混凝土作為當今世界應用最廣、用量最多的建筑材料，其服役壽命與耐久性問題一直被業(yè)界所重視。而混凝土開裂是分布范圍最廣、危害最大的耐久性問題之一。在復雜的應用場景和服役環(huán)境中，混凝土結構中微小裂縫的產生是無法避免的，而混凝土開裂不僅會導致滲漏使得混凝土內部結構水解破壞，造成承載力的降低，還會導致混凝土內部鋼筋暴露在易腐蝕環(huán)境中，產生銹蝕，破壞結構的整體性。
近年來，微裂縫的修復方法成為了研究熱點。學者們針對混凝土開裂這一亟需解決的問題提出了不同的修復方法，如使用人造材料（如聚氨酯、環(huán)氧樹脂等）進行注漿修復、電沉積修復等。這些方法能在有效降低混凝土孔隙率、改善界面過渡區(qū)的同時進行微小裂縫的修復。但是，注漿修復與電沉積修復都存在能耗高、成本高、環(huán)境不友好等一系列問題。因此，開發(fā)一種簡單高效、綠色環(huán)保的可持續(xù)修復技術是必然趨勢。微生物誘導沉積碳酸鈣（Microbial induced carbonate precipitation，以下簡稱MICP）技術因具有綠色環(huán)保、實時修復、無需人工干預等優(yōu)點而引起了國內外諸多學者的關注。有研究者發(fā)現(xiàn)石油產出地附近的巖石裂縫可以自行修復，研究發(fā)現(xiàn)巖石裂縫附近的微生物在特定環(huán)境條件下誘導形成了沉積碳酸鈣，而碳酸鈣是一種天然礦石能填補巖石裂縫，同時提供較好的相容性，使修復效果長期有效。近幾十年來，微生物誘導礦化技術已經被廣泛應用于林地去重金屬化、地下水重金屬污染凈化、復合材料修復等。而作為一項極具前景的環(huán)境友好型沉積修復技術，MICP還具有修復混凝土裂縫的較大潛力。早期RAMACHANDRAN等利用巴氏芽孢桿菌進行尿素降解達到修復混凝土裂縫的目的。CHU、SEIFAN等通過同樣的機理，利用球形芽孢桿菌探究了氮屬細菌在砂石修復上的可行性。國內錢春香等人在此基礎上利用嗜堿芽孢桿菌、兼性厭氧芽孢菌等進行了更加深入的研究，使得微生物修復混凝土裂縫的理論基礎進一步夯實。
本文回顧已知的微生物誘導礦化機理，分別從光合生物誘導沉積碳酸鈣、硫酸鹽還原菌誘導沉積碳酸鈣、氮循環(huán)誘導沉積碳酸鈣、其余生化作用誘導沉積碳酸鈣四個方面對最新的研究進展進行綜述，提出尚待解決的技術問題和未來的研究方向，以期為微生物修復混凝土裂縫的研究提供前沿的科研信息和可能的研究思路。
式中：Ksp是25℃下碳酸鈣的溶度積的常數，通常取值為2.9×10-9 。
除此之外，MORCE、HAMMES等學者的研究表明：系統(tǒng)中的酸堿度、能提供的成核位點數和溶解的無機碳濃度也是決定碳酸鈣沉積能否實現(xiàn)的關鍵指標。四個關鍵指標并不是完全獨立的。例如，CASTANIER在研究中指出，碳酸根離子的濃度取決于溶液中溶解的無機碳濃度。除上述四個關鍵性指標，其他因素同樣會影響碳酸鈣的沉積，如環(huán)境中的溫度會直接影響二氧化碳氣體的分壓，二氧化碳的分壓則直接影響溶液中無機碳的濃度，從而間接影響碳酸鈣的沉積?；诟鱾€因素間復雜的協(xié)同關系，改變某因素或多種因素來影響微生物碳酸鈣沉積成為可能，也為混凝土結構修復提供新思路。
