基于钙离子的碳酸盐沉淀是微生物或酶活性驱动的过程，处于生物学、地球化学与工程学的交叉领域，为土壤加固、环境修复与混凝土自愈合提供了可持续解决方案。本综述系统总结了微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）与酶诱导碳酸钙沉淀（EICP）的机制与理论框架，重点关注微流控研究揭示的孔隙尺度行为。首先，从演化视角介绍了生物矿化微流控平台，强调其在可视化细菌运移、反应前锋、CaCO3沉淀以及孔隙与裂隙中晶体生长、形貌与空间分布方面的能力。随后，全面讨论了关键生化过程，涵盖细菌对晶体生长与分布的调控作用。进一步关联了晶体成核与生长理论、颗粒尺度生物胶结概念，以及耦合细菌行为与生物-化学-水力-力学（BCHM）多场作用的升尺度模型，最终实现连续介质尺度的描述。此外，从多物理场微流控、协调的多尺度实验与更高效预测模型等方面，指出了当前研究空白与未来方向，强调跨学科协作对推动生物矿化技术稳健、广泛现场应用的必要性。
1 引言
生物矿化是生物体诱导或控制矿物形成的过程，是生物与地质最基础的相互作用之一。微生物经过数十亿年的演化，形成了通过复杂生化反应介导矿物沉淀的代谢途径，可产生成分、形貌与形成机制多样的矿物，包括方解石、文石以及鲕粒、锰结核与叠层石等特殊结构。其中，微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）在全球生物地球化学循环中扮演关键角色，并显著影响岩石与土体的力学与水力行为。早期研究认为生物诱导矿物沉淀会对工程结构造成破坏，但如今已被开发为岩土改良的可持续替代技术。微生物诱导矿物与自然环境兼容，且碳足迹远低于传统胶凝材料，在场地改良与环境修复中极具吸引力。实验室与现场试验表明，MICP可通过颗粒间胶结与孔隙填充机制，有效改善地质材料的渗透性、强度、刚度、压缩性与抗侵蚀能力。近年研究在多尺度揭示了MICP行为：颗粒与柱体尺度明确了生物胶结砂的力学增强机制与尺寸效应，建立了关联生物胶结与抗液化性、刚度及剪切波速的本构模型与经验关系，识别了表面包裹、颗粒间粘结与孔隙填充等关键增强机制，以及矿物-土界面破坏与颗粒破碎等典型破坏模式；数值模拟进一步将微观粘结特征与宏观力学性质关联，形成了统一的强度预测框架；场尺度已成功应用于CO2封存、提高石油采收率、扬尘抑制与地下基础设施周边粒状土加固。尽管取得诸多进展，矿物成核、晶体生长与空间分布的微观机制仍不明确，阐明这些过程对理解矿化环境中的微生物演化、提升工程生物胶结的可预测性与均匀性至关重要。
微流控技术为解决上述挑战提供了有力手段。该技术起源于“芯片实验室”系统，可精确控制流动、浓度与边界条件，同时直接可视化微生物活动与矿化动力学。与微生物结合后，岩土生物微流控平台可在受控条件下定量、实时观测微生物代谢、化学梯度与碳酸钙（CaCO3）沉淀。近期微流控研究在孔隙尺度取得了关键认知：可视化了由细菌分布与浓度梯度导致的局部CaCO3结晶模式，证实细菌主要作为脲酶生产者调控晶体生长而非成核位点，量化了孔隙尺度的沉淀与扩散主导的均匀性，揭示了间歇注浆促进均匀沉淀、过高反应速率导致堵塞与非均质性的规律，识别了裂隙中“界面-孔隙”耦合沉淀机制，区分了流动条件下的单晶与多晶生长模式，并建立了关联MICP时间连续性与空间均匀性的无量纲框架，为微观观测与实际应用搭建了定量桥梁。本综述系统梳理了生物矿化机制与理论模型，聚焦微生物诱导过程及其与先进分析与微流控技术的融合。
