一种利用微生物诱导碳酸钙固化农田排水沟坡面的方法
阅读说明：本技术 一种利用微生物诱导碳酸钙固化农田排水沟坡面的方法 (Method for solidifying farmland drainage ditch slope by utilizing microorganism induced calcium carbonate ) 是由 缴锡云 李焕弟 李江 巫纾予 于 2021-07-05 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种利用微生物诱导碳酸钙固化农田排水沟坡面的方法,属于农田排水沟固化技术领域,所述方法包括以下步骤：1)采集农田排水沟坡面的土壤,测定所述土壤的含水率θ-0、土壤干密度ρ-d；2)将所述采集农田排水沟坡面的土壤分层压实达到预设土壤干密度ρ-(d’)；测定田间持水量θ-(max),根据公式计算出土壤孔隙度n；3)根据公式L＝a×b×H(θ-(max)-θ-0)n×100计算出L的具体值；L为巴氏芽孢杆菌菌液的体积和/或固结液的体积；4)向所述农田排水沟坡面喷洒巴氏芽孢杆菌菌液后,喷洒固结液；5)每隔15～18h重复步骤4)中的操作一次,重复的次数为7～10次。所述方法能够实现农田排水沟生态固化。(The invention provides a method for solidifying a slope surface of a farmland drainage ditch by utilizing microorganism-induced calcium carbonate, belonging to the technical field of solidification of farmland drainage ditches, and comprising the following steps of: 1) collecting soil on the slope of a farmland drainage ditch, and determining the water content theta of the soil 0 Dry density of soil rho d (ii) a 2) The soil on the slope surface of the collected farmland drainage ditch is compacted in a layered mode to reach the preset soil dry density rho d' (ii) a Determination of field Water holding Capacity θ max Calculating the soil porosity n according to a formula; 3) according to the formula L ═ a × b × H (θ) max ‑θ 0 ) n × 100 calculating a specific value of L; l is the volume of the bacillus pasteurii bacterial liquid and/or the volume of the consolidation liquid; 4) spraying a bacillus pasteurii bacterial liquid on the slope surface of the farmland drainage ditch, and then spraying a consolidation liquid; 5) repeating every 15-18 hThe operation in the step 4) is carried out once, and the repeated times are 7-10 times. The method can realize ecological solidification of the farmland drainage ditch.)
