在富含钙和磷酸盐的废水中培养微藻，作为替代营养介质，利用微生物诱导的方解石沉淀（MICP）方法促进砂浆裂缝的修复

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Cultivation of Microalgae in Calcium and Phosphate-rich Wastewater as a Substitute Nutrient Medium for Crack Healing in Mortar using Microbially Induced Calcite Precipitation (MICP) Method.

微藻自修复技术利用阿 throspira platensis在优化培养基（M-3）中高效生长并分泌碳酸钙修复混凝土微裂缝，经SEM-EDX、XRD和FTIR验证，裂纹修复率达97.8%，强度恢复显著优于传统化学方法。

　　

Yandrapati Pierce | U. Johnson Alengaram | Ramesh Singh | Mohd Rasdan Ibrahim | Tau Chuan Ling | M Karthick Srinivas

创新建筑技术中心（CICT），马来西亚马来亚大学工程学院，50603吉隆坡，马来西亚

摘要

混凝土中的裂缝会显著降低其耐久性。近年来，利用微藻进行裂缝自修复的方法受到了关注，因为微藻能够通过光合作用沉淀碳酸钙，这与细菌方法不同。本研究介绍了微藻物种Arthrospira platensis（简称A. platensis）作为修复水泥砂浆中微裂缝的生物修复剂。这些微藻在五种培养基（M-1至M-5）中培养，逐步将Kosaric培养基（KM）替换为含钙和磷酸盐的混凝土洗涤废水（CWW），替换比例逐次增加25%。其中，M-3培养基在12天时表现出最佳生长状态，其光密度为2.3，生物量产量为4.2 g/L，叶绿素含量为30 mg/L。随后使用M-3培养基中的微藻溶液处理六个砂浆样本（S-1至S-6），其中S-1和S-2分别作为未开裂和开裂的对照组，而S-3至S-6则使用了添加了钙（Ca²⁺）来源的微藻溶液进行处理。从第1天开始，向S-4样本中加入1 mL微藻溶液和0.024 mmol Ca²⁺，结果其抗压强度从41.60 MPa恢复到了97.8%，相较于基准对照组（49.10 MPa）提高了14.3%。扫描电子显微镜-能量色散谱（SEM-EDX）、X射线衍射（XRD）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析证实了方解石是起修复作用的化合物。通过引入改良培养基（M-3）和通过CaO补充Ca²⁺的生态友好方法，展示了A. platensis作为生物自修复剂的潜力。

引言

混凝土是一种高效且广泛使用的建筑材料，因其优异的性能而受到全球青睐。水泥是混凝土中的主要粘合材料，与水混合后会形成水化浆体，从而将沙子和碎石粘合在一起[21][31]。每年大约生产40亿吨水泥，其重量与全球粮食产量相当，占全球混凝土总产量的约10%[62][72]。尽管应用广泛，但由于热应力、环境侵蚀、化学腐蚀、机械超载、收缩以及施工不当等多种因素，混凝土仍然容易开裂[67][73]。混凝土中的裂缝，尤其是微裂缝，会导致钢筋腐蚀，并通过允许硫酸盐（SO₄^2?）、氯化物（Cl^?）、二氧化碳（CO₂）和水（H₂O）等有害物质进入，从而降低混凝土的耐久性。这些因素的负面影响会导致混凝土孔隙率增加和结构完整性下降[34][77]。传统的修复和翻新技术需要大量资源，尤其是经济资源。预计未来新开发项目将需要更多资源。修复和翻新使用年限不足五年的混凝土结构的年度成本预计将超过6800万美元[75]。然而，这些方法劳动密集且成本高昂，且通常是临时性的，因为它们主要修复表面损伤而未修复内部微观结构。此外，制造各种化学修复剂耗能巨大且不可持续[3]。鉴于这些限制，人们迫切需要自主自修复机制，使混凝土能够在无需人工干预的情况下自行修复裂缝，从而提高耐久性并降低长期维护成本。

在新兴的自修复技术中，微生物诱导的碳酸钙（CaCO₃）沉淀技术因能够通过微生物的代谢活动密封裂缝而受到广泛关注。已知有三类微生物可以诱导碳酸盐（CO₃^2-）沉淀：(i) 硫酸盐还原细菌，它们通过将硫酸盐还原为硫化物来沉淀CO₃^2-，这一过程会提高pH值，生成碳酸氢盐，后者与钙（Ca⁺反应生成CaCO₃[85]；(ii) 与氮循环相关的细菌，这些细菌通过硝酸盐还原、氨生成和尿素水解等过程生成碳酸氢盐（HCO??）和CO₃^2-，从而提高pH值和CO₃^2-离子浓度，为CaCO₃沉淀创造有利条件[38][41][87]；(iii) 光合细菌，如蓝细菌和微藻，它们在光合作用过程中吸收CO₂和H₂O生成HCO??和CO₃^2-离子，随着pH值的升高与Ca⁺反应生成CaCO₃[53][6]。这些微生物在混凝土基质中，尤其是在裂缝中沉淀CaCO₃，有效密封裂缝。研究表明，基于微生物的自修复技术可以高效修复宽度达300至500μm的裂缝，显著延长混凝土的使用寿命[16][35][42][43][53][75]。为了促进这些微生物活动，需要提供尿素、钙源、碳源以及偶尔的硝酸盐或硫酸盐化合物等补充营养物质[66][85]。然而，大规模培养这些细菌存在物流障碍，可能阻碍实际应用。

