生物矿化

生物矿化及其化学医学上的应用

生物矿化是指由生物体通过生物大分子的调控生成无机矿物的过程。与一般矿化最大不同在于有生物大分子生物体代谢、细胞、有机基质的参与。是生物形成矿物的作用，是生物在特定的部位，在一定的物理化学条件下，在生物有机物质的控制或影响下，将溶液中的离子转变为固相矿物的作用，如壳，骨，和牙齿。是导致这些分层结构的有机无机复合材料的形成过程的研究。这些材料的机械，光学和磁性质是根据生物体内各种不同用途来加以利用。对于一个给定的功能的，比较于相似组合物的生物材料的特性，这些特性通常被优化。材料化学家被施加在生物矿物的组成，晶体学，形态学和材料性质和形成它们所需的温和条件（生理温度，压力和pH下）的额外的有机控制所吸引。因此，在最近几年，生物矿化的领域已经扩大到从生物学到生产合成材料的策略性的应用。生物矿化是一个多学科交叉的领域，吸引了来自生物学，化学，地质学，材料科学等其他学科的研究人才。

化学在生物矿化领域的影响，大致可以分为三个不同的区域：

1.在晶体学，组成成分的表征和生物材料的生物化学;

2.解答生物学问题的体外模型系统的设计，例如假设检验有机基体、晶体和生物大分子中控制成核和结晶生长的条件之间的相互作用。

3.基于控制晶体形态、多晶型物和材料性能的生物系统，并引领发现新种类的有机无机材料的新的合成方法的发展。

生物矿化作用区别于一般矿化作用的显著特征是通过有机大分子和无机离子在界面处的相互作用。从分子水平上控制无机矿物相的结晶、生长，从而使生物矿物具有特殊的分级结构和组装方式。近年来研究表明，生物体对生物矿化过程的控制是一个复杂的多层次过程，其中，生物大分子产生排布以及它们与无机矿物相的持久作用是生物矿化过程的两个主要方面。一般认为生物体内的矿化过程分为四个阶段。

1.有机质的预组织：生物体内不溶有机质在矿物沉积前构造一个有组织的微反应环境，该环境决定了无机物成核的位置和形成矿物的功能。该阶段是生物矿化进行的前提。

2.界面分子识别：在已形成的有机大分子组装体的控制下，无机物在溶液中通过静电力作用、螯合作用、氢键、范德华力等作用在有机-无机界面处成核。分子识别是一种具有专一性功能的过程，它控制着晶体的成核、生长和聚集。

3.生长调制：无机矿物相生长过程中，晶体的形态、大小、取向和结构受生物体有机质的调控，并初步组装得到亚单元。该阶段通过化学矢量调节赋予了生物矿化物质具有独特的结构和形态。

4.外延生长：在细胞参与下，亚单元组装形成多级结构的生物成因矿物。该阶段是造成天然生物矿化材料与人工材料差别的主要原因。而且是复杂超精细结构在细胞活动中的最后修饰阶段。

生物矿化是一个复杂的动态的过程，受到生物有机质、晶体自身生长机制，以及外界环境等各方面的综合调控作用。仿生矿化模型的建立以及相关机理的深入研究．为在有机组分内合成无机材料，进而利用生物成因矿物的力学性质研究，制备具有高断裂韧性和高强度的仿生材料提供了理论基础。

一、骨修复材料

磷酸钙骨水泥(calcium phosphate cement, CPC) 具备良好的生物相容性和可任意塑性，并可产生骨再生效果，得到了国际材料界和医学界的重视，成为当今骨骼修复材料的研究热点之一，在临床上已得到成功应用，有广阔的应用前景。目前，CPC 已有几百种体系，但普偏存在韧性低、固化时间长、降解速度较慢、抗压强度低等不足。因此，在没有补强措施的

条件下，它只能应用于不承受负荷或仅承受纯压应负荷的情况，使其应用受到较大的限制。由于羟基磷灰石（hydroxyaptite，HA）具有优良生物相容性和良好的骨传导活性，已被作为骨移植修复材料广泛应用于临床。但普通的HA粒径大、抗弯强度低、脆性大，在生理环境中的抗疲劳性不高，只能应用于不承受负荷或仅承受纯压力负荷的环境中；同时由于其降解速度慢，难于被机体完全替代、利用，其他骨修复善代材料也存在类似问题，使得在临床上的应用受到限制。

纳米羟基磷灰石(nano-hydroxyaptite，n-HA) 是生物陶瓷人工骨的理想原料。其具有良好的生物相容性和骨传导性，能为新骨的形成提供生理支架作用。纳米HA粒子的大小为1～100nm，由于其尺寸小，与普通的HA相比具有溶解度较高、比表面积(SSA)大、表面能较大的优点，因而具有更好生物学活性拉，骨植入体的扭转模量、拉伸模量和拉伸强度更高，疲劳抗力也相应提高。由纳米HA构成人工骨可以根据不同部位骨生长的需要制成不同的硬度，具有与骨生长相匹配的降解速率，且具有和天然骨类似的多孔结构，与人体不会产生排异反应。它与原有传统骨材料的最大区别在于修复后的骨和人体骨完全一样，不会在体内留下植人物。有研究者发现纳米HA本身还具有一定的生物学效应和抑癌作用，也有作为药物载体用于疾病治疗的报道。

HA粒子有良好的组织相容性、无毒、无免疫原性，比表面积大，生物粘附性强且能结合和传递大分子药物，吸附药物量大，具备了药物载体的基本要求。羟基磷灰石作为药物载体系统能提高药物在生物膜中的透过性，有利于药物透皮吸收并发挥在细胞内的药效。纳米羟基磷灰石作为药物载体十分安全，因为其与人或动物的骨骼、牙齿成分相同，且不为胃肠液所溶解，在释放药物后可降解吸收或全部随粪便排出。

而纳米HA和其他材料配合研究，能够有更多的用处。

纳米羟基磷灰石／胶原骨修复材料

天然骨是由低结晶度的纳米羟基磷灰石和胶原组成。胶原（collagen，COL）是形成生命的最基本蛋白质，也是构成脊椎动物腱、韧带、皮肤乃至疤痕组织的细胞外基质的主要蛋白。胶原具有良好的生物相容性、低免疫原性、促进细胞粘附、生长、繁殖的功能，因而作为一种临床生物材料有许多生物医学应用，但其在体内易于降解，使其的应用受限。采用仿生方法将两种材料自组装在一起，结合了两者优点的同时也可使其缺点得到改善。

有文献报道，由清华大学材料科学与工程系生物组开发的纳米晶胶原基骨材料是将纳米级羟基磷灰石晶体通过自组装技术与Ⅰ型胶原结合合成的骨修复材料。通过历时6年的研究开发、动物实验证明该材料具有易于被吞噬利用、成骨效率高、降解快等优点。于2003年1月15日在北京中国中医药大学东直门医院骨科首例植入人体以来，在该院已完成35例（腰椎横突间植骨20例，颈椎前路椎间植骨融合10例，其它部位植骨5例）病人采自不同型号纳米人工骨植入，随访1~6个月。所有病例术后均无临床排斥反应。术后5个月颈椎前路椎间植骨融合率达90%；腰椎横突间植骨融合率95%。研究人员确认该纳米人工骨是一种较为理想的植骨材料，与人体的生物相容性好，植骨融合速度快，可满足临床要求。

