專利名稱：：微生物的生物粘固的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種利用尿素酶的微生物資源，如能夠產(chǎn)生尿素酶的細菌來生產(chǎn)高強度水泥的方法。本發(fā)明還涉及由本發(fā)明方法生產(chǎn)的水泥的各種應(yīng)用。技術(shù)背景產(chǎn)尿素酶細菌通常被用于調(diào)解可滲透物質(zhì)的表面和表面下的區(qū)域。這個大家已知的礦物堵漏過程，己被用于石油工業(yè)，因為在石油工業(yè)中，加工過的物質(zhì)由于滲透性和多孔性的降低減少了液體的流動，這樣可能會增加石油從儲油庫中的回復(fù)和/或限制污染物從溢出位置擴散。礦物堵漏是由于尿素酶降解尿素得到的產(chǎn)物氨會增加PH值，而該pH值的增加會引起沉淀。然而，當(dāng)這些礦物堵漏減少地質(zhì)層組中的裂縫和其他裂紋的多孔性/滲透性時，水泥的強度不能滿足于其他應(yīng)用范圍。而且，用于形成礦物堵漏過程的控制將受到以下情況的限制結(jié)果不一致以及該方法在許多應(yīng)用中不可行。傳統(tǒng)的水泥用于多種結(jié)構(gòu)建筑應(yīng)用。但是，由于傳統(tǒng)水泥是作為相當(dāng)稠的泥漿應(yīng)用，它不適合于噴霧應(yīng)用，尤其是有必要在水泥粘合的材料表面或表面下方形成水泥接合或保持多孔性的時候，傳統(tǒng)水泥不適合應(yīng)用。本發(fā)明通過提供一種利用產(chǎn)尿素酶的微生物和確定量的其他反應(yīng)物生產(chǎn)高強度水泥的方法，以解決上述的限制。本發(fā)明還提供該高強度水泥的各種應(yīng)用。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提供了一種用可滲透性原料制成高強度水泥的方法，該方法包括步驟將原料與以下物質(zhì)的有效量混合(i)產(chǎn)尿素酶的微生物；(ii)尿素；和(iii)鈣離子，所述產(chǎn)尿素酶的微生物的有效量在標準條件下能提供每分鐘水解0.5-50mM尿素的水解速度。本發(fā)明方法通過在原料中產(chǎn)生相對高品質(zhì)的方解石，能制成高強度的水泥。因此，本發(fā)明還提供了一種用可滲透性原料制成高強度水泥的方法，該方法包括步驟將原料與以下物質(zhì)的有效量混合(i)產(chǎn)尿素酶的微生物；(ii)尿素；和(iii)鈣離子，所述水泥是由在每升原料中加入至少33g方解石而制成。本發(fā)明方法適于反應(yīng)物的重復(fù)應(yīng)用。因此，本發(fā)明還提供了一種用可滲透性原料制成高強度水泥的方法，該方法包括步驟(a)將原料與以下物質(zhì)的有效量混合(i)產(chǎn)尿素酶的微生物；(ii)尿素；和(iii)鈣離子；(b)添加至少一種(i)到(iii)的反應(yīng)物;所述產(chǎn)尿素酶的微生物的有效量在標準條件下能提供每分鐘水解0.5-50mM尿素的水解速度。本發(fā)明的優(yōu)點之一是它在應(yīng)用中，不會對原料產(chǎn)生不必要的破壞或干擾。因此，本發(fā)明還提供了一種用可滲透性原料在原位制成高強度水泥的方法，該方法包括步驟將原料與以下物質(zhì)的有效量混合(i)產(chǎn)尿素酶的微生物；(ii)尿素；和(iii)鈣離子，所述產(chǎn)尿素酶的微生物的有效量在標準條件下提供每分鐘水解0.5-50mM尿素的水解速度。本發(fā)明的另一方面是一種用本發(fā)明方法制成的水泥。因此，本發(fā)明還提供了一種用本發(fā)明方法制成的水泥，所述水泥包含細菌細胞，且具有至少0.05-5MPa的強度。本發(fā)明可用于制造水泥，該水泥可應(yīng)用于土木工程、采礦、腐蝕控制、環(huán)境以及特殊材料的加工。本發(fā)明尤其適用于地面改進。土木工程應(yīng)用包括將本發(fā)明方法用于護岸、筑堤(如鐵路筑堤、筑壩)和地面開挖隧道時加強和穩(wěn)固泥土；打地基時改善樁的表面摩擦(把樁連接成"遠聲場")；增加樁的端承載力；在原位置變硬以減少樁設(shè)計長度；改進非樁地基土壤的承受力；以及在遇到液化危險時穩(wěn)固地震帶的沙灘。本發(fā)明方法還可用于建造急需的公路，即對公路、飛機跑道等道路的自然表面或準備好的沙子表面進行處理，并快速修理地基下面退化的公路。本發(fā)明方法還可用于保持、修復(fù)、加強和保護建筑物上風(fēng)化的灰泥和石工術(shù)，該建筑物如遺產(chǎn)建筑；還可用于鞏固和保存壁畫中衰落的石膏；還可用于在花園中創(chuàng)作建筑特色以及用人工合成的沙巖/石灰石復(fù)制裝飾物。在采礦工業(yè)中的應(yīng)用包括在開挖和采礦過程中本發(fā)明方法可為新開墾的土地提供支持；能加強尾礦壩以防止侵蝕和坡身不穩(wěn)；可提供一個有滲透性的反應(yīng)屏障，該屏障能讓排出物通過，并從礦物中除去酸性物質(zhì)和重金屬；可結(jié)合暴露表面上的灰塵粒以減少灰塵；在鉆孔和提取過程中，本發(fā)明方法能增加對石油地上鑿洞退化的抵抗力；本發(fā)明方法能增強海上建筑物對抗重力式地基和管道內(nèi)或其下面所具有的沉淀物的腐蝕。本發(fā)明方法還擁有環(huán)境應(yīng)用，如通過將環(huán)境中的污染物(如重金屬、纖維制品、放射性元素)與方解石水晶結(jié)構(gòu)結(jié)合，從而穩(wěn)定并去除該些污染物，此外，通過加固外露的表面以及保護易于腐蝕的區(qū)域來控制海岸區(qū)和河流的腐蝕。本發(fā)明方法的其他應(yīng)用包括制作過濾器，如濾水器、鉆孔過濾器以及把細菌細胞及其酶固定在一個水泥活性的生物過濾器。下面詳細描述本發(fā)明生產(chǎn)高強度水泥的方法。一種用可滲透性原料制成高強度水泥的方法，該方法包括步驟將原料與以下物質(zhì)的有效量混合(i)產(chǎn)尿素酶的微生物；(ii)尿素；和(iii)鈣離子，所述產(chǎn)尿素酶的微生物的有效量在標準條件下能提供每分鐘水解0.5-50mM尿素的水解速度。為本發(fā)明的目的，術(shù)語"水泥"指能把微粒原料如石塊或沙子結(jié)合在一起的沉淀物質(zhì)。為本發(fā)明的目的，術(shù)語"高強度水泥"指以下一種水泥(i)經(jīng)產(chǎn)尿素酶的微生物作用而產(chǎn)生，該產(chǎn)尿素酶的微生物在標準條件下能提供每分鐘水解0.5-50mM尿素的水解速度；或(ii)通過在每升原料中加入至少33g方解石而制成。有許多方法可用于決定原料中方解石和碳酸鹽的含量。一種方法是在原料用酸處理時測量散發(fā)出的二氧化碳氣體量。散發(fā)的二氧化碳量可通過測量氣壓(用壓力計測量的方法)或氣體體積變化進行測定。知道了樣品的質(zhì)量和氣體體積，就能計算出存在的碳酸鹽的量。測量方解石含量的Twp專門技術(shù)可參見"澳大利亞土壤和水化學(xué)方法實驗室手冊"(G.ERayment和F.R.Higginson編著，lnkata出版，悉尼，1992,206-210頁)第19章"土壤碳酸鹽"。