产脲酶微生物诱导碳酸盐沉积技术专利技术分析

秦宇佳，陈丽霞（等同第一作者）

（国家知识产权局专利局专利审查协作天津中心，天津，300304）

摘要：产脲酶微生物诱导碳酸盐沉积技术具有反应过程可控、环境友好等优势，在改善土体力学性能、减少渗透系数、水土重金属污染修复等领域发挥了重要的作用。本文从产脲酶微生物诱导碳酸盐沉积技术国内外申请量基本情况、专利有效性分析、主要申请人、技术分支等方面，对产脲酶微生物诱导碳酸盐沉积技术专利申请进行了分析，以梳理其技术发展过程，以期为今后的产脲酶微生物诱导碳酸盐沉积技术领域的研究提供参考意见。

关键词：微生物 脲酶 碳酸盐 沉淀 应用 专利分析

1 引言

早在1973年，生物学家Boquet 等通过对土壤中常见的细菌进行研究，发现只要条件适宜，绝大多数细菌都能够通过新陈代谢合成并沉积碳酸钙晶体矿物，上述研究成果在自然杂志上发表，并引起各国学者竞相开展微生物诱导碳酸盐沉积（Microbial Induced Calcium Precipitation，简称MICP）的相关机理和工程应用的研究[1]。

产脲酶微生物诱导碳酸盐沉积技术的原料主要由微生物和金属盐（有时也称作营养盐）两部分组成。常见的能够诱导生成碳酸盐沉积的微生物有脲酶菌、铁还原菌、硫酸盐还原菌、反硝化细菌等，不同微生物进行碳酸盐的矿化过程也不同，主要包括尿素水解、三价铁离子或硫酸根离子的还原、反硝化过程等。并且，微生物细胞也能够充当晶体成核位点，诱导碳酸盐晶体成核、生长和聚集[3]。芽孢杆菌科的细菌如巴氏芽孢杆菌和赖氨酸芽孢杆菌具有较高的尿素降解速率，是经常用到的菌株[4-5]。

由于该技术具有反应过程可控、环境友好等优势，产脲酶微生物诱导碳酸盐沉积技术在固化砂土、裂缝修复、制备建筑材料和水土重金属污染等多个领域具有广泛的应用前景。

为消除数据库更新速度不同造成的偏差，本文将专利文献的公开截止日期为2023年12月，仅对之前公开的发明专利申请予以统计分析，为国内产脲酶微生物诱导碳酸盐沉积技术研究企业或单位提供技术和信息支持。本文主要从产脲酶微生物诱导碳酸盐沉积技术的专利总体申请情况、地域分布、主要申请人等方面进行分析。

2 专利申请总体情况

从全球申请来看，产脲酶微生物诱导碳酸盐沉积技术在2001年至2008年处于萌芽期。在这个阶段，历时8年，全球专利申请量仅为9件。产脲酶微生物诱导碳酸盐沉积技术相关专利申请始于2001年，由比利时AVECOM NV提出，其在被钙、磷酸盐、重金属污染的水中添加尿素以及尿素水解生物催化剂，加入辅料，利用沉淀反应形成钙磷酸盐磷酸钙的形式和其它盐。随后，比利时、日本、欧洲和中国等也相继提出了与产脲酶微生物诱导碳酸盐沉积技术的专利申请，主要涉及去除水中钙或重金属、制备碳酸锶等具有特殊性能碳酸盐材料、防止土壤渗漏等方面的应用。2005年，东南大学提出利用微生物沉积制备碳酸钙的方法，并指出该方法沉积制备的碳酸钙可以作为填料使用，也可用于建筑物裂缝修补、再生混凝土的胶结等。