壳聚糖(chjtosan，简称CS)是一种天然的生物可降解多糖，其降解产物为氨基葡萄糖，对人体及组织无毒、无害。它对多种组织细胞的黏附和增殖具有促进作用，是一种较理想的天然可降解的阳离子多糖。壳聚糖可由甲壳类动物的壳中提取的甲壳素脱乙酰化而得，也可用蛆皮和蛹壳以及黑曲霉纤维素酶等来制备。壳聚糖具有天然的药物活性、抗肿瘤活性、消炎作用，能加快创伤愈合，作为细胞、生长因子载体和支架材料已被用于皮肤、神经、骨和软骨以及肝脏组织工程中，还成功地用作手术缝合线、伤口敷料、药物缓释剂、缺损填充物及组织工程支架。虽然壳聚糖的研究取得了很大进展，但由于壳聚糖缺乏骨键合生物活性，单独使用时的力学性能不够理想，缺乏弹性和柔韧性，从而限制了在骨组织工程中的应用。为

了弥补这方面的不足，许多学者将羟基磷灰石、壳聚糖两种材料复合，所得到的复合材料不仅具有二者的优点，而且两相之间的协同作用赋予复合体优异的力学性能，可以适用于人体的生理负载环境，从而为开发出新型实用的骨组织修复和替代材料带来了新的希望。

可注射纳米羟基磷灰石

壳聚糖作为磷酸钙骨水泥的添加剂，在一定浓度范围内，可以缩短骨水泥的凝固时间，提高抗压强度，同时由于壳聚糖溶液的黏稠性，大大改善了CPC 的注射性能。传统的CPC 多为填充型，若采用注射型CPC，可把骨水泥浆体通过注射器针头注入骨缺损部位进行修复手术，实现微创伤甚至无创伤治疗，简化手术操作，减小病人痛苦。

纳米羟基磷灰石／壳聚糖-硫酸软骨素复合材料

硫酸软骨素(Chondroitinsulfate,ChS)是人体结缔组织中常见的氨基多糖,从动物软骨中提取制备,具有澄清脂质、抗动脉粥样硬化及抗致粥样斑块形成的活性。随着对其理化性质及生理功能研究的深入,发现硫酸软骨素可稳定关节空间宽度与调整骨及关节的代谢,可使软骨细胞增多。在羟基磷灰石中加入壳聚糖和硫酸软骨素,原本复合材料的力学性能得到改善,形成了分散均匀的纳米级复合材料。测定样品在模拟体液中的微观形貌、表面矿化、pH值的变化以及能谱情况,说明复合材料有较高的生物活性和生物相容性,有利于基质细胞的贴附和生长,此三元复合物对骨细胞生长的作用机理有待进一步研究。可以预见,n-HA/CS-ChS复合材料植入体内后将可以有效地促进骨的修复和重建,作为骨组织修复材料具有一定的可行性。

二、细胞（病毒）壳化

细胞是生物体中最基本的组成单元，它通过一个组织良好的边界将其与外界环境相隔离从而维持一个相对稳定和平衡的容器式内环境。细胞膜作为隔离细胞和外界环境的屏障往往需要满足一些特殊的要求，比如半透膜性即允许特定分子自由通过，实现细胞和外界的交流。以自然界中已存在的膜结构作为模型，我们也可以通过利用天然材料和合成的软物质或者硬材料来改造细胞外面这层膜的特性，比如机械性能和光热性能，甚至更复杂多样的性质。

在自然界的系统进化中，生物体已经发展出了许多矿物结构，比如牙齿、骨骼、贝壳和骨针等结构，这些复合的生物材料常常展示出非常复杂的多级结构并具有许多重要的生物功能，如机械支持、保护、移动以及信号传导。像鸡蛋壳可以保护鸡蛋即卵细胞免受外界细菌的侵扰，硅藻往往具有一个阵列排列规整的硅化外壳来提供额外的机械保护。与鸡蛋和硅藻不同，自然界中大多数单细胞并没有一个结构性的外壳来对其提供额外的保护作用。相应地，通过为活细胞人工制造壳结构来改进细胞固有的性质和功能将会是一个很大的挑战，同时也孕育着全新的机遇。

按照调控途径的不同，可以将生物矿化分为两大类，即生物诱导矿化和生物控制矿化。从生理上讲，生物矿化又可以分为正常矿化和病理性矿化。自然界中的生物矿化可以按照以上任一途径形成。目前有越来越多的科研工作者加入到生物矿化的队伍中来。随着仿生矿化的研究不断深入，研究思路和方法都有了较大的进步，已由最初的生物提取有机质进行体外模拟矿化，发展到人工合成有机质等进行细胞、分子水平上的矿化调控。生物矿化这是一个很大的领域，同样，对于未来的发展也是至关重要的。

牙釉质再矿化材料的研究进展

·综述·牙釉质再矿化材料的研究进展 应淑女刘丽 【摘要】牙体釉质再矿化材料研究主要通过制备体外早期龋病模型作为研究样本，检测各种材料的再矿化性能。其中氟化物作为公认的再矿化物质已大量应用于临床，同时也作为再矿化研究的一个重要参考标准。羟基磷灰石、磷酸钙、碳酸氢钠等被证明有着明确的类似功能，并能配合氟离子的再矿化作用。酪蛋白磷酸肽－无定形磷酸钙作为一种新型安全材料也已被证明有再矿化作用。本文结合国内外相关的最新研究进展，总结了目前再矿化技术的研究现状，对龋病再矿化研究中各类再矿化材料作用机制及特点做一阐述。 【关键词】再矿化；人工龋；氟化物；酪蛋白磷酸肽-无定形磷酸钙 Systematic review of remineralized materials on Enamel YING Shu-nv，LIU Li.The Affiliated Stomatology Hospital，College of Medical Sciences，Zhejiang University，Hangzhou 310006，China Corresponding author：LIU Li，Email：yjing＠https://www.wendangku.net/doc/5f9345092.html, 【Abstact】The research about remineralization of enamel is mainly performed by investigatin remineralization properties of various materials on the in vitro model of early caries.As one of remineralization materials，fluoride has been widely used in clinic，as well as the an important reference standard for remineralization.Materials such as hydroxyapatite，calcium phosphate and sodium bicarbonate are proven to possess similar remineralization property in line with the remineralization effect of fluoride ion.C asein phosphopetides amorphous calcium phosphate（CPP-ACP）has also been proven as a new type of remineralization matetial.This review covers the recent progress in the mechanism and chareacteristics of various remineralizaton materials in caries research. 【Key words】Remineralization；Artificial caries；Fluorid；C asein phosphopetides amorphous calcium phosphate 牙体硬组织过度脱矿会导致龋病病损的发生，促进脱矿牙釉质的再矿化，是防治早期龋病的重要方法之一。在牙釉质表面，钙离子和磷酸根离子处于动态平衡状态：牙釉质局部微环境的pH值下降时，硬组织中羟基磷灰石（HA）晶体溶解破坏；当钙离子和磷酸根离子浓度较高时，矿物质将重新沉淀结晶再矿化，形成HA晶体。再矿化研究的目的在于寻找能促进再矿化过程的材料和方法［1-2］。本文将对牙釉质再矿化材料作用机制和特点做一综述。 DOI：10.3877／cma.j.issn.1674-1366.2011.01.016 作者单位：310006杭州，浙江大学医学院附属口腔医院修复科 通信作者：刘丽，电子邮箱：yjing＠https://www.wendangku.net/doc/5f9345092.html,

