来源：Bacillus megaterium-incorporated GGBS geopolymer mortar: Explainable ensemble machine learning, multi-objective optimization, and probabilistic reliability assessment（Construction and Building Materials）| 编译：DNA Lab Space | 原文许可：elsevier-subscription
导读
地聚物体系掺入细菌制剂可同步提升力学性能与自修复能力，但细菌浓度、掺量与养护条件间的非线性交互使材料配比寻优困难重重。本研究构建了"实验—可解释机器学习—优化—可靠性"四位一体框架，以146组样本横跨4种养护环境与3个菌掺量水平，系统解析巨大芽孢杆菌地聚物砂浆的强度响应。湿干循环养护下，10⁵ spores/mL浓度配合5%掺量使平均抗压强度达56.67 MPa，较对照提升约35.5%。XGB模型外部验证R²达0.9659，SHAP归因锁定养护龄期与流动度为关键控制变量，NSGA II优化与可靠性评估共同指向现场施工的质量管控要点。
研究背景
碱激发胶凝材料——即地聚物——通过碱激活粒化高炉矿渣（GGBS）、粉煤灰或偏高岭土制备，无需硅酸盐水泥（OPC）生产中的高温熟料煅烧工艺，可在显著降低CO₂排放的同时获得相当或更优的力学与耐久性能。建筑业约占全球CO₂排放的8%，OPC生产是主要贡献者——每吨熟料排放约0.8吨CO₂，主要源于石灰石煅烧与窑炉燃料燃烧。富钙体系（如GGBS基胶凝材料）的强度主要归因于水化硅铝酸钙（C-A-S-H）凝胶的生成，N-A-S-H凝胶则提供致密且力学性能优异的微观结构。将细菌剂掺入地聚物体系，通过微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）封填孔隙、愈合裂缝，成为提升材料性能的可持续路径。然而，细菌浓度、掺量与养护条件之间复杂的非线性交互，使最优材料组态的识别面临挑战。
研究方法
3.1 细菌生长、pH适应性及相容性
为监测巨大芽孢杆菌的生长动力学，将活跃生长期的细胞接种至Luria-Bertani（LB）肉汤中，在37°C静置条件下，于不同时间点测定600 nm波长处的光密度（OD₆₀₀），持续24小时。结果显示，在培养期间OD₆₀₀读数随时间增加，表明细胞处于生长状态，且在本实验室采用条件下培养物保持活力（图6）。
温度相容性评估显示，最适生长温度为30–40°C，活菌数≥10¹⁷ CFU/mL（图6b）。超过40°C后观察到生长减缓，但孢子介导的热耐受性确保细菌在高达60°C时仍能存活，证明细菌在地聚物砂浆搅拌与浇筑全过程中保持完整性。pH耐受性实验表明，最高的营养体生长出现在中性pH条件；在碱性pH条件下，细菌浓度达到约10⁵ CFU/mL，内生孢子在pH高达13时仍具活力。这种耐碱性与此前研究一致——细菌孢子无需包封即可直接在高碱性地聚物基体中存活，并在后期龄期仍保持方解石沉淀能力；产内生孢子的芽孢杆菌属物种特别适应碱激发体系的高pH孔隙环境。本研究采用的SS/SH比将基体孔隙溶液pH维持在11–12，将游离OH⁻离子浓度限制在适合孢子存活的水平。碱性pH条件下的OD与透光率测量结果同样证实了地聚物环境中活性细菌的存在，证明巨大芽孢杆菌适用于GGBS基碱性砂浆体系。
【数据】菌株：巨大芽孢杆菌；培养基：LB肉汤；温度：37°C（最适生长30–40°C）；时间：24h；活菌数：≥10¹⁷ CFU/mL；碱性条件菌浓度：约10⁵ CFU/mL；pH耐受：最高13；孔隙溶液pH：11–12
3.2 砂浆流动行为
含巨大芽孢杆菌孢子的地聚物砂浆，其流动性能随孢子掺入及细菌掺量增加而均匀下降。对照拌合物（G6CM）的流动度最高，含菌拌合物的流动值依次递减，如图7所示。
与对照砂浆相比，流动度降低的百分比分别约为2.9%、7.3%、9.9%、12.5%、15.2%和20.4%。流动性的逐步下降主要归因于细菌孢子及其胞外组分导致的固体加载量增加和吸水率升高。细菌细胞表面具有亲水性官能团，会结合拌合物中的部分自由水，从而减少GGBS与砂粒周围的有效润滑水膜厚度。细菌掺入引起的流动度渐进降低（最高达20.4%）与此前报道一致——微生物生物量及其亲水性胞外组分增加了需水量与颗粒间摩擦力，从而降低细菌胶凝与地聚物拌合物的和易性。此外，细菌生物量可提供额外的颗粒间摩擦，并引起地聚物悬浮体内的絮凝/团聚，提高悬浮体的屈服应力与塑性黏度，最终降低地聚物的和易性。随着细菌浓度与掺量的增加，这些效应愈发显著——即使地聚物参数保持恒定（砂胶比2.7、氢氧化钠摩尔浓度6 M、硅酸钠与氢氧化钠比1.5、液胶比0.5），流动度仍出现明显下降。
