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水 利 学 报

２０２４年 ６月 ＳＨＵＩＬＩ ＸＵＥＢＡＯ 第 ５５卷 第 ６期

文章编号：０５５９ － ９３５０（２０２４）０６ － ０６９８ － １３

适宜水工混凝土内环境的矿化微生物梯度驯化优选

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孟永东 １，２ ，徐晓蔚 ，丁 毅 ，王 宇 ，蔡征龙 １，２ ，田 斌 １，２
（１．三峡大学 水电工程施工与管理湖北省重点实验室，湖北 宜昌 ４４３００２；
２．三峡大学 水利与环境工程学院，湖北 宜昌 ４４３００２）

摘要：水工混凝土内部高碱性环境限制了微生物混凝土的自修复效能。利用梯度驯化方法可提高矿化微生物对高
碱度的耐受性，优选出适宜混凝土孔隙内环境并具备高诱导矿化沉积能力的增强嗜碱型微生物。首先，在实验室
高碱性环境下，对比巨大、科氏、枯草、巴氏等 ４种芽孢杆菌的活性及诱导矿化沉积量，初选耐碱性较好的微生
物并对其开展耐碱性梯度驯化；随后，综合分析驯化微生物对混凝土力学性能、吸水性、渗透性和自愈能力的影
响，通过扫描电子显微镜和 Ｘ射线衍射对矿化产物微观形态和组成进行分析。结果表明：相较于巨大、科氏和枯
草芽孢杆菌，巴氏芽孢杆菌在高碱性条件下表现出更强的活性，梯度驯化技术可进一步提高巴氏芽孢杆菌在高碱
性环境中的活性，并证实通过该方法增强的耐碱性具有后代保留的特性；与掺未驯化微生物组试样相比，掺驯化
微生物混凝土试样养护 ２８ｄ的抗压强度提高了 １６．５９％，吸水系数降低了 ３７．７４％，渗透系数减小了 １９．２２％；掺驯化
微生物混凝土试样的裂缝自修复试验得到裂缝最大修复宽度为 ０．５７ｍｍ，超过了未驯化微生物组的 ０．４４ｍｍ。本研究
为基于微生物诱导矿化沉积技术的微生物水工混凝土研发和应用提供理论依据和技术支撑。
关键词：水工混凝土；裂缝自修复；矿化微生物；梯度驯化；微观分析
文献标识码：Ａ
中图分类号：ＴＶ３３１ ｄｏｉ：１０．１３２４３?ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｌｘｂ．２０２３０７５３
１ 研究背景

水工混凝土材料在严苛服役环境中极易开裂，持续发展形成贯通的宏观裂缝会严重影响工程运行
安全 ［１ － ２］ 。微生物诱导矿化沉积（Ｍｉｃｒｏｂｉａｌｉｎｄｕｃｅｄｃａｒｂｏｎａｔｅｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ，ＭＩＣＰ）产物与混凝土材料具
有高相容性，且具备经济、环境友好和长期可持续的特点 ［３］ ，为水工混凝土裂缝自修复和缺陷自愈提
供了新的方向。然而，水工混凝土胶凝材料的持续水化作用释放出大量热和碱性副产物，使混凝土内
部出现较高的温度和碱度，制约了矿化微生物的正常生理代谢活动，导致矿化微生物后期活性的降
低，进而影响混凝土的自愈性能 ［４］ 。因此，优选出适应水工混凝土高温高碱内环境的矿化微生物，是
提高水工微生物混凝土长效自愈能力的关键。
生物具备逐步适应环境的能力，梯度驯化是通过控制某些环境变量的级联变化来获得适应性目标
生物的方法 ［５］ 。已有研究表明，梯度驯化对提高动物种群和微生物的环境适应能力均起到积极作用。
Ｚｈｏｕ等 ［６］ 为探究大理湖鹦鹉鱼种群在碳酸盐环境下繁殖和增殖的可行性，采用梯度驯化方法开展驯化
培养，通过测定存活率和最大存活浓度评价其对盐碱冲击和持续时间胁迫的适应性，证明驯化可以提
高大理湖鹦鹉鱼种群对碳酸盐环境的生存适应性。Ｃｈｅｎ等 ［７］ 为获得高产富硒酵母，对酿酒酵母进行
硒浓度梯度驯化，并结合紫外线诱发突变，以获得较好耐硒能力的富硒酵母菌，通过硒耐力筛选试验
筛选出突变体大菌落，获得突变菌株的硒含量和生物量比原菌株酿酒酵母提高了 ５０％。在微生物自修

收稿日期：２０２３ － １２ － ０１；网络首发日期：２０２４ － ０６ － １４
网络首发地址：ｈｔｔｐｓ：??ｋｎｓ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ?ｋｃｍｓ?ｄｅｔａｉｌ?１１．１８８２．ＴＶ．２０２４０６１２．１０２８．００１．ｈｔｍｌ
基金项目：国家自然科学基金面上项目（５２１７９１３７）
作者简介：孟永东（ １９７６ － ），博士，教授，博士生导师，主要从事水工结构工程研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｍｅｎｇ＠ｃｔｇｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
通信作者：徐晓蔚（１９９６ － ），博士，主要从事水工结构工程研究。Ｅ － ｍａｉｌ：２０２１０８１５００１１００９＠ｃｔｇｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
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