相比之下，微藻可以通过光合作用吸收CO₂来沉淀CO₃^2-，仅依赖光和水，无需添加细菌所需的营养物质。这些微生物通常使用标准化培养基（如BG-11、Zarrouk培养基和Kosaric培养基（KM）进行培养。其中，KM因其经济可行性和平衡的营养成分而被广泛采用，适合大规模培养[53]。然而，KM通常需要优化，因为其矿物质含量高且钙离子（Ca²⁺不足，这对CO₃^2-沉淀至关重要，也影响培养的可持续性[79]。例如，改良的BG-11和改良的Zarrouk培养基（添加了CaCl?）表现出更好的微藻生长和生物矿化效率，这对混凝土修复至关重要[18]。因此，调整KM的成分对于提高微藻培养的可行性和可扩展性至关重要。

在本研究中，选择了名为Arthrospira platensis（简称A. platensis）的微藻进行实验，因为它们能耐受较高的碱性环境，生长速度快，并具有光合作用能力。与异养微生物诱导的方解石沉淀（MICP）细菌不同，A. platensis是光合的、非致病性的，不需要有机碳输入，因此可以实现低碳足迹的可持续生物矿化过程。其天然产生的胞外聚合物物质（EPS）进一步促进了CaCO₃的成核，相比传统的MICP方法具有更高的生态效率[75]。微藻的这些特性使它们成为微生物自修复混凝土应用的有希望的候选者。微藻在四种不同的改良KM培养基中培养，这些培养基逐渐增加了25%的混凝土洗涤废水（CWW），除了传统的100% KM培养基。这些改良的KM通过提高钙（Ca²⁺和磷（P₂O₅）的含量来优化培养条件，这对藻类的最佳代谢和所需的MICP过程至关重要。A. platensis在实验室规模下在标准KM和改良KM中培养，以比较其生物量产量和利用营养物质的效率。此外，还测试了在含有1摩尔氧化钙（1 M CaO）的Ca²⁺来源下，这些微藻修复水泥砂浆裂缝的效果。通过多种实验（包括微观成像和机械性能评估）分析了水泥砂浆裂缝的自修复效率，并辅以微观结构分析。

A. platensis等微藻的MICP过程分为七个关键阶段，如图1所示，定量参数和生物学相关性（如pH值和离子浓度）见表1。(i) 光合作用将CO₂和H₂O转化为生物质，同时产生碱性环境并生成C_6H12O6，副产品为氧气（O₂）。这一过程发生在类囊体膜上。(ii) 吸收的CO₂与水反应生成碳酸（H₂CO₃，然后在细胞内分解。(iii> 在碱性环境中分解为HCO₃^?和质子（H⁺。(iv> 进一步分解产生CO₃^2-离子，这些离子被主动运输到细胞外。(v> 这些离子与混凝土中的Ca²⁺反应生成CaCO₃³晶体。(vi> 晶体在藻类的胞外聚合物物质（EPS）层上成核。(vii> 晶体生长填充裂缝，恢复混凝土的完整性。

微藻的选择与培养

本研究使用了来自马来亚大学藻类培养库的螺旋形蓝绿微藻Arthrospira platensis (A. platensis)菌株，因为它能在极端碱性条件下存活，并具有天然适应性（pH值可达12至13），属于嗜碱型蓝细菌[46][91][93]。这种适应性使它能够在高碱性的混凝土环境中生存。

生长表现和生理反应

A. platensis的生长表现被评估在五种不同浓度的CWW培养基中。培养基M-1（100% KM培养基）作为对照组，后续的培养基M-2至M-5分别添加了25%、50%、75%和100%的CWW。生长数据如图8、图9和图10所示。

结论

总之，这项实验研究表明，将光合蓝细菌A. platensis在含钙和磷酸盐的废水中培养是一种可持续的方法，可用于修复水泥砂浆中的微裂缝。与传统的化学修复方法相比，微藻具有显著优势，因为它们可再生、无排放，并且有望实现水泥基材料的生物自修复，最近的研究也证实了这一点。

未引用的参考文献

([11], [7], [22]; MALAYSIAN STANDARD MS EN 197-1 [55])

CRediT作者贡献声明

Mohd Rasdan Ibrahim: 验证、监督。Ramesh Singh: 验证、监督。Alengaram U.Johnson: 写作——审稿与编辑、验证、监督、方法论、资金获取、概念化。Tau Chuan Ling: 验证、监督。Srinivas M Karthick: 方法论、研究、概念化。Yandrapati Pierce: 写作——初稿、方法论、研究、正式分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者感谢马来亚大学提供研究材料、设施和技术支持（研究资助号RMF0490-2021）。第一作者Yandrapati Pierce感谢印度社会正义与赋权部资助他在马来西亚马来亚大学攻读博士学位。作者还衷心感谢马来亚大学工程学院的CAREF实验室提供的支持。