2 生物矿化研究的微流控平台
生物矿化微流控技术可追溯至20世纪90年代，最初基于微芯片电泳的“微全分析系统（μTAS）”，旨在将传统宏观实验室流程集成于小型芯片。随着材料科学、显微成像、数字技术与跨学科研究的发展，其应用已从化学、细胞学、生物医学等领域拓展至地球科学、环境科学与能源科学。地质微流控研究聚焦于多孔介质特征（如孔隙结构与表面化学性质）对流体输运行为的影响、多相流机制，以及环境变化对土体中微生物生长、代谢与迁移的作用，为理解微流体在地质材料中的生化行为提供了微观视角，推动了微流控平台在生物矿化中的应用。该类平台的优势在于可精确控制微观反应流体，并实时原位监测岩土介质内的生物矿化过程，有助于阐明微生物、流体、化学环境与矿物基底间的复杂动态相互作用。
生物矿化微流控平台主要由溶液注入系统、矿化反应系统、图像采集系统、数据处理系统、废液收集系统与环境控制系统组成。矿化反应系统核心是微流控芯片（又称MICP微反应器）；图像采集系统包含相机成像单元与显微成像单元，前者适用于宽场成像，捕捉芯片整体沉淀模式与晶体分布，后者可实现微米级高分辨率成像，观测细菌运动、成核位点形成、晶体生长与形貌演化；常辅以微粒子图像测速、拉曼光谱、共聚焦显微镜、X射线计算机断层扫描与压力传感器等微观分析仪器；数据处理系统集成图像分析与计算软件；环境控制系统包含温度与压力控制器。根据运行模式可分为三类：连续流微流控是最基础且应用最广的平台，操作简便、条件稳定可控，常用于研究环境因素、底物浓度、流速与介质性质对生物矿化的影响；电驱动微流控是连续流系统的延伸，通过芯片内电极施加外电场，驱动细菌与离子定向移动，实现可控矿化并加速反应进程；液滴微流控将连续流离散为独立微液滴，每个液滴作为独立微反应器，通过精确控制流速与水油比（W/O）生成大量均匀液滴，适用于高通量筛选、单细胞分析与并行实验，尤其适合需严格控制交叉污染的封闭系统。
微流控芯片是平台的核心组件，按材料可分为PDMS微流控芯片、含砂微流控芯片、岩片嵌入微流控芯片与硅基微流控芯片。PDMS芯片因光学透明性、生物相容性、低制备成本与易操作性被广泛应用，可用于可视化不同温度下MICP沉淀过程，揭示温度对晶体行为与沉淀的影响；含砂芯片用于探究土体孔隙结构变化对生物矿化的影响，证实大孔隙内CaCO3以单晶形式生长，小孔隙通道内则以团聚体形式存在，且生长速率均随反应推进先增后减；岩片嵌入芯片用于研究岩石裂隙微环境变化对生物矿化的影响，证实不同岩性裂隙内晶体生长模式相似，岩性对生物矿化的影响有限，克服了传统方法模拟真实地质材料的局限；硅基芯片常用于高压条件下生物矿化研究，证实细菌在高压下仍具活性并可诱导CaCO3沉淀，为碳酸盐岩中CO2封存的动力学研究提供了实验方法与数据。总体而言，生物矿化微流控平台推动了传统“黑箱”与静态实验范式向可视化、实时、原位动态表征与监测转变，为阐明生物矿化机制与推动岩土材料理论发展奠定了坚实基础。
3 细菌对生物矿化的贡献
