《Symmetry》：Adaptive Task Scheduling for Edge-Intelligent Systems: An Online Sleeping Restless Bandits Framework
微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）和酶诱导碳酸钙沉淀（EICP）作为近年来岩土工程、环境工程与材料工程交叉领域的研究热点，相较于传统注浆加固及修复方法，具有更优的环境友好性、更高的碳酸钙沉淀产率以及更显著的被修复材料力学性能提升效果。脲酶型MICP与EICP技术中的脲酶活性是岩石裂隙修复、土体加固和混凝土裂缝修复的核心。本文对脲酶型MICP与EICP修复技术进行了系统综述，重点聚焦于修复原理、环境影响因素、研究方法及应用方式，包括微生物培养、酶活性测定、胶结液配制、载体选择、注浆方式及修复周期等，并对比分析了MICP与EICP的优缺点。本综述阐明了两种技术在矿化机制、晶体特征及工程适用性方面的内在异同，构建了脲酶型生物矿化的完整技术体系。此外，本文还讨论了生物矿化修复效果的现有宏观与微观评价方法，综合分析了现有矿化修复体系，并评估了自修复生物材料面临的挑战，包括长期微生物耐久性、修复强度稳定性以及大规模应用的整体成本等关键问题，涵盖长期微生物耐久性、修复强度稳定性、酶活性保持及大规模应用的整体成本，这些均为工程实施中有待解决的关键问题。本研究旨在为EICP和MICP技术的理论完善与工程应用提供理论参考和实践指导。
1 引言
本文系统梳理脲酶型微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）与酶诱导碳酸钙沉淀（EICP）技术，围绕矿化机制、核心微生物与脲酶活性调控、自愈合效率关键影响因素、反应效果检测与表征方法四个方面展开技术体系分析。研究目的在于：明确MICP与EICP在矿化特性、晶体形成及技术适用性方面的内在差异与相似性，对比其在工程应用中的优缺点，总结脲酶型生物矿化的主流修复方法、适用材料及周期设计，并通过整合与对比MICP和EICP构建完整的脲酶型生物矿化体系，实现微观机制与宏观工程应用的交叉联动分析，针对技术及环境挑战提出针对性改进策略。
2 矿化机制
2.1 脲酶型MICP机制
MICP全称为微生物诱导碳酸盐沉淀。在脲酶型MICP中，向反应物中加入产脲酶微生物，其产生的脲酶催化尿素水解生成碳酸根，与游离钙离子结合形成沉淀以实现修复。产脲酶细菌通过细胞内脲酶分解尿素，脲解活性可在细胞内及细胞外环境中发生，在胞外产生氨基甲酸酯和氨。氨的释放提高了周围环境pH值，营造碱性环境，为后续碳酸钙沉淀创造了有利条件。胞外的氨基甲酸酯在碱性环境中进一步水解为碳酸根离子，最终与胞外钙离子 precipitate 产生碳酸钙。微生物细胞作为CaCO
3沉淀的成核位点，钙离子可被吸附在微生物细胞壁表面。
产脲酶微生物能快速产生脲酶，但需严格的环境pH和营养条件，通常仅在弱碱性环境中存活。不同菌株表现出不同的脲酶活性。在MICP中，细菌作为碳酸钙成核位点，复合材料可通过碳酸钙沉淀对大于1 mm的裂缝起到填充和胶结作用。低流速导致注浆端试剂滞留过多而底部不足，可通过提高流速和降低水解速率优化。脲酶活性下降可能源于孔径减小、沉淀诱导的扩散障碍以及胶结条件下细菌活性退化。MICP加固土体具有类岩石力学性质，取决于碳酸钙胶结的完整性。