土壤水分动态对氮素净矿化的影响

土壤水分动态对氮素净矿化的影响 土壤氮素矿化作用作为氮素内循环的重要环节之一,直接决定了氮素的有效性,显著影响了生态系统的结构和功能。水分动态变化通过影响矿质氮的输入、输出和氮矿化速率等显著影响土壤氮素的有效性。 本论文以不同质地、不同土地利用方式下土壤样品为对象,设计“恒温恒水”、“恒温变水”和“变温变水”3种不同水分动态处理,比较分析了土壤水分条件由理想条件恢复到实际条件的过渡过程中氮素矿化特征的变化规律,研究结果可为准确预测不同类型土壤氮矿化潜力和优化土壤氮素矿化模型提供重要参数。研究结论如下:(1)“恒温恒水条件”下,土壤累积净氮矿化量和净氮矿化速率分别与水分含量呈显著正相关关系,在100%田间持水量(FC)条件下累积净氮矿化量 和净氮矿化速率均达到最大值。 水分含量对氮素矿化的影响与土壤质地和土地利用方式有关。质地对氮素矿化特征有极显著影响,土地利用方式对土壤氮素矿化特征的影响不显著。 (2)“恒温恒水条件”下,在水分较充足时(60%FC、80%FC和100%FC),一级动力学模型对氮素矿化的拟合效果较好,R~2在0.64~0.99之间(P<0.001);二元一次回归方程可以拟合氮素矿化对水分含量和培养时间的响应关系,土壤累积氮素净矿化量随水分含量的增加呈线性增加趋势,随培养时间的延长呈对数增加趋势。(3)恒温变水和变温变水条件下均可用一级动力学模型拟合氮素净矿化过程,多数土壤样品氮素净矿化量在两种水分条件下累积均随时间的延长而增加。 (4)土壤累积氮素净矿化量对时间和水分的响应曲面有所差异,可分为“上升型”和“先上升后平稳型”,恒温恒水条件下呈逐渐上升的趋势,在恒温变水条件和变温变水条件下呈先上升后平稳的趋势。(5)恒温变水条件下累积氮素净矿化

生物矿化研究现状和展望

摘要：生物矿化过程是指在生物体中细胞的参与下，无机元素从环境中选择性地沉淀在特定的有机质上而形成的新矿物.生物矿化矿物的结晶严格受生物体分泌的有机基质的控制，是在有机基质膜板诱导下的晶体生长.生物体内有机基质指导矿物晶体的成核、生长和聚集，使得生物矿物具有特定的形貌、取向和组装方式，从而产生特殊的功能.生物矿化近年来受到化学、物理、生物以及材料学等多学科的关注.综述了生物矿化的类型、过程、机理及常用的研究方法和研究进展，并作了学科展望. 关键词：生物矿物；碳酸钙；生物矿化过程；生物矿化机理 收稿日期：2009-05-24；修回日期：2009-09-11.张哲编辑. 基金项目：中国地质大学地质过程与矿产资源国家重点实验室开放课题（GPMR200624、GPMR0739）资助. 生物矿化研究现状和展望 黄 磊，杨永强，李金洪 （中国地质大学地质过程与矿产资源国家重点实验室，北京100083） ·综述· 文章编号：1671-1947（2009）04-0317-05 中图分类号：P611 文献标识码：A 地质与资源GEOLOGY AND RESOURCES 第18卷第4期2009年12月 Vol.18No.4 Dec.2009 生物矿化过程是指在生物体中细胞的参与下，无机元素从环境中选择性地沉淀在特定的有机质上而 形成矿物.生物矿化作用是在有机基质全程参与调控与诱导下形成矿物的过程［1］.生物矿化是指生物体内无机矿物的形成过程，包括两种形式：一种是正常矿化，如骨骼、牙齿和贝壳等的形成；另一种是异常矿化，如结石、牙石和龋齿等.近年有关生物矿化的研究十分引人注目，其主要原因是该领域具有明显的学科交叉与渗透特点，处于生命科学与无机化学、生物物理学和材料科学的交汇点，更为重要的是它为人工合成具有特种功能晶体材料和生物智能材料提供了一种新的思路. 1生物矿物的分布与特性1.1生物矿物的分布 至今已知的生物体内矿物有60多种，含钙矿物约占生物矿物总数的一半，其中碳酸盐是最为广泛利用的无机成分，磷酸盐次之［2］.碳酸钙主要构成无脊椎动物的外骨骼；磷酸钙主要构成脊椎动物的内骨骼和牙齿；硅氧化物多见于植物中；泌尿系结石的主要组分为草酸钙、磷酸钙、磷酸镁铵、尿酸和胱氨酸等；铁锰氧化物和氢氧化物主要见于铁细菌，其中磁铁矿主要见于磁性细菌和软体动物的部分矿化组织中，如石鳖齿舌中含有大量的磁铁矿；硫酸盐主要分布于厌氧的光能硫细菌和硫氧化细菌中，如棘骨虫亚纲 （acantharia ）的天青石骨针.1.2 生物矿物的特性 与自然界中形成的一般矿物相比，生物矿物主要 特性有4点: （1）结构上的高度有序使得生物矿物具有极高的强度和良好的断裂韧性.骨骼和牙齿具有高强度，软体动物的贝壳珍珠层具有高硬度和优异韧性，均是归因于蛋白质与无机晶体间复杂的相互作用而形成的高级自组装结构. （2）生物矿物一般具有确定的晶体取向.如鸡蛋壳中方解石以c 轴垂直于蛋壳表面；软体动物壳层中方解石常沿（001）面垂直生长，珍珠层中文石的a 轴平行于β2几丁质纤维（β2chitin fibrils ），b 轴平行于β2折叠（β2pleated sheet ）的类丝心蛋白多肽链. （3）矿物质与有机基质的相互作用.草酸钙尿石超微结构的原子力显微镜（AFM ）表明，尿石晶粒之间都填充呈条索状或细纤维状但形态不定的基质，基质不仅紧密包绕在晶粒周围，将晶粒紧密连结起来，而且基质自身互相连接、融合，构成形态不一的网状纤维.这表明在结石形成过程中，晶粒的聚集不是简单堆积，基质起着连接、黏附晶粒以及聚集融合作用.（4）矿物质在整个生物代谢过程中形成，并参与代谢过程.2 生物矿化的类型