較佳地，高強度水泥還具有(i)至少0.05至lj0.5MPa/(mM水解的尿素.mirT1)的單軸壓縮強度，優(yōu)選的，所述強度通過估算原料發(fā)出的超聲波的速度進行確定；和/或(ii)具有至少0.05至U5MPa或2至ij5MPa的單軸壓縮強度，優(yōu)選的，所述強度通過估算原料發(fā)出的超聲波的速度進行確定。超聲波速度測量和耐壓強度測量如UCS可用商業(yè)現(xiàn)有裝置或通過專門的工程技術(shù)實驗室實現(xiàn)。通常，在超聲波速度和UCS之間必須建立關(guān)聯(lián)，以應(yīng)對每種正在處理的原料(或土壤)類型。一種方法包括如下步驟(i)用處理中的具有不同粘度(和強度)的材料預(yù)先制備圓柱形的礦樣，(ii)測量穿過每種處理過的材料礦的超聲波速度(一種非破壞性的技術(shù))，(iii)對每種處理過的礦通過將其塞入一個UCS擠壓裝置以獲得它們的破壞點，如破碎它們的壓力，從而測量UCS值(一種破壞性的技術(shù))，和(iv)應(yīng)用方程式計算該兩種測量之間的關(guān)系，所述方程式如McNaIIy,G.H.1987中所使用的方程式。用聲波和中子測井估算煤層巖石的強度(地質(zhì)勘探，Geoexploration24:381-395)，但是，為適用于特定材料類型需重新計算該兩個常數(shù)。為本發(fā)明的目的，術(shù)語"可滲透性的"指原料能滿足一種方法的全部過程，該過程至少包括應(yīng)用以下物質(zhì)的一種去制成高強度水泥(i)產(chǎn)尿素酶的微生物；(ii)尿素；和(iii)鈣離子。應(yīng)當(dāng)認識到，將原料與(i)以產(chǎn)尿素酶微生物形式存在的尿素酶；(ii)尿素；和(iii)鈣離子這三種物質(zhì)的有效量混合的步驟包含任何引起該三種物質(zhì)集合的方法步驟，且該步驟最終使原料制成高強度水泥。例如，在原料中可能已存在上述三種物質(zhì)的一種或兩種，如果進行"混合"步驟，將會添加入僅缺少的成份。優(yōu)選地，先把尿素和鈣離子混合，再將其加入到產(chǎn)尿素酶微生物中，然后把該三種成份的混合物應(yīng)用于原料。但是，應(yīng)認為，所述物質(zhì)成份還可以通過其他方式混合來實現(xiàn)本發(fā)明方法。本發(fā)明基于一個驚奇的發(fā)現(xiàn)，即能用可滲透性原料與特定量的微生物、尿素及鈣離子進行反應(yīng)制成高強度水泥。尤其是，申請人發(fā)現(xiàn)，相對于其他利用細菌作為尿素來源的粘固技術(shù)，釋放高尿素酶活性的微生物的量特別有用。本發(fā)明方法所用反應(yīng)物的量相對較大，要求生產(chǎn)大量的方解石。鑒于這一點，如果反應(yīng)物以特定的量混合，會在原料中和/或原料上形成高強度水泥。該成果尤其令人驚訝的是，所用的尿素和鈣離子等反應(yīng)物的量會對產(chǎn)尿素酶的微生物起抑制和/或毒性作用，在這個意義上，需要生產(chǎn)很少或不生產(chǎn)方解石。重要地，通過使用不同成份的相對有效量，本發(fā)明方法能讓應(yīng)用者通過控制形成的方解石的量及其形成速率來控制粘固。這種適應(yīng)性意味著本發(fā)明方法有一個寬泛的應(yīng)用范圍，該范圍從要求原料有一個相當(dāng)適度的強度增加到要求有更大增加。因此，本發(fā)明還提供了一種用可滲透性原料制成高強度水泥的方法，該方法包括步驟將原料與以下物質(zhì)的有效量混合(i)產(chǎn)尿素酶的微生物；(ii)尿素；和(iii)鈣離子，所述水泥是由在每升原料中加入至少33g方解石而制成。所述水泥可以由在每升原料中加入至少22-32g方解石而制成。作為選擇，所述水泥可以由在每升原料中加入至少33-75g或40-75g方解石而制成。如果不想受任何特定效果方式的限制，用本發(fā)明方法獲得的高強度水泥應(yīng)被認為是由于原料中方解石結(jié)晶的量和天然屬性依次影響了結(jié)果制得的水泥的強度。還應(yīng)認為本發(fā)明方法所用的微生物及其數(shù)量也會影響方解石結(jié)晶，從而影響結(jié)果水泥的強度。按照本發(fā)明方法，組合的不同反應(yīng)物的有效量會發(fā)生改變，因為其至少依賴于微生物的產(chǎn)尿素酶的能力、可滲透性原料的特性、粘固發(fā)生的條件、希望水泥最后達到的強度以及反應(yīng)混合物中其他反應(yīng)物的量。本發(fā)明說明書的內(nèi)容能使一個技術(shù)熟練人員按照常規(guī)的方式，確定一項特定應(yīng)用中所需的不同反應(yīng)物的相對量，因此，本說明書內(nèi)容為技術(shù)熟練人員提供了所有將本發(fā)明方法應(yīng)用于不同原料的信息，以及提供了適用于各種最終用途所需的信息。依靠對本發(fā)明的特定應(yīng)用或應(yīng)用方式需求，可能需要水泥的快速生產(chǎn)。為本發(fā)明的目的，快速生產(chǎn)指在本發(fā)明方法應(yīng)用后約l-6個小時內(nèi)原料至少要達到它最后強度的60%-90%左右。較佳地，在本發(fā)明方法應(yīng)用后約2-5個小時內(nèi)原料至少要達到它最后強度的60°/。-90%左右，更佳地，在本發(fā)明方法應(yīng)用后約3-4個小時內(nèi)原料至少要達到它最后強度的60%-90%左右。作為選擇，緩慢形成水泥是優(yōu)選的。為本發(fā)明的目的，緩慢形成指在本發(fā)明方法應(yīng)用后約1-6周內(nèi)原料至少要達到它最后強度的60%-90%左右。較佳地，在本發(fā)明方法應(yīng)用后約2-5周內(nèi)原料至少要達到它最后強度的60%-90%左右，更佳地，在本發(fā)明方法應(yīng)用后約3-4周內(nèi)原料至少要達到它最后強度的60%-90%左右。本發(fā)明方法可根據(jù)需要控制水泥形成的速度。當(dāng)需要快速生產(chǎn)水泥時，能按照快速生產(chǎn)條件選擇反應(yīng)物的量和/或相對量。當(dāng)需要快速生產(chǎn)時，產(chǎn)尿素酶微生物的有效量可以是在標準條件下能提供每分鐘水解0.5-50mM尿素的水解速度，較佳地，能提供每分鐘水解1-25mM尿素的水解速度，更佳地，能提供每分鐘水解2-20mM尿素的水解速度，尤其更佳地，能提供每分鐘水解4-18mM尿素的水解速度。在本發(fā)明的一個特定實施方式中，產(chǎn)尿素酶微生物的有效量為在標準條件下能提供每分鐘水解2.2-13.3mM尿素的水解速度。為本發(fā)明的目的，"標準條件"是1.5M尿素和25'C。當(dāng)需要快速生產(chǎn)水泥時，尿素的有效量將依賴于其他反應(yīng)物的量，且該尿素有效量能足以保證高強度水泥的形成。較佳地，尿素的有效量為終濃度至少在100-200mM，更佳地，終濃度至少在200-300mM，尤其更佳地，終濃度至少在300-1500mM。