微生物-矿物相互作用广泛存在于自然界，细菌在矿物形成中起关键作用，可促进碳酸盐、磷酸盐与硅酸盐等矿物沉淀。生物矿物形成通常分为成核与生长两个关键阶段：成核可分为均相成核与异相成核，均相成核发生在溶液本体中，需较高活化能与过饱和度；异相成核发生在固-液或气-液等已有界面上，所需活化能与过饱和度更低。在细菌环境中，细胞及其分泌物常通过创造局部过饱和区域促进异相成核。MICP中，产脲酶细菌（如巴氏芽孢杆菌）通过水解尿素升高pH并提供碳酸根离子，其带负电的细胞壁可吸引钙离子，形成利于过饱和与异相成核的微环境；共聚焦显微镜观测到光合蓝细菌可沉淀方解石与文石，细胞嵌入晶体内部且矿物孔洞与细胞形态对应；透射电镜与能谱分析检测到巴氏芽孢杆菌细胞边界存在强钙信号，细胞表面可见纳米级球形沉淀，证实细菌可通过细胞表面参与晶体成核；扫描电镜观测到细菌细胞团簇，微生物既存在于晶体表面也嵌入方解石包裹层中，为微生物细胞作为成核位点并在方解石生长过程中被包裹提供了直接证据；液滴微流控在单细胞水平可视化了微生物-矿物相互作用，观察到细胞发出绿色荧光、沉淀发出红色自发荧光，且细菌细胞链被直径约1 μm的圆柱形CaCO3鞘层包裹，证实细菌可作为矿物形成的支架。
然而，也有研究指出细菌细胞并非碳酸钙沉淀的首选成核位点。例如，晶体未在带负电表面（包括细菌细胞表面与带负电聚苯乙烯微球）上生长，表明仅靠负电荷不足以触发MICP成核；细菌细胞可影响碳酸钙沉淀的形貌与形成，透析膜分离实验证实大分子有机物对沉淀形貌塑造至关重要。细菌代谢产物（如可溶性微生物产物SMP）与细胞表面吸附的胞外聚合物（EPS）是调控生物矿物形貌的关键因素：SMP与EPS的功能基团（羧基、酰胺基、磷酰基、羟基）可为金属离子与矿物前驱体提供大量结合位点，有机基质诱导自组装理论认为CaCO3颗粒上的功能基团可与结构匹配的有机基质结合，驱动自组装改变晶体多型并增大粒径；胞外DNA（eDNA）可形成带负电晶格捕获Ca2+，促进无定形碳酸钙（ACC）成核后再转化为方解石；高细菌密度（≥5.2×108cells/mL）会形成细菌团聚体，提供更多成核位点但稳定晶体形成所需时间更长；液滴微流控观测到随机成核现象，部分液滴形成单晶而其他液滴未形成，液滴内同时存在溶液中的单晶与细菌表面的ACC，表明细菌表面并非晶体形成的决定性因素；运动细菌在CaCO3结晶初期会拖拽小晶体移动，随着晶体长大逐渐粘附于晶体表面，形成维持并加速矿物生长的代谢微环境，活菌与死菌均会快速粘附于生长中的晶体，导致孔隙缺陷并最终被包裹，活菌在附着后死亡。
除MICP外，酶诱导碳酸钙沉淀（EICP）使用游离脲酶而非活细胞。对比细菌、细菌分泌提取脲酶与大豆脲酶的微流控与溶液试验表明，所有情况均存在CaCO3成核滞后时间，细菌脲酶因活性最稳定导致结晶最快；大豆酶中的杂质可提供更多成核位点，从而获得更高土体强度。对比刀豆、豇豆、大豆提取的粗脲酶与商业脲酶发现，晶体形貌、生长与尺寸受脲酶浓度与类型影响：商业脲酶因缺乏有机分子以均相成核为主，粗脲酶含低浓度有机分子，可选择性吸附在特定晶面，促进未吸附晶面的优先生长，且有机沉淀物提供的成核位点可增强晶体生长。EICP作为无细胞替代方案，其酶稳定性与有机杂质可调控成核动力学与沉淀性质，在生物胶结应用中可能实现更高可控性。总体而言，细菌通过多种途径影响生物矿化：既可作为成核位点或吸附支架，也可释放SMP与EPS等代谢产物改变矿物形貌，并在晶体生长过程中调控局部微环境。微流控与显微技术在单细胞和孔隙尺度揭示了这些过程，但如何厘清细胞表面直接成核与代谢产物介导过程的相对贡献，以及如何控制这些复杂相互作用以实现工程系统中可预测、可重复的矿化结果，仍是待解决的挑战。