在2009年至2015年间，产脲酶微生物诱导碳酸盐沉积技术的全球专利申请量平稳发展，并于2010年达到小高峰。国内外申请人相继提出了多篇关于利用产脲酶微生物诱导碳酸盐沉积技术修复水土重金属等污染的相关专利。2002年日本JAPAN SCIENCE TECH CORP公司利用产脲酶微生物诱导碳酸盐沉积技术能够制备平均长度为500nm以下的针状碳酸锶晶体，并将该晶体通过掺杂用于光学树脂材料和光学元件中，而后国内外申请人相继开展了关于采用产脲酶微生物诱导碳酸盐沉积技术制备具有特殊性能碳酸盐的研究并提出了专利申请。此外，在此时期，还逐渐出现了关于采用产脲酶微生物诱导碳酸盐沉积技术进行裂缝修复、土体防渗、地基加固、建筑材料、原油脱钙等方面的应用。脲酶以及除巴氏芽胞杆菌以外的产脲酶微生物，例如迟缓芽孢杆菌Bacillus lentus UR1C、Bacillus lentus UR9D以及Bacillus lentus UR52，巴氏芽孢八叠球菌sporosarcina pasteurii WJ-2等也逐渐受到了关注。

自2016年起，产脲酶微生物诱导碳酸盐沉积技术的申请量进入快速增长阶段，主要涉及土体性能改善、裂缝修复、重金属固定、建筑材料等领域，此外，产脲酶微生物诱导碳酸盐沉积技术在充填采煤、抑尘剂、古建筑修复等领域的应用也逐渐获得了人们的关注。

3专利申请地域分析

产脲酶微生物诱导碳酸盐沉积技术专利申请主要来自于中国，占该领域全球专利申请总量的65.75%，其他专利申请主要来自韩国、世界知识产权组织、美国、日本和欧洲专利局。这说明中国对于产脲酶微生物诱导碳酸盐沉积技术及其应用方面的发展十分重视，这可能与中国制造业扩张以及促进知识产权发展等实际情况密切相关。江苏的申请量占国内各省市专利申请总量24%以上，排名第一。

4 主要申请人分析

对产脲酶微生物诱导碳酸盐沉积技术的全球专利申请的主要申请人进行统计分析。全球申请量排名前十的专利申请人均为科研院校，且主要来自中国。多数申请人的专利申请主要集中在E02D领域，其中，河海大学的研究主要集中在E02D和G01N领域，东南大学的研究主要集中在C12N、C12R和C12P领域，南京林业大学的研究主要集中在E02D领域；国外主要申请人中，韩国科学技术院的专利申请主要集中在C04B和C12N领域。

5 总结

本文从专利申请基本情况、地域分析、主要申请人分析、专利有效性分析等方面对产脲酶微生物诱导碳酸盐沉积技术进行专利申请分析。通过分析可以看出，产脲酶微生物诱导碳酸盐沉积技术相关专利申请始于2001年，目前该技术处于快速增长期，主要涉及土体性能改善、裂缝修复、重金属固定、建筑材料等领域，在充填采煤、抑尘剂、古建筑修复等领域的应用也逐渐获得了人们的关注。全球申请量排名前十的专利申请人均为科研院校，且主要来自中国。产脲酶微生物诱导碳酸盐沉积技术逐步走向成熟，应用领域逐渐扩展，但是目前多集中研究阶段。对于降低应用成本，克服应用中的各种技术问题，实现产脲酶微生物诱导碳酸盐沉积技术的工业化应用仍是接下来的发展方向。

参考文献：

[1] 蒋正武，水泥基自修复材料 理论与方法[M]，同济大学出版社，2018年.

[2] 袁晓露等，MICP技术对水泥基材料的改性研究[J]，混凝土，2012,269：88-94.

[3] 李多，微生物诱导碳酸钙沉淀固化沙漠风积砂的研究[D]，西北农林科技大学，2018年.

[4] 季斌等，产脲酶微生物诱导钙沉淀及其工程应用研究进展[J]，南京大学学报（自然科学）[J]，2017,6(5):1059-1075.

[5] Zerner B. Recent advances in the chemistry of an old enzyme, urease[J]. Bioorganic Chemistry, 1991, 19(1): 116-131.