内容简介
《微生物抑尘基础理论与方法》从矿山露天环境粉尘污染治理的紧迫性入手，以发展经济、高效、绿色抑尘技术和方法为切入点，通过阐述微生物诱导碳酸钙沉淀技术的应用现状，分析矿山抑尘技术特点，针对微生物抑尘剂的抑尘机理进行了深入研究。《微生物抑尘基础理论与方法》共5章，主要内容包括：微生物抑尘剂的可行性研究、微生物抑尘剂菌种的筛选及驯化、微生物抑尘剂性能优化、微生物抑尘剂的抑尘机理、问题与展望。
精彩书摘
第1章微生物抑尘剂的可行性研究
近年来，随着我国社会生产力水平和机械化水平的提高，煤矿开采的深度和广度不断扩大，高浓度矿尘的危害也渐趋严重[1]。以露天煤矿运输作业为例，研究表明，载重卡车等运输设备的瞬时产尘强度可高达2000～12000mg/s，因此，道路两侧5m范围内，空气中的粉尘浓度可达750～800mg/m3，是我国《工作场所有害因素职业接触限值第1部分：化学有害因素》(GBZ2.1—2019)职业卫生标准的187.5～200倍。高浓度的道路扬尘，不仅增加了汽车保养、维修费用，还会导致道路能见度下降，降低车辆的运输能力，影响司机的安全驾驶。此外，过高的粉尘浓度还会引发爆炸。调研表明，粉尘浓度过高造成的爆炸和机械部件磨损，给我国造成高达12亿元/a的经济损失。*重要的是，由粉尘引发的尘肺病一直是全球矿区作业人员面临的严重问题，而我国露天煤矿多分布于干旱、半干旱地区，该地区植被稀疏、地表裸露、荒漠广布、矿区开采和运输作业频繁，产生的粉尘在人为扰动和风流作用下甚至可以扩散上百千米，严重影响矿区及周边地区的空气质量，对人们的健康产生了巨大威胁。由此可见，露天矿区的粉尘污染已对社会造成了严重危害，有必要开发有效技术解决露天煤矿的粉尘污染问题[2]。
目前，在粉尘防治方面，学者提出了多角度、全方位的抑尘方案，主要包括物理抑尘、化学抑尘等措施[3]。物理抑尘是通过喷洒水雾、建立挡风墙和抑尘网等方式抑尘。其中，喷洒水雾能通过粉尘与水雾接触、粉尘增重沉降至地面达到控制浮尘的目的。而建立挡风墙和抑尘网主要根据周围空气流动规律设置屏障，对扬尘的源头——风力进行有效控制，*大限度地衰减风力动能，降低其起尘和携尘能力。化学抑尘则是通过特殊化学物质润湿或凝并环境中的微细粉尘使粉尘沉降或黏固，达到降尘抑尘的目的。相对于物理抑尘来说，化学抑尘效果更好、更节约水资源，但仍存在制备过程烦琐、成本高以及环保隐患等不足。因此，探寻更为经济、环保、高效的抑尘措施，是当前亟须开展的工作。
1.1微生物矿化
微生物矿化是自然界普遍存在的一种现象，在地球的各种环境中，包括岩石、土壤、水体和沉积物中都有发现，其是指微生物通过代谢活动和生物化学反应催化矿物的形成或溶解，改变矿物的结构和组成，以促进地质过程中的矿物形成和转化。微生物矿化过程通常包含生物膜形成、生物矿化沉积和生物修饰等阶段。其中，生物矿化沉积是微生物产生的有机酸、气体、酶或其他生物分子诱导、控制或参与周围环境中的生物化学反应促进矿物形成的过程，是微生物矿化过程中*为重要的一环。
1.1.1微生物矿化模式
微生物矿化涉及不同的微生物和矿物类型(碳酸盐、磷酸盐、硅酸盐、硫酸盐、硫化物、氧化物或氢氧化物)。根据微生物的参与模式，其可分为微生物控制矿化、微生物影响矿化和微生物诱导矿化。
微生物控制矿化是微生物通过遗传、代谢和生物化学反应直接对矿物的结构、组成和形态进行调控。在该过程中，细胞代谢产物可以在细胞内、细胞外和细胞间等不同位置直接与金属离子结合，产生的矿物质通常是窄尺寸、特定颗粒形态的有序晶体。例如，机体骨骼的生长属于微生物控制矿化，该过程不易受环境因素的影响。