在本發(fā)明的一個特定實施方式中，尿素的有效量為終濃度至少是350mM、1500mM或2000函。當(dāng)需要快速生產(chǎn)水泥時，鈣離子的有效量將依賴于其他反應(yīng)物的量，且該鈣離子有效量能足以保證高強度水泥的形成。較佳地，鈣離子的有效量為終濃度至少在50-200mM，更佳地，終濃度至少在200-500mM，尤其更佳地，終濃度至少在500-1500mM。在本發(fā)明的一個特定實施方式中，鈣離子的有效量為終濃度至少是100mM、1500mM或2000mM。當(dāng)需要緩慢生產(chǎn)水泥時，控制至少一種反應(yīng)物的量就能實現(xiàn)。較佳地，至少一種反應(yīng)物隨時間加入的量要少于水泥快速生產(chǎn)所需的量，但是，該加入的反應(yīng)物的量，與其他反應(yīng)物混合后，在經(jīng)過了較長一段時間能產(chǎn)生高強度的水泥。在本發(fā)明的一個實施方式中，隨著時間加入的反應(yīng)物是產(chǎn)尿素酶的微生物。作為選擇，所述的三種反應(yīng)物，其隨時間加入的量都可以少于水泥快速生產(chǎn)所需的量，但是，該加入的反應(yīng)物的量，與其他反應(yīng)物混合后，在經(jīng)過了較長一段時間能產(chǎn)生高強度的水泥。不過，當(dāng)隨著時間加入所有反應(yīng)物時，必須認識到反應(yīng)物的相對量需要作改變。按比例縮減是非線性的，因為Ca2+離子對尿素酶有減少抑制作用，而尿素能增加尿素酶的反應(yīng)速度。因此，為避免形成水泥(方解石)太快，相對來說，需加入產(chǎn)尿素酶微生物的量比鈣離子和尿素少。本領(lǐng)域技術(shù)人員能運用本發(fā)明包含的內(nèi)容按照常規(guī)方法確定實現(xiàn)緩慢生產(chǎn)的反應(yīng)物的量。如果產(chǎn)尿素酶的微生物能提供所需的尿素酶活性，該產(chǎn)尿素酶的微生物可以是各種各樣的。由于經(jīng)濟原因，所述微生物優(yōu)選易于在無菌條件下培養(yǎng)，并使用相對便宜的培養(yǎng)基。該微生物可以是原核生物如細菌。但是，該微生物也可以是單細胞真核生物如菌類、酵母，如果植物或動物細胞能產(chǎn)生所需的尿素酶，該植物或動物細胞也能作為本發(fā)明的微生物。較佳地，所述微生物適于在以下至少一種條件下生存和/或成長(i)相對高的尿素濃度如本發(fā)明所述尿素的有效量；(ii)相對高的鈣離子濃度如本發(fā)明所述鈣離子的有效量；(iii)至少7.5的堿性pH值如7.5-10;和(iv)相對高的溫度，至少3(TC。本發(fā)明方法所用的微生物具有產(chǎn)尿素酶的自然屬性，它還可具有一種或更多種對本發(fā)明方法特別有用的特性。作為選擇，本發(fā)明微生物可以是經(jīng)過遺傳工程改進而使其能產(chǎn)尿素酶和/或具有一種或更多種對本發(fā)明方法特別有用的特性。較佳地，本發(fā)明微生物是來源于芽孢桿菌科(Saw7hc朋)家族的細菌，更佳地，本發(fā)明微生物選自下列種屬芽孢桿菌屬(few'W^)、芽孢八疊球菌屬(5porosarcj'/7a)、芽孢乳桿菌屬(5wro7sctcZ"7JiAS)、梭狀芽孢桿菌屬(Go"ri力'，)和脫硫腸狀菌屬(ZfesW/b&鵬cW譜)，尤其更佳地，本發(fā)明微生物為巴氏芽孢八疊球菌(&oro^/^'朋ps"e"rii)或與其功能相類似細菌。與巴氏芽孢八疊球菌(5^rasarc^7a/^Wewrj7)功能相似細菌是指那些細菌至少具有一種與巴氏芽孢八疊球菌一樣的特征，該特征對于本發(fā)明方法是有用的。本領(lǐng)域技術(shù)人員能常規(guī)地鑒別這類細菌。當(dāng)然，如果需要，也能將不同微生物聯(lián)合使用?？梢杂貌煌男问教峁┠蛩亍?yōu)選地，以水溶液的形式提供尿素?？梢杂貌煌男问教峁┾}離子?？捎名}的形式提供鈣離子如硝酸鈣或氯化鈣。較佳地，用鈣鹽混合物提供鈣離子，以防止或減少由高濃度的特定陰離子引起的抑制作用。在本發(fā)明一個特定的實施方式中，至少以兩種鹽的混合物形式提供鈳離子，如硝酸鈣和氯化鈣?？梢园床煌谋壤峁}混合物。但是，優(yōu)選硝酸f丐和氯化f丐以50:50的比例混合。如果原料具有可滲透性，它可能會有改變。較佳地，原料具有微粒結(jié)構(gòu)。當(dāng)原料是巖石時，該原料可以是水成巖，如陸源巖石、化學(xué)/生化巖石或有機水成巖，所選水成巖包括礫巖、角礫巖、沙巖、粉砂巖、頁巖、石灰石、石膏、白云巖、泥炭和褐煤。作為選擇，原料可以是松散的或部分結(jié)實的微粒材料，如沙子、土壤、粘土、沉淀物、鋸屑或其它易在原位粘固的材料。其他原料包括紙板、微粒板和軟木材。應(yīng)認識到，原料的特性，如成分、微粒大小分布及空間百分比，也會影響本發(fā)明方法的應(yīng)用方式。反應(yīng)物混合的方式可根據(jù)需要作改變。微生物、尿素和鈣離子可以混合在一起，再用于原料。因此，本發(fā)明也提供了一種用可滲透性原料制成高強度水泥的方法，該方法包括步驟(a)預(yù)先將有效量的(i)產(chǎn)尿素酶微生物、(ii)尿素和(iii)鈣離子混合；(b)把步驟(a)的混合物與原料混合。反應(yīng)物也可以同時或連續(xù)加入原料中。例如，將微生物先加入原料中，接著，分別加入尿素和鈣離子或者把尿素和鈣離子預(yù)先混合后加入原料中。在本發(fā)明的另一個實施方式中，在原料中加入尿素和鈣離子后，連續(xù)或同時加入微生物?？梢杂枚喾N方式將反應(yīng)物加入原料中。可在壓力下把反應(yīng)物加入原料中，如沖刷或注射；噴射、滴在原料上或滴流入原料中。作為選擇，可根據(jù)原料的大小和形態(tài)把原料浸入反應(yīng)物中。為了獲得必要的高強度水泥，本發(fā)明方法可重復(fù)進行。因此，本發(fā)明還提供了一種用可滲透性原料制成高強度水泥的方法，該方法包括步驟將原料與有效量的(i)產(chǎn)尿素酶微生物、(ii)尿素和(iii)鈣離子混合，該步驟至少重復(fù)一次。應(yīng)認識到，本發(fā)明方法在為獲得更高的強度而重復(fù)實施時，并不是所有的反應(yīng)物在每次重復(fù)中都需要加入。例如，第一次應(yīng)用中加入的微生物所剩余的尿素酶活性，可能對于本發(fā)明方法后來的輪回反應(yīng)所需的尿素酶活性仍然是足夠的。熟練的技術(shù)人員很容易確定本發(fā)明方法后來的輪回反應(yīng)所需反應(yīng)物的確切的量。原料的增加(如殘渣)使微生物缺少，可能降低本發(fā)明方法的效率。這個問題可能專門與使用非絮凝微生物有關(guān)。產(chǎn)尿素酶微生物可從沒有進行粘固處理的原料中丟失，因此，通過將微生物固定在粘固前的原料中，使產(chǎn)尿素酶微生物的消耗量降為最低。較佳地，當(dāng)形成高強度水泥時，出現(xiàn)在后面的重復(fù)反應(yīng)中使用多倍量的反應(yīng)物而同時要求加入較少微生物的情況下，應(yīng)用把微生物固定在原料中。