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风蚀雨蚀协同抑制中微生物诱导碳酸沉淀的梯度矿化策略研究。通过系统调控注射速率与体积，揭示流体动力学对矿化均匀性的影响机制，提出低速率骨架构建与高速率表面包覆的分级注射方案，使风蚀率降至4.0%、雨蚀率降低至9.1%，实现复杂矿山环境的结构均匀矿化。
作者：张迪、赵彦云、胡向明、冯月、刘金迪、于晓牛、姜宁军
单位：山东科技大学安全与环境工程学院，中国山东省青岛市黄岛区前旺岗路579号
摘要
在利用微生物诱导的碳酸盐沉淀（MICP）技术抑制煤尘的过程中，实现结构均匀性仍然是一个关键瓶颈。本研究系统地探讨了注入速率和反应物体积如何调节MICP的效果，以平衡风蚀和雨蚀的抵抗力。定量分析揭示了流体传输与反应动力学之间的相互作用所带来的明显权衡：高注入速率会引发亚稳态的文石富集表面堵塞，使风蚀率（η_wind）降至4.2%，同时导致明显的垂直分层；相反，低注入速率则促进以碳酸钙为主的稳定桥接，从而增强深层固结效果，使雨蚀率（η_rain）降至8.4%。为了解决生物堵塞问题，我们提出了一种分级矿化策略，结合了低速率的骨架构建和高速率的表面加固。该序贯方案使风蚀率（η_wind）降至约4.0%，雨蚀率（η_rain）降至约9.1%，表明在风蚀和雨蚀共同作用下整体抗性得到了提升。这种功能分级的结壳方法为复杂采矿环境中的粉尘抑制提供了一种基于机制的解决方案。
引言
露天采矿和散料处理过程中产生的逃逸粉尘排放对环境和职业健康构成了严重威胁，可能导致呼吸系统疾病乃至生态系统退化（Song等人，2025年；Zhou等人，2024a年；Yang等人，2024年；Ding等人，2025a年）。随着公众对环境质量问题的关注日益增加，基于生物的粉尘抑制技术作为传统化学抑制剂的可持续替代方案受到了广泛关注（Ha等人，2024年；Jiang等人，2024年；Zhang等人，2024a年；Zhou等人，2023年）。其中，微生物诱导的碳酸盐沉淀（MICP）技术作为一种可持续的生物胶结技术被用于粉尘抑制（Zhou等人，2024b年；DeJong等人，2010年；Yin等人，2024年；Yang等人，2023年；Xue等人，2023年；Rajasekar等人，2025年；Ding等人，2025a年）。然而，其在大规模应用中的可靠性常常受到一个关键瓶颈的限制：即在复杂、异质性基质中实现空间均匀的矿化（Ma等人，2025a年）。
目前尚未建立起适用于工程规模均匀胶结的通用最佳方案。以往的研究探索了多种输送方法来提高胶结均匀性。虽然浸渍和机械混合能够成功结合颗粒基质，但由于其不适用于大规模表面粉尘控制，因此表面喷涂成为主要选择（Konstantinou等人，2021年；Cheng等人，2021年）。然而，传统表面喷涂通常会导致不均匀的渗透，从而在施用表面附近引发过早的沉淀，形成一层局部硬壳，阻碍了更深层次的基质渗透，进而降低了整体抑制效果（Dubey等人，2023年；Wang等人，2023a年；Faeli等人，2023年；Ding等人，2025b年）。因此，注入速率和反应物体积如何独立影响表层堵塞和深层渗透仍不清楚（Baek等人，2024年）。
在工程实践中，固结质量受到微生物和胶结流体的流体动力学调控的强烈影响（Zhang等人，2023年；Feng等人，2024年）。注入体积和速率是控制反应物传输和孔隙尺度分布的主要可控参数（Zhang等人，2023年）。研究表明，流动状态决定了细菌附着、溶质传输和结晶动力学之间的平衡（Fu等人，2023年）。从流体动力学的角度来看，注入速率决定了溶质对流和结晶动力学之间的平衡，过高的注入速率可能导致局部过饱和和严重的孔隙堵塞（Baek等人，2024年）。同时，总注入体积决定了基质的饱和度和毛细连续性（Lai等人，2023年）。注入体积不足会导致液滴因表面张力而聚集，阻碍了连贯、相互连接的晶体网络的形成（Xu等人，2024年）。因此，固结质量不仅仅是生物学结果，还是流体动力学、毛细相互作用和蒸发动力学的复杂函数（Wang等人，2024a年；Sawada等人，2025年）。
