植物源脲酶诱导碳酸钙沉淀技术的应用进展与前景

Application Progress and Prospect of Plant Urease Induced Calcium Carbonate Precipitation Technology

摘要: 植物源脲酶诱导碳酸钙沉淀技术因其环境友好、反应高效等特点，在土壤加固、扬尘抑制等领域受到广泛关注。本文综述了近年来国内外从植物提取脲酶以沉淀碳酸钙技术的发展现状。首先分析了建筑施工过程中产生的土壤扬尘来源，并阐述了在建筑施工过程中产生的土壤扬尘所带来的安全与环境问题，再介绍了脲酶诱导碳酸钙作为一种新型技术的原理。在此基础上，重点讨论了植物源(如大豆、刀豆和西瓜种子)脲酶诱导碳酸钙沉淀技术的研究进展，且系统分析了常用于该技术的添加剂，通过这些添加剂可以更加明显地改善诱导产生碳酸钙的晶体类型与晶体分布。最后讨论了植物源脲酶诱导碳酸钙技术的未来发展趋势。

Abstract: Plant-derived urease induced calcium carbonate precipitation technology has received widespread attention in the fields of soil reinforcement and dust suppression due to its environmentally friendly and highly efficient reaction. This paper summarizes the current development of urease extraction from plants to precipitate calcium carbonate technology at home and abroad in recent years. It firstly analyzes the source of soil dust generated in the process of building construction and describes the safety and environmental problems caused by soil dust generated in the process of building construction, and then introduces the principle of urease-induced calcium carbonate as a novel technology. On this basis, the progress of urease-induced calcium carbonate precipitation from plant sources (e.g., soybean, snap bean, and watermelon seeds) is discussed, and the additives commonly used in this technique are systematically analyzed, through which the crystal type and crystal distribution of induced calcium carbonate can be more significantly improved. Finally, the future development of urease-induced calcium carbonate technology of plant origin is discussed.

1. 引言

随着我国经济的快速发展，建筑业已经进入了规模化建设的发展时期，但也伴随着严重的大气污染问题[1]。空气污染对人类造成严重的呼吸道疾病。吸入不同大小的颗粒物质甚至会导致长期的健康问题，包括多种心血管和呼吸系统疾病[2]。此外，一些污染物还会透过缝隙进入机械设备内部，在增加运转能耗的同时还为日后正常运转埋下了安全隐患[3]。因此，大气中颗粒物的暴露和相关的健康影响已引起广泛关注。建筑业是粉尘污染的主要来源之一，从地基开挖到场地最终清理的施工过程中，不可避免地会产生粉尘排放。建筑工地的各种活动，包括整地、抹灰、浇筑混凝土、装卸作业、移动建筑材料以及石材工程，都会导致PM_0.5至PM₁₀范围内的尘埃颗粒物污染空气，这在城市环境中尤为明显。这些粉尘颗粒不仅给工厂的工人带来了健康问题，而且对居住在建筑工地附近的居民也产生了负面影响[4]。

非硬化路面及土方堆存现场产生的扬尘所占比重较大[5]-[8]。在建筑施工现场产生的土壤扬尘控制方面，国内目前采用的控制措施主要分为三类，洒水、铺设防尘网和喷洒化学抑尘剂。其中，防尘网使用率最高，但防尘网采用极难降解高密度聚乙烯作为原料，会加剧环境污染。由于难以固定，极易被风吹破或吹走而失去抑尘作用。而洒水抑尘主要以水为喷淋物质，在使用过程中存在耗水量大，抑尘时间短，易产生二次扬尘等问题[9]。化学抑尘剂虽然具有良好的抑尘效果，但也存在诸多问题，如有毒、有腐蚀性、难以降解和二次污染等。因此，寻求绿色环保、高效抑尘、经济适用的抑尘剂已渐渐成为抑尘剂领域的研究热点。

近年来，酶诱导碳酸盐诱导沉淀技术作为一种新兴生物技术，在改善土体方面得到了广泛的应用[10]-[12]，包括微生物诱导碳酸钙沉淀技术(MICP)和脲酶诱导碳酸钙沉淀技术(EICP)两大类。MICP以微生物中的酶作为间接催化剂，而EICP直接以商品酶或从植物中提取的酶作为直接催化剂，通过催化尿素水解生成碳酸根，再与钙离子结合生成碳酸钙，所生成的碳酸钙能够填充土壤中的孔隙，增强土壤的力学与机械性能，从而达到改善土体的效果[13] [14]。随着研究的不断深入，MICP应用过程中的不足逐渐暴露出来，尿素水解型的微生物价格昂贵，并且其活化、培养和接种的操作过程复杂，微生物还可能对土壤环境存在负面影响，这都限制了MICP技术的规模化应用。而EICP直接利用脲酶催化反应，节约了微生物培养的成本与时间，且对环境的适应性更强。脲酶的尺寸更小，能够有效地填充较小的孔隙，从而达到更均匀的加固效果[15]。