4 晶体生长与形貌演化
微观固相晶核形成后，晶体生长通常通过溶解-再沉淀机制进行，晶体表面持续从周围溶液中吸附离子形成新的晶层。微流控研究在不同条件下详细揭示了这一过程：MICP测试中初始形成不规则CaCO3沉淀，随后溶解并形成球形或菱面体CaCO3晶体，球形晶体随时间推移逐渐消失，菱面体晶体持续生长；即使同一多型，较大CaCO3晶体的生长也由较小晶体的溶解维持。原位拉曼光谱证实无定形碳酸钙（ACC）是前驱相，钙离子浓度会影响细菌团聚体形态（簇状、链状或块状），但高浓度钙离子会抑制细胞运动并减少晶体形成。动态观测进一步实现了ACC形成与溶解的实时原位追踪，揭示了ACC、文石与方解石的顺序出现或共存，符合奥斯特瓦尔德阶梯规则；通过调控钙离子浓度与生化条件可延长或缩短ACC凝胶的寿命，进而改变晶体形貌。pH监测微流控工具箱可实时追踪MICP过程中的全局与局部pH变化，并结合共聚焦激光扫描显微镜实现晶粒尺度CaCO3沉淀可视化，识别出结晶三阶段：细菌脲酶活性升高pH，促使ACC与球霰石沉淀；进入稳定pH阶段后，方解石开始成核，随着方解石生长pH下降，导致ACC或球霰石溶解；引入方解石晶种会改变pH演化模式，但亚稳态ACC与球霰石仍会形成，更低pH是方解石成核的必要条件，且晶种作为额外成核位点加速了晶体生长并提高均匀性。
晶体持续生长过程中，形貌趋于稳定，与成核阶段形成的初始结构密切相关。准确估算矿物体积对量化CaCO3含量至关重要：圆柱生长假设会高估晶体体积，半球假设则低估体积；X射线微计算机断层扫描（XRCT）重建三维CaCO3晶体表明，球状体与截锥体几何模型可提供更可靠的晶体体积估算，但XRCT分辨率不足以观测极小晶体；激光扫描共聚焦显微镜（LSCM）在晶粒尺度识别出EICP过程中的四种典型形貌——球冠、球缺、棱锥台与棱柱，推荐棱柱或圆柱模型用于有序高度生长，球冠模型用于非均匀生长；观测还发现晶体生长过程中比表面积（SSA）随晶体质量增加而降低，且比表面积越低的晶体无论形状如何均表现出更强的各向异性。对比砂填微流控芯片中生物诱导矿化与化学诱导矿化发现，高过饱和度下化学条件会导致快速、不受控的成核与生长，而生物矿化可通过调整钙离子浓度或细菌脲酶活性实现更可控的成核，凸显了其重要优势。MICP与EICP的晶体生长通常遵循两阶段模式：晶体生长速率（rgrow）先加速后降低；流动方向也会影响生长速率，迎流面晶体晶面因传质效率更高而生长更快；晶体棱角处因边界层薄会承受更高流体剪切应力，产生更高流体压力梯度与剪切速率，在适宜剪切速率范围内可增强晶体生长，因为更高剪切促进了晶体表面与溶液中反应物的传质；随着流速增加，晶体生长动力学从低流速下的传质控制转变为高流速下的表面反应控制；多晶尺度下，相邻晶体接触时会发生生长竞争，且竞争模式随晶体取向变化。