自修复混凝土中微生物矿化方解石的形成机理

硅 酸 盐 学 报 · 620 · 2013年 DOI ：10.7521/j.issn.0454–5648.2013.05.07 自修复混凝土中微生物矿化方解石的形成机理 钱春香，罗 勉，潘庆峰，李瑞阳 (东南大学材料科学与工程学院，东南大学绿色建材研究所，南京 211189) 摘 要：分别从矿化产物、pH 值、O 2、底物4个方面对用于混凝土裂缝自修复的微生物矿化形成方解石机理进行了研究。结果表明：混凝土裂缝自修复细菌矿化产物为方解石型CaCO 3，矿化过程需要O 2参与；细菌生长过程中pH 值从7.0逐渐升高到8.3，碱性环境在细菌矿化过程中起重要作用；CaCO 3不是由底物在胞外酶作用下直接分解而得，而是需要经过细菌一系列代谢转换，代谢过程中产生CO 2，底物既提供矿化所需的Ca 2+源，也提供 CO 32–来源，其他有机营养物质也可提供CO 32– 。同时，对该菌株的矿化机理进行了分析，结果表明：细菌生长繁殖过程中创造碱性环境，产生CO 2， 细菌细胞表面带负电荷，能够吸附Ca 2+并作为成核位点，在碱性环境下CO 2与Ca 2+反应形成CaCO 3晶体。 关键词：自修复混凝土；微生物诱导；方解石沉淀；矿化；机理 中图分类号：TU522.07 文献标志码：A 文章编号：0454–5648(2013)05–0620–08 网络出版时间：2013–04–23 10:25:15 网络出版地址：https://www.wendangku.net/doc/5f9345092.html,/kcms/detail/11.2310.TQ.20130423.1025.201305.620_007.html Mechanism of Microbially Induced Calcite Precipitation in Self-healing Concrete QIAN Chunxiang ，LUO Mian ，P AN Qingfeng ，LI Ruiyang (School of Materials Science and Engineering, Research Institute of Green Construction Materials, Southeast University, Nanjing 211189, China) Abstract: The process of microbially induced calcite precipitation was investigated via the control of mineralization production, pH value, O 2 and substrate, respectively. The experimental results show that the mineral precipitation induced by bacteria is calcite crystal, and the mineralization process needs O 2. The pH value of bacteria liquid increased from 7.0 to 8.3 gradually when the bacteria grew, which plays an important role in the bacteria mineralization process. Calcite was formed due to the bacterial metabolic conversions rather than the direct decomposition of substrate under the action of extracellular enzymes. The metabolic process produced CO 2, the substrate provided Ca 2+ and CO 32–, and other organic nutrients could also provide CO 32– . The possible mechanism of bacterial induced mineral precipitation was analyzed. The results show that the growth of bacteria creates an alkaline environment and produces CO 2 through various physiological activities. The cell wall of bacteria was negatively charged, affecting calcium carbonate precipitation by acting as sites of nucleation or calcium enrichment. The produced CO 2 molecules reacted with Ca 2+ to form calcite crystal in alkaline environment. Key words: self-healing concrete; microbially induced; calcite precipitation; mineralization; mechanism 混凝土由于其经济实用的特点，早已成为了当今乃至以后很长一段时间内最为重要的建筑材料。然而，由于混凝土存在着脆性大、抗拉强度低、容易开裂等难以克服的自身缺陷，在使用过程和周围环境的影响下不可避免地会产生裂缝，渗入的水和有害化学物质会使得一定范围内的基体发生劣化，同时还会腐蚀埋置的钢筋，轻者会降低结构的使用 寿命，重者则危及结构的安全。尽管科研和工程人员从未停止过对原材料、配合比、外加剂、制造工艺和养护方法等方面的研究和改进，但均无法从根本上改变混凝土性能的弱点[1]。这不仅给国家和人民带来了巨大的经济损失，而且严重威胁着人身安全。 传统的混凝土材料的修复形式主要是定期维护与事后维修，这种消极的、被动的维修方式不仅费 收稿日期：2012–09–11。 修订日期：2012–11–15。 基金项目：国家自然科学基金(51178104)；教育部博士点基金(201100- 92110033)资助项目。 第一作者：钱春香(1966—)，女，教授。 Received date: 2012–09–11. Revised date: 2012–11–15. First author: QIAN Chunxiang (1966–), female, Professor. E-mail: cxqian@https://www.wendangku.net/doc/5f9345092.html, 第41卷第5期 2013年5月 硅 酸 盐 学 报 JOURNAL OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY Vol. 41，No. 5 M a y ，2013

土壤净氮矿化率的测定

土壤净氮矿化率的测定—厌氧培养法(Anaerobic method) 一,实验目的 1.掌握厌氧培养法测定土壤净氮矿化率的基本原理与操作方法 2.掌握凯氏定氮的原理和蒸馏定氮器或氨气敏电极的使用方法 返回 二,实验内容 1.土样的野外采集与处理 2.土样水淹状态下厌氧矿化培养 3.凯氏定氮法测定土样矿化率 返回 三,实验原理 1.背景知识 ①土壤中的氮素 氮素是蛋白质和核酸的重要组成部分,同时又是叶绿素,酶,维生素,生物碱等的必要成分,在植物细胞的生长,分化和各种代谢过程中,氮素都起着重要的作用.土壤中的氮绝大部分(约90%以上)以复合态存在于有机质或腐殖质中,而大多数的植物所吸收利用的氮素主要是无机态的铵态氮和硝态氮.土壤中的有机质和腐殖质等有机态氮通过氮素矿化作用(主要是土壤微生物作用)释放出无机态氮(主要是铵态氮与硝态氮),为植物吸收利用. 返回 ②氮素矿化作用与土壤净氮矿化率 氮素矿化作用是土壤中有机态氮经土壤微生物的分解,转化为无机态氮的过程,它在生态系统中是土壤对植物生长供给氮素的关键过程. 土壤净氮矿化率则是描述土壤氮素矿化作用速率的指标,指单位时间内土壤有机态氮经矿化作用转化为易被植物利用的无机态氮的量.它在一定程度上反映了土壤对植物氮素的供应能力,对农业生产中作物的选择和肥料的施用都起着指导性的作用. ③测试方法简介 目前国内外土壤矿化氮的测定方法主要是生物培养法,此法测定的是土壤中氮的潜在供应能力,其结果与植物生长的相关性较高.生物培养法分为好氧培养法(aerobic method)和厌氧培养法(anaerobic method). 好氧培养法:使土样在适宜的温度,水分,通气条件下进行培养,测定培养过程中释放出的无机态氮,即在培养之前和培养之后测定土壤中无机态氮(铵态氮和硝态氮等)的总量,二者之差即为矿化氮.好氧培养法沿用至今已有很多改进,主要反映在:用的土样质量(10～15g),加或不加填充物(如砂,蛭石)以及土样和填充物的比例,温度控制(25～35℃),水分和通气调节(如土10g,加水6mL或加水至土壤持水量的60%),培养时间(14～20天)等.很明显,培养的条件不同,测出的结果也会不同. 厌氧培养法:通常以水淹创造条件进行培养(water logging method),测定土壤中有机态氮经矿化作用转化的无机态氮的量.其培养过程中条件的控制比较容易掌握,不需要考虑同期条件和严格的水分控制,可用较少土样和较短培养时间,方法简单且快速,结果的再现性较好,更适合于例行分析.故本试验采用厌氧培养法. 2,基本原理