2. 脲酶诱导碳酸钙技术的应用研究现状

微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)技术中使用的细菌价格昂贵，培养过程复杂。为了简化培养微生物提取脲酶工艺的过程，近年来国内外学者提出从植物中提取脲酶诱导碳酸钙沉淀(EICP)技术，并取得了良好的效果。

2.1. 大豆源

大豆中蕴含着丰富的脲酶。Nam I [16]等从大豆植物中提取出粗酶，根据XRD衍射及扫描电镜的结果：这种粗酶具有代替纯度很高的商用脲酶进行诱导碳酸钙沉积的潜质。Wu [17]等使用大豆制备脲酶，制作了无毒、腐蚀性小的环境友好型生物抑尘剂。由于脲酶可以促进尿素的水解，水解产物与CaCl₂发生反应后生成的CaCO₃沉淀吸附于煤尘表面，改变煤尘的粒度，从而对二次扬尘有一定的抑制作用。Aghaalizadeh S [18]等使用磷酸盐缓冲液提取刀豆，获得的改良土壤样品的最高单轴抗压强度为380 kPa。能量色散X射线光谱和扫描电子显微镜的结果表明，颗粒碳酸钙能够有效地结合土壤。Weng [19]在进行大豆脲酶降解土壤生物矿化试验的基础上，还探究了以氯化钙、乙酸钙和硝酸钙为钙盐的影响，在试验条件下(1 mol/L钙盐–尿素)，氯化钙的生物矿化效果最好，乙酸钙次之，硝酸钙最差。阴离子对大豆脲酶活性也有抑制作用，其中硝酸根对脲酶活性的抑制作用强于醋酸根和氯离子。Liu [20]等通过改变大豆–尿素酶溶液(SUS)浓度、水泥固化液(CS)浓度、EICP溶液用量和处理周期等因素，对沙漠沙进行了风沙试验。风速为5~15 m/s的气流中引入一定数量的撞击颗粒来模拟风沙流。EICP处理能有效降低沙漠沙的风蚀潜力，在风剪切力和撞击颗粒的耦合作用下，EICP处理土壤的风蚀速率显著降低。

2.2. 西瓜种子源

研究者对从西瓜种子中提取的脲酶也进行了调查。Kumar P [21]等使用丙酮分级分离、阴离子交换和尺寸排阻色谱纯化西瓜种子中的生物活性脲酶，实现121倍的增长和3216 U/mg的比活性。西瓜脲酶与脲酶和木豆脲酶具有血清学相似性，最适pH值为7.3。Dilruksh R [22]等仍然选取西瓜种子并将其压碎获得脲酶的粗提取物，通过改变反应液的浓度进行固砂，获得了几千帕至几兆帕不等的单轴抗压强度。Neda J [23]等从西瓜种子这一生活废弃物中采用低技术手段获取到了脲酶，并评估了其应用的潜力，发现该种脲酶可达到的最大碳酸钙生成量大约占到理论值的64%。

2.3. 刀豆源

刀豆同样富含脲酶，Abdel-Gawwad H [24]等研究的重点是利用刀豆来源的尿素酶–尿素混合物去除水中的重金属作为纳米碳酸盐矿物的成分。通过将PbCl₂、CuCl₂和NiCl₂溶液与尿素酶–尿素混合物单独混合，然后在23 ± 2℃下孵育24小时来进行生物去除过程。在8 h内对Pb的去除率高达99%以上，对Cu和Ni的去除率分别为67.91%和58.49%。Liu [25]等研究了刀豆粗脲酶(JCU)和大豆粗脲酶(SCU)介导的EICP对沙漠风积沙表面的生物胶结作用。JCU的脲酶活性是SCU的3.4倍，从而导致更高的碳酸钙含量和表面强度的JCU处理的表土。在40 g/L刀豆和80 g/L大豆中，CaCO₃含量和表面强度最高。在风速为13.8 m/s的风沙流条件下评价了抗风蚀能力，抗风蚀能力与表面强度呈正相关。JCU比SCU具有更大的表层土壤稳定潜力。Khodadadi T [26]等对刀豆、刀豆粉、大豆和西瓜籽的粗提取物和纯化提取物的试管测试表明，在这四种植物来源中，粗刀豆提取物的单位产量最高，定义为每初始质量的来源材料的脲酶含量。将使用粗刀豆提取物进行生物胶结的EICP与三种市售酶通过颗粒土壤生物胶结的功效进行了比较。通过EICP对经过生物胶结的颗粒土壤样品进行无限压缩测试表明，粗提取物和纯化程度较低的市售酶实际上比市售的高度纯化的脲酶更有效地提高土壤强度，这种效果归因于纯度较低的酶来源中存在互补蛋白。