晶体生长与形貌演化的微观过程受多因素影响：低细菌密度下CaCO3晶体生长较慢，数量少但尺寸大；高细菌密度下沉淀更快，矿物组成稳定性更低，细菌团聚体更丰富；随细菌密度增加，CaCO3晶体形貌从立方体逐渐变为不规则形态。温度也起关键作用：4°C时细菌活性与沉淀速率降低，形成最小晶体且多为球形；20°C时细菌生长最活跃；35°C时细菌附着达到峰值；50°C时细菌活性急剧下降，沉淀速率显著降低；高温促进方解石形成，低温促进球霰石形成，超过20°C后溶解-再沉淀过程或碳酸钙沉淀更显著。复杂海洋条件下的高盐度、低氧与低温试验表明，低温对细菌生长的抑制作用最强，低氧显著减少细菌对基底的附着，盐度主要控制晶体形貌，温度主要影响晶型，低温与海水中镁离子的存在会抑制球霰石向方解石转化，微流控观测到的晶体形貌与生物胶结砂柱的SEM图像一致，验证了微观观测的有效性。压力对晶体形成的影响研究显示，矿化反应生成的CO2气体会包裹CaCO3晶体，阻止其溶解并导致“颗粒吞没”，显著影响反应物输运与矿物溶解；随着孔隙压力从大气压升至30 bar，无定形碳酸钙结晶加速，促进ACC脱水转化为方解石或球霰石，形成更大晶体且总晶体数量减少；100 bar时细菌活性急剧下降，仅形成少量晶体，为生物矿化技术在CO2封存等应用提供了机理支撑。
5 生物矿化分布与演化
岩体与多孔介质中的矿物沉淀主要发生在裂隙与孔隙中，其空间分布受孔隙结构特征与流体输运行为的共同影响，沉淀的非均质性反映了裂隙几何、流体动力学与微环境条件间的复杂相互作用。MICP或EICP过程依赖于微生物代谢或酶催化反应与流体对流-扩散输运的耦合：产脲酶微生物吸附于裂隙或颗粒表面后，水解尿素生成CO32-，与环境中的Ca2+结合形成CaCO3晶体并逐渐填充空隙。孔隙结构特征是决定矿物沉淀空间格局的主导因素：粗糙裂隙的起伏地形增加了微生物定植位点并扰乱流体流动，导致碳酸钙优先在凸起区域沉淀；窄开度裂隙易发育更复杂指状流径，宽开度裂隙则沉淀更均匀且优势流径更少更宽；粗糙裂隙中沉淀模式与开度分布紧密吻合，光滑裂隙中沉淀更集中。碳酸钙的优先沉淀由微生物分布、界面性质与局部微环境条件共同控制，其中细菌空间分布直接决定了晶体成核位点的位置。含砂Y型微流控芯片模拟地下砂层环境的研究显示，CaCO3晶体沉淀于颗粒表面，高钙浓度下CaCO3沉淀的分布宽度随时间因钙离子扩散而增加，且晶体生长速率最初下游区域最快，随后为中游与上游，最终各区域生长速率逐渐减缓并趋于稳定；对流-扩散条件下，碳酸钙主要在细菌侧形成，纵向分布演化存在动态调整阶段与平衡阶段，400分钟内沉淀面积分数在区域间转移，之后进入平衡阶段无明显差异。局部微环境参数变化导致晶体成核的空间选择性：单注入口仿砂微芯片中晶体总体均匀分布，20°C时晶体稳定生长，35°C重复注浆后平均晶体体积最大，4°C形成最小晶体，50°C初期可快速沉淀但后期生长受细菌密度与脲酶活性下降限制；砂颗粒迎流侧晶体数量多于背流侧，差异随反应推进逐渐减小，归因于迎流区更快达到饱和，导致可用吸附位点饱和后细菌附着率下降。
矿物沉淀会改变流场并形成优势流径：均质多孔介质中沉淀倾向于集中在入口附近的轴线区域，常形成单一优势流径；