光合生物誘導礦化是是自然界中最常見的碳酸鈣沉積形式。WANG等對海洋環(huán)境中地殼的形成開展了研究，認為顆石藻在地殼的成核階段具有無可替代的作用，而在此過程中，顆石藻表面通過光合作用沉積的碳酸鈣扮演了重要角色，證明了光合生物誘導沉積碳酸鈣現(xiàn)象的普遍性和重要性。
2.1 誘導沉積機理
在光合作用誘導機制下，可以根據微生物對氧氣的需求，進一步將碳酸鈣沉積機制分為好氧類、厭氧類兩種類型。
好氧類光合作用在自然界中更為常見。部分學者認為，在光合作用中產生的二氧化碳會與水反應生成碳酸，不穩(wěn)定的碳酸會進一步分解為碳酸氫根和氫離子，如果此時環(huán)境中能提供充足的鈣離子，就會產生碳酸鈣的沉積反應。但也有學者認為，此現(xiàn)象主要得益于水生光合生物（包括大型沉水植物、光合細菌等）對周圍二氧化碳的吸收。這些二氧化碳在一定程度上提高了微環(huán)境碳酸鈣飽和度，并最終引發(fā)碳酸鈣的沉積。
與好氧類光合作用不同，一些鐵菌、氫菌和硝化細菌在不產生氧氣的情況下也能通過光來產生能量，發(fā)生厭氧類光合作用，如綠硫細菌和紫硫細菌等。此外，區(qū)別于好氧類光合作用，厭氧類光合作用的電子供體為無機化合物，可以生成硫化物、鐵化物或氮化物。細菌內部的光合化學反應能提高周圍微環(huán)境的pH值，在產生糖分和能量的同時，通過三羧酸循環(huán)等生物內循環(huán)產生二氧化碳，并在有充足鈣源的情況下誘導碳酸鈣的沉積。
無論是好氧類光合生物還是厭氧類光合生物，其誘導碳酸鈣沉積的機制都可以簡單概括：在有光能和電子供體等的條件下，生物內部通過能量代謝、物質代謝作用釋放二氧化碳，提高微環(huán)境中的無機碳濃度或碳酸鈣飽和度，從而使碳酸鈣沉積。
2.2 光合生物誘導沉積在混凝土修復中的應用
國內學者很早就開始關注藻類誘導碳酸鈣沉積的現(xiàn)象。水生光合生物能廣泛驅動元素的遷移轉化，誘導沉積低鎂方解石和文石等碳酸鈣礦物，形成不同的孔隙結構和紋層結構。盡管沉積的碳酸鈣中含有豐富的動植物殘體，并形成大量孔隙，但水生光合生物為修復水下混凝土裂縫提供了可能。
CAPEZZUOLI等在研究中表明溫度能影響沉積碳酸鈣的孔隙率，在溫水中誘導沉積碳酸鈣的孔隙率比冷水中要低。CAPEZZUOLI等認為原因在于較高溫度能加快碳酸鈣沉積，幫助微生物占據誘導沉積的主要地位。因此，適當提高修復區(qū)域的溫度會幫助水生生物更好地進行裂縫的修復。
國外學者TABITA等通過試驗測量分析出藍藻生活在pH值7~10之間的水域中，其中，無機碳主要以碳酸氫根離子的形式存在。KAMENNAY等在研究藍藻通過光合作用引發(fā)碳酸鈣沉積的能力時也進行過類似的描述。通過分析礦物沉淀的成分，KAMENNAY等指出，在海水中藍藻能通過光合作用析出方解石和霞石，并對藻類在堿性環(huán)境下析出水鎂石的能力進行了肯定。這一發(fā)現(xiàn)對于光合作用誘導碳酸鈣沉積在混凝土修復中的應用具有重要價值，因為這些細菌具有在堿性環(huán)境中生存的能力符合混凝土對自修復細菌的要求。
李騏言等通過分離藻類的胞外聚合物（EPS）研究了胞外產物對碳酸鈣沉積的影響，表明此類細菌可以沉淀胞內及周圍微環(huán)境中的碳酸鈣。該試驗表明海水中的藻類能在自身的微環(huán)境周圍通過EPS促進碳酸鈣的沉積。
