位聚合硅胶层(Car-Si)及低强水泥基类外壳(Car-Si-Cem, 含CaCl₂、Ni(NO₃)₂、酵母浸粉)；按5%水泥质量替代掺入砂浆(水灰比0.5，砂胶比3)，预制裂缝后经单轴压缩造微裂缝，置饱和盐溶液控湿(33%与98% RH)养护28 d，ImageJ图像分析裂缝面积计算愈合指数(Healing Index = (A₀?A₂₈)/A₀)；沉淀物做扫描电镜(Scanning Electron Microscopy, SEM)与X射线衍射(X-Ray Diffraction, XRD)表征晶型。

研究结果

3.1. Media optimization for increased bioprecipitation（培养基优化提高生物沉淀量）

通过CCD实验拟合二阶回归模型（B、C、E三组p值均显著），预测各菌群最佳尿素与CaCl₂组合接近，取均值得平均优化肥料基培养基组成为0.58 g/L尿素(肥料提取)、25 g/L CaCl₂、0.01 g/L Ni(NO₃)₂、0.5 g/L酵母浸粉。此均一优化培养基对各菌群沉淀产量与单独优化无显著差异，最优菌群(E_opt)达2.17 g CaCO₃/L。肥料尿素较分析纯试剂成本降约10倍，且该简化培养基可有效支持多源环境芽孢脲酶菌群高产CaCO₃。

3.2. Precipitation yield and microbial community shifts（沉淀产量与微生物群落演替）

16S rRNA测序显示原始样品(B₀、C₀、E₀)多样性高但CaCO₃产量极低(≤0.035 g/L)；富集后(EC)多样性下降，脲解相关类群如Paenibacillus、Pseudomonas等占优，产量升至最高0.555 g/L(C_EC)；热/醇处理后孢子形成群落(SF)多样性进一步缩减，Metabacillus在B_SF(90.9%)、C_SF、E_SF中显著富集，但此时因去除非芽孢兼养菌产量暂降至约0.02 g/L；转入优化培养基培养后(X_opt)产量跃升至1.705–1.984 g/L，群落趋同于Metabacillus(>90%)伴少量Bacillus与Peribacillus。Metabacillus属此前少见于MICP文献，在本研究中被证实具脲酶活性并可主导芽孢形成菌群的CaCO₃沉淀。

3.3. Bioprecipitation morphology（生物沉淀物形貌与晶型）

SEM与XRD表明B_opt产物含文石(Aragonite, 针状)、球状方解石(Vaterite, 椭球)及单水碳酸钙(Monohydrocalcite, 板状)；C_opt主要为方解石(Calcite, 菱形板)、单水碳酸钙及球状方解石；E_opt四种晶型(方解石、球状方解石、文石、单水碳酸钙)共存。菌群差异影响局部过饱和度与有机调控致多晶型并存，单水碳酸钙可能为过渡前驱相。

3.4. Capsule properties（胶囊理化性质）

FTIR证实逐层包覆成功引入Si-O-Si(1088 cm^?1)、Si-OH(956 cm^?1)及水泥特征峰(884 cm^?1CO₃^2?弯曲、1105 cm^?1SO₄^2?、3312 cm^?1OH)。粒径：Car平均375±119 μm，Car-Si扩至420±135 μm，Car-Si-Cem因水泥浆挂层增至1115±478 μm（属细骨料粒径范围）。吸湿性(75% RH, 10 d)：Car 2.24±0.76 g/100 g、Car-Si 4.65±0.34 g/100 g、Car-Si-Cem大幅提升至21.27±3.00 g/100 g，破碎与否无显著差异，吸湿主要由水泥外层贡献，可支持裂缝时原位溶媒激活孢子。活孢子计数：Car 1.22×10⁶CFU/g，Car-Si略升(1.34×10⁶CFU/g)，Car-Si-Cem因碱性渗透降至1.75×10⁵CFU/g但仍保持活力。

3.5. Self-healing assessment（自修复效果评估）

三点对照砂浆(空白OPC、无孢子SHA-0、含E孢子SHA-E)预制表面微裂缝(宽约2.5–12.1 μm)后分别33%与98% RH养护28 d。仅OPC-E@98% RH组观测到轻微裂缝面积减小趋势(平均愈合指数偏低且组间ANOVA p=0.17未达显著)，33% RH各组无明显愈合，证明湿度触发胶囊可启动MICP愈合但需进一步优化剂量与供水。未做CaCO₃缝内矿化验证，但体外已证菌群具沉淀能力。

讨论与结论总结

研究人员得出结论：本研究开发了集肥料基富集环境芽孢形成脲酶菌群与三层湿度敏感胶囊(Carrageenan–SiO₂–Cementitious shell)的低本SHA。优化培养基使CaCO₃产率达2.17 g/L，首次明确Metabacillus属在芽孢形成MICP菌群中的主导地位。胶囊具高吸湿性(21.27 g H₂O/100 g)及存活孢子(1.75×10⁵CFU/g)，砂浆初步验证高湿下可诱发微量裂缝闭合。此SHA概念可行且成本大幅降低，未来需优化掺量、营养负载、确保MICP活化水源充足且不影响水泥水化，并以标准力学与耐久指标(渗水系数、氯离子渗透、超声脉冲速)评价修复效度。