技术领域
本发明属于农田排水沟固化
技术领域
，尤其涉及一种利用微生物诱导碳酸钙固化农田排水沟坡面的方法。背景技术
农业灌溉与排水工程直接影响农田灌溉质量，农田排水沟是农业排水工程的基本组成，其排水功能是农业生产的重要保障。传统的土质排水沟渗漏损失量大，并且边坡存在易坍塌、易水土流失等问题。因此，农田排水沟边坡的固化是农业发展的重要基础。针对农田排水沟加固，目前主要有工程措施、生物措施和材料措施，但是这些措施存在诸如施工繁琐、成本高昂、维修维护困难等缺点。
近年来，微生物诱导碳酸钙沉积(microbially induced calciteprecipitation，MICP)技术发展迅速，其原理是微生物自身代谢产生一种脲酶，该脲酶催化尿素水解生成碳酸根离子，碳酸根离子与外源钙离子结合形成具有固结作用的碳酸钙晶体，从而实现岩土的固化。MICP技术操作简单，不产生有毒有害物质，耐久性较好，是一种更加生态友好的土体加固技术。目前这种技术多应用于岩土工程
技术领域
，对于土质排水沟坡面的固定的应用尚未见报道。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种利用微生物诱导碳酸钙固化农田排水沟坡面的方法；所述方法能够实现农田排水沟生态固化，代替了混凝土固化农田排水沟，能够实现农田排水沟能透水、能降渍、少用或不用混凝土的技术效果。
为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
本发明提供了一种利用微生物诱导碳酸钙固化农田排水沟坡面的方法，包括以下步骤：
1)采集农田排水沟坡面的土壤，测定所述土壤的含水率θ0、土壤干密度ρd；
2)将所述采集农田排水沟坡面的土壤分层压实达到预设土壤干密度ρd'；根据环刀法测定田间持水量θmax，根据公式n(％)＝93.947-32.995ρd'计算出土壤孔隙度n；
3)根据公式L＝a×b×H(θmax-θ0)n×100计算出L的具体值；其中a，b分别为装土容器的长和宽，H为固化的深度；在固化处理过程中，L为巴氏芽孢杆菌菌液的体积、固结液的体积或巴氏芽孢杆菌菌液和固结液的总体积；
4)向所述农田排水沟坡面喷洒巴氏芽孢杆菌菌液6～9h后，喷洒固结液；
5)每隔15～18h重复步骤4)中的操作一次，重复的次数为7～10次；
所述固结液为尿素与氯化钙的混合溶液，所述混合溶液中尿素与氯化钙物质的量的比为1:1。
优选的，步骤2)中所述预设土壤干密度ρd'为1.4～1.5g/cm3。
优选的，步骤1)中所述农田排水沟坡面的土壤采集后进行过筛，所述过筛的筛网孔径为2mm。
优选的，步骤3)中所述固化的深度为4～6cm。
优选的，以氯化钙计，步骤3)中所述固结液的浓度为1.0～2.0mol/L。
优选的，步骤3)中所述巴氏芽孢杆菌菌液和固结液的体积比为2:3。
优选的，步骤3)中所述巴氏芽孢杆菌的保藏标号为ATCC 11859；所述巴氏芽孢杆菌能够产脲酶。
优选的，步骤1)中所述含水率θ0为15％～20％。
本发明提供的利用微生物诱导碳酸钙固化农田排水沟坡面的方法，以田间持水量的标准计算在达到田间持水量时所需试剂(巴氏芽孢杆菌菌液和/或固结液)的总体积L，并以(2～5):3的比例喷洒巴氏芽孢杆菌菌液和固结液，可以提高碳酸钙产率，极大的节约材料用量，降低成本。