生物矿化

仿生矿化的研究现状及前景 摘要：生物矿化，是指由生物体通过生物大分子的调控生成无机矿物的过程。组成生物矿化材料的主要无机材料广泛存在于自然界中，但是一旦受控于这种特殊的生命过程，便具有常规陶瓷不可比拟的优点，如极高的强度、比较好的断裂韧性、优异的减震性能及其它许多特殊的功能。研究生物矿化有着极其重要的意义，如通过研究碳酸盐的生物矿化可以考察化学风化、成岩作用、预测古代环境气候，探究全球碳循环及放射性核素和痕量金属在底下水层的活性迁移，可以指导人们仿生合成高级复合材料并为医学上抑制人体内的病理性矿化提供新的解决途径。 1 引言 生物矿物的研究始于20世纪20-30年代，这一时期德国、丹麦、瑞典的学者用偏光显微镜对生物矿物进行了系统的观察。第二次世界大战后的50-60年代，欧洲和美国的学者借助透射电镜和扫描电镜对生物矿物做了深入的研究，并且建立了有机基质的概念。70年代以来，随着各种微区分析技术的发展，人们可以用各种不同的仪器进行近一步的研究，不仅探明了绝大部分门类的主要矿物的结构和成分，而且将生物矿物的研究逐渐提高到生物无机化学、细胞生物学、分子生物学乃至基因的水平。我国的生物矿化研究起步较晚，自从1988年我国化学家王夔院士和材料化学家李恒德院士将生物矿化的概念引入国内，国内的生物矿化研究开始逐渐兴盛规模，并且以很快的速度发展【1】。 生物矿化是指生物体在一定的环境条件下构筑基于无机矿物的分级结构的过程。此过程受到生物环境的高度调控，包括溶液状态、生物大分子以及引导矿物成核和生长的基质。尽管许多矿化组织的主要成分是无机相，但由于其在结晶和生长过程中受到上生物环境的调控，因此，通过生物矿化过程形成的无机-有机高级杂化材料具有人工合成材料所无法比拟的物理、化学性质。如：极高的强度和断裂韧性，优异的减震性能等。此外，生物矿化组织还具有非常强大的生物学功能，呈现出良好的生物相容性。他们既可以作为生物体的结构支撑，又可以作为生物传感器。这些不同寻常的性能源于特定的生物条件下，材料的巧妙组装过程及其所具有的精细的微观结构。这就是生物矿化的魅力所在【2】。 生物矿物提供是不仅是结构支撑和力学强度，而且是一种器官。作为天然建筑师，它包含了许多重要的生物学功能，具有许多其他特殊功能。如磁序菌中的磁传感器(Fe 3O4)；双壳动物的重力平衡器(CaCO3、CaSO4 )；防止其他动物捕食的甲壳(SiO2、CaCO3)；血红蛋白的铁储存(Fe 2O3nH2O)；三叶虫的眼晶状体(CaCO3)等。此外，生物矿物还不断地参与生物体内的新陈代谢(包括去矿化和重新矿化以适应环境和生物应力)【3】。以及无机界矿物所特有的自净化作用【4】，大量的事实证明，这种高级功能来源于特殊组织的进化，并且这种结构作为机体的一部分才能充分发挥作用【5】。 2 生物矿化的作用过程 矿化作用区别于一般矿化作用的显著特征是通过有机大分子和无机离子在界面处的相互作用。从分子水平上控制无机矿物相的结晶、生长，从而使生物矿物具有特殊的分级结构和组装方式。近年来研究表明，生物体对生物矿化过程的控制是一个复杂的多层次过程，其中，生物大分子产生排布以及它们与无机矿