【数据】流动度降低：2.9%、7.3%、9.9%、12.5%、15.2%、20.4%；砂胶比：2.7；NaOH摩尔浓度：6 M；硅酸钠/氢氧化钠：1.5；液胶比：0.5
3.3 抗压行为
图8(a)至8(f)展示了所有含菌地聚物砂浆拌合物在7天与28天、不同养护环境下的抗压强度发展。
细菌浓度、掺量与养护环境对抗压性能存在显著且具统计学意义的影响（ANOVA：F = 46.4–305.4，p < 0.001；完整ANOVA结果见表S1）。水养护条件下，G6BMC33与G6BMC35的28天抗压强度分别为54.80 ± 0.40 MPa和55.07 ± 0.75 MPa（峰值试件：55.2和56.2 MPa），较对照拌合物（41.82 MPa）的平均增幅分别为31.1%和31.7%。这是由于MICP诱导的CaCO₃沉淀填充了孔隙通道并强化了铝硅酸盐基体。在该浓度下，3%与5%掺量间的强度差异极小，原因在于低细菌浓度时，额外的CaCO₃沉积未能大幅提升孔隙填充效率。就力学性能而言，湿干循环养护为G6BMC53与G6BMC55均带来最高性能——前者平均强度51.30 ± 1.08 MPa（较对照高22.7%；峰值52.2 MPa），后者平均强度56.67 ± 1.01 MPa（较对照高35.5%；峰值57.6 MPa）——5%掺量在平均值上比3%高出10.5%，表明生物成因碳酸盐沉淀增强、孔隙连通性降低及界面黏结强化。10⁵ spores/mL被确定为最优浓度，这与枯草芽孢杆菌掺入GGBS基碱激发砂浆的研究结论高度吻合——在相同的10³–10⁷范围内，该研究同样报告10⁵浓度为最优。本研究的28天抗压增强最高达35.5%，与上述体系报告的20–25%增益相当或更高，并支持"MICP驱动的孔隙填充与基体致密化主导细菌地聚物强度增长"的普遍结论。浓度升至10⁷ spores/mL后趋势逆转——G6BMC73与G6BMC75在湿干养护下的最大强度分别为44.3 MPa和50 MPa。在最高浓度（10⁷ spores/mL）下，湿干养护的3%与5%掺量试件抗压增强分别降至对照的5.94%和19.57%，远低于最优（10⁵）浓度下的35.5%增强。该增益下降是因为单位质量基体中细菌过多，有机酸产生增强导致局部pH暂时降低，引发方解石团聚、pH异质化及铝硅酸盐凝胶连续性的部分破坏——这反映了过量细菌生物量、方解石团聚体形成、孔隙异质化及铝硅酸盐凝胶连续性中断的综合效应。掺量效应在从3%增至5%后依然持续，增幅仍达12.87%。水分可用性与细菌代谢活性受养护环境控制，是影响抗压强度大小的因素。水养护与湿干循环养护在所有浓度下表现最佳——水养护为地聚化反应提供更多水分，湿干循环养护则在湿阶段重新激活休眠孢子，并在干燥阶段促进进一步的矿物沉淀。水分亏缺条件导致空气养护试件的强度最低——细菌因水分流失而受抑制，方解石沉积能力受限；营养养护试件在高营养水平下强度较低，原因是乳酸钙培养基与碱激发剂之间的持续离子交换破坏了地聚化凝胶连续性并削弱了基体内聚力。小提琴图分布（图9）同样反映了这一趋势：湿干养护的平均强度最高（约45 MPa）；水养护分布较窄但上尾较大；营养养护分布最宽且上尾较大。
【数据】水养护28天强度：G6BMC33为54.80±0.40 MPa、G6BMC35为55.07±0.75 MPa；对照：41.82 MPa；增幅：31.1%/31.7%；湿干养护G6BMC53均值51.30±1.08 MPa（+22.7%）、G6BMC55均值56.67±1.01 MPa（+35.5%）；5%掺量优于3%达10.5%；10⁷ spores/mL时增强降至5.94%/19.57%；ANOVA：F=46.4–305.4，p<0.001
3.4 XRD分析——对照与最优拌合物
图13展示了对照与含菌拌合物在选定养护环境下的XRD图谱。