本发明中巴氏芽孢杆菌的作用是通过其新陈代谢产生脲酶，激发固结液中的尿素发生水解反应：产生的NH4 +使溶液的pH升高，使得HCO3 -与固结液中的CaCl2提供的Ca2+相遇后产生CaCO3结晶沉积：产生的CaCO3晶体一部分附着在土颗粒表面，将相邻的土颗粒连接在一起，另一部分CaCO3晶体填充于土壤孔隙，一定程度上降低土壤的孔隙度和渗透性，且相较于混凝土加固，本发明所述的方法仍然能够起到一定降渍作用，对环境无负面影响。
附图说明
图1为固化土壤的碳酸钙生成量。
具体实施方式
本发明提供了一种利用微生物诱导碳酸钙固化农田排水沟坡面的方法，包括以下步骤：1)采集农田排水沟坡面的土壤，测定所述土壤的含水率θ0、土壤干密度ρd；2)将所述采集农田排水沟坡面的土壤分层压实达到预设土壤干密度ρd'；根据环刀法测定田间持水量θmax，根据公式n(％)＝93.947-32.995ρd'计算出土壤孔隙度n；3)根据公式L＝a×b×H(θmax-θ0)n×100计算出L的具体值；其中a，b分别为装土容器的长和宽，H为固化的深度；在固化处理过程中，L为巴氏芽孢杆菌菌液的体积、固结液的体积或巴氏芽孢杆菌菌液和固结液的总体积，所述巴氏芽孢杆菌菌液和固结液的体积比为(2～5):3；4)向所述农田排水沟坡面喷洒巴氏芽孢杆菌菌液6～9h后，喷洒固结液；5)每隔15～18h重复步骤4)中的操作一次，重复的次数为7～10次。
在本发明中，首先采集农田排水沟坡面的土壤，测定所述土壤的含水率θ0、土壤干密度ρd。本发明对所述农田排水沟坡面没有特殊限定，本领域常规的农田排水沟坡面均可。在本发明中，所述农田排水沟坡面的土壤采集后优选的进行过筛，所述过筛的筛网孔径优选为2mm。本发明所述过筛的具体操作没有特殊限定，采用本领域常规的过筛操作即可。在本发明中，所述土壤的含水率θ0优选的采用烘干法测定；所述土壤干密度ρd优选的采用环刀法测定；所述田间持水量θmax优选的采用环刀法测定。在本发明中，所述土壤的含水率θ0优选的为15％～20％，所述土壤含水率为体积百分比。
在本发明中，将所述农田排水沟坡面的土壤分层压实达到预设土壤干密度ρd'；根据环刀法测定田间持水量θmax，根据公式n(％)＝93.947-32.995ρd'计算出土壤孔隙度n。在本发明中，所述预设土壤干密度ρd'优选为1.4～1.5g/cm3。在本发明具体实施过程中，优选的将所述土壤装至容器中进行分层压实；所述容器可选透明有机玻璃盒；所述容器的规格可选为：长×宽×高为12×12×12cm(厚0.35cm)；在本发明中，所述土壤的装填高度优选的为6～8cm，更优选为6cm；每层的厚度优选为1cm。
在本发明中，根据公式L＝a×b×H(θmax-θ0)n×100计算出固化处理在达到田间持水量时所需试剂(巴氏芽孢杆菌菌液和/或固结液)的总体积L。在本发明中，公式L＝a×b×H(θmax-θ0)n×100由《农田水利学》中记载的灌水定额公式演变而来；为土壤在不受地下水影响情况下所能保持水分的最大数量指标。在本发明中，a，b分别为装土容器的长和宽，H为固化的深度，所述固化的深度优选为4～6cm，更优选为4cm；在本发明中，所述巴氏芽孢杆菌菌液和固结液的体积比为(2～5):3，可选为2:3、1:1、4:3和5:3；综合碳酸钙产率与材料用量考虑，优选为2:3。
在本发明中，所述巴氏芽孢杆菌的保藏标号为ATCC 11859；所述巴氏芽孢杆菌能够产脲酶；本发明对所述巴氏芽孢杆菌的培养方法没有特殊限定，采用本领域常规的巴氏芽孢杆菌的培养方法即可，具体参见本发明实施例记载。
在本发明中，所述固结液为尿素与氯化钙的混合溶液，所述混合溶液中尿素与氯化钙物质的量的比为1:1。在本发明中，所述固结液的浓度优选为1.0～2.0mol/L，更优选为1mol/L。