牙釉质表面再矿化方法的研究进展

牙釉质表面再矿化方法的研究进展 发表时间：2011-12-20T10:31:55.173Z 来源：《中外健康文摘》2011年第36期供稿作者：汪仁涛1 李伟2 [导读] 纵观再矿化技术发展历史，每一次进步都得力于对生物矿化机制的深入理解。 汪仁涛1 李伟2（1潜江市中心医院湖北潜江 433100;2泰安市口腔医院山东泰安 271000） 【中图分类号】R781.05【文献标识码】A【文章编号】1672-5085（2011）36-0014-02 【摘要】牙釉质表面脱矿是龋病及其他非龋性牙体病变（酸蚀症等）的主要病理改变之一，对脱矿牙釉质进行再矿化以恢复其应有理化特性的研究逐渐成为研究热点，本文对近年牙釉质表面再矿化方法的发展作一综述。 【关键词】牙釉质氟羟基磷灰石再矿化涂层 龋病是人类的常见病、多发病之一，在各种疾病的发病率中，龋病位居前列。龋病的发展虽然很少会危及患者生命，但是给人类造成的危害甚大，特别是病变向牙体深部发展后，可引起牙髓病、根尖周病、颌骨炎症等一系列并发症，以致严重影响全身健康。此外，龋病及其继发病作为一个病灶，引起远隔脏器疾病的案例也时有报告[1]。 龋病作为一种发生在牙体硬组织中的慢性疾病，开始时表现为表层釉质脱矿，随着龋病继续发展，最后表现为牙齿形态的破坏，龋洞形成。针对龋病发展阶段的不同特点，龋病治疗大致分为两大类：非手术治疗和手术治疗。前者是指采用药物或再矿化等保守方法使龋病病变终止或消除的治疗方法，主要应用于早期牙釉质龋未形成龋洞者。因为该法可以取得更佳的临床疗效，最少程度降低龋病治疗给社会各患者带来的经济、心理负担，一直以来都是人们研究的热点。 目前国内外使牙釉质表面硬化和再矿化的主要方法有：早期的氟处理技术，亚稳态的含钙磷的矿化液，及近期的纳米磷灰石晶体或含蛋白的纳米磷灰石晶体在牙釉质表面沉积技术等。 1 氟处理技术 氟化物作为有效的防龋药物已经被众多学者研究证实，并在全世界得到广泛应用。氟化物的防龋机制主要表现在：使处于龋病形成阶段的牙齿从其外环境中吸收氟，替换牙齿硬组织中羟基磷灰石的羟基，变成氟磷灰石。氟磷灰石较羟基磷灰石有更强的耐酸能力，可以抑制釉质脱矿并促进已有龋损再矿化。早期龋损局部氟浓度的增加，会干扰致龋菌活性，抑制其生长，并有利于牙齿对矿物质的重吸收，从而减缓或逆转龋损过程[2]。 目前氟化物防龋的主要方法有氟添加剂、氟化钠、氟化氨银等[1]。口腔临床治疗过程中主要应用的氟化物形态有氟化物糊剂、含氟凝胶、氟离子溶液、氟化泡沫，此外氟离子还被广泛应用于充填材料及牙科粘接剂中[3]。 氟防龋效果与氟化物浓度及接触时间长短有关，增加局部氟离子浓度或延长接触时间均会增强牙釉质表面的有效摄取量，但氟摄入量过多对人体有害，而关于氟的最适浓度国内外文献报到一直存在分歧[4]。 2 钙磷矿化液处理技术 龋病早期牙釉质表面存在磷酸钙盐的沉淀-溶解平衡，即处于脱矿和再矿化的交替动态过程。这一平衡与牙釉质内外环境的离子运动及钙、磷的重新分布有密切关系，如再矿化强于脱矿，则龋病有愈合的可能，这便是钙磷再矿化液得以成功应用的化学基础[5]。 早在1912年，Head等[6]发现人工酸蚀的牙齿浸泡于唾液中可发生再矿化现象。再矿化过程是唾液中的Ca2+、PO43-逐渐渗透到脱矿釉质中，充满脱矿羟磷灰石病变内部，修复因脱矿破坏的无机晶体结构，并与残留晶体结合形成新的晶体，而使釉质表面硬度升高、负光性加大、密度增强。同时，通过扫描电镜结果证实，牙釉质表面呈现明显无规律的矿物质沉积，使釉质孔隙变小，从而达到抵抗外界龋坏刺激的作用[7]。然而，唾液中钙离子和磷酸根离子浓度低，再矿化效率较低，故Eichmiller等[8]应用不定形磷酸钙（ACP）作为Ca2+、PO43-的另外来源，发现ACP可使牙本质小管再矿化。近年来，更是有学者们将ACP加入正畸用粘结剂中，在牙釉质表面形成较高的矿化离子库，可以有效防止正畸过程中釉质表面龋的发生[9]。 应用含钙磷的矿化液促进脱矿牙釉质发生再矿化方法简单、成本较低，患者容易接受，但是一直存在两大问题限制了该法的普及应用：矿化层结构不规则和矿化周期长。因此，Onuma K等[10]创造性地制备出一种含钙、磷、氟离子的新型牙膏，它能较快在牙釉质表面形成化学成分与结构均类似于牙釉质的氟羟基磷灰石涂层，且矿化涂层与牙釉质表面结合紧密。但是，此方法所需的酸度较大，并且所用H2O2浓度很高，因此在临床应用时存在限制。 此后，有许多学者开始研究矿化过程中对晶体生长起调控作用的有机基质的作用机制[11]，但是磷酸钙的生物矿化在生物学因素方面的研究仍处于初级阶段，生物通过对矿化位的设置、微环境调节、离子搬运等来控制磷酸钙的矿化方向和过程的研究仍有待深入。 3 纳米HA再矿化技术 羟基磷灰石（HA）是一种磷酸钙物质，人体主要分布于牙体、骨等硬组织中。目前，对羟基磷灰石的研究大量集中在其生物相容性和作为硬组织替代材料应用方面[12]。与相同材质的羟基磷灰石材料相比较，纳米HA则由于其晶粒直径的减小，界面增大，表面自由能和结合能也增高而具有优良的理化活性。目前，对纳米HA再矿化特性进行研究时多采用体外实验方法，首先按照一定方法制备人工龋损模型，在一定浓度的HA溶液进行再矿化处理后检测纳米HA对变形链球菌粘附状况的影响及人工龋再矿化前后牙釉质显微硬度及表面形貌等的变化[13]。 将纳米HA用于脱矿牙釉质表面再矿化的机制主要表现为在口腔环境中的化学吸附和机械沉积过程[14]。纳米HA具有微弱的溶解性和碱性，为脱矿区局部提供了更多的钙、磷及羟基，推动龋损向再矿化修复的方向发展；另一方面，纳米HA借助表面优良的吸附能力与脱矿区表面有机、无机组分中的活性基团发生化学结合反应，通过化学结合达到修复缺损的目的。此外，纳米羟基磷灰石晶粒直径很小，与釉质表层磷灰石晶粒直径接近，有可能进入表层崩解晶粒残余的胶原网状结构里通过机械沉积作用修复脱矿层而预防龋病和修复早期龋。除了直接参与脱矿区牙釉质组织的修复，纳米HA还可以竞争性地吸附变形链球菌、唾液中的酸性蛋白和葡聚糖，从而减少致龋性变形链球菌在牙釉质表面的吸附，通过抑制获得性膜和菌斑的形成而减少釉质表层脱矿[15]。 纳米HA的应用分为两种方法，一方面，将纳米HA应用于牙膏中，研究表明，HA粉体添加在牙膏中具有吸附口腔病原物质、抑菌、再矿化、脱敏和增白多种口腔保健作用，在预防牙周炎、牙龈炎方面会产生良好的效果[16]。另一方面，通过一定方式在基底表面形成生物相容性好的HA涂层，尤其是在人工骨组织替代材料改性方面一直是研究热点[17]。传统的人工骨材料是生物惰性的，如钛合金、钴合金等金