2.2 脲酶型EICP机制
EICP全称为酶诱导碳酸盐沉淀。该技术的核心是从微生物或植物中预先提取脲酶，催化尿素水解产生碳酸根离子，碳酸根离子再与系统中游离钙离子反应，通过沉淀形成碳酸钙。EICP的反应机制与MICP相似，尿素水解的核心反应是MICP和EICP共有反应。
通过分析脲酶-尿素复合物的高分辨晶体结构，研究人员提出了脲酶催化尿素水解的双镍离子核心反应机制：尿素底物进入脲酶活性中心后，与双核Ni(II)簇螯合，形成缺电子羰基碳反应中心；随后脲酶活性中心柔性盖瓣的构象闭合为催化反应创造专属微环境；活性中心的桥联羟基(OH)作为亲核试剂对尿素的缺电子羰基碳发起亲核攻击；脲酶α亚基上的保守氨基酸残基α his323介导桥联羟基质子(H
+)的定向转移至尿素远端酰胺氮原子。在亲核攻击与质子转移的协同作用下，尿素分子的C-N键选择性断裂，生成第一反应氨分子(NH
3)和氨基甲酸酯，从而完成脲酶催化的酶促反应阶段。
脲酶作为蛋白质，室温储存一周后活性显著下降。在EICP反应中，脲酶作为碳酸钙成核位点之一；其他研究也将复合材料或粗大豆脲酶溶液中的蛋白质杂质作为成核位点。EICP与MICP机制相似，在岩土修复、防渗及地基改良中均可通过掺入复合材料提升处理性能。尽管脲酶为纳米级尺寸（小于微米级细菌细胞），但粗大豆脲酶提取物中的杂质在现场注浆过程中易堵塞反应通道，损害工艺性能。
2.3 EICP与MICP的矿化差异
2.3是自然段说明的是2.3.1和2.3.2两个子节，分别阐述晶体尺寸差异和晶体形貌差异。
2.3.1 碳酸钙晶体尺寸差异
MICP依赖微米级微生物细胞内的脲酶，而EICP采用纳米级游离脲酶。两种技术在催化载体尺寸和晶体生长特性方面存在显著差异：MICP以微米级微生物细胞（0.5–5 μm）作为催化载体，诱导形成较大的方解石晶体（约50 μm）；相比之下，EICP使用纳米级游离脲酶（12 nm）作为直接催化剂，生成较小且更分散的文石晶体（10–20 μm）。这种尺寸差异直接导致两种技术在传质性能、孔隙穿透能力和胶结均匀性方面存在不同，是分析其各自应用场景和优化方向的关键依据。
2.3.2 晶体形貌差异
碳酸钙（CaCO
3）存在三种主要晶体多形体：方解石、文石和球霰石，稳定性顺序为方解石 > 文石 > 球霰石。方解石属三方晶系，常温常压下最稳定，通常呈菱面体或块状。文石（斜方晶系）为亚稳态，常见针状或柱状晶体。球霰石（六方晶系）最不稳定，通常以球形颗粒存在，易转变为文石或方解石。尽管稳定性最低，球霰石相比粗大致密的方解石具有更优的孔隙填充能力和颗粒粘结性能，这归因于其更大的比表面积和更细的粒径。
这些多形体的形成与转化显著受体系pH、钙源类型、微生物及酶环境的调控。在MICP系统中，碳酸钙晶体的多形性显著受体系pH或温度调控。
3 核心微生物与脲酶活性
3.1 MICP脲酶
3.1.1 MICP脲酶来源
自然生态系统中广泛分布多种产脲酶微生物，涵盖真菌、细菌、蓝藻等多个类群。其中绝大多数菌株对人无致病性，具有稳定的脲酶合成与分泌能力，可作为MICP技术的核心功能材料。
3.1.2 微生物培养