微生物影响矿化是受微生物影响的矿化过程，其中，矿物的形成是有机基质(主要是胞外聚合物)与有机或无机化合物之间相互作用的结果。例如，胞外聚合物可以为碳酸盐沉淀的形成提供成核位点。
微生物诱导矿化是在细胞外完成的矿化过程，矿物质通过微生物代谢的副产物改变周围溶液环境，并促进微生物与环境中存在的金属离子发生沉淀，微生物参与了矿物的组成、定位和成核。例如，在脲酶的作用下，通过提高pH，诱导碱性环境，促使了胞外矿化过程的进行。
事实上，自然界中的微生物矿化作用往往由以上两种或三种模式共同实现。其中，微生物诱导碳酸盐沉淀(microbial induced carbonate precipitation，MICP)是一种常见的微生物矿化作用，涉及微生物影响矿化和微生物诱导矿化过程，因为易于研究和控制，受到学者的广泛关注。
1.1.2MICP途径及其矿化机理
微生物诱导碳酸盐沉淀过程是特定微生物与环境中的有机和无机化合物相互作用的结果，因此，MICP存在多种途径[4]。目前，已知的MICP途径包括六种：异化硫酸盐还原、反硝化(硝酸盐还原)、氨基酸氨化、光合作用、甲烷氧化、尿素分解(尿素水解)。
1)异化硫酸盐还原
异化硫酸盐还原广泛存在于自然环境中，尤其是湿地、海洋沉积物以及地下水等环境，该过程在地质历史中发挥着重要作用，如硫化物矿物(如黄铁矿)和碳酸盐岩石(如石灰岩)的形成等。在异化硫酸盐还原过程中，微生物利用硫酸盐作为电子受体进行呼吸代谢，将硫酸盐还原为硫氢化物，同时将有机碳氧化为碳酸氢盐，并产生能量。在碱性微环境下，随着碳酸氢盐浓度的增加，碳酸氢盐能够与环境中的金属阳离
目录
目录
序
前言
第1章 微生物抑尘剂的可行性研究 1
1.1 微生物矿化 2
1.1.1 微生物矿化模式 2
1.1.2 MICP途径及其矿化机理 3
1.1.3 MICP过程的主要影响因素 6
1.2 MICP技术在不同领域中的应用 11
1.2.1 土壤固结 11
1.2.2 混凝土裂缝修复 12
1.2.3 重金属污染治理 13
1.2.4 碳封存 14
1.3 微生物抑尘剂在粉尘防治领域的可行性 15
1.3.1 煤矿粉尘特征 15
1.3.2 微生物抑尘剂对不同变质程度煤尘的抑尘性能 19
1.3.3 微生物抑尘剂对不同煤土比混合粉尘抑尘性能的影响 23
1.4 本章小结 27
第2章 微生物抑尘剂菌种的筛选及驯化 29
2.1 纯培养产脲酶菌 29
2.1.1 纯培养产脲酶菌的筛选 29
2.1.2 纯培养产脲酶菌的生长特征 31
2.1.3 纯培养产脲酶菌的脲酶活性 32
2.1.4 纯培养产脲酶菌的矿化特征 33
2.2 产脲酶菌株的复配 37
2.2.1 复配产脲酶菌的生长特征 38
2.2.2 复配产脲酶菌的脲酶活性特征 39
2.2.3 复配产脲酶菌的矿化特征 40
2.3 产脲酶菌群 43
2.3.1 产脲酶菌群的脲酶活性特征 43
2.3.2 产脲酶菌群活性的稳定性 44
2.3.3 产脲酶菌群的矿化特征 45
2.4 本章小结 47
第3章 微生物抑尘剂性能优化 48
3.1 营养液的优化 48
3.1.1 单因素优化 48
3.1.2 多因素优化 56
3.2 胶结液的优化 59
3.2.1 钙源的优化 59
3.2.2 表面活性剂的优化 61
3.2.3 外源物质的优化 73