正畸过程中牙釉质脱矿与再矿化

正畸治疗中的一个原则就是正畸治疗后没有脱钙，钙化不全或自然牙列的变色。然而正畸带环与粘着的附件下面与四周釉质发生的白垩斑脱矿甚至龋坏，仍是正畸治疗过程中的一个重要问题。 1 正畸过程中的牙釉质脱矿 1.1 釉质脱矿的表现正畸医师在拆除矫治器后常可在患者牙面发现釉质脱矿现象，脱矿的牙釉质表面光泽度下降呈白垩色，影响牙齿美观，严重者可导致继发龋而明显损害牙体的健康。釉质脱矿有表层和表层下脱矿两种形式。正畸治疗中发生的脱矿，最先以釉质表面矿物质的丧失和釉柱间基质的溶解为特征的，这种损害被称作表层脱矿。随后釉质深部结构才发生溶解，釉质深部结构开始溶解后，釉质表面呈多孔状但矿物质含量相对较高的表层，成为表层下脱矿［1］。表层脱矿比表层下脱矿更易被再矿化。正畸治疗中发生的早期脱矿是表层脱矿。Melorse，Ogaard等应用扫描电镜（SEM）观察正畸治疗中的早期釉质脱矿，人们肉眼所见的釉质白垩斑为表层脱矿，在SEM下的表现为釉质横纹变平，似贝壳状，另外釉质上可见一些局部的小深坑［2，3］。O’Reilly，Ogaard等研究表明，正畸托槽、带环在牙上粘1个月后，即可在周围釉质区域检测到明显脱矿，正畸治疗后早期的釉质脱矿病损在及时去除矫治器后能够被唾液再矿化［4～6］。然而白垩斑的发生率和严重程度与正畸时间呈正相关。如果这种早期的釉质脱矿病损没有得到及时治疗，随着时间的延长，发展成表层下脱矿，自身的再矿化系统很难使病损完全复原。Artun等对正畸治疗后出现釉质脱矿的患者进行了长期观察，临床观察显示刚去除托槽后，脱矿的釉质呈不透明的白垩色，1周后病损变得弥散，3周时白垩色变浅，3年后釉质的病损仍可发现。SEM的观察表明3个月时脱矿釉质的微洞口扩大，洞底可见浅的磨损，3年后病损区的微洞变平，磨损增多［7］。 1.2 釉质脱矿的病因菌斑的积累和糖发酵的供养是脱钙发生的先决条件。首先，固定矫治器妨碍了牙齿的清洁，利于菌斑和食物的滞留。固定矫治器的带环、托槽等附件与各种弓丝的存在使病人很难彻底清洁牙齿，正畸固位体四周溢出的粘接剂，加上酸蚀本身造成的釉质脱矿区的粗糙表面，使菌斑更易于积聚。即使有良好的刷牙习惯，大部分患者发现有矫治器存在的情况下很难彻底刷牙。正因如此，菌斑在托槽周围迅速聚积，他们产生的酸性物质可以导致持续的脱矿［3］。一般来说，当牙齿表面被正畸托槽覆盖的比例增加时，病人对剩余釉质的有效清洁的难度就会增加。但这并不意味着用带环就一定比粘接技术更易导致脱矿。事实上，一个水门汀粘接良好的带环是可以保护它所覆盖的牙齿表面，正畸带环下釉质表面的改变是由于唾液与细菌的入侵，使水门汀密封的完整性下降，当带环长期占据在牙上，广泛的脱矿就会发生。Gorelick等的研究发现牙齿上用直接粘接法或粘接带环造成的白垩斑损没有统计学上的差异［8］。 其次，固定矫治器的存在改变了口内细胞生长环境，使致龋菌的数量和比例增加。Mattingly 也证实正畸治疗中托槽周围菌斑中变形链球菌的比例增高，并且随着治疗时间的延长呈直线上升趋势［10］。许多研究证实了随着固定矫治器的安装，唾液中的变形链球菌和乳酸杆菌的数目也随之增加［11，12］。变形链球菌和乳酸杆菌与龋齿的发生发展有关，它们的出现增加了脱矿的危险系数。 另外，正畸患者龈上菌斑的代谢也发生了改变。研究表明这些菌斑的pH值明显下降，菌斑中的碳水化合物含量明显增高，钙、磷含量下降，导致致龋性增加。另外，菌斑不仅作为糖的底物存在时作为产酸来源，同时作为一个物理屏障限制酸从牙齿表面扩散开，而且阻止唾

矿化作用

矿化作用 在土壤微生物作用下，土壤中有机态化合物转化为无机态化合物过程的总称。因无机态亦称矿质态，故名。矿化作用在自然界的碳、氮、磷和硫等元素的生物循环中十分重要。有机氮、磷和硫的矿化作用对植物营养尤有重要意义。作用的强度与土壤的理化性质有关，还受被矿化的有机化合物中有关元素含量比例的影响，如有机氮化合物的矿化作用的强弱，即与碳氮比值的大小有关，通常碳氮比值低于25的有机氮化合物易于发生矿化作用，反之则作用较弱。 有机氮的矿化作用主要分2个阶段： 氨基化作用阶段指由复杂的含氮有机物质逐步分解为简单有机态氨基化合物的过程。其反应式可简略地表述为：蛋白质→多肽→氨基酸、酰胺、胺等。参与该作用的微生物有多种类群的细菌和真菌；每一类群参与反应的一个或多个步骤；每一步骤的产物为下一步骤提供作用底物。 氨化作用阶段即经氨基化作用产生的氨基酸等简单的氨基化合物，在另一些类群的异养型微生物参与下，进一步转化成氨和其他较简单的中间产物如有机酸、醇、醛等。其一般的水解过程为： RCHNH2COOH+H2O→RCH2OH+CO2+NH3 或 RCHNH2COOH+H2O→ RCHOHCOOH+NH3 在充分通气条件下的过程为： RCHNH2COOH+O2→RCOOH+CO2+NH3 在嫌气条件下的过程为： RCHNH2COOH+2H→RCH2COOH+NH3 或 RCHNH2COOH+2H→RCH3+CO2+NH3 氨化作用中释出的氨，除一小部分挥发和淋溶或被微生物用以合成其躯体的蛋白质以外，在土壤中大部分与有机或无机酸结合成铵盐，或被植物吸收，或在微生物作用下氧化成硝酸盐。

由于土壤中绝大部分的氮以有机物质的形式存在，不能为植物直接利用，氨化作用对于植物的氮营养十分重要。但在某些情况下氨化作用会导致氨以气态挥发或以铵盐淋溶损失，农业上宜采取措施调节其作用强度。 15N示踪研究表明,烟株全生育期氮素吸收总量的60%以上来源于土壤氮的矿化,特别是上部叶中,土壤供氮比例甚至高达80%以上[1-2]。对土壤氮素矿化特性与供氮能力了解不足是造成我国烤烟过量施用氮肥的主要原因之一。矿化势(No)是指在既定条件下经过无限长时间后,土壤氮素矿化可释放的最大氮量,是土壤氮素矿化的重要参数[3]。它反映了土壤的潜在供氮能力,与植物吸氮量呈显著正相关[4-5],可作为土壤供氮能力的指标[6]。 [1] 刘卫群,郭群召,张福锁,晁逢春.氮素在土壤中的转化及其对烤烟上部叶烟碱含量的影响[J].烟草科技. 2004, (5): 36-391Liu WQ, Guo QZ, Zhang FS, Chao FC. Nitrogen transformation in soil and its effects on nicotine content of u per flue-cured tolmceo leaves[J]. Tobacco Sci. &Tech., 2004, (5) : 36-391 [2] 陈萍,李天福,张晓海,等,利用15N示踪技术探讨烟株对氮素肥料的吸收与分配[J].云南农业大学学报,2003, 18 (1) 1-41Chen P, Li TF, Zhang X H et al. Exploring tobacco plantcs absorption and distribution of nitrogen fertilizers by using15N tracing technique[J]. J. Yunnan Agric. Univ., 2003, 18 (1): 1-41 [3] Stanford G, Smith S J. Nitrogen mineralization potentials of soils[J].Soil Sci. Soc. Am. Proc., 1972, 36: 465-4721 [4] 杜建军,王新爱,王夏晖,等.旱地土壤氮素、有机质状况及与作物吸氮量的关系[J].华南农业大学学报(自然科学版).2005,26(1): 11-151Du J J, Wang X A, Wang X Het al. The relationship between soil N, organic matter and N up taken by crops on dry land[J]. J. South China Agric. Univ.(Nat. Sci. Ed.), 2005, 26(1): 11-151 [5] 唐玉琢,袁正平,肖永兰,等.不同稻作制下红壤性水稻土氮矿化特性的研究[J].湖南农业大学学报(自然科学版),1991,(S1): 233-2411Tang Y Z, Yuan Z P, Xiao Y Let al. Effects of there cropping systems on nitrogen mineralization of paddy soil derived from quaternary red clay[J]. J. Hunan Agric. Univ. (Nat. Sci. Ed.), 1991(S1): 233-2411 [6] 叶优良,张福锁,李生秀.土壤供氮能力指标的研究[J].土壤通报, 2001,32(6): 273-2771Ye Y L, Zhang FS, Li S X. Study on soil nitrogen supplying indexes[J]. Chin. J. Soil Sci., 2001, 32(6): 273-2771