微生物培养是整个MICP技术体系的核心前提，其培养参数直接决定菌株的脲酶活性及后续生物矿化效率，并非常规细菌培养过程。MICP微生物培养包括适合矿化应用的菌株固体活化、富集培养及高浓度菌悬液制备。系统中特意添加尿素作为脲酶的专属催化底物以满足MICP反应需求。优势产脲酶菌株的适宜生长温度范围为20至30摄氏度，适宜在弱碱性环境中生存，这对维持MICP所需的高脲酶分泌活性至关重要。培养过程中需通过调节缓冲体系或分阶段校正pH值，将培养体系pH稳定维持在8左右的弱碱性范围，以确保菌株的持续存活和代谢活性，满足MICP长期矿化需求。培养基需合理配比氮源、碳源及无机矿物元素；常规微生物营养组分如酵母提取物和蛋白胨需优化配比，以促进菌株脲酶合成并提高MICP碳酸钙产量。培养后期必须严格防止杂菌污染，此类污染可抑制产脲酶细菌活性，扰乱MICP反应体系，从而削弱土体加固和裂缝修复效果。
3.2 EICP脲酶
脲酶是一种含镍寡聚酶，存在于微生物、植物和微藻中。通过细胞破碎可从这些生物体中获得粗脲酶，经分馏和多级沉淀可制备高纯度纯化脲酶。脲酶在大多数植物物种中广泛分布，豆科植物中含量尤高。粗脲酶提取过程中的关键步骤为细胞破碎，化学反应、渗透压、电解质、超声或机械力等作为外部作用力或条件使细胞分解或破坏。
植物源粗脲酶的提取方法为：取一定量大豆干燥后研磨成粉，过60–80目筛去除粗颗粒，与水混合，室温搅拌30分钟，4000 rpm离心15分钟，过滤后收集上清液，即得粗大豆脲酶溶液。粗植物源脲酶应于4摄氏度储存，以维持一周以上的良好脲酶活性。
微生物脲酶可采用超声破碎结合离心提取，实现胞内与胞外脲酶的有效分离获取。在关于巴氏生孢八叠球菌（Sporosarcina pasteurii）胞内脲酶提取的研究中，研究人员采用超声破碎从OD
600值为2.2的菌悬液中获取脲酶，通过精确控制超声过程中最高温度于50°C，并采取连续冰水浴冷却策略，实现了对超声热效应的正向利用：适度升温促进细菌细胞破碎效率，而冰水浴实时冷却抑制脲酶的热变性与失活，从而显著提高微生物脲酶的提取效率。
3.3 脲酶活性与载体作用的差异
U值是催化效率的宏观指标，定义为特定条件下单位时间内催化转化1 μmol尿素的酶量，单位通常表示为μmol/min。在MICP/EICP矿化过程中，脲酶活性直接控制尿素的水解速率，进而影响碳酸钙的形成速率、沉积形貌和胶结效果，是优化反应体系和调控矿化过程的重要依据。
此外，酶促反应速率也可由Michaelis-Menten动力学常数描述。Michaelis-Menten动力学常数是描述酶促反应速率与底物浓度关系的核心参数，核心包括Michaelis常数（K
m）和最大反应速率（V
max），由Michaelis-Menten方程定义，是表征酶与底物相互作用及催化效率的关键指标。
MICP过程中，脲解微生物通过代谢在胞内产生脲酶，脲酶活性与微生物生长周期强相关。微生物细胞不仅作为脲酶来源，还充当碳酸钙的天然成核位点，通过表面静电吸附促进晶体成核生长。EICP中，脲酶活性来源于直接提取的游离脲酶，脲酶分子作为碳酸钙的成核位点，可采用固定化脲酶技术改善酶与底物的结合。
4 自愈合效率的关键影响因素
4.1 影响MICP矿化的因素
4.1.1 微生物效应
