利用包埋有能沉淀碳酸盐的细菌的水凝胶实现混凝土的自修复外文翻译资料

 2022-01-13 10:01

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利用包埋有能沉淀碳酸盐的细菌的水凝胶实现混凝土的自修复

J.Y. Wang, D. Snoeck, S. Van Vlierberghe , W. Verstraete , N. De Belie

摘要：基于细菌的混凝土自修复方法是可持续性混凝土维护中十分有前景的解决方案。在这项研究中，首先将细菌孢子包裹在水凝胶中，然后将其掺入到混凝土样品中以研究它们的愈合效率。通过热重分析（TGA）证明了通过水凝胶包埋的孢子得到了CaCO3沉淀。含有包裹孢子的水凝胶这种砂浆的样品显示出明显的自愈性优势：最大愈合裂缝的宽度约为0.5mm，水渗透率平均降低了68％。其他非细菌系列试样最大愈合裂缝的宽度为0-0.3mm，平均透水性仅降低了15-55％。

关键字：自修复，裂缝，细菌，水凝胶，微生物CaCO3

1. 引言

由细菌诱导的碳酸盐沉淀物被认为是一种环境友好且经济的材料，具有广泛的工程应用前景。例如，正在研究微生物CaCO3进行土壤处理，重金属和放射性核素的修复，砂土胶结，建筑材料的表面保护等。最近，研究人员开始应用微生物CaCO3进行混凝土裂缝的自修复，这是降低混凝土基础设施高维护和维修成本的可能解决方案。在混合过程中将碳酸盐沉淀细菌加入混凝土中。当裂缝出现时，裂缝带中的细菌将被激活并使CaCO3沉淀，达到修复裂缝的效果。考虑到混凝土内的碱性环境和愈合剂的长保质期要求，应使用嗜碱性/耐碱性孢子形成菌株。众所周知，孢子，即活细胞的休眠状态，对热，辐射和各种化学物质具有更强的抵抗力，并且比活细胞具有更长的存活时间，从数年到数百年。活细胞（营养细胞）是处于活跃状态的细菌，而孢子是代谢惰性的。当生长条件有限或在恶劣的环境中，某些类型的细菌营养细胞可以形成孢子，以抵御不利条件。当生长条件变得有利时，孢子也可以发芽并形成营养细胞。在该研究中，使用芽孢杆菌（Bacillus sphaericus），一种分解尿素，耐碱的孢子形成菌株。该菌株的显著特征是通过尿素水解的途径高产率的得到碳酸钙沉淀。

值得一提的是，在混合和水泥水合阶段可能存在细菌细胞或孢子会被损坏的风险。这是因为水泥基基质是在持续水化过程中逐渐变成致密结构的。大多数孔的尺寸小于0.5 mu;m，而细菌的大小在1-3 mu;m的范围内。因此，当毛孔变得越来越小时，细菌可能会受到挤压。另外，混合期间的机械力也可能损害细菌。因此，应该选择在添加前包封细菌。合适的载体应具有“壳”的功能，以保护细菌，且对细菌使碳酸盐沉淀没有阻碍作用，对混凝土基质没有或者有有限的负面影响。Jonkers等人已经应用多孔聚集体来固定细菌孢子和相关的生物试剂。40天后观察到标本中具有修复性能的生物聚集体。愈合的最大裂缝宽度达到0.46 mm，几乎是参考样品的两倍。在我们之前的研究中，我们开发了一种体系，用玻璃毛细管包裹细菌和填充材料（硅溶胶凝胶），并发现细菌系列中的水渗透性比非细菌系列低2-3个数量级。还探索了硅藻土固定细菌以进行自我修复, 在与硅藻土固定化的细菌结合的样本中，能完全愈合裂缝的最大宽度为0.17mm，而在非细菌系列中没有观察到裂缝愈合。

充足的水供应是在基于细菌的愈合系统中获得良好愈合效率的决定因素，因为水是细菌活动的必需元素。上述自愈系统中，是在完全浸没的条件下实现了裂缝愈合。然而，在许多实际情况下，完全浸没是不可行的。为了获得足够的水来进行细菌活动和自身愈合（如果可能的话）而没有人为干扰，这对于真实的自修复机制是至关重要的。水凝胶可以完成这项任务。水凝胶是具有聚合物链网络的亲水凝胶，水是分散介质。水凝胶具有高吸水能力并且可以在网络中保留大量水或水溶液而不会溶解。吸收的水将缓慢释放到周围环境中。因此，结合使用水凝胶和微生物CaCO3进行自我修复可以获得两个好处：（1）水凝胶可以在混合和水合过程中用作保护细菌孢子的载体; （2）当发生裂化时，溶胀的水凝胶可用作孢子萌发和细菌活动的储水器，因此促进CaCO3的沉淀。

该研究包括两个连续的步骤。首先，“概念验证”步骤，以验证包封后细菌孢子是否仍然存活。随后，将水凝胶包封的孢子（生物水凝胶）施加到砂浆样品中，并研究样品的自愈合效率。