在本发明中，根据上述计算结果，向所述农田排水沟坡面喷洒巴氏芽孢杆菌菌液6～9h后，喷洒固结液。在本发明中，所述喷洒优选的少量多次进行，本发明对所述喷洒的次数和每次喷洒的量没有特殊限定，以不产生表层积液，并使菌液全部渗入到土壤中为优。在本发明中，优选的在所述巴氏芽孢杆菌菌液喷洒6h后，喷洒固结液；所述固结液的喷洒方式与巴氏芽孢杆菌菌液的喷洒方式一致，在此不再赘述。
在本发明中，优选的每隔15～18h重复步骤4)中的操作一次，更优选为每隔18h重复一次，所述重复的次数为7～10次，可选为7次、8次、9次或10次。在本发明中，重复7次以后，优选的通过盐酸浸泡法测定固化土壤的碳酸钙生成量，根据固化效果决定后续固化处理次数。
下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
菌种培养：
巴氏芽孢杆菌(Sporosarcinapasteurii，美国菌种保藏中心编号ATCC 11859)，该细菌的液体培养基的配方如下：酵母提取物20g/L，(NH4)2SO410g/L，MnSO4·H2O 10mg/L，NiCl·6H2O 24mg/L以及蒸馏水1000g/L，将上述成分均匀混合后，用1mol/L的NaOH溶液将液体培养基的pH值调节至8.5。将磁力搅拌子提前放入液体培养基中，再对其进行高温灭菌以及紫外灭菌，并于无菌操作台上将活化后的细菌接种至培养基中，最后移至磁力搅拌器加热盘上，调节转速为250rpm，在30℃条件下培养至液体出现浑浊，细菌光密度OD600达到0.9499。
实施例1
步骤1，取土，测定土壤的初始含水率θ0、土壤干密度ρd，土壤初始含水率控制在15％～20％；具体方法如下：
测定方法：
1)仪器设备：烘箱、电子天平、干燥器、称量盒(铝盒)
2)操作步骤[注：进行三次平行测定]
①取代表性土样15～20g试样放入已知重量的铝盒内立即盖好盒盖，称量，得湿土质量+铝盒质量。
②揭开盒盖，将试样和铝盒放入烘箱，在105～110℃下烘干到恒重。
③将烘干后的试样和铝盒取出盖好盒盖，放入干燥器内冷却至室温后称重，得干土质量+铝盒质量，称量精度至0.01g。
3)初始含水率＝[(湿土质量+铝盒质量)-(干土质量+铝盒质量)]/[(干土质量+铝盒质量)-铝盒质量]＝水重/干土重。
假若初始含水率在15％～20％，则直接用即可，假若没有在这一范围，通过风干或者加水的方式使其介于此范围。
测得土样的初始含水率为19.61％，直接采用。
步骤2，通过环刀法测得田间持水量θmax为35.84％。将土样装至长×宽×高为12×12×12cm(厚0.35cm)的透明有机玻璃盒中，装填高度控制在6cm，分层压实至土壤干密度1.4g/cm3。土壤孔隙度n(％)＝93.947-32.995ρd'＝3.947-32.995×1.4＝47.75％；
步骤3，土壤固化深度H为4cm，根据计算公式L＝11.3×11.3×H(θmax-θ0)n×100＝11.3×11.3×0.04×(35.84％-19.61％)×47.75％×100＝39.58ml，计算出一次固化处理在达到田间持水量时所需巴氏芽孢杆菌菌液和固结液(尿素和氯化钙的混合溶液)的总量(体积)L为39.58ml，其中，巴氏芽孢杆菌菌液和固结液的喷洒用量(体积)比为2:3；
步骤4，采用少量多次的方法，将2/5L的巴氏芽孢杆菌菌液均匀地喷洒在土壤表面；
步骤5，巴氏芽孢杆菌菌液喷洒结束静置6h后，将3/5L的1.0mol/L固结液少量多次地、均匀地喷洒在土壤表层；
步骤6，按照步骤4和步骤5的固化处理方法，每隔18h固化处理一次，固化处理7次以后，通过盐酸浸泡法测定固化土样的碳酸钙生成量，判断固化效果。随着固化轮次的增加，碳酸钙生成量呈先快速增加，后缓慢增加的趋势，经过7轮的固化处理，碳酸钙生成量达3.02％。
实施例2
步骤1，取土，测定土壤的初始含水率θ0、土壤干密度ρd，土壤初始含水率控制在15％～20％；
具体方法如下：
测定方法：