不同菌株在脲酶活性、代谢稳定性、环境适应性及沉淀调控能力方面存在显著差异，导致矿化效率和最终处理效果差异较大。巴氏生孢八叠球菌（Sporosarcina pasteurii）通常被认定为典型非致病性高脲解菌株，因其强碳酸钙沉淀能力和良好环境适应性而广泛应用于生物矿化研究。不同菌株间的协同效应并不总是显著，菌株组合不一定带来更高矿化效率或更优宏观性能。
4.1.2 MICP中的pH
pH作为关键环境因素，不仅影响产脲酶细菌的代谢活性和脲酶催化效率，还影响MICP系统的化学平衡，从而对整个MICP过程包括沉淀速率、沉淀产率、晶体形貌和沉淀稳定性产生综合而关键的影响。强酸和强碱可破坏微生物结构并损害其活性，同时抑制脲酶水解涉及的化学平衡，导致碳酸钙晶型改变。研究表明，对于巴氏生孢八叠球菌，pH 8时可获得较高的脲酶活性和微生物浓度，且在此pH下获得最高碳酸钙转化率。
4.1.3 温度
温度影响产脲酶细菌的生长和代谢活性，同时影响脲酶的结构稳定性。温度还可影响反应体系中各反应的平衡常数和物质扩散速率，从而影响反应物接触效率，导致系统pH值缓慢变化，引起反应紊乱，间接调节碳酸钙沉淀的形成，影响沉淀形成速率和数量，并调控沉淀的晶体结构。对于巴氏生孢八叠球菌，研究表明约10°C保存的细菌悬液脲酶活性可维持较长时间；当储存温度超过30°C时，脲酶活性随储存时间延长急剧下降，脲酶活性在30°C时最高，故30°C被采用为常规扩大培养温度。高温条件下添加20%甘油作为保护剂可有效改善脲酶的热稳定性。
4.1.4 底物与营养物
尿素浓度作为底物影响反应速率。研究表明，较高尿素浓度导致较高反应产率，但降低微生物生物量和脲酶活性，导致转化效率降低。钙源类型及浓度方面，增加钙离子浓度可促进产物形成，但钙离子的存在也抑制微生物活性并降低尿素水解速率。过高钙离子浓度降低碳酸钙转化率。钙离子添加顺序也影响反应进程，钙离子在脲酶催化尿素水解前后添加会影响所形成碳酸钙的晶体形貌。
镍离子作为微生物脲酶的关键辅因子，可显著激活脲酶活性，研究表明10 μmol/L镍离子用量可使脲酶活性提高近四倍。此外，Mg
2+、Mn
2+等微量金属离子也可正向促进微生物脲酶活性。营养物与接种量方面，较高菌株浓度对应更大脲酶活性。
4.2 影响EICP矿化的因素
4.2.1 EICP中的pH
脲酶活性峰值出现在适宜pH值处。研究表明，大豆脲酶在pH为7时获得较大活性，脲酶活性呈先增后减趋势。与可调节环境pH的MICP相比，EICP大豆脲酶在pH 6和7时具有更高的碳酸钙转化率。当pH从5.0升至11.0时，脲酶活性先线性增加后降低；pH为8.0时，每分钟尿素水解量达到最大值3.55 mM/min。过酸或过碱环境会导致酶蛋白活性中心酸基团的电离或去电离，抑制酶促反应从而降低酶活性。pH值6–9应被采用以实现脲酶活性提升。
4.2.2 温度
脲酶具有典型蛋白质分子结构，温度对其活性影响显著。在10–50°C范围内，脲酶活性随温度升高逐渐增加；较低温度下脲酶活性增加。研究表明4°C可作为脲酶的适宜保存温度，脲酶活性随储存时间延长而降低，储存温度越高，脲酶活性失活时间越短。4°C储存28天，脲酶残留活性维持在约60%–80%；10天内酶活性相对稳定，保持率高于95%。大豆脲酶在50°C以下可维持高活性。
4.2.3 底物浓度