因此，本發(fā)明還提供了一種用可滲透性原料制成高強度水泥的方法，該方法包括步驟(i)把微生物放在原料上；(ii)將微生物固定在原料中；和(iii)將結(jié)合有固定化微生物的原料與有效量的尿素和鈣離子混合。較佳地，用有效量的鈣離子把微生物固定在原料中。所述鈣離子的有效量可以有變化但較適合在10-50mM左右。實施者不希望受任何特定的作用方式限制，但同時他們相信鈣離子與微生物接觸后，微生物所分泌的低濃度碳酸鹽會與轉(zhuǎn)離子結(jié)合，并在微生物細胞表面形成碳酸鈣。碳酸鈣可以把細胞結(jié)合到原料上或以其他方式使微生物更加穩(wěn)固地保留在原料中。重要的是，本發(fā)明方法可在原位置應(yīng)用，而不必擾動原料。這對于應(yīng)用非常重要，由于原料的精細、易碎或其他原因，原料不應(yīng)當(dāng)被擾亂。例如，在地面改進的應(yīng)用領(lǐng)域，保持原料的一種或更多種現(xiàn)有特征如原料中存在的土壤結(jié)構(gòu)和土層，是十分重要的。由于依靠原料和高強度水泥形成所需的不同條件，有必要在原料中不止一次地施加一種或更多種反應(yīng)物。因此，本發(fā)明還提供了一種用可滲透性原料制成高強度水泥的方法，該方法包括將原料與有效量的(i)產(chǎn)尿素酶微生物、(ii)尿素和(iii)轉(zhuǎn)離子混合，超過一次地加入至少一種所述的(i)至U(iii)的反應(yīng)物。較佳地，超過一次地加入尿素和鈣離子。在這方面，在應(yīng)用上，微生物可以保持在可滲透性原料中，這使微生物能與增加的尿素和鈣離子反應(yīng)，并形成額外的水泥，從而給予原料更高的強度。實用性按本發(fā)明形成高強度水泥的方法在土木工程、采礦、腐蝕控制、環(huán)境以及特殊材料加工的各個領(lǐng)域具有不同的應(yīng)用。本發(fā)明尤其適用于地面改進的應(yīng)用。土木工程應(yīng)用包括將本發(fā)明方法用于護岸、筑堤(如鐵路筑堤、筑壩)和地面開挖隧道時加強和穩(wěn)固泥土；打地基時改善樁的表面摩擦(把樁連接成"遠聲場")；增加樁的端承載力；在原位置變硬以減少樁設(shè)計長度；改進非樁地基土壤的承受力；以及在遇到液化危險時穩(wěn)固地震帶的沙灘。本發(fā)明方法還可用于建造急需的公路，即對公路、飛機跑道等道路的自然表面或準備好沙子的表面進行處理，并快速修復(fù)老化的路面底基層。本發(fā)明方法還可用于保存、修復(fù)、加強和保護建筑物上風(fēng)化的灰泥和石工術(shù)，該建筑物如遺產(chǎn)建筑；還可用于鞏固和保存壁畫中衰落的石膏；還可用于在花園中創(chuàng)作建筑特色以及用人工合成的沙巖/石灰石復(fù)制裝飾物。在采礦工業(yè)中的應(yīng)用包括在開挖和采礦過程中本發(fā)明方法可為新開墾的土地提供支持；能加強尾礦壩以防止侵蝕和坡身不穩(wěn)；可提供一個有滲透性的反應(yīng)屏障，該屏障能讓排出物通過，并從礦物中除去酸性物質(zhì)和重金屬；可結(jié)合暴露表面上的灰塵粒以減少灰塵；在鉆孔和提取過程中，本發(fā)明方法能增加對石油地上鑿洞退化的抵抗力；本發(fā)明方法能增強海上建筑物對抗重力式地基和管道內(nèi)或其下面所具有的沉淀物的腐蝕。本發(fā)明方法還擁有環(huán)境應(yīng)用，如通過將環(huán)境中的污染物(如重金屬、纖維制品、放射性元素)與方解石水晶結(jié)構(gòu)結(jié)合，而將穩(wěn)定并去除該些污染物，此外，通過加固外露的表面以及保護易于腐蝕的區(qū)域來控制海岸區(qū)和河流的腐蝕。本發(fā)明方法的其他應(yīng)用包括制作過濾器，如濾水器、鉆孔過濾器、把細菌細胞及其酶固定在一個水泥活性的生物過濾器。生產(chǎn)高強度水泥產(chǎn)品的方法
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：本發(fā)明提供了一種制成高強度水泥產(chǎn)品的方法，該方法包括將固體成分與有效量的(i)產(chǎn)尿素酶微生物、(ii)尿素和(iii)鈣離子混合。所述固體成分可以是任何適于粘固在一起形成高強度水泥產(chǎn)品的固體或多份固體。所述固體可以是不同大小的巖石。作為選擇，所述固體可以是微粒材料如適于粘固在一起形成水泥產(chǎn)品的粉末巖石或石灰石。較佳地，在一個模具中混合反應(yīng)物，以生產(chǎn)預(yù)定形狀的水泥產(chǎn)品。所述形狀可以變化，包括模具和能用于裝飾和結(jié)構(gòu)的類似模具。圖1是本發(fā)明用1.5M克分子數(shù)相等的尿素和鈣溶液對粘固核心進行第一次(O)和第二次(*)處理，24個小時后，在該粘固核心的整個90mm長度上記錄單軸壓縮強度的曲線圖；圖2是本發(fā)明對于第一次(O)和第二次(參)生物粘固處理，每輸入尿素酶活性所獲得強度的曲線圖；圖3是本發(fā)明在粘固過程中沿著粘固核心的三個位置上(15mm(*)、45ram(△)和75mm(■))不同細菌酶濃度對強度進展的影響，以及伴隨尿素水解(X)產(chǎn)生的銨的曲線圖，尿素酶應(yīng)用酶活性為6mM(A)、9mM(B)和12mM(C)水解尿素.min—1的完整細菌細胞；圖4是本發(fā)明使用了可溶性植物酶(9mM水解尿素.min—1)，在從注射端起沿著粘固核心長度的三個位置上(15mm(*)、45mm(△)和75mm(■))隨著時間產(chǎn)生的強度進展變化以及在粘固反應(yīng)過程中銨濃度(x)的曲線圖；圖5是本發(fā)明在水解速度為6mM(口)、9mM(*)和12mM(△)水解尿素.mirf1的不同完整細胞的細菌尿素酶活性以及9raM水解尿素.mirf1(■)的可溶性植物酶活性下，粘固核心內(nèi)原位尿素水解速度的曲線圖；圖6是本發(fā)明對于從注射端起12mm的高活性粘固核心在每段間隔時間中每raM水解尿素產(chǎn)生的強度變化(■)與每段間隔時間的尿素水解速度(*)是相對的；圖7是本發(fā)明對于從注射端起45mm(■)和75mm(□)的中活性粘固核心在每段間隔時間中每mM水解尿素產(chǎn)生的強度變化與每段間隔時間的尿素水解速度(*)是相對的圖；圖8是本發(fā)明對于在砂粘固核心中第一次(□)和第二次(■)應(yīng)用酶和反應(yīng)物，在原位分別產(chǎn)生的銨與時間的相關(guān)曲線圖，兩次應(yīng)用都包含標準條件下酶活性為11mM水解尿素.mirT'的酶；圖9是本發(fā)明在前兩次應(yīng)用酶和反應(yīng)物后，固定于粘固核心中的殘余尿素酶活性的曲線圖；圖10是本發(fā)明將粘固液體注射入砂粘固核心的方法的示意圖；圖11是本發(fā)明在生物粘固處理后在Koolschijn砂(K)和Koolschijn砂與10%泥炭混合物(KP)中的切變強度(■)和硬度(□)的柱狀圖(處理次數(shù)在括號中標示)；圖12是本發(fā)明的Koolschijn砂在三次生物粘固處理之前和之后氣孔體積差異的柱狀圖；分析圖13是本發(fā)明對于在連續(xù)粘固柱子的不同距離采集的樣本的NH/分析曲線圖；圖14是應(yīng)用本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例粘固的柱子在不同放大倍率下的兩張照片。具體實施方式本