在對混凝土裂縫進行實際修復的試驗研究中，ZHU等探討了藍細菌聚球菌PCC8806用于裂縫修復的可能性。ZHU等將混凝土粉末與水混合，制備了pH值為11.7的溶液以模擬裂縫或退化混凝土中的流體，模擬中能觀察到PCC8806鏈球菌在此溶液中誘導沉積了碳酸鈣。將混凝土塊在PCC8806聚球菌存在的氯化鈣溶液中浸泡45 d后，發(fā)現(xiàn)一層厚達270 μm的生物方解石聚集體黏附在混凝土表面。而無微生物的對比組則只有少量的碳酸鹽巖薄片分布在混凝土表面。這是首次利用自噬型藍藻進行混凝土修復的研究，在自養(yǎng)型藍細菌PCC8806的參與下超過38%的碳酸鈣沉積在混凝土的表面。試驗佐證了光合生物存在修復混凝土結構的能力。
自養(yǎng)型光合生物的特點保證藍藻等能從光中獲取能量，不用額外地供給營養(yǎng)物質；同時細菌利用二氧化碳固定碳源能有效提高周圍環(huán)境的無機碳濃度，胞外聚合物能提供更多的成核位點，二者共同促進了碳酸鈣的沉積。
但也有學者對光合生物沉積碳酸鈣的能力提出質疑。PENTECOST等在研究英國Waterfall Back泉水后報道，在藻類碳酸鈣沉積的貢獻中，光合作用沉積碳酸鈣占比估算在6%到12%之間，很難達到20%，與二氧化碳脫氣沉淀接近80%的貢獻相比光合作用的影響較弱。PENTECOST對意大利泉水Le Zitelle的研究也進一步表明，在較高濃度的鈣離子和二氧化碳的環(huán)境條件下，水中光合作用對碳酸鈣形成的影響有限。
綜上所述，光合生物誘導沉積碳酸鈣具有修復混凝土結構的潛力，尤其是在近?；蚝葪l件下這種潛力更加明顯。但是對應的修復效果、能力和效率仍不明確，需要進一步的研究。
硫酸鹽還原菌（Sulfate-reducing bacteria, 以下簡稱SRB）具有誘導沉積碳酸鈣的能力，但此類菌種在實際應用上具有較大的局限性，副產物對混凝土結構存在潛在破壞的可能性。劉笑言等指出，SRB在缺氧條件下會使環(huán)境呈弱腐蝕性，其生成的硫酸可能會腐蝕混凝土結構。ELIZABETH表明SRB在硫循環(huán)的過程中會生成硫化氫等酸性物質，這些物質會導致混凝土內部鋼筋的劣化，影響混凝土結構的耐久性能。目前SRB在混凝土修復上具有較高的局限性，如何避免或減緩SRB對鋼筋混凝土結構的腐蝕是現(xiàn)階段的研究重點。
3.1 誘導沉積機理
SRB誘導碳酸鈣的沉積依賴于氧化還原作用，通過氧化環(huán)境里的有機質釋放硫化氫氣體，提高微環(huán)境中的堿度，誘導碳酸鈣的沉積。根據環(huán)境條件和沉積機制的不同，SRB誘導沉積碳酸鈣的機理可以分為以下兩類。
第一類為在富鈣和富硫酸鹽的環(huán)境中，硫酸菌對硫酸鹽的還原。在混凝土中，富鈣可能源于石膏在自然條件下的溶解，富硫酸鹽則是外界提供的條件，是SRB能正常誘導碳酸鈣沉積的條件之一。在有機物存在的情況下，SRB將硫酸鹽還原為硫化氫，在無氧的情況下釋放碳酸氫根離子。硫化氫是一種弱酸，微環(huán)境中硫化氫的脫氣會導致pH值升高，從而為碳酸鈣沉積創(chuàng)造有利條件。
第二類是SRB將硫酸鈣還原為硫化鈣引發(fā)的碳酸鈣沉積。硫化鈣在潮濕空氣中會發(fā)生水解，因此，在水中硫化鈣會分解并釋放出硫化氫。一方面，硫化氫導致的堿度提高有利于碳酸鈣晶體沉積；另一方面，硫化鈣分解得到的氫氧化鈣會和二氧化碳反應，在微環(huán)境中沉積碳酸鈣。
3.2 SRB在混凝土修復中的應用