G6CM以非晶态为主，石英与莫来石峰并存，2θ = 20°–40°之间存在宽泛的弥散峰，证实了非晶态C-A-S-H与N-A-S-H凝胶的形成。次生相汤河原沸石（22°）与钠长石（50°）表明基体逐步稳定化。细菌掺入后在27°–29.6°引入方解石峰，48°附近出现文石峰，证实所有拌合物中均存在活跃的MICP过程。峰强度随细菌浓度与养护条件适宜度逐步增强。G6BMC35在水养护下显示中等程度的方解石沉淀，G6BMC55在湿干养护下呈现增强的方解石与球霰石峰，反映CaCO₃沉积放大，G6BMC75虽伴随抗压强度下降却产生最高的总体峰强度。方解石作为热力学稳定多晶型物主导长期强度增强，而球霰石与文石促进早期孔隙成核。石英与莫来石相在所有含菌拌合物中保持完整，证实生物矿物沉淀在不破坏地聚物骨架的前提下增强了基体性能。
基于力学性能结果，浓度为10⁵ spores/mL、掺量5%的细菌试件在干湿与水养护条件下被视为最优。随后对最优拌合物进行XRD检测，在试件表面与裂缝区域观察到白色沉淀物。白色沉淀物的XRD分析如图14所示。分析证明，裂缝表面及内部形成的沉淀物为方解石（碳酸钙），由巨大芽孢杆菌的生物矿化过程产生。对照拌合物的XRD分析显示，大部分地聚物材料呈X射线非晶态，天然矿物的衍射晶体为石英与莫来石。聚合过程中可见的反应产物矿物包括50°处的钠长石、22°处的汤河原沸石（一种增强强度的矿物）、29.6°处的矿物及芒硝。该衍射图谱在2θ = 20°–40°范围内包含一个弥散峰，可归因于C-A-S-H凝胶（一种反应产物）的存在，表明非晶态物质的存在。含巨大芽孢杆菌拌合物的XRD图谱与对照相似，仅在27°处多出方解石矿物峰、48°处多出文石峰。巨大芽孢杆菌的引入未引起衍射模式的改变。两种砂浆中发现的晶相（石英与莫来石）完全相同。峰强度的增加可归因于MICP细菌巨大芽孢杆菌的沉淀作用，而孔隙填充则可解释强度的提升。
【数据】XRD峰位：方解石27°–29.6°、文石约48°、钠长石50°、汤河原沸石22°、弥散峰2θ=20°–40°；最优组态：10⁵ spores/mL + 5%掺量
研究结果
3.5 裂缝愈合观察
图4与图5展示了对照砂浆与含菌砂浆的裂缝愈合过程。
对照砂浆（图4）在养护期间未显示明显的裂缝封闭迹象。含菌砂浆（图5）在裂缝区域观察到白色沉淀物的形成与积累。在水介质与营养介质中养护的裂缝试件（G6BMC55）均表现出裂缝闭合现象。图12展示了G6BMC55试件愈合前后的对比状态——愈合前可见清晰裂缝（图12a），在水介质（图12b）与营养介质（图12c）中养护后裂缝均被填充物封闭。
【数据】裂缝闭合宽度：最高达1.06 mm（原文摘要数据）；养护介质：水、营养培养基
3.6 微观形貌与物相表征
FESEM观察确认了巨大芽孢杆菌的杆状形态（图1），培养与产孢过程如图2所示。实验程序的整体工作流程如图3所示。
【数据】形态：杆状；表征手段：FESEM
讨论与解读
第3–9节的实验与机器学习结果支持一个核心机制结论：巨大芽孢杆菌掺入的GGBS地聚物砂浆，其MICP诱导的致密化与裂缝闭合受养护龄期与基体流动度控制——SHAP特征归因与XRD/FESEM微观结构证据独立印证了这一结论。湿干养护条件下35.5%的抗压增强高于类似细菌地聚物研究的报道值，这归因于周期性接触养护溶液引起的孢子再活化。抗折响应同样以龄期为主导且方差较低——模型R²（0.7568）低于常规机器学习阈值0.85，与GGBS地聚物机器学习研究中的发现一致。值得注意的是，细菌过量投加具有自我限制特性：超过约10⁵ spores/mL后，增强的有机酸代谢会瞬时压低局部pH并破坏凝胶连续性——这解释了10⁷ spores/mL浓度下强度增益的衰减，也印证了推荐浓度窗口既是性能最优点也是机制上的上限。可靠性评估确认在5%变异系数下，抗压可靠指标β = 5.01、抗折β = 3.81；抗压指标在约10%变异系数时降至β = 3，凸显现场应用中养护质量控制的重要性。
编译者解读
本研究最值得称道之处在于将实验表征与可解释机器学习、多目标优化和概率可靠性评估整合为一个完整闭环——146组样本的数据库规模在细菌地聚物研究中并不多见，而SHAP归因将"养护龄期与流动度"锁定为控制变量，使黑箱模型输出与XRD/FESEM微观证据相互印证。从合成生物学应用角度看，10⁵ spores/mL作为性能最优与机制上限的双重身份颇具启示：细菌投加并非越多越好，代谢副产物对局部pH的扰动构成天然的性能天花板。湿干循环养护对孢子再活化的促进作用提示，材料设计需同步考虑微生物生理需求与胶凝材料水化条件。局限在于裂缝自修复效果目前仅在受控实验室条件验证，现场多变环境下的长期耐久性仍有待考察。
DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2026.147430