3.3 施用方法的优化 75
3.4 本章小结 77
第4章 微生物抑尘剂的抑尘机理 78
4.1 微生物抑尘剂在粉尘中的入渗 78
4.1.1 入渗特征 78
4.1.2 入渗深度和截留量 80
4.1.3 菌液入渗湿润锋和煤尘柱含水率 81
4.1.4 入渗率拟合分析 82
4.1.5 入渗深度拟合分析 83
4.1.6 微生物抑尘剂抑尘性能与入渗特征的关系 84
4.2 微生物抑尘剂在粉尘上的吸附 86
4.2.1 煤尘粒径和质量对微生物吸附的影响 86
4.2.2 吸附等温线分析 87
4.2.3 煤尘对微生物的吸附机制 88
4.2.4 煤尘对微生物的吸附特征与抑尘性能的相关性 90
4.3 微生物抑尘剂对粉尘的固结特征 91
4.3.1 微观形貌分析 91
4.3.2 固结体的孔隙特征和斥水性 97
4.3.3 矿化产物生长分析 101
4.4 微生物作用机制 105
4.4.1 微生物对表面活性剂的响应 106
4.4.2 复配微生物对钙源类型的响应 111
4.4.3 微生物群落功能基因分析 113
4.5 本章小结 115
第5章 问题与展望 117
5.1 MICP的副产物与胶结均匀性问题 117
5.1.1 氨逸散问题与对策 117
5.1.2 胶结均匀性问题与对策 121
5.2 MICP技术的机制探究问题 124
5.2.1 微流控技术 125
5.2.2 基因表征手段 127
5.3 MICP技术的成本问题 128
5.3.1 原材料成本与解决措施 128
5.3.2 应用成本 131
5.4 碳排放和能源消耗问题与对策 133
5.4.1 寻找替代钙源和尿素 135
5.4.2 转变MICP路线 136
5.5 本章小结 137
附录 139
附1.1 材料 139
附1.2 研究方法 139
附1.2.1 产脲酶菌的筛选、鉴定与保存 139
附1.2.2 产脲酶微生物的生长与酶活 142
附1.2.3 矿化性能表征 143
附1.2.4 微生物抑尘剂在粉尘中的入渗 147
附1.2.5 微生物抑尘剂在粉尘(煤尘)上的吸附 149
附1.2.6 工业CT测试 152
参考文献 155
试读
第1章微生物抑尘剂的可行性研究
近年来，随着我国社会生产力水平和机械化水平的提高，煤矿开采的深度和广度不断扩大，高浓度矿尘的危害也渐趋严重[1]。以露天煤矿运输作业为例，研究表明，载重卡车等运输设备的瞬时产尘强度可高达2000～12000mg/s，因此，道路两侧5m范围内，空气中的粉尘浓度可达750～800mg/m3，是我国《工作场所有害因素职业接触限值第1部分：化学有害因素》(GBZ2.1—2019)职业卫生标准的187.5～200倍。高浓度的道路扬尘，不仅增加了汽车保养、维修费用，还会导致道路能见度下降，降低车辆的运输能力，影响司机的安全驾驶。此外，过高的粉尘浓度还会引发爆炸。调研表明，粉尘浓度过高造成的爆炸和机械部件磨损，给我国造成高达12亿元/a的经济损失。*重要的是，由粉尘引发的尘肺病一直是全球矿区作业人员面临的严重问题，而我国露天煤矿多分布于干旱、半干旱地区，该地区植被稀疏、地表裸露、荒漠广布、矿区开采和运输作业频繁，产生的粉尘在人为扰动和风流作用下甚至可以扩散上百千米，严重影响矿区及周边地区的空气质量，对人们的健康产生了巨大威胁。由此可见，露天矿区的粉尘污染已对社会造成了严重危害，有必要开发有效技术解决露天煤矿的粉尘污染问题[2]。