對于微生物修復混凝土而言，在硫循環(huán)中生成的酸性產物會造成混凝土結構和鋼筋的劣化，SRB在金屬或者混凝土表面產生的生物膜也會誘導腐蝕的發(fā)生[28]。雖然SRB具有誘導沉積碳酸鈣的能力，但是在過程中產生的酸性產物一方面會破壞混凝土的堿性環(huán)境，另一方面會與混凝土中的組成物質反應，加劇結構的破壞程度。因此，SRB不建議用于混凝土自修復，當下SRB修復混凝土中重要的研究方向之一是如何在合理利用SRB誘導碳酸鈣沉積的基礎上，避免過程性產物對混凝土的破壞。
國內學者錢江等通過氣體擴散法估測了SRB誘導沉積碳酸鈣能力的大小。將SRB分離為微生物分泌SMP、死細胞和EPS三種組分，模擬了SRB的最適生存環(huán)境，發(fā)現(xiàn)在高鈣離子強度環(huán)境中，SRB各組分均能穩(wěn)定的促進方解石的形成，沉淀產物由納米顆粒團聚而成，晶粒尺度分布均勻。同時，不同細胞成分對碳酸鈣結晶的作用均表現(xiàn)為表面吸附和鰲合作用。
國外學者ETIM等提出利用有機硅季銨鹽（OSA）來緩解SRB對混凝土鋼筋的腐蝕。ETIM等制備了無菌微堿模擬混凝土孔隙液（STR），通過對OSA、SRB、STR三者的有機組合配置了四組溶液：STR 、STR+OSA、STR+SRB+OSA和STR+SRB。試驗結果顯示，STR介質中出現(xiàn)均勻腐蝕，STR + OSA介質中出現(xiàn)輕微局域腐蝕，在STR + SRB和STR + SRB + OSA介質中出現(xiàn)局域0點蝕，證明OSA可以抑制SRB的生長，減少SRB對混凝土結構的破壞。
目前SRB修復技術尚不成熟，對混凝土結構的潛在破壞限制了SRB在混凝土裂縫修復中的應用。如果能抑制沉積碳酸鈣過程中產生的酸性副產物，或通過摻入其他物質以避免酸性副產物對結構的影響， SRB誘導沉積碳酸鈣在混凝土修復中的應用將具備更加廣闊的前景。而如何抑制SRB在自修復過程中的作用，或如何盡量合理的利用SRB沉積碳酸鈣的能力，仍需進行進一步的探索研究。
相較于其他幾種沉積機制，氮循環(huán)誘導碳酸鈣沉積具有特殊的應用優(yōu)勢。由于尿素分解菌具有較好的抗堿性，并且得益于其孢子的形成能力，它們能夠在沒有營養(yǎng)物質的情況下存活數百年，因此，氮屬細菌具備長期有效修復混凝土裂縫的潛力。細菌將環(huán)境中的有機氮轉化為礦物質，根據反應的不同，誘導沉積碳酸鈣的機理可以分為兩類：尿素降解作用和反硝化作用。
4.1 尿素降解作用沉積機理
巴氏芽孢桿菌（Sporosarcina pasteurii）、球形芽孢桿菌（Bacillus sphaericus）等是氮循環(huán)誘導沉積碳酸鈣的代表菌屬。此類細菌通過代謝作用能產生具有誘導礦化能力的關鍵蛋白酶——脲酶。當環(huán)境尿素含量高時，在細菌內部脲酶的作用下尿素分子會被水解為氨分子和氨基甲酸分子；作為過程中間產物，一分子氨基甲酸會在很短時間內自發(fā)水解為一分子碳酸和一分子氨。上述反應中氨分子會與水發(fā)生反應，提高水環(huán)境中的堿度，堿度的提高促進了溶于水中的無機碳向碳酸根離子的轉化，最終使環(huán)境中的碳酸根離子濃度上升，在有鈣源的情況下生成了碳酸鈣。人類首次純化的微生物脲酶即巴氏芽孢桿菌產生的脲酶，其催化功能單一，僅可催化尿素或尿素類似物；同時，通過脲酶水解尿素來誘導碳酸鹽沉積的模型是MICP 中最直接且最容易控制的，其效率高，能夠在短時間內誘導生成大量的碳酸鹽。因此，脲酶微生物水解尿素的模型是一種被廣泛應用的微生物礦化模型。除了產生脲酶，巴氏芽孢桿菌還能吸附微環(huán)境中的鈣離子，為碳酸鹽沉積提供晶核。
