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伴随着我国的城市化进程加快,建筑行业迅速发展。混凝土成为了世界上用途最广、用量最大的建筑材料,而其主要成分的水泥并不是一种可持续发展的胶结材料。每生产1吨水泥就会排放近1吨CO2,严重影响了城市的生态环境。我国已把推进建筑业可持续发展作为节能减排的重要内容,寻找生态环境材料是发展低碳建筑的内在要求。而自然的生态智慧可用于解决建筑材料与维护生态环境之间的矛盾。许多天然生物材料,比如珊瑚、骨骼、牙齿和贝壳等,是生物矿化过程中形成的钙质陶瓷和高分子复合物。这为建筑材料的可持续发展提供了一种新思路。某些微生物可用于模拟自然界的矿化过程,产生具有胶结作用的碳酸钙沉积。这类微生物主要是产脲酶菌,其矿化产物被称为“生物水泥”,这一生物矿化过程也被称为Microbially Induced calcium Carbonate Precipitation（MICP）。本文围绕基于MICP的生物矿化过程在可持续建筑材料中的应用潜力这一中心问题,研究了生物水泥修复受损建筑材料以延长服役寿命,探索了生物水泥与辅助性胶凝材料（偏高岭土、粉煤灰）复合用于降低水泥基材料中水泥的含量以及改良土体,以实现建筑材料的高效应用,达到节能减排的目的。此外,还研究了天冬酰胺酶介导的MICP用于建筑材料以降低脲解作用带来的二次污染问题。取得的主要结论和创新性成果包括以下四个方面:1.分析喀斯特溶洞环境中微生物多样性并分离高效矿化菌用于愈合砂浆裂缝尽管具有脲酶活性的细菌种类繁多,但适用于可持续建筑材料的高效矿化菌,目前研究的不多。作为典型的碳酸钙沉积环境,岩溶洞中可能存在适合石质材料修复的矿化菌。本研究目标是在理解岩溶洞环境细菌群落多样性的基础上,筛选出高效矿化菌用于修复石灰水泥砂浆的裂缝,提高其耐久性。利用Illumina MiSeq测序平台对石灰岩样品中微生物的16SrRNA V3-V4区测序,共获操作分类单元（OUT）5286个,涵盖了31门的细菌,优势菌属包括Masiilia（15.38%）,Pseudomona（10.91%）和Acinetobacter（9.1%）。在尿素选择压力下分离得到了具有高效矿化能力的Acinetobacter sp.SC4。优化培养后将其用于修复石灰水泥砂浆中深25.4 mm宽2 mm的裂缝。经过微生物矿化修复后砂浆裂缝中产生了大量白色物质沉淀,显著提升了其耐久性（力学强度和抗水渗透性）。通过X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜和能谱分析（SEM-EDS）、热重-差热分析（TGA-DSC）的结果证明了Acinetobacter sp.SC4矿化产生的碳酸钙沉积（主要为方解石）愈合了裂缝。实验结果表明,从石灰岩溶洞中分离的高效矿化菌Acinetobacter sp.SC4适用于修复石灰水泥基材料,恢复其力学性能。2.微生物矿化过程用于降低偏高岭土砂浆中水泥的含量作为一种矿物掺合料,偏高岭土（MK）可替代混凝土中一定比例的水泥,从而降低混凝土的蕴藏能量。但在较大掺量下,水泥基材料的力学性能显著下降。本研究旨在利用微生物矿化作用改善高掺量（50%）MK砂浆的机械性能,从而提高水泥的可替代率,以进一步降低水泥基材料的蕴含能量。研究对比分析了产脲酶菌Bacillus cereus NS4产生的生物水泥对不同MK掺量（0-50%）的水泥基材料力学性能的影响,实验结果揭示了即使水泥被MK替代的比例高达50%,微生物水泥的添加仍可使其抗压强度提高27%,获得与水泥未被替代的砂浆相当的力学性能。通过SEM-EDS,XRD比较分析了矿化菌在MK砂浆中形成的碳酸钙的形貌与晶体特征。红外光谱中出现了生物碳酸钙中C-O健,石英砂中Si-O健,C-S-H凝胶中-SH健的特征峰,表明是微生物矿化产物填充了MK砂浆中的孔隙,促进形成了更多的C-S-H凝胶产物,因此提高了MK砂浆的力学性能,使得水泥的可替换比例大幅度提高。研究结果表明了微生物矿化过程有助于在不损失力学性能的前提下,降低建筑材料中水泥使用量。3.微生物矿化过程用于增强粉煤灰改良膨胀土的效果膨胀土具有的不良特性给工程建设造成了很大困难和损失,粉煤灰可在一定程度上改良膨胀土的工程特性,但效果有限。另一方面,粉煤灰可作为微生物载体增强矿化菌的脲酶活性,促进生物碳酸钙的形成。本文研究了微生物水泥用于提高粉煤灰稳定膨胀土特性以及加固的效果。本文比较分析了微生物水泥与不同掺量（0-50%）的粉煤灰一起用于改良膨胀土的行为特征（液体极限、粘性极限、粘性指数和自由膨胀）与力学特性,其中25%的粉煤灰-微生物水泥组对膨胀土的改良效果最显著,力学性能达到了719.4 kPa,而未添加微生物水泥的改性土只有294.6 kPa。本文进一步通过SEM-EDX,FTIR和XRD分析了微生物水泥-粉煤灰促进膨胀土颗粒团聚的特征与机理。实验结果显示,粉煤灰中的阳离子可与细菌诱导的碳酸钙发生共沉淀,生成的离子促进了粘土颗粒的絮凝并形成胶粘剂,降低了比表面积、亲水性以及膨胀率。研究结果表明微生物水泥与粉煤灰的联合使用是一种改良膨胀土特征的有效方式。4.探索非脲解型微生物矿化过程以降低脲解作用引起的二次污染尽管目前脲酶已经被广泛应用于微生物诱导碳酸钙沉淀的研究,但该过程中释放的过量氨气也造成了环境污染。针对基于脲酶的MICP引发二次污染问题,本研究提出了基于天冬酰胺酶的生物矿化过程。本文分析比较了标准菌株Bacillus megaterium分别在天冬酰胺酶和脲酶驱动下的MICP过程,以及用于生物灌浆固结砂柱的效果与特征。研究发现基于天冬酰胺酶的MICP使砂柱的力学性能达到980 kPa,渗透性达到2.3′10-77 m s-1,胶结过程中氨的排放为40.6 U ml-1。相比之下,尽管基于脲酶的生物灌浆使砂柱获得了更高的力学性能（1002 kPa）以及渗透性(2.0′10-77 m s-1),而氨排放(592U ml-1)显著超过了天冬酰胺组。本文从微观结构表征了基于天冬酰胺酶的微生物矿化过程胶结砂颗粒的特征与机理,X射线计算机断层扫描（XCT）技术和热重分析（TGA）分析了胶结体内部生物碳酸钙以及孔隙分布情况。研究结果表明基于天冬酰胺酶的微生物矿化过程可以用于微生物灌浆加固土体,并能显著减少基于脲酶的MICP过程产生的二次污染。综上,本文从多个方面研究了基于MICP的生物矿化在提高了建筑材料与建筑发展的可持续性方面的应用潜力。研究结果表明,生物矿化在建筑材料中的应用至关重要,有助于降低环境负荷,从而推进可持续建筑材料的发展。在未来研究中,需要进一步考虑MICP技术在实地放大过程中带来的技术挑战和成本效益等局限性问题。