基于微生物矿化沉积技术的再生骨料强化改性研究

龙源期刊网 https://www.wendangku.net/doc/5f9345092.html, 基于微生物矿化沉积技术的再生骨料强化改性研究 作者：王瑜玲 来源：《科技视界》2019年第13期 【摘要】再生细骨料的性能缺陷制约了建筑垃圾的再生利用。本文通过对比试验，研究 了不同胶砂比条件下，天然细骨料、再生细骨料及微生物改性再生细骨料所拌制砂浆的工作性能和力学性能。试验发现，当胶砂比为1：3时，微生物改性再生细骨料所表现出的工作性能和力学性能综合最佳。 【关键词】微生物;再生骨料;强化改性 中图分类号： TU528 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）13-0162-002 DOI：10.19694/https://www.wendangku.net/doc/5f9345092.html,ki.issn2095-2457.2019.13.077 Study on Reinforcement and Modification of Recycled Aggregate Based on Microorganism Mineralization and Deposition Technology WANG Yu-ling （ZheJiang Guangsha College of Applied Construction Technology，Dongyang Zhejiang 322100，China） 【Abstract】The performance defects of recycled fine aggregate restrict the recycling of building waste.In this paper， the working and mechanical properties of natural fine aggregate，recycled fine aggregate and microorganism modified fine aggregate are studied under different plastic sand ratios.It was found that when the ratio of colloidal sand was 1：3，the microorganism modified fine aggregate showed the best working and mechanical properties. 【Key words】Recycled aggregate;Microbial;Reinforcement and modification 0 引言 当前中国建筑业存在以下几个比较突出的问题：（1）处于建设快速发展期的各级城市，砂石市场供不应求，砂石料价格持续上涨;（2）我国每年所产生的建筑垃圾约有15亿吨，其 中很大比例为废弃的混凝土，而混凝土因其耐久性高，长时间内无法自行降解;（3）建筑垃圾

微生物矿化作用改善岩土材料性能的影响因素

微生物矿化作用改善岩土材料性能的影响因素 摘要：现如今，我国的综合国力在快速的发展，社会在不断的进步，基于微生 物诱导碳酸钙沉淀作用（MICP）的土体改性技术近年来在岩土工程领域引起了人 们的广泛关注。该技术在改善岩土材料的强度、刚度、抗液化、抗侵蚀及抗渗透 性等性能的同时，还能维持土体良好的透气性和透水性，改善植物的生长环境。 由于微生物矿化作用涉及一系列生物化学和离子化学反应，固化过程中的反应步 骤较多，因此，MICP固化效果受许多因素的制约与影响。基于大量文献资料，系统总结了细菌种类、菌液浓度、温度、pH值、胶结液配比及土的性质等关键因素对微生物改善岩土材料性能的影响，讨论了这些影响因素的优化方式和未来的研 究方向，主要得到了以下几点结论：菌种类型、菌液浓度、温度、pH、胶结液性 质会从微观上影响碳酸钙的晶体类型、形貌和尺寸，进而在宏观层面影响岩土体 的胶结效果；菌液浓度尽可能高、温度在20～40℃间、pH值在7.0～9.5左右、 胶结液浓度在1mol/L以内的因素条件对微生物加固岩土体具有较好的效果。上述范围内的低温、较高的pH值、低浓度胶结液有助于提高土体的抗渗性，而高温、较低的pH值以及中高浓度胶结液有助于提高土体的强度；MICP加固土体的有效 粒径范围为10～1000μm，相对密度越大、级配越好则加固效果越好。分步灌浆法、多浓度相灌注法及电渗灌浆法有助于提高土体固化均匀性，0.042(mol/L)/h以下的注浆速度有利于提高胶结液利用率，砂土试样的灌浆压力一般在10～30kPa 之间，粉黏土试样的灌浆压力不宜超过110kPa，过高的灌浆压力会破坏土体结构，降低固化效果。 关键词：微生物矿化作用；影响因素；菌种；浓度；温度；pH值；胶结液； 土的性质；灌浆 引言 岩土材料除了在外界荷载下发生破坏，另一种就是在自然环境中各自然因素 交替变换对材料的破坏影响。在内蒙古寒冷地区，气候环境复杂，昼夜温差较大，正负温度交替频繁，岩土材料中水分在冻融的驱动力作用下迁移，引起岩土材料 的物理力学特征的变化，而冻融损伤破坏是寒区岩土工程建设面临的重要问题。 在自然环境中岩土材料在盐溶液中和水溶液中吸水饱后的抗冻性有明显的差异， 不同的盐环境对岩土材料造成的破坏程度不一，ＮａＣｌ溶液和Ｎａ２ＳＯ４溶 液是常见的盐蚀溶液，当与冻融耦合时两种作用相互影响，而盐结晶是导致材料 破坏的主要原因。目前，国内外学者通过以不同化学溶液、硫酸盐和氯盐作为侵 蚀溶液评价水泥、混凝土等建筑材料的耐久性，盐溶液渗入水泥、混凝土建筑物 内部孔隙，与水泥中的水化生成物发生反应，导致混凝土出现开裂和剥蚀现象。 国内外学者对岩土材料的盐冻分析多以盐渍土为主，研究冻结与融化过程中水盐 迁移变化对土体的结构造成的强度和稳定性的破坏影响，而盐冻在其它土类中的 研究甚少。 1概述 生物诱导碳酸钙结晶技术(MICP)是环境友好型技术，与化学灌浆技术相比， 它是通过将特定的微生物注射到需要加固的砂土中，将其与微生物所需要的营养 物质及周围的有机物结合，生成具有较好胶凝作用的生物水泥，于化学灌浆材料，它具有较好的耐久性，且在保证加固强度的基础上使加固后的土体与原砂土有相 似的孔隙率。由于微生物菌液的粘滞性低，在灌浆过程中需要的压力较小，这使 微生物大规模、远距离的加固砂土成为可能，同时避免了使用传统灌浆加固方法