1)仪器设备：烘箱、电子天平、干燥器、称量盒(铝盒)
2)操作步骤[注：进行三次平行测定]
①取代表性土样15～20g试样放入已知重量的铝盒内立即盖好盒盖，称量，得湿土质量+铝盒质量。
②揭开盒盖，将试样和铝盒放入烘箱，在105～110℃下烘干到恒重。
③将烘干后的试样和铝盒取出盖好盒盖，放入干燥器内冷却至室温后称重，得干土质量+铝盒质量，称量精度至0.01g。
4)初始含水率＝[(湿土质量+铝盒质量)-(干土质量+铝盒质量)]/[(干土质量+铝盒质量)-铝盒质量]＝水重/干土重。
假若初始含水率在15％～20％，则直接用即可，假若没有在这一范围，通过风干或者加水的方式使其介于此范围。
测得土样的初始含水率为19.61％，直接采用。
步骤2，将土样装至长×宽×高为12×12×12cm(厚0.35cm)的透明有机玻璃盒中，装填高度控制在6cm，分层压实至土壤干密度1.4g/cm3；
步骤3，土壤固化深度H为4cm，计算出在达到田间持水量时一次固化处理所需巴氏芽孢杆菌菌液的体积L为39.58ml，巴氏芽孢杆菌菌液和固结液的喷洒体积比为2:3，计算获得固结液的体积为59.37ml；
步骤4，采用少量多次的方法，将39.58ml的巴氏芽孢杆菌菌液均匀地喷洒在土壤表面；
步骤5，巴氏芽孢杆菌菌液喷洒结束静置6h后，将59.37ml的1.0mol/L固结液少量多次地、均匀地喷洒在土壤表层；
步骤6，按照步骤4和步骤5的固化处理方法，每隔18h固化处理一次，固化处理7次以后，通过盐酸浸泡法测定固化土样的碳酸钙生成量，判断固化效果。随着固化轮次的增加，碳酸钙生成量呈先快速增加，后缓慢增加的趋势，经过7轮的固化处理，碳酸钙生成量达4.54％。
实施例3
步骤1，取土，测定土壤的初始含水率θ0、土壤干密度ρd，土壤初始含水率控制在15％～16％；具体方法如下：
测定方法：
1)仪器设备：烘箱、电子天平、干燥器、称量盒(铝盒)
2)操作步骤[注：进行三次平行测定]
①取代表性土样15～20g试样放入已知重量的铝盒内立即盖好盒盖，称量，得湿土质量+铝盒质量。
②揭开盒盖，将试样和铝盒放入烘箱，在105～110℃下烘干到恒重。
③将烘干后的试样和铝盒取出盖好盒盖，放入干燥器内冷却至室温后称重，得干土质量+铝盒质量，称量精度至0.01g。
5)初始含水率＝[(湿土质量+铝盒质量)-(干土质量+铝盒质量)]/[(干土质量+铝盒质量)-铝盒质量]＝水重/干土重。
假若初始含水率在15％～20％，则直接用即可，假若没有在这一范围，通过风干或者加水的方式使其介于此范围。
测得土样的初始含水率为19.61％，直接采用。
步骤2，将土样装至长×宽×高为12×12×12cm(厚0.35cm)的透明有机玻璃盒中，装填高度控制在6cm，分层压实至土壤干密度1.4g/cm3；
步骤3，土壤固化深度H为4cm，计算出在达到田间持水量时一次固化处理所需固结液(尿素和氯化钙的混合溶液)的体积L为39.58ml，巴氏芽孢杆菌菌液和固结液的喷洒体积比为2:3，计算获得巴氏芽孢杆菌菌液的体积为26.39ml；
步骤4，采用少量多次的方法，将26.39ml的巴氏芽孢杆菌菌液均匀地喷洒在土壤表面；
步骤5，巴氏芽孢杆菌菌液喷洒结束静置6h后，将39.58ml的1.0mol/L固结液少量多次地、均匀地喷洒在土壤表层；
步骤6，按照步骤4和步骤5的固化处理方法，每隔18h固化处理一次，固化处理7次以后，通过盐酸浸泡法测定固化土样的碳酸钙生成量，判断固化效果。随着固化轮次的增加，碳酸钙生成量呈先快速增加，后缓慢增加的趋势，经过7轮的固化处理，碳酸钙生成量达3.49％。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
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