[论文解读] Effects of bacterial density on growth rate and characteristics of microbial-induced CaCO3 precipitates: a particle-scale experimental study

Yuze Wang, Kenichi Soga+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 29, 2020

Microbial Applications in Construction Materials参考文献 19被引用 5

一句话总结

本研究利用微流控芯片模拟土壤孔隙环境，探究细菌密度对颗粒尺度微生物诱导碳酸钙沉淀的影响。结果表明，较高细菌密度（最高达5.2×10⁸ cells/mL）可提高碳酸钙沉淀速率，生成更多但更小的晶体（平均体积450 µm³ vs. 低密度下8,000 µm³），并促使晶体从不稳定相向稳定相转化，凸显细菌密度作为微生物诱导碳酸盐沉淀（MICP）土壤加固应用中关键设计参数的重要性。

ABSTRACT

Microbial-Induced Carbonate Precipitation (MICP) has been explored for more than a decade as a promising soil improvement technique. However, it is still challenging to predict and control the growth rate and characteristics of CaCO3 precipitates, which directly affect the engineering performance of MICP-treated soils. In this study, we employ a microfluidics-based pore-scale model to observe the effect of bacterial density on the growth rate and characteristics of CaCO3 precipitates during MICP processes occurring at the sand particle scale. Results show that the precipitation rate of CaCO3 increases with bacterial density in the range between 0.6×108 and 5.2×108 cells/ml. Bacterial density also affects both the size and number of CaCO3 crystals. A low bacterial density of 0.6×108 cells/ml produced 1.1×106 crystals/ml with an average crystal volume of 8,000 µm3, whereas a high bacterial density of 5.2×108 cells/ml resulted in more crystals (2.0×107 crystals/ml) but with a smaller average crystal volume of 450 µm3. The produced CaCO3 crystals were stable when the bacterial density was 0.6×108 cells/ml. When the bacterial density was 4-10 times higher, the crystals were first unstable and then transformed into more stable CaCO3 crystals. This suggests that bacterial density should be an important consideration in the design of MICP protocols.

研究动机与目标

• 理解细菌密度对孔隙尺度微生物诱导碳酸钙沉淀动力学及特性的影响。
• 量化细菌密度对MICP过程中晶体尺寸、数量与稳定性的影响。
• 识别可最大化沉淀速率与晶体稳定性的最优细菌密度，以提升土壤加固性能。
• 通过受控的微流控模型，弥合宏观MICP结果与微观晶体形成动力学之间的差距。

提出的方法

• 制备具有多孔模型的微流控芯片，以模拟砂粒尺度环境，并实现实时观察MICP过程。
• 将细菌悬浮液以可控密度（0.6×10⁸至5.2×10⁸ cells/mL）引入芯片，以代表不同微生物活性水平。
• 定期注入胶结溶液（含Ca²⁺和尿素）以启动脲酶活性并引发碳酸钙沉淀。
• 通过延时光学显微镜捕捉24小时内晶体成核、生长与相变的动力学过程。
• 通过图像分析量化晶体浓度、平均晶体体积与强度变化，以追踪沉淀与溶解过程。
• 模拟方解石、霞石、阿腊钙矿与非晶态碳酸钙（ACC）的过饱和状态，以解释相变与稳定性趋势。

实验结果

研究问题

• RQ1 细菌密度在孔隙尺度环境下如何影响碳酸钙沉淀物的生长速率？
• RQ2 细菌密度与MICP过程中形成的碳酸钙晶体尺寸及数量之间存在何种关系？
• RQ3 细菌密度如何随时间影响碳酸钙晶体的稳定性与相变行为？
• RQ4 晶体溶解与再沉淀在不同细菌密度下如何塑造最终晶体特性？

主要发现

• 在0.6×10⁸至5.2×10⁸ cells/mL范围内，碳酸钙沉淀速率随细菌密度增加而提高，表明其动力学过程与微生物活性直接相关。
• 在0.6×10⁸ cells/mL时，形成1.1×10⁶ crystals/mL，平均体积为8,000 µm³；而在5.2×10⁸ cells/mL时，形成2.0×10⁷ crystals/mL，平均体积仅为450 µm³。
• 低细菌密度（0.6×10⁸ cells/mL）下形成的晶体在整个实验期间保持稳定，而高密度（4–10倍更高）下初始形成的晶体为不稳定相，随后转化为更稳定的碳酸钙相。
• 在高细菌密度（5.2×10⁸ cells/mL）下，晶体平均体积随时间减小，表明快速成核但单个晶体生长受限；而低密度条件下则形成数量较少但更大且更稳定的晶体。
• 晶体浓度随细菌密度显著增加，24小时后在5.2×10⁸ cells/mL时观察到2.0×10⁷ crystals/mL，而0.6×10⁸ cells/mL时仅为1.1×10⁶ crystals/mL。
• 在高细菌密度下观察到非晶态碳酸钙（ACC）与霞石向方解石的相变，该过程由过饱和度及溶解-再沉淀机制驱动。