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的技術(shù)人員要知道本發(fā)明可被變化和修改，而不只是明確描述的內(nèi)容，本發(fā)明應(yīng)被理解為包括所有這樣的變化和修改。本發(fā)明也包括所有單獨、或全部在說明書中提到的步驟、特征、成分及混合物，還包括這些步驟或特征的任何兩個或更多或所有的組合。本發(fā)明范圍并不限于描述的特定實施例，該實施例只是為了給出范例。功能相當(dāng)?shù)漠a(chǎn)品、組分和方法無疑都將落在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。在此引用的所有出版物(包括專利、專利申請、雜志、實驗室手冊、書本、或其他文獻)已完全公開，因此集中在一起供參考。任何構(gòu)成在先技術(shù)的文獻，或是本發(fā)明相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員所熟知的公知技術(shù)都不允許包含在本
發(fā)明內(nèi)容中。整個說明書中，除非內(nèi)容需要，術(shù)語"包括"將被理解為包含一規(guī)定的整數(shù)或包含一組整數(shù)，但并不排除任何其他整數(shù)或整數(shù)群。在本發(fā)明的詳細描述中可發(fā)現(xiàn)所用的選擇術(shù)語的其他定義，且這些定義貫穿始終。除非有別的解釋，本發(fā)明所使用的其他科學(xué)和技術(shù)術(shù)語與本發(fā)明所屬
技術(shù)領(lǐng)域：
內(nèi)常規(guī)技術(shù)具有相同的意思。本發(fā)明將描述下面的實施例，該實施例的描述決不僅限于對在前描述的概括。實施方式通用材料和方法(A)巴氏芽孢八疊球菌(S.pasteurii)的培養(yǎng)(i)銨酵母抽提物培養(yǎng)基的培養(yǎng)將巴氏芽孢八疊球菌在含有20g/L酵母抽提物、75mM(NH4)2S04的培養(yǎng)基中，在28'C條件下進行分批培養(yǎng)，該培養(yǎng)基在無菌消毒之前用4MNaOH把pH調(diào)到9。(ii)尿素酵母抽提物培養(yǎng)基的培養(yǎng)尿素酵母抽提物培養(yǎng)基的培養(yǎng)是將巴氏芽孢八疊球菌在含有20g/L酵母抽提物和75mMC0(NH2)2的培養(yǎng)基中進行分批培養(yǎng)，該培養(yǎng)基在高壓滅菌后pH為7.5。高壓滅菌后在培養(yǎng)基中通過0.2ixm滅菌過濾器加入尿素，以防止低于高壓滅菌條件時產(chǎn)生化學(xué)分解。(iii)醋酸鹽酵母抽提物培養(yǎng)基的培養(yǎng)醋酸鹽酵母抽提物培養(yǎng)基的培養(yǎng)，除了其培養(yǎng)基含10g/L酵母抽提物、100mMNaCH3COO禾卩75mM(NH4)2S04以外，其他培養(yǎng)條件與銨酵母抽提物培養(yǎng)基的培養(yǎng)條件相同。(B)分析方法(i)尿素酶活性尿素水解會按下面的方程式從非離子物質(zhì)中釋放出離子積尿素酶H2N-CO-N2H+H20-2NH4++C032—傳導(dǎo)速率增加與存在的活性尿素酶濃度成比例。尿素酶活性可在過了三分鐘后通過計算傳導(dǎo)率變化相對于時間的斜率來確定，所述傳導(dǎo)率變化和時間在1.5M尿素、25'C的標準條件下測得。通過測量傳導(dǎo)率的變化，將傳導(dǎo)率增加的速率(mS/min)轉(zhuǎn)換成尿素水解速率(被水解的尿素mM/min)，而傳導(dǎo)率的變化來源于尿素的完全水解，具體是在1.5M尿素、25。C的標準條件下，用商業(yè)獲得的來自相同生物體的純尿素酶(SigmaCat.No.U-7127)完全水解尿素，產(chǎn)生的標準曲線(如下)以及水解最后出現(xiàn)的銨的量保證了反應(yīng)已經(jīng)進行完全。<table>tableseeoriginaldocumentpage18</column></row><table>完全水解的尿素(mM)尿素完全水解后出現(xiàn)的傳導(dǎo)率變化(國)和銨濃度(n)的標準曲線。由該圖可確定下面的關(guān)系式水解的尿素(mM)=傳導(dǎo)率(mS)x11.11(R2=0.9988)水解的尿素(mM)=銨(mM)x0.50(R2=0.9991)(ii)確定生物量生物量通過在600nm處進行光譜光度測量來確定。(iii)NH4-N分析銨濃度通過一種改進的Nessler方法進行光譜光度測量來確定。樣品在13500rpm轉(zhuǎn)速下離心5分鐘，移開細胞并使上清液稀釋到0-0.5mM的范圍。在425nm下讀吸光值前，取2ml的該稀釋樣品和100u1Nessler試劑混合，并使其反應(yīng)1分鐘。實施例l在硅砂中的生物粘固材料和方法(A)將粘固反應(yīng)物應(yīng)用在核心處粘固核心是由50ml的塑料注射器組成，在該注射器內(nèi)干燥填充300um的硅砂，且在填塞硅砂的過程中，對注射器保持不斷地振動，以使塞入的硅砂具有平均密度。接著，用水對粘固核心沖洗，并輕打注射器以去除氣泡。用水沖洗以后，砂子占據(jù)的體積會由于沙粒之間的潤滑作用而減小，塞子將被適應(yīng)于維持一個有限的壓力。Ca/尿素溶液和細胞在注射入粘固核心之前要直接進行預(yù)混合，該預(yù)混合通過把兩種溶液一起倒入一個容器，再用第二個50ml注射器操作吸取和排出兩次，以確保充分混合。粘固核心吸入溶液的體積是硅砂體積的1.5倍，以保證水的完全置換。(B)原位粘固測量在粘固核心沿著長度的三個位置(從注射末端起15、45和75面)，發(fā)出穿過核心直徑的超聲波，并測量強度。在整個實驗過程中重復(fù)進行測量。更高強度的結(jié)合(粘固)會使聲波以更快的速度傳播(即速度越快，粘度越強)。同時，通過一根插在粘固核心注射器下面的毛細管將1ml樣品從粘固核心中排出，以避免超聲信號中斷。該排出的樣品在13500rpm下離心，從而移去所有懸浮顆粒(砂子或細菌)，該懸浮物接著被轉(zhuǎn)移到一個干凈的管子中，-2(TC保存，以等待銨分析。超聲波速度既可以測浸透的樣品(濕速度)，也可以測干的樣品(干速度)。為了測量干樣品的超聲波速度，對穿過0.300mra的硅砂確定了下面的關(guān)系式其中，o:單軸壓縮強度(MPa)v=超聲波速度(m.s一')對于測量濕樣品的超聲波速度，用下面關(guān)系式將濕速度轉(zhuǎn)換成干速度后，上述關(guān)系式仍能使用v(干)=v(濕)-600m.s—1其中，v(干)=干超聲波速度(m.s—。，v(濕)=濕超聲波速度(m.s—')。(C)NH4-N分析銨濃度用上面通常材料和方法部分所述的方法進行確定。