2、材料和方法

2.1 细菌菌株

在该研究中使用球形芽孢杆菌LMG 22557（Belgian Coordinated Collection of Microorganisms，Ghent）。活细胞在由酵母提取物（20g / L）和尿素（20g / L）组成的无菌生长培养基（YU培养基）中生长。将培养基的pH调节至9.0。原始的球形芽孢杆菌孢子由Artechno公司（比利时Liege）提供，其在液体最小基础盐（MBS）培养基中用作接种物（1％v / v）以培养批次的球形芽孢杆菌孢子用于实验用途。将成熟的孢子作为接种物（1％v / v）转移到无菌MBS培养基中。将培养物（28℃，100rpm）温育14-28天，直至超过90％的细胞是孢子。通过离心培养物（7000rpm，4℃）7分钟收获孢子。将离心的孢子重悬于无菌盐水溶液（8.5g / L NaCl）中。对孢子的悬浮液进行巴氏灭菌处理（在80℃水浴中20分钟，然后在冰水混合物中冷却5分钟）。然后，将孢子悬浮液（约109孢子/ mL）储存在4℃冰箱中以备将来使用。

2.2 水凝胶

使用的水凝胶由根特大学的聚合物化学和生物材料组（PBM-UGent）开发。它们基于商业PluronicOgrave;F-127（Sigma Aldrich）合成，其是聚（环氧乙烷）和聚（环氧丙烷）（即PEO-PPO-PEO）的三嵌段共聚物。链末端的OH-官能团用甲基丙烯酸酯基团改性以引入双键。双键使得在引发剂存在下与PluronicOgrave;F-127双甲基丙烯酸酯（PluronicOgrave;-BMA）交联是可行的。（在施加紫外线照射后，IrgacureOgrave;2959将形成自由基，通过与引发剂反应引发聚合反应。）交联的整个过程包括引发，增长和终止。交联后，形成聚合物网络，使得水能够在交联的水凝胶网络内吸收和保留。

2.3 封装过程

2.3.1 合成纯水凝胶（H）

首先，将引发剂加入20％w / w聚合物溶液（含有8g水的2g PluronicOgrave;-BMA干粉）中。将混合物脱气并混合（5分钟，500rpm），然后注入由两个玻璃板制成的室中，所述玻璃板由1mm厚的硅氧烷间隔物隔开。然后夹紧玻璃板并进行UV照射1小时。在UV照射后，室中的聚合物溶液形成凝胶状片。将水凝胶片从室中取出并进行冷冻研磨（IKA Yellowline Analytical Grinder）和冷冻干燥（Christ Alpha 2-4 LSC，德国）以获得细粉（在500mu;m范围内）。在本研究中，对于每种水凝胶片，使用10g聚合物溶液和173.8mu;LIrgacureOgrave;2959溶液（8g / L）。纯水凝胶表示为H.

2.3.2 将孢子包封到水凝胶中（HS）

首先将细菌孢子悬浮液（109细胞/ mL）与聚合物溶液混合，然后将引发剂加入混合物中。随后的步骤类似于用于生产纯水凝胶片的程序。将1mL孢子悬浮液（含有约109个孢子）用于一个水凝胶片。一个水凝胶片的总体积为约10mL。因此，水凝胶片中孢子的浓度为约108孢子/ mL（每片109个孢子）。用孢子包封的水凝胶表示为HS。

2.3.3。将生物试剂封装到水凝胶（HA）中

在这项研究中，术语“生物试剂”是指细菌（酵母提取物）和沉积剂（尿素和硝酸钙）的营养素。首先将粉末状的生物试剂添加到聚合物溶液中。在它们完全溶解到聚合物溶液中之后，然后加入引发剂。接下来，对整个混合物进行脱气，后续步骤与上述制备纯水凝胶片的步骤相同。对于10mL的每种水凝胶片，添加0.4g酵母提取物，0.9g尿素和1.2g Ca（NO3）2·4H2O。装载有生物试剂的水凝胶表示为HA。

2.3.4。将孢子与生物试剂一起封装到水凝胶（HAS）中

首先将生物试剂的粉末与聚合物溶液充分混合。之后，加入孢子和引发剂悬浮液，立即对整个混合物进行脱气以防止孢子萌发。后续步骤与上述相同。用孢子和生物试剂包封的水凝胶表示为HAS。每个10mL的HAS片含有1mL孢子悬浮液，0.4g酵母提取物，0.9g尿素和1.2g Ca（NO3）2·4H2O。

2.4 包囊孢子的活力

制备一系列水凝胶片以研究固定在水凝胶中后孢子的活力。由水凝胶包封的孢子分解的尿素的量作为评价固定化孢子活力的指标。基于在YU培养基中测量的总铵氮（TAN）计算分解的尿素量。 1摩尔尿素（CO（NH2）2）产生2摩尔NH4。因此，NH4的量可以表示尿素分解的量。通过Nessler方法比色测量TAN浓度。以下实验一式三份进行（n = 3）。