脲酶浓度方面，研究表明从单位重量大豆提取的粗脲酶活性在40 g/L时最高。大豆脲酶质量越高，获得脲酶量越大，转化活性也越大。尿素浓度方面，因EICP技术直接使用脲酶，尿素对脲酶活性具有线性抑制效应。过高尿素浓度易过度占据脲酶的双镍活性位点及外围氢键结构域，诱导空间位阻阻碍正常底物结合与产物脱附。反应底物尿素浓度应控制在0.5 M至1.5 M之间。
钙源类型及浓度方面，Ca
2+作为反应底物抑制脲酶活性。不同钙源影响溶液pH值进而影响沉淀后Ca
2+浓度，其中CaCl
2的Ca
2+消耗最高，其次为Ca(NO
3)
2，CaAc
2最低。Ca
2+和阴离子均可抑制粗大豆脲酶活性，NO
3?的抑制效应显著强于CH
3COO
?和Cl
?。鉴于氯离子对混凝土试样的损害，沙体实验推荐使用氯化钙作为钙源，混凝土修复实验推荐使用醋酸钙。
微量元素与营养物方面，因EICP直接使用脲酶，无需营养物。关于Ni
2+对脲酶活性的影响，EICP技术直接使用脲酶，无需如微生物般提供营养。镍离子可增加巴氏巴斯德菌脲酶活性但抑制微生物生长，且抑制提取的大豆脲酶活性。
4.3 MICP与EICP自愈合演化过程的对比分析
4.3.1 自愈合方法
实验室中可采用多种方式修复试件：单相法将菌液或脲酶溶液混合后直接注入试件；两相注浆法通过注浆孔分别注入菌液和反应液，在裂缝中自由混合；填充法针对大裂缝，预先填充材料后再注入胶结液；浸泡法则将试件直接浸入胶结液。综合比较表明，两相注浆法和岩粉填充法在岩体裂隙修复中效果最佳。
4.3.2 自愈合材料
修复效果与裂缝宽度相关，生物修复已被证明对宽度小于1 mm的裂缝有效，更大裂缝需填充其他材料。裂缝越小修复效率越高，超过1 mm的裂缝需填充材料作为骨料以提高修复效果。不同添加材料影响修复效果，聚丙烯纤维作为填充材料时改善效果最显著。
4.3.3 自愈合周期
不同修复材料和工艺对应不同修复周期。EICP反应速率相对较快，在适宜底物浓度条件下，大部分尿素水解过程可在2 h内完成，加入反应底物后矿化沉淀反应基本可在2天内完成。相比之下，MICP反应周期较长，其整体过程主要由产脲酶微生物的生长代谢和脲酶活性水平控制。芽孢杆菌孢子与水泥浆混合后可存活长达4个月。
4.3.4 自愈合性能评价与对比分析
MICP与EICP在矿化速率方面存在显著差异。MICP依赖细菌代谢活性，注浆后需明显活化滞后，但其修复液具有良好的扩散能力。细菌固定化和微胶囊封装可延长微生物活性并确保持续矿化。相比之下，EICP一旦游离脲酶与胶结液混合即刻触发尿素水解，但有效扩散距离较短。粗脲酶中的杂质可能逐渐堵塞流道，多次处理后阻碍深部裂隙穿透。
生物矿化形成三种典型碳酸钙多形体（方解石、文石和球霰石），MICP和EICP的晶体类型区别明显且沉淀产率各异，但两者均利用碳酸钙胶结实现裂缝封堵和工程介质加固的本质功能相同。
MICP矿化过程呈三阶段特征：早期快速增长、中期稳定效率、后期长期缓慢矿化。7天龄期对应高效矿化峰值；28天完成主要孔隙优化和强度恢复，33天仍保持持续矿化潜力。短期阶段（1–7天）初始接种细菌几乎均为营养细胞，脲酶代谢旺盛，特征为最快矿化速率和集中碳酸钙沉淀。中期（7–28天）活菌数缓慢减少，但砂浆中仍维持高比例营养细胞，矿化持续稳定进行，是强度恢复和孔隙逐步减小的主导阶段。长期稳定阶段（ calculators