大豆、西瓜种子和刀豆作为蕴含脲酶丰富的植物来源，已经被广泛应用到EICP技术中。在同一变量添加下，刀豆脲酶活性最高，其次是刀豆和西瓜种子。并且提取的脲酶均为具有较高的热稳定性，在5℃~55℃下都随着温度的增加而大幅增加。这与MICP使用的微生物有显著不同，高温条件下会对微生物产生明显影响，从而导致产生的脲酶活性下降或热稳定性变化较大。不同植物源的脲酶活性最优pH值略有不同，其中刀豆和刀豆的最优pH值为8，西瓜种子为7。

植物源EICP技术提取出的脲酶尺寸较小，可用于细粒土的加固。但随着国内外学者深入的研究，发现游离态的脲酶不能为CaCO₃提供充足的成核位点，导致生成的CaCO₃晶体分布零散。通过添加特定的无机物或有机物，在提供成核位点的同时，还能提高土壤力学性能。

2.4. 添加剂

Li [27]等探讨了蔗糖和山梨醇两种成核剂对大豆–尿素酶诱导碳酸钙沉淀的影响，山梨醇或蔗糖的加入使文石的含量从10.07%降低到1.81%~3.93%，表明山梨醇或蔗糖对球文石向稳定方解石的转化有促进作用。山梨醇的加入使EICP的结晶尺寸增大，热稳定性提高，结晶度提高。蔗糖调节的EICP表现出中等的热稳定性，比没有成核剂的EICP差，表明蔗糖的加入降低了EICP的结晶度。Yin [28]等添加脱脂奶粉能提高尿素酶活性，提高化学转化效率和强度。微观结构和粒度分析表明，脱脂奶粉的存在有利于砂粒之间形成更大的晶体团簇，从而产生更强的结合力和更好的力学性能。Han [29]等掺入不同比例的废弃面膜纤维(0%、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%)，测定固化后的无侧限抗压强度、劈裂抗拉强度。结果表明废弃面膜纤维的存在促进固定化，催化碳酸钙的生产，并最终在0.2%的含量最佳。Zhang [30]等研究了EICP-木质素粉土的无侧限抗压强度、弹性模量、粘聚力、内摩擦角和微观结构。所有的强度参数都随着木质素含量的增加而先增加后减小，木质素含量约为5%时，其值最佳。具体而言，最佳的UCS强度，凝聚力和内摩擦角提高到约5、10、和3倍。Arab [31]等将EICP和1.5%海藻酸钠组合用于制备生物砖，并且测定了压缩和弯曲强度。这种混合技术提高了生物砖的抗弯强度。生产的生物砖显示出与20%水泥处理的砂相当的抗折强度，从而满足这种砖的机械性能和吸水性要求。Yan [32]等以厨余蛋壳粉作为EICP的添加剂。蛋壳粉的高外表面积和对钙离子的亲和力使其成为碳酸钙沉淀的合适成核位点。实验结果表明，蛋壳粉的掺入，通过增加成核位点的数量和促进碳酸钙的沉淀，降低了对酶产物的抑制作用，调节了碳酸钙的沉淀模式，改善了颗粒的粒度分布，从而显著提高了试样的无侧限抗压强度。

不用添加剂对EICP的强化效果不同，糖类物质如蔗糖、海藻酸钠和纤维素，可以在碳酸钙成形过程中提供更多的成核位点，从而使得生成的碳酸钙更加密实。碳酸钙的晶体类型有方解石、球霰石和文石，其中方解石热稳定性最高。未使用添加剂时，植物源EICP生成的碳酸钙均存在三种晶体类型。在糖类物质作为添加剂后，生成的碳酸钙晶型向方解石转化，从而使得结晶尺寸和结晶度有所增大。脱脂奶粉中富含酪蛋白质，也能够在生成碳酸钙时提供成核位点。除此之外，还能提高脲酶活性从而提高化学转化效率。所生成的碳酸钙更容易结合形成晶体簇，从而具备更好的结合强度和机械性能。蛋壳粉的高比面积可以在EICP过程中提高对钙离子的亲和力，从而结合更多的钙离子以促进碳酸钙的生成。将厨余垃圾蛋壳粉作为添加剂，不仅改善了EICP技术，也实现了垃圾的绿色利用。