4.2 反硝化作用沉積機理
反硝化作用，一般指缺氧時微生物將硝酸鹽及亞硝酸鹽還原為氣態(tài)氮化物和氮氣的過程，脫氮硫桿菌、反硝化桿菌、微球菌等假單胞菌屬是此類作用的代表。它們在脫氮過程中的電子受體不是氧氣，而是在自身作用中形成的硝酸根離子。在鈣離子存在的條件下，硝酸根離子的還原會誘導碳酸鈣的沉積。
近年來有學者指出，少數反硝化細菌可以作為自養(yǎng)菌，如脫氮硫桿菌。它們氧化硫或氫獲得能量，同化二氧化碳，以硝酸鹽為呼吸作用的最終電子受體，進行脫氮反應。同樣，如果在環(huán)境中有大量鈣離子，硝酸根離子的還原同樣會導致碳酸鈣的沉積。
4.3 氮循環(huán)誘導沉積在混凝土修復中的應用
氮循環(huán)誘導沉積碳酸鈣是MICP修復中常用的機理，其原因是脫氮菌屬具有良好的可控制性與抗堿性，強大的存活能力，以及誘導沉積碳酸鈣的高效性。此特性符合自修復混凝土對細菌的期望。
球形芽孢桿菌是被廣泛研究的尿素分解菌之一。早期MUYNCK等發(fā)現(xiàn)球形芽孢桿菌能顯著提高砂漿試件的耐久性，根據孔隙率的不同，吸水率可降低90%，而碳化速率和氯離子遷移率分別能降低30%和40%。在此基礎上，KIM等課題組研究了巴氏芽孢桿菌和球形芽孢桿菌在普通混凝土和輕質混凝土上的碳酸鈣微生物沉淀特性。KIM等將混凝土試件分別采用純水、無細胞培養(yǎng)液和有細胞培養(yǎng)液處理，對混凝土試件進行毛細吸水試驗，指出用球形芽孢桿菌處理的普通混凝土試件和輕質混凝土試件的單位面積增重均最低，認為球形芽孢桿菌對混凝土表面的處理效率高于巴氏芽孢桿菌。ERSAN等則對比了球形芽孢桿菌和硝基還原桿菌（Diaphorobacter nitroreducens）對砂漿試件的影響，指出含球形芽孢桿菌的樣品抗壓強度下降幅度可達68%，凝結時間延遲340 min，而硝基還原桿菌對砂漿試件的凝結時間和抗壓強度都沒有產生重大影響，因此，后者更適合作為自愈合混凝土的細菌劑。
巴氏芽孢桿菌也是目前自修復混凝土學者研究的熱點之一。QIU等研究了巴氏芽孢桿菌對再生骨料的改性作用，指出巴氏芽孢桿菌沉積碳酸鹽的最適堿度為9.5。CHAHAL 等在粉煤灰混凝土中摻入巴氏芽孢桿菌，使混凝土的抗壓強度最大增加22%，吸水率降低4倍，降低了粉煤灰混凝土的孔隙率和滲透性。郝小虎等用巴氏芽孢桿菌沉積碳酸鈣對再生骨料進行改性，研究表明，隨著巴氏芽孢桿菌改性時間的延長，再生骨料的質量逐漸提高，骨料的表觀密度最大可達2 600 kg/m3，比未改性骨料提高4.42%。
盡管脫氮細菌能促進不同類型混凝土的裂縫愈合，對力學性能有顯著的改善，但是在分解尿素或者反硝化的過程中，伴隨尿素的生成會產生大量的二氧化碳，造成環(huán)境質量下降。同時，尿素水解還會產生具有刺激性氣味的氨，一定濃度的氨氣能灼傷皮膚、眼睛、呼吸器官的黏膜。因此，此類細菌在應用過程中可能存在安全隱患。JONKERS等注意到了這個問題，他們利用好氧的嗜堿芽孢桿菌進行試驗，發(fā)現(xiàn)水泥石中含有的細菌孢子能夠通過裂隙進入水中，將含有的乳酸鈣轉化為碳酸鈣礦物質。錢春香等同樣對嗜堿芽孢桿菌展開了研究，在培育出耐堿性較強且可以產生碳酸鈣晶體的改良嗜堿芽孢桿菌的基礎上，研究了此類細菌對裂縫的修復效果。結果表明，在40 d時混凝土表面處裂縫已被碳酸鈣晶體完全填充，有效地阻礙有害物質對混凝土的入侵；在裂縫深度方向上，裂縫表面10 mm范圍內均有碳酸鈣生成。上述研究表明，利用嗜堿芽孢桿菌可以減少氨氣的產生，在一定程度上克服脫氮細菌帶來的問題。