早期的MICP研究主要集中在亲水性硅砂上，但生物技术的前沿最近已转向复杂的疏水性人工基底。最近的研究开始阐明这些非理想基质中的生物胶结机制。例如，Ding等人强调了表面润湿性在利用电解质促进的生物大分子聚集煤颗粒过程中的关键作用（Ding等人，2025a年）。同样，Zhang等人发现，在疏水性矿渣中，高界面张力经常阻碍碳酸钙的均匀分布，从而限制了胶结流体的渗透，进而影响CaCO3的均匀分布（Maureira等人，2024年）。
这一知识空白在抑制逃逸煤尘方面尤为突出，因为煤尘的疏水性显著影响了水体的渗透和细菌的分布（Wang等人，2024a年；Cai等人，2023年；Ding等人，2025c年）。富含芳香族的煤尘本身的疏水性导致与亲水性S. pasteurii之间的界面能量不匹配，阻碍了细菌的附着和深层溶液的渗透（Zhang等人，2022年）。在传统的喷涂应用中，液体供应速率与疏水性粉尘的渗透能力之间的不匹配常常阻止了深层渗透（Zhai等人，2025年）。这通常会导致表面形成分层的结壳-基底结构，由于快速表面蒸发导致毛细液桥的不稳定和破裂，从而产生严重的垂直矿化梯度（An等人，2023年）。这种结构在风切应力作用下机械不稳定，容易发生分层（Yin等人，2024年；Lemboye等人，2021年）。尽管取得了这些进展，但注入速率和反应物体积在控制细粒疏水性煤尘矿化模式中的独立作用仍缺乏足够的量化研究（Ding等人，2025a年；Maureira等人，2024年）。
基于此背景，本研究系统地分离了注入速率和体积对MICP处理煤尘固结效果的影响，具体目标包括：（i）确定最大化长期风蚀抵抗力的最佳流体动力学操作窗口；（ii）阐明流体动力学参数对矿化均匀性的调控机制；（iii）通过实验验证序贯注入方案在协调抗蚀性和结构完整性之间的冲突方面的有效性。通过结合风蚀和雨蚀指标、空间矿化分布以及微观结构观察，本研究旨在为大规模粉尘抑制应用提供基于机制的基础和实用指导。
微生物菌株与培养
选择尿素分解菌Sporosarcina pasteurii（ATCC 11859）是因为其具有强大的尿素酶活性。该菌株在含有20 g·L^-1酵母提取物、10 g·L^-1 NH4Cl、2.4 mg·L^-1 NiCl2·6H2O和1.2 mg·L^-1 MgSO4·H2O的灭菌液体培养基中繁殖。使用1 M NaOH将pH调节至8.5后进行高压灭菌。培养物在35°C和121 rpm的条件下进行有氧培养。在指数生长期后期（大约12小时）收获细胞，此时OD600 = 1.20 ± 0.05，尿素酶活性为...
对风蚀和水蚀应力的不同响应
通过风蚀率（η_wind）、雨蚀率（η_rain）、表面硬度和结壳厚度来评估宏观固结性能（Zhou等人，2023年）。如图2所示，无生物处理组的表面硬度接近零，侵蚀率很高。如图2a所示，增加注入体积显著降低了风蚀率（η_wind），当注入体积达到饱和阈值（30 mL）时，性能趋于稳定。
结论
为了阐明注入流体动力学如何调控粉尘固结，本研究在不同注入体积和速率下进行了系统研究。从多尺度表征中得出以下关键结论：
- 1. 流体动力学的时空权衡：注入速率本质上决定了表层硬度和内部结构完整性之间的折中。快速注入会使系统进入非线性、反应主导的状态（Da >> 1），从而导致...
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
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52274217、42077444、51874193和52274216）、泰山学者青年专家计划（TS202103073）、泰山学者杰出教授计划（TS20190935）、山东省自然科学优秀青年基金（ZR202102220886）、山东省自然科学基金（ZR2021QE159和ZR2021QE296）、山东省青创科技计划（2019KJG008）以及国家重点项目的支持。