(D)酶速度對強度的影響用1.5M克分子數(shù)相等的尿素/鈣溶液(鈣由0.75MCa(N03)2和0.75MCaCl2提供)處理8個粘固核心，并用不同濃度的尿素酶(細菌尿素酶活性)使粘固核心的物質(zhì)以不同的速度粘固。進行兩次沖洗，并在24個小時后在3個位置(A、B和C)測量超聲波。(E)在粘固過程中的強度進展為了研究粘固過程中的強度進展，對4個粘固核心進行42小時的不斷監(jiān)測，且在該42小時中，施加細菌和反應(yīng)物。這一研究方法隨著反應(yīng)的進行，能觀察到強度的變化。細菌酶體系也被比作是可溶性的植物酶體系。為了闡明產(chǎn)生最高粘固強度的尿素水解速度，需計算每慮被水解尿素的強度變化以及將該強度變化與每個間隔的尿素水解速度作比較。(F)酶的多次應(yīng)用通過在兩次連續(xù)的處理中施加相同量的細菌酶和反應(yīng)物，可對酶多次應(yīng)用的效果進行量化。經(jīng)插在粘固核心注射器內(nèi)的毛細管，將樣品定期移去，可確定銨的產(chǎn)量。在兩次處理之間，用水沖洗粘固核心，以去除任何廢液。第二次處理是在第一次處理的24小時后進行，每次處理都含有11mMurea.min—'的酶活力和1.5M克分子數(shù)相等的尿素/鈣溶液。(G)酶固定和反應(yīng)物的再處理為了確定兩次粘固處理后在粘固核心中存在的剩余尿素酶活性是否能被再使用，在第三次處理中只加入鈣和尿素反應(yīng)物(沒有任何額外的酶)。結(jié)果(A)酶速度對強度的影響在每個粘固核心的三個位置(A、B和C)測量的速度都在10%以內(nèi)，說明沿著粘固核心長度的粘固度是一致的。為了獲得全面的粘固核心結(jié)果，對該三個位置的速度求平均值(見圖1)。經(jīng)過一次生物粘固處理后，將會觀察到強度隨著酶活力的增加而增加(見圖1)。圖2闡明了強度相對于使用酶量的進展。強度的量可由加入系統(tǒng)中的酶量除得(如如果兩次應(yīng)用4.4mMurea.min—'的酶產(chǎn)生出18MPa的強度，那么相對于加入酶量的強度進展將是18+8.8=2.05MPa.(mMurea,mirf1)—')。(B)在粘固過程中的強度進展圖3表示的是在粘固過程中的關(guān)于強度進展的數(shù)據(jù)。相對于可溶性植物酶系統(tǒng)，細菌酶系統(tǒng)在速度和強度進展的特性方面顯示出明顯的區(qū)別(見圖4)。而且，在可溶性植物系統(tǒng)中的原位產(chǎn)銨速度明顯低于細菌系統(tǒng)的產(chǎn)銨速度(見圖5)。圖6和圖7分別顯示了中活性粘固核心(9mMurea.mirf')和高活性粘固核心(12mMurea,min—')的尿素水解速度的數(shù)據(jù)。(C)酶的多次應(yīng)用在粘固的最初幾個小時中，第一次處理保持產(chǎn)銨速度在7.2mM函4+.Min—、此時酶速度為每分鐘水解3.6mM尿素。在第二次應(yīng)用中，尿素水解的初始速度將是7.8mM尿素/mirf1速度的兩倍，說明來自第一次處理的細菌尿素酶活性在第二次應(yīng)用中仍然具有活性(見圖8)。第二次應(yīng)用處理中更高的活性水平將使反應(yīng)提早完成。(D)酶固定和反應(yīng)物的再處理盡管沒有額外的酶加入，但是在4個小時內(nèi)產(chǎn)生了約1M銨(每分鐘產(chǎn)銨4.5raM)，這相當(dāng)于尿素酶的平均活性為每分鐘水解尿素2.25mM(見圖9)。粘固核心中的殘余酶僅能為超過4小時沒有銨產(chǎn)生后的最初幾個小時提供活性。實施例2在其它砂中的生物粘固材料和方法(A)Vegemite醋酸鹽培養(yǎng)基Vegemite醋酸鹽培養(yǎng)基由13.5g.L—1的Vegemite組成，通過重力沉淀去除Vegemite中的固體物質(zhì)，接著將固體物質(zhì)的上面部分移入其它容器，并以冰醋酸形式加入150mM醋酸鹽。用6MNaOH調(diào)pH至7。為了接種培養(yǎng)，對培養(yǎng)基進行消毒，并加入IOg.L—'通過無菌過濾、后消毒的尿素。對于中試培養(yǎng)，培養(yǎng)基不需要消毒滅菌，添加的尿素也不需要無菌過濾。(B)10L中試接種培養(yǎng)中試接種體在一個10L的攪拌罐式反應(yīng)器(Chemap，德國)中，在30°C、起始PH為8.25的無菌條件下進行生長。(C)100L中試培養(yǎng)中試培養(yǎng)并不在無菌的條件下進行，它在一個定制的120L玻璃纖維氣升式反應(yīng)器(經(jīng)佩思(澳大利亞城市)的安德魯布朗公司的允許，courtesyofAndrewBrown&Co.，Perth)中進行，該反應(yīng)器的工作體積為100L。該容器溫度控制在3(TC，起始pH為8.25。(D)尿素酶活性和生物數(shù)量尿素酶活性、特異尿素酶活性和生物數(shù)量可按上述通常材料和方法部分所述的內(nèi)容計算。(E)粘固粘固試驗可以在以下原料中實施小于300um的硅砂(如所有小于300ym的砂粒)、含一些頁巖的商業(yè)Dutch結(jié)構(gòu)的砂子(Koolschijn)或每個試驗所顯示的9份Koolschijn砂和1份泥炭的混合物(Koolschijn砂和泥炭由荷蘭GeoDelft提供)將干燥的砂子用連續(xù)振動的方式填塞入38(內(nèi)徑)x170ramPVC的管柱中，使砂子粘固核心的平均密度為1.75g.cm3左右，或使砂子/泥炭粘固核心的平均密度為1.65g.cm3左右。然后用水沖洗粘固核心的上方，并輕拍管柱，以去除氣泡。鈣/尿素溶液和酶在由壓力容器注射入粘固核心之前迅速進行預(yù)混合(見圖10)。迅速混合粘固反應(yīng)物(鈣/尿素溶液和細菌細胞)并將其放入所述容器中，該容器為密閉容器，且用壓縮空氣對該容器加壓。然后，打開液體管線，使粘固溶液朝上涌向粘固核心。當(dāng)粘固核心充分浸透后，關(guān)閉液體管線，使粘固溶液在粘固核心中保持24個小時。一次處理四個粘固核心。沖入的水為氣孔體積(空體積)的一倍半，以確保由水完全取代。在粘固流之間，水沖洗粘固核心以去除任何失效的液體，每個粘固核心的沖洗次數(shù)在每次試驗中都有顯示。粘固后，粘固核心用漂白液沖洗，并在6(TC烘干。(F)尿素酶的準備用一個10L的攪拌罐式反應(yīng)器為100L的中試反應(yīng)器生產(chǎn)合適的接種體。在無菌條件下，在Vegemite醋酸鹽培養(yǎng)基上培養(yǎng)巴氏芽孢八疊球菌(S.pasteurii)。將5L接種體從上述接種體培養(yǎng)物轉(zhuǎn)移到中試氣升式反應(yīng)器(5%接種體)中，并在非無菌條件下的Vegemite醋酸鹽培養(yǎng)基上培養(yǎng)。以前的實驗顯示S.pa^e"rh'能在非無菌條件下并有5oy。污染的情況下進行培養(yǎng)，不會影響尿素酶的活性水平。中試培養(yǎng)在非無菌的"干凈"條件下進行，包括接種前用5%次氯酸鹽溶液清洗反應(yīng)器的內(nèi)部，再用清水洗凈反應(yīng)器的內(nèi)部。