綜上所述，在利用氮循環(huán)細菌修復混凝土的過程中如何做到環(huán)境友好的同時保證修復效果，亟需更多的研究。
在上述MICP機制外還存在一些其他的機制，其中之一為甲烷厭氧氧化誘導的碳酸鈣沉積。這個機制的機理為甲烷與硫酸鹽在厭氧的情況下被細菌氧化，甲烷被氧化為碳酸氫根離子，硫酸根離子被還原為硫化氫根離子。如果環(huán)境中有充足的鈣離子，那么就會進行碳酸鹽的沉積。
GANENDRA等首次利用Methylocystis parvus OBBP培養(yǎng)法從甲酸鈣中沉淀碳酸鈣，并提出利用此法進行建筑工程中裂縫的修復。研究表明，經甲烷處理的培養(yǎng)基中鈣的析出率高達91.4% ，而未加甲烷處理的培養(yǎng)基中鈣的析出率為35.1%，證明甲烷氧化具有誘導碳酸鈣的可行性。
近年來，另一種新型技術為植物源脲酶誘導碳酸鈣沉積?？紤]脲酶的來源，一些豆科植物、瓜類植物中都含有豐富的脲酶，并且粗提簡單，經濟實惠。劉陽、吳林玉等提取了大豆中的脲酶，通過選取不通的膠結液在砂石表面生成了硬殼。但是，生成的鹽結皮脆弱，抗壓強度最大為1.21 MPa，實際應用價值有限。從植物中提取的脲酶能否運用于混凝土裂縫的修復仍待商榷。
盡管 MICP已經被證明能用于混凝土結構的修復，能提高混凝土的耐久性，但目前依舊有一些需要解決的問題。
（1）裂縫修復存在均勻性問題?；炷镰h(huán)境中細菌的分散程度是影響MICP修復效果的原因之一，雖然QIAN等提出在菌液灌注速度較低時，微生物能更加均勻地分布于砂粒表面與砂粒間隙，但是如何將微生物更加均勻地分布在混凝土中，如何讓裂縫修復的更加均勻，仍是一大挑戰(zhàn)。
（2）細菌的使用受到環(huán)境的限制。在一些極端條件下，諸如嚴寒或冰凍的條件下，細菌的生存將會受到挑戰(zhàn)。為了在非常規(guī)的環(huán)境中實現(xiàn)細菌對混凝土結構的自修復，研究人員需要采取不同的方法，這可能會對微生物水泥的批量生產造成限制。
（3）MICP技術對環(huán)境的友好性仍需考量。目前脲酶微生物水解尿素的模型是一種被廣泛應用的微生物礦化模型，但是如何處理分解尿素的過程中釋放的二氧化碳氣體、副產物等是對環(huán)境友好性的挑戰(zhàn)。
（4）MICP技術成本較高，經濟性有待提升。可以考慮利用生活廢棄物中的營養(yǎng)物質，如運用工業(yè)廢水、牲畜排泄物等進行灌漿，進一步降低MICP工藝成本。
MICP是一項具有廣闊前景和應用價值的混凝土裂縫修復技術。四種MICP機制闡明了不同機制下的機理，并論述了不同微生物在混凝土裂縫修復中的應用。目前，研究者們最主要的應用菌屬為尿素降解菌，遵循尿素降解作用，典型代表如巴氏芽孢桿菌、球形芽孢桿菌和嗜堿芽孢桿菌等氮屬菌。除此之外，藍藻、顆石藻等水生光合生物也被證明具有修復混凝土結構的潛力。在各類室內試驗及現(xiàn)場試驗中，混凝土顯著裂縫愈合和性能改善證實了MICP 技術在混凝土裂縫修復中應用的可行性。