目前，在粉尘防治方面，学者提出了多角度、全方位的抑尘方案，主要包括物理抑尘、化学抑尘等措施[3]。物理抑尘是通过喷洒水雾、建立挡风墙和抑尘网等方式抑尘。其中，喷洒水雾能通过粉尘与水雾接触、粉尘增重沉降至地面达到控制浮尘的目的。而建立挡风墙和抑尘网主要根据周围空气流动规律设置屏障，对扬尘的源头——风力进行有效控制，*大限度地衰减风力动能，降低其起尘和携尘能力。化学抑尘则是通过特殊化学物质润湿或凝并环境中的微细粉尘使粉尘沉降或黏固，达到降尘抑尘的目的。相对于物理抑尘来说，化学抑尘效果更好、更节约水资源，但仍存在制备过程烦琐、成本高以及环保隐患等不足。因此，探寻更为经济、环保、高效的抑尘措施，是当前亟须开展的工作。
1.1微生物矿化
微生物矿化是自然界普遍存在的一种现象，在地球的各种环境中，包括岩石、土壤、水体和沉积物中都有发现，其是指微生物通过代谢活动和生物化学反应催化矿物的形成或溶解，改变矿物的结构和组成，以促进地质过程中的矿物形成和转化。微生物矿化过程通常包含生物膜形成、生物矿化沉积和生物修饰等阶段。其中，生物矿化沉积是微生物产生的有机酸、气体、酶或其他生物分子诱导、控制或参与周围环境中的生物化学反应促进矿物形成的过程，是微生物矿化过程中*为重要的一环。
1.1.1微生物矿化模式
微生物矿化涉及不同的微生物和矿物类型(碳酸盐、磷酸盐、硅酸盐、硫酸盐、硫化物、氧化物或氢氧化物)。根据微生物的参与模式，其可分为微生物控制矿化、微生物影响矿化和微生物诱导矿化。
微生物控制矿化是微生物通过遗传、代谢和生物化学反应直接对矿物的结构、组成和形态进行调控。在该过程中，细胞代谢产物可以在细胞内、细胞外和细胞间等不同位置直接与金属离子结合，产生的矿物质通常是窄尺寸、特定颗粒形态的有序晶体。例如，机体骨骼的生长属于微生物控制矿化，该过程不易受环境因素的影响。
微生物影响矿化是受微生物影响的矿化过程，其中，矿物的形成是有机基质(主要是胞外聚合物)与有机或无机化合物之间相互作用的结果。例如，胞外聚合物可以为碳酸盐沉淀的形成提供成核位点。
微生物诱导矿化是在细胞外完成的矿化过程，矿物质通过微生物代谢的副产物改变周围溶液环境，并促进微生物与环境中存在的金属离子发生沉淀，微生物参与了矿物的组成、定位和成核。例如，在脲酶的作用下，通过提高pH，诱导碱性环境，促使了胞外矿化过程的进行。
事实上，自然界中的微生物矿化作用往往由以上两种或三种模式共同实现。其中，微生物诱导碳酸盐沉淀(microbial induced carbonate precipitation，MICP)是一种常见的微生物矿化作用，涉及微生物影响矿化和微生物诱导矿化过程，因为易于研究和控制，受到学者的广泛关注。
1.1.2MICP途径及其矿化机理
微生物诱导碳酸盐沉淀过程是特定微生物与环境中的有机和无机化合物相互作用的结果，因此，MICP存在多种途径[4]。目前，已知的MICP途径包括六种：异化硫酸盐还原、反硝化(硝酸盐还原)、氨基酸氨化、光合作用、甲烷氧化、尿素分解(尿素水解)。
1)异化硫酸盐还原
异化硫酸盐还原广泛存在于自然环境中，尤其是湿地、海洋沉积物以及地下水等环境，该过程在地质历史中发挥着重要作用，如硫化物矿物(如黄铁矿)和碳酸盐岩石(如石灰岩)的形成等。在异化硫酸盐还原过程中，微生物利用硫酸盐作为电子受体进行呼吸代谢，将硫酸盐还原为硫氢化物，同时将有机碳氧化为碳酸氢盐，并产生能量。在碱性微环境下，随着碳酸氢盐浓度的增加，碳酸氢盐能够与环境中的金属阳离