最大尿素酶活性約為每分鐘水解6mM尿素。(G)確定生物粘固后的強度特征運用8.75mM尿素.min"的尿素酶活性進行Koolschijn砂粘固，該尿素酶來自Vegemite醋酸銨培養(yǎng)基上培養(yǎng)的細胞，粘固的Koolschijn砂再注射入15psi的粘固核心。用Koolschijn砂(K)或90%Koolschijn砂加上10%泥炭的混合物(w/w)(KP)制備樣本，并用2、3或4生物粘固處理方式處理。粘固后，用三軸試驗研究粘固核心的強度特征，并確定切變強度和硬度。三軸試驗是對圓柱形巖石樣本在限制壓力的條件下進行的壓縮試驗，其中加載路徑由計算機跟蹤。該三軸試驗的目的是模擬原位巖石材料在遭受限制壓力和偏應(yīng)力的時候可能發(fā)生的情形。在三軸剪切階段之前，用C02充滿樣本以去除任何非水溶性氣體，并用水浸透樣本。用楊氏系數(shù)在50%峰值應(yīng)力下確定硬度，并在50%最大偏應(yīng)力下確定切變強度。切變強度是測量原料經(jīng)受剪切失效前有多少力(力+面積)能夠被應(yīng)用(剪切失效情形是指沒有以額外的變形和應(yīng)力重新分配作為結(jié)果，土壤不能再承受外加負載的增加)。硬度是在50%切變強度下應(yīng)力和應(yīng)變之間的比例，且硬度能給出一個力的估值，該力能產(chǎn)生特定水平的轉(zhuǎn)移。為了確定粘固后氣孔體積縮小的程度，將處理后的氣孔體積與松散砂的氣孔體積進行比較。用30cm水頭差異、300kPa回壓以及100kPa.的固結(jié)壓力進行滲透率試驗。結(jié)果(A)生物粘固易于生物粘固的Koolschijn砂在強度和硬度上有明顯改善，由因數(shù)8引起的切變強度的普遍增加，由因數(shù)3引起的硬度增加(圖ll)。Koolschijn/泥炭(KP)樣本明顯不同，它與K砂相比，顯示出較小的強度和硬度。與未粘固的K砂相比，對KP的兩次生物粘固處理沒有得到改善。然而，應(yīng)注意到未粘固的KP砂的強度特性還沒有被確定，可能會更低。增加KP砂的應(yīng)用次數(shù)能改善切變強度(圖11)。氣孔體積能減小214%，表明粘固以后有微小減少，因此使粘固核心的滲透率在很大程度上沒有變化(圖12)。實施例3提高生物粘固的深度材料/方法在含有6mMC,的培養(yǎng)基中培養(yǎng)細菌，接著在維持11:39分鐘的7.5psi壓力(1.4L/hr)下以向上沖洗的方式，將650mL細菌培養(yǎng)物(尿素酶活性大約為每分鐘水解10mM尿素)應(yīng)用于lm的砂柱。在1.25MCa2+和1.7M尿素沖入該內(nèi)含細菌細胞的柱子后，該柱子在室溫保持48個小時。結(jié)果獲得了一致的強度。通過銨分析證實柱子粘固的均勻(見圖13)。附上的圖14A和14B是粘固后柱子的兩張照片。實施例4為生物粘固固定細菌材料/方法在用于生物粘固的細菌的生長培養(yǎng)基中加入6mMf丐，并在沖洗柱子后估算砂柱上細菌的保持力。結(jié)果生長培養(yǎng)辨中加入6mM鈣，能增加所用細菌株的粘性。將細菌沖入柱子超過lm，在第二次沖洗后超過50%的細菌會留在柱子中。當(dāng)細菌在沒有鈣的培養(yǎng)基中培養(yǎng)時，第二次沖洗后將有超過80%的細菌從柱子上丟失。本發(fā)明的方法使用于原料的尿素酶活性的量得到嚴密控制，同時使本方法的細菌丟失降為最低，本方法包括一次以上反應(yīng)物的應(yīng)用。實施例5用固定化的細菌對硅砂進行粘固下面實施例描述硅砂的生物粘固，尤其是應(yīng)用于沙土壤的土壤穩(wěn)固。材料/方法在一個內(nèi)徑為29mm的60mlPVC圓柱形容器中填塞干燥的經(jīng)洗過的Si。2砂。將具有尿素酶活性的細菌培養(yǎng)物(巴氏芽孢桿菌，泡c/W"s/^"e"rh')在lL的燒瓶中，28°C，搖動培養(yǎng)24個小時，所用的培養(yǎng)基含有0.3M尿素和6mMCaCl2。通過測量約0.5mS.mirfl傳導(dǎo)率的變化，可得細胞的尿素酶活性為每分鐘水解5.6mM尿素。該細菌尿素酶活性水平足以在砂子內(nèi)產(chǎn)生強而快速的粘固，不需要濃縮細胞，因而避免了可能昂貴的進一步濃縮細菌的步驟。用一個慢流蠕動泵(泵排量為每分鐘15ml)將含有細菌細胞的培養(yǎng)液向上沖入圓柱形容器，直至3倍空體積的細菌懸液被抽出。允許在該圓柱形容器的上方流出多余的含有一些細菌的溶液。剩余的細菌懸浮液在圓柱容器中保持約48個小時。這段時間使細菌粘附到砂粒上，從而避免細菌在接下來的鈣/尿素溶液的沖洗中被洗掉。用含有氯化鈣和尿素(都為1M濃度)的等摩爾溶液，以相同的蠕動泵，向上沖洗該圓柱形容器，直到所用沖洗的溶液體積達到圓柱形容器空體積的1.3倍。室溫孵育24小時后，用相同的氯化鈣/尿素溶液第二次沖洗圓柱形容器，以進一步形成方解石結(jié)晶。如果所需的強度較小，可省去第二次沖洗。結(jié)果從PVC圓柱形容器中移出硅砂粘固的圓柱形樣本，并測量它的不封閉的壓縮強度。測得的不封閉壓縮強度為1.7MPa。權(quán)利要求1.一種用可滲透性原料制成高強度水泥的方法，該方法包括步驟將原料與以下物質(zhì)的有效量混合(i)產(chǎn)尿素酶的微生物；(ii)尿素；和(iii)鈣離子，所述產(chǎn)尿素酶的微生物的有效量在標準條件下提供每分鐘水解0.5-50mM尿素的水解速度。2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述產(chǎn)尿素酶的微生物的有效量在標準條件下提供每分鐘水解1-25mM尿素的水解速度。3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述產(chǎn)尿素酶的微生物的有效量在標準條件下提供每分鐘水解2-20函尿素的水解速度。4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述產(chǎn)尿素酶的微生物的有效量在標準條件下提供每分鐘水解2-20raM尿素的水解速度。5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述產(chǎn)尿素酶的微生物的有效量在標準條件下提供每分鐘水解2.2-13.3mM尿素的水解速度。6.—種用可滲透性原料制成高強度水泥的方法，該方法包括步驟將原料與以下物質(zhì)的有效量混合(i)產(chǎn)尿素酶的微生物；(ii)尿素；和(iii)鈣離子，所述水泥是由在每升原料中加入至少33g方解石而制成。7.—種用可滲透性原料制成高強度水泥的方法，該方法包括步驟將原料與以下物質(zhì)的有效量混合(i)產(chǎn)尿素酶的微生物；(ii)尿素；和(iii)鈣離子，所述水泥是由在每升原料中加入至少22-32g方解石而制成。8.—種用可滲透性原料制成高強度水泥的方法，該方法包括步驟將原料與以下物質(zhì)的有效量混合(i)產(chǎn)尿素酶的微生物；(ii)尿素；和(iii)鈣離子，所述水泥是由在每升原料中加入至少40-75g方解石而制成。