《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Enzyme-Induced Carbonate Precipitation Process for Soil Improvement Using Expired Soybean Seeds as Urease Source
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本文探讨了酶促碳酸盐沉淀（EICP）技术作为一种可持续的土壤稳定化替代方案。研究人员利用食品供应链中淘汰的过期大豆籽作为脲酶来源，通过优化工艺参数，成功提升了沙土的强度和刚度。研究表明，在优化条件下，EICP处理后的土壤在无侧限抗压强度（UCS）上与普通硅酸盐水泥（OPC）处理组相当，但其刚度（以E50表征）显著更高。该研究不仅证实了废弃物资源化利用的可行性，也为降低传统水泥基加固的环境影响提供了新思路。
在全球建筑行业对水泥的依赖有增无减的今天，其光鲜坚固的背后却隐藏着一个沉重的环境包袱。水泥生产是温室气体排放大户，贡献了全球约7-8%的人为二氧化碳排放。与此同时，在岩土工程领域，水泥被广泛应用于加固地基、改善土壤的强度和耐久性。尽管效果显著，但这种传统方法巨大的碳足迹促使科学家们不断寻找更绿色的替代方案。酶促碳酸盐沉淀（Enzyme-Induced Carbonate Precipitation, EICP）技术便是在此背景下应运而生的一种生物介导的土壤加固方法。它模仿自然界的成岩过程，利用脲酶催化尿素水解，产生的碳酸根离子与钙离子结合形成碳酸钙（CaCO3），从而将松散的土颗粒“胶结”在一起。然而，这项技术的规模化应用面临几大瓶颈：商用或食品级脲酶成本高昂且可能挤占粮食资源；其力学性能，尤其是与广泛使用的水泥加固相比如何，尚缺乏系统的直接对比；此外，尿素水解必然产生的副产物——铵盐，其环境风险也亟待评估。为了破解这些难题，一项发表在《Journal of Environmental Chemical Engineering》上的研究独辟蹊径，将目光投向了通常被丢弃的废弃物——过期大豆籽，探索其作为廉价、可持续脲酶源的潜力，并对EICP技术的综合性能进行了一次“全面体检”。
研究人员开展这项系统性研究，主要运用了以下关键技术方法：首先，从过期大豆籽中提取制备酶溶液（ES），并与包含尿素和氯化钙的钙化溶液（CS）进行批量沉淀测试，以优化工艺参数（如浓度、温度、摩尔比）。其次，采用单脉冲渗流注射技术，将优化后的溶液注入装有标准沙土的圆柱形模具中，进行多轮生物胶结处理。再者，综合运用傅里叶变换红外光谱（FTIR）、扫描电子显微镜结合X射线能谱分析（SEM-EDS）和X射线衍射（XRD）等手段，对处理前后土壤的微观结构、形貌、元素组成及矿物晶相进行表征。最后，严格遵循ASTM标准，对EICP处理样和普通硅酸盐水泥（OPC）处理样进行无侧限抗压强度（UCS）和刚度（以割线杨氏模量E50表征）测试，并进行直接的力学性能对比。研究所用沙土样品采集自意大利罗马附近的Colleferro地区。
结果部分展现了以下几个核心发现：
3.1. 酶溶液的初步化学测试
研究首先评估了过期大豆籽的实用性。数据显示，即使在过期后5个月内，大豆籽提取的脲酶仍能保持95%以上的碳酸钙产出率，12个月后才下降至68%。这表明其商业保质期过后，酶活性依然可观。同时，新鲜制备的酶溶液至关重要，其活性在存放3天后几乎完全丧失。在化学条件优化方面，当尿素与钙离子摩尔比为1:1、钙离子浓度为0.5 M、大豆籽浓度为25 g·L–1、温度在20-40°C之间时，碳酸钙沉淀效率最高，且溶液pH能快速升高并稳定在8-9的适宜范围。
3.2. 固结测试
基于优化参数，研究人员对沙土进行了多轮注射处理。固结度随着注射次数增加而提高，经过7轮注射后达到完全固结（100%），对应的碳酸钙含量约为3 wt.%。宏观上，处理后的沙样成为坚固的整体。微观分析（FTIR、光学显微镜、SEM-EDS）证实了碳酸钙的成功沉淀，其以网状结构和球形晶体形态分布在沙粒表面及接触点，形成了有效的颗粒间“桥接”。XRD分析进一步揭示，沉淀产物主要为热力学最稳定的方解石（Calcite）晶型，伴有微量球霰石（Vaterite），未检测到文石（Aragonite）。
3.3. 力学测试结果
力学性能对比是本研究的亮点。结果显示，EICP处理样品的平均无侧限抗压强度（UCS）为770 ± 83 kPa，与使用5 wt.% OPC处理样品的强度（794 ± 30 kPa）无统计学显著差异。然而，在刚度（以峰值应力50%处的割线杨氏模量E50表示）上，EICP样品（185 ± 36 MPa）达到了OPC样品（52 ± 1 MPa）的三倍以上，差异极为显著。这说明尽管两者最终抗压能力相当，但EICP加固的土壤在受力初期变形更小，表现为更“硬”的材料特性。
在讨论与结论部分，研究人员深入阐释了其发现的意义。首先，过期大豆籽作为废弃资源，其酶活性窗口为EICP技术的低成本、可持续应用提供了现实可能。其次，研究明确了最佳工艺参数，特别是1:1的尿素/钙摩尔比和适中的浓度，能够协调反应动力学与沉淀效率，避免因离子强度过高抑制pH提升。第三，微观机理分析表明，EICP过程主要通过颗粒接触点的碳酸钙胶结起效，这与OPC形成孔隙填充的水化产物（如C-S-H凝胶）有本质不同，这直接解释了EICP处理土刚度显著更高的原因——接触点胶结更有效地限制了颗粒间的滑动和转动。
关于环境顾虑，研究承认铵盐生成是EICP技术固有的挑战。但在本研究所采用的渗流注射模式下，大部分氮（以铵盐为主）可随废液被收集（约2.16立方米/吨土），为后续的废水处理或资源回收创造了条件，避免了其在土壤中的无控累积。尽管残留氮的问题仍需通过下游处理解决，但这种可控的注射-回收策略为现场应用中的环境管理提供了可行思路。
综上所述，这项由Domenico Rosa、Ahmed Al-Jamaei和Luca Di Palma完成的研究有力地证明，利用过期大豆籽作为脲酶源的EICP技术，能够将沙土加固到与传统水泥相当的强度水平，并在刚度上表现更优。这不仅仅是一项“变废为宝”的资源化利用案例，更是对可持续岩土工程技术的一次重要推进。它揭示了生物矿化加固在微观作用机制上的独特性，并为评估和缓解该技术的环境副作用提供了工程学视角。尽管长期耐久性、不同土壤类型的普适性以及现场大规模处理的工艺细节仍需进一步探索，但本研究无疑为减少建筑业碳足迹、发展循环经济理念下的绿色加固技术，点亮了一盏颇具前景的明灯。
