Hvala vam što ste posjetili nature.com. Verzija preglednika koju koristite ima ograničenu podršku za CSS. Za najbolje iskustvo, preporučujemo da koristite najnoviju verziju preglednika (ili isključite način kompatibilnosti u Internet Exploreru). Osim toga, kako bismo osigurali kontinuiranu podršku, ova stranica neće uključivati ​​stilove ili JavaScript.
Pješčane oluje predstavljaju ozbiljnu prijetnju mnogim zemljama širom svijeta zbog svog destruktivnog utjecaja na poljoprivredu, ljudsko zdravlje, transportne mreže i infrastrukturu. Kao rezultat toga, erozija vjetrom se smatra globalnim problemom. Jedan od ekološki prihvatljivih pristupa suzbijanju erozije vjetrom je upotreba mikrobno inducirane karbonatne precipitacije (MICP). Međutim, nusproizvodi MICP-a na bazi razgradnje uree, poput amonijaka, nisu idealni kada se proizvode u velikim količinama. Ova studija predstavlja dvije formulacije bakterija kalcijum formata za razgradnju MICP-a bez proizvodnje uree i sveobuhvatno uspoređuje njihove performanse s dvije formulacije bakterija kalcijum acetata koje ne proizvode amonijak. Razmatrane bakterije su Bacillus subtilis i Bacillus amyloliquefaciens. Prvo su određene optimizirane vrijednosti faktora koji kontroliraju stvaranje CaCO3. Zatim su provedena ispitivanja u aerotunelu na uzorcima pješčanih dina tretiranim optimiziranim formulacijama, a izmjereni su otpornost na eroziju vjetrom, brzina praga skidanja i otpornost na bombardiranje pijeskom. Alomorfi kalcijum karbonata (CaCO3) procijenjeni su pomoću optičke mikroskopije, skenirajuće elektronske mikroskopije (SEM) i rendgenske difrakcijske analize. Formulacije na bazi kalcijum formata pokazale su značajno bolje rezultate od formulacija na bazi acetata u smislu formiranja kalcijum karbonata. Osim toga, B. subtilis je proizveo više kalcijum karbonata nego B. amyloliquefaciens. SEM mikrografije su jasno pokazale vezivanje i otiskivanje aktivnih i neaktivnih bakterija na kalcijum karbonat uzrokovano sedimentacijom. Sve formulacije su značajno smanjile eroziju vjetrom.
Erozija vjetrom je odavno prepoznata kao glavni problem s kojim se suočavaju sušne i polusušne regije poput jugozapada Sjedinjenih Američkih Država, zapadne Kine, saharske Afrike i većeg dijela Bliskog istoka1. Niska količina padavina u sušnim i hipersušnim klimama transformirala je velike dijelove ovih regija u pustinje, pješčane dine i neobrađeno zemljište. Kontinuirana erozija vjetrom predstavlja ekološku prijetnju infrastrukturi kao što su transportne mreže, poljoprivredno zemljište i industrijsko zemljište, što dovodi do loših životnih uslova i visokih troškova urbanog razvoja u ovim regijama2,3,4. Važno je napomenuti da erozija vjetrom ne utiče samo na lokaciju na kojoj se javlja, već uzrokuje i zdravstvene i ekonomske probleme u udaljenim zajednicama jer vjetrom prenosi čestice u područja daleko od izvora5,6.
Kontrola erozije vjetrom ostaje globalni problem. Različite metode stabilizacije tla koriste se za kontrolu erozije vjetrom. Ove metode uključuju materijale kao što su nanošenje vode7, uljni malčevi8, biopolimeri5, mikrobno inducirana karbonatna taloženja (MICP)9,10,11,12 i enzimski inducirana karbonatna taloženja (EICP)1. Vlaženje tla je standardna metoda suzbijanja prašine na terenu. Međutim, njegovo brzo isparavanje čini ovu metodu ograničenom učinkovitošću u sušnim i polusušnim regijama1. Primjena uljanih malčeva povećava koheziju pijeska i trenje među česticama. Njihovo kohezivno svojstvo veže zrna pijeska zajedno; međutim, uljni malčevi također predstavljaju druge probleme; njihova tamna boja povećava apsorpciju topline i dovodi do smrti biljaka i mikroorganizama. Njihov miris i isparenja mogu uzrokovati respiratorne probleme, a najvažnije je da je njihova visoka cijena još jedna prepreka. Biopolimeri su jedna od nedavno predloženih ekološki prihvatljivih metoda za ublažavanje erozije vjetrom; ekstrahiraju se iz prirodnih izvora kao što su biljke, životinje i bakterije. Ksantan guma, guar guma, hitosan i gelan guma najčešće su korišteni biopolimeri u inženjerskim primjenama5. Međutim, biopolimeri rastvorljivi u vodi mogu izgubiti čvrstoću i iscuriti iz tla kada su izloženi vodi13,14. EICP se pokazao kao efikasna metoda suzbijanja prašine za različite primjene, uključujući neasfaltirane puteve, jalovišta i gradilišta. Iako su rezultati ohrabrujući, moraju se uzeti u obzir