9.如權(quán)利要求1至8中任一項所述的方法，其特征在于，在與原料混合之前，將所述(i)產(chǎn)尿素酶的微生物、(ii)尿素和(iii)鈣離子中至少兩種物質(zhì)進行混合。10.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，將所述尿素和鈣離子在與原料混合之前進行混合。11.如權(quán)利要求1至10中任一項所述的方法，其特征在于，所述原料在添加尿素和鈣離子之前與有效量的產(chǎn)尿素酶微生物混合。12.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，在添加尿素和鈣離子之前，使所述微生物固定于原料中。13.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述微生物固定于原料中是通過微生物與適量鈣離子的接觸而形成。14.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述微生物在和原料混合之前，與鈣離子接觸。15.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，所述微生物在鈣離子存在的條件下進行培養(yǎng)。16.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，所述微生物在和原料混合的同時或之后，與鈣離子接觸。17.如權(quán)利要求14至16中任一項所述的方法，其特征在于，所述鈣離子的適當(dāng)量為10-50mM。18.如權(quán)利要求14至16中任一項所述的方法，其特征在于，所述鈣離子的適當(dāng)量為3-8mM。19.如權(quán)利要求14至16中任一項所述的方法，其特征在于，所述轉(zhuǎn)離子的適當(dāng)量為6mM。20.如權(quán)利要求1至19中任一項所述的方法，其特征在于，所述將原料與其它反應(yīng)物混合的步驟只實施一次。21.如權(quán)利要求1至19中任一項所述的方法，其特征在于，所述將原料與其它反應(yīng)物混合的步驟實施多于一次。22.—種用可滲透性原料制成高強度水泥的方法，該方法包括步驟(a)將原料與以下物質(zhì)的有效量混合(i)產(chǎn)尿素酶的微生物；(ii)尿素；和(iii)轉(zhuǎn)離子；(b)添加至少一種(i)到(iii)的反應(yīng)物；所述產(chǎn)尿素酶的微生物的有效量在標準條件下能提供每分鐘水解0.5-50mM尿素的水解速度。23.如權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于，步驟(b)包括添加尿素和鈣離子的量。24.如權(quán)利要求1至23中任一項所述的方法，其特征在于，所述尿素的有效量為終濃度至少350mM，至少1500mM或至少2000mM。25.如權(quán)利要求1至24中任一項所述的方法，其特征在于，所述轉(zhuǎn)離子的有效量為終濃度50-200mM。26.如權(quán)利要求1至24中任一項所述的方法，其特征在于，所述轉(zhuǎn)離子的有效量為終濃度200-500mM。27.如權(quán)利要求1至24中任一項所述的方法，其特征在于，所述鈣離子的有效量為終濃度500-1500mM。28.如權(quán)利要求1至24中任一項所述的方法，其特征在于，所述鈣離子的有效量為終濃度至少IOO函，至少1500mM或至少2000mM。29.如權(quán)利要求1至28中任一項所述的方法，其特征在于，所述鈣離子以鹽的形式提供。30.如權(quán)利要求29所述的方法，其特征在于，所述鈣離子由硝酸轉(zhuǎn)或氯化鈣提供。31.如權(quán)利要求29所述的方法，其特征在于，所述鈣離子由鈣鹽混合物提供。32.如權(quán)利要求31所述的方法，其特征在于，所述鹽混合物包含硝酸轉(zhuǎn)和氯化鈣。33.如權(quán)利要求32所述的方法，其特征在于，所述硝酸鈣和氯化鈣以1:1的比例混合。34.如權(quán)利要求1至34中任一項所述的方法，其特征在于，所述微生物為細菌。35.如權(quán)利要求34所述的方法，其特征在于，所述細菌屬于芽孢桿菌科家族。36.如權(quán)利要求35所述的方法，其特征在于，所述細菌選自下列種屬芽孢桿菌屬、芽孢八疊球菌屬、芽孢乳桿菌屬、梭狀芽孢桿菌屬和脫硫腸狀菌屬。37.如權(quán)利要求34至36中任一項所述的方法，其特征在于，所述微生物為巴氏芽孢八疊球菌或與其功能相類似細菌。38.如權(quán)利要求1至33中任一項所述的方法，其特征在于，所述微生物是菌類、酵母、植物或動物細胞。39.如權(quán)利要求1至38中任一項所述的方法，其特征在于，所述微生物適于在下述至少一種條件下生存和/或生長(i)尿素濃度為350-2000raM;(ii)鈣離子濃度為50-2000mM;(iii)pH值至少7.5-10;(iv)溫度至少30°C。40.如權(quán)利要求1至39中任一項所述的方法，其特征在于，所述原料具有微粒結(jié)構(gòu)。41.如權(quán)利要求40所述的方法，其特征在于，所述原料包含巖石或石頭。42.如權(quán)利要求40所述的方法，其特征在于，所述原料是松散或部分加固的。43.如權(quán)利要求40至42中任一項所述的方法，其特征在于，所述原料包括石灰石、石膏、沙巖、砂子、土壤、粘土、沉淀物、鋸屑、紙板、微粒板、灰泥或軟木材。44.一種在原位進行的權(quán)利要求1至43中任一項所述的方法。45.如權(quán)利要求1至44中任一項所述的方法，其特征在于，所述原料和反應(yīng)物通過選自下列的方式混合沖洗、注射、噴霧、滴落或滴流在原料上或原料中，以及浸沒。46.如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，該方法實質(zhì)上是上述任一實施例所述的方法。47.—種用權(quán)利要求1至46中任一項所述方法制成的水泥。48.如權(quán)利要求47所述的水泥，其特征在于，該水泥包含細菌細胞，且具有至少O.05-5MPa的強度。49.如權(quán)利要求47所述的水泥，其特征在于，該水泥實質(zhì)上是上述任一實施例所述的水泥。全文摘要一種用可滲透性原料制成高強度水泥的方法，該方法包括步驟將原料與以下物質(zhì)的有效量混合(i)產(chǎn)尿素酶的微生物；(ii)尿素；和(iii)鈣離子，所述產(chǎn)尿素酶的微生物的有效量在標準條件下提供每分鐘水解0.5-50mM尿素的水解速度。文檔編號C04B24/00GK101119942SQ200580048031公開日2008年2月6日申請日期2005年12月20日優(yōu)先權(quán)日2004年12月20日發(fā)明者拉夫·Cr,愛德華·斯坦尼斯洛·K,維基·W,賽爾瓦·馬特拉·瓊瑪·At申請人:墨道什大學(xué);方解石技術(shù)有限公司