2.4.1 紫外线照射后的存活率

将一片H和HS切成小块，然后将其分成三等份（按重量计）。将各部分加入100mL无菌YU培养基中。通过TAN方法测量24小时和48小时后分解的尿素量。作为对照，将等量的非固定化孢子（0.33mL孢子悬浮液）加入到相同的培养基中。

2.4.2 紫外线照射、冷冻研磨后的存活率

将两片水凝胶（H和HS）全部切成小块并进行冷冻研磨。将湿粉末（两片）分成6等份;每个部分是一张纸的三分之一。类似地，将每种水凝胶的3份加入到YU培养基中（每个部分100mL），测试24小时和48小时后尿素分解的量（TAN方法），以验证紫外线照射和冷冻研磨后孢子是否仍然存活。

2.4.3。紫外线照射、冷冻研磨、冷冻干燥后的存活率

在冷冻研磨后，将每种类型的水凝胶（仍为H和HS）剩余的3份湿粉末进行冷冻干燥过程。将每份干燥粉末加入相同的100mL YU培养基中，测试24小时和48小时后尿素分解的量（TAN法），以检查在UV照射，冷冻研磨和冷冻干燥后孢子是否仍然存活。

2.4.4。封装孢子的碳酸盐生产力

将水凝胶片（H，HA和HAS）切成小块，然后将其分成重量相等的两份。用20mL高压蒸馏的蒸馏水将每个部分加入到falcon管中。通过上述TAN方法测量在第3天和第7天分解的尿素量。将falcon管保持在静止状态（20℃）下。

热重分析（TGA）用于进一步证明水凝胶内/上CaCO3的形成。7天后，将水凝胶片从水中取出并在进行干燥处理之前切成小块（以适合TGA仪器的样品盘）。将一定量（约5mg）的干燥水凝胶加入TGA仪器的样品盘中（SDT 2960 Simultaneous DSC-TGA）。在氮气氛中以10℃/ min的温升速率将温度从室温升至1000℃。记录加热期间样品的重量损失并显示在重量-温度图中。还测试了纯水凝胶和具有生物试剂但没有孢子的水凝胶作为对照。

在FEI QUANTA 200F扫描电子显微镜（SEM）中研究在水凝胶内/上沉淀的CaCO 3的形态（与TGA检查相同）。二次电子成像（SEI）用于电子微电子。在SEM检查之前，通过Baltec SCD030 Sputter Coater对干燥的样品进行金涂覆。

2.4.5。模拟混凝土环境中封装孢子的活力

为了模拟混凝土内的高pH环境，通过将水泥（CEM I 52.5N）与自来水混合制备水泥溶液。在这部分实验中使用了三种水泥浆：

水泥浆0：2克水泥 100克水;

水泥浆1：2g水泥 100g水 2g尿素;

水泥浆2：2克水泥 100克水 2克尿素 1克酵母提取物;

2.4.5.1。水凝胶固定化孢子在水泥浆中的活力。将干燥的生物水凝胶粉末（一半HAS片材）加入到100mL水泥浆1和2中。将混合物保持静止（20℃）。通过TAN方法测量在第3天和第7天分解的尿素量，TAN方法是模拟水泥环境中水凝胶固定化孢子萌发的指示剂。

2.4.5.2。 水凝胶固定化孢子浸入水泥浆后的活力。将干燥的生物水凝胶粉末（一半HAS片材）放入茶包中，然后在固定条件（20℃）下将其浸入100mL水泥浆0中24小时。 之后，将茶袋从水泥浆中取出，并用高压蒸馏的蒸馏水冲洗三至四次，以除去附着在袋上的水泥颗粒。 之后，将茶袋浸入100mL的YU培养基中。 通过TAN方法测量在第1天和第3天分解的尿素量，以监测包封的孢子在浸入模拟的水泥环境后是否仍然存活。

2.5。水凝胶的吸水性和保水性

2.5.1。膨胀的属性

研究了水凝胶（H型，HA型和HAS型）的溶胀性质。实验一式三份进行（n = 3）。膨胀试验在去离子水（DW）和过滤水泥浆（FC）中进行。

该实验中的水泥浆具有10g水泥/ 100mL水的浓度。首先将水泥浆混合1小时，然后过滤除去未溶解的颗粒。通过pH指示纸测试过滤的水泥浆（悬浮液）的最终pH约为12.5。将少量干燥水凝胶（Wh，约0.2g）置于塑料烧杯中并测定干燥水凝胶的重量。然后将去离子水或过滤的水泥浆（W0，约50g）倒入烧杯中并再次称重。将塑料烧杯紧紧盖住以避免蒸发。 16小时后，水凝胶的吸水率达到平衡。将烧杯中的悬浮液倒在滤纸上，该滤纸预先用水/过滤的水泥浆饱和。未吸收的水流入滴定管并称重（W1）。通过方程式计算溶胀比。

S=（W0-W1）/ Wh（1）

其中S是溶胀比[g / g]，W0是水或过滤水泥浆的初始重量[g]，W1是流入滴定管的水或过滤水泥浆[g]

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