2.5. 工程应用案例

Zhan [33]等为了控制扬尘污染，应用EICP技术配制抑尘剂以探究实际应用效果。自主搭建风洞实验平台并设置风速为4、6、9、12 m/s吹蚀1 h后，未使用抑尘剂的治理损失分别为500、1300、2000和2600 g/(m²·h)。喷洒抑尘剂后无论风速大小，质量损失均小于30 g/(m²·h)。以水为对照组，将喷洒抑尘剂于室外100 m²土壤面积，结果表明10天后大豆种子出芽率为93%，水的仅为89%。且喷洒抑尘剂的土壤中大豆幼苗具有更好的长势与叶片颜色，因为抑尘剂喷洒后的土壤具有更好的保水性。这表明配制的抑尘剂具有良好的生态相容性。Wang [34]等将利用刀豆源EICP制备的抑尘剂应用于现场试验，以总悬浮颗粒物(TSP)浓度为指标监测一个月内现场TSP浓度，喷洒过程按2 L/m²的喷雾量进行实际应用。30天后，喷洒抑尘剂的区域TSP平均浓度为60.89 μg/m³，而喷洒水的区域为99.1 μg/m³。这表明喷洒该抑尘剂能够起到长期抑尘效果。Wu [17]等使用大豆源EICP制备抑尘剂，并以普通碳钢、铁素体不锈钢和铝合金为材料进行腐蚀性实验，结果表明抑尘剂对各类材料的腐蚀速度均小于水，因为材料表明有白色物质碳酸钙的产生，从而降低了腐蚀速率。以小鼠急性经口毒性试验来评价抑尘剂的毒理性，小鼠经口急性毒性剂量为5000 mg/kg的抑尘剂和水，均未见明显中毒现场。计算了假设控制1000 m²的尘样污染的成本效率分析，并将喷洒量、喷洒车油耗和人工成本计算入成本后得出：一年后喷洒水的成本总价为253,675元，该抑尘剂的为170636.4。因为喷洒水虽对环境无害，但高温下易挥发的特性抑尘效率有效，使得成本上升。

以上研究为EICP的广泛应用奠定了基础，但也存在明显不足。在应用过程中，大部分是在实验室进行的，更大规模的使用和更贴合实际应用场景的研究亟待开展。并且在实验过程中，考虑的因素仍不够全面，如不同外加钙源和对脲酶提取液的研究较少。脲酶作为一种生物酶，需要合适的保存温度。提取植物源脲酶后，脲酶的保存仍需要开展大量的研究。

3. 发展趋势

我国城市化建设步伐加快，人们对城市建筑的需求快速增加。部分城市为了满足居民的居住需求，开始了持久的城市扩张和扩建。随着建筑面积的扩大、施工工地的增多，施工扬尘污染带来的环境问题已经不容小觑[35] [36]。而许多城市在城市建设中，由于裸露地面的大量存在和城市周边生态环境的恶化，使得扬尘污染进一步加重。可以预计今后相当长的一段时期内扬尘污染仍将是影响我国城市空气质量的重要因素[37]。抑尘剂的使用对扬尘控制起到重要作用，新型抑尘剂的研究得到飞速发展。抑尘剂组成也由单一型向性能优异的复合型、无二次污染的环保型发展，寻找价格低廉、材料来源广泛、能抵抗各种恶劣条件的新型抑尘剂是未来的发展方向。而生物型抑尘剂具有其他传统化学抑尘剂原料所不具备的天然降解性，绿色环保，更加符合当今环保要求。同时，生物原料属于可再生资源，来源广泛，易于获取，在达到良好抑尘效果的同时，可大大降低抑尘剂生产成本[34]。因此，具有抑尘效率高、符合环保理念的生物型抑尘剂具有广阔的发展前景，是未来环保型抑尘剂研究的主要方向[16]。

4. 结语

目前国内外关于植物源脲酶诱导碳酸钙技术的研究已取得一定进展，但大多集中在实验室阶段，主要通过小规模实验来对该技术进行探究。脲酶来源广泛，其中对大豆、西瓜种子和刀豆的研究较为丰富。但不同来源脲酶的催化活性和稳定性差异较大，这就需要对其他来源的脲酶也开展研究。添加剂能够有效改善生成碳酸钙的晶体类型与研究，研究者们对加入添加剂后的改善效果已经有了许多研究，但关于添加剂如何调控碳酸钙晶体成核与生长的微观机制仍缺乏系统分析。后续可以通过分子角度出发，考察晶体成核与生长的微观机制。综上所示，该项技术在未来可聚焦于拓展工程应用场景和优化脲酶提取工艺等方面，确保该技术的可持续性和经济可行性，为环境治理与可持续发展提供新的技术支撑。

基金项目

重庆科技大学研究生创新计划项目“基于刀豆脲酶的生物抑尘剂性能和机理研究”(YKJCX2420701)。

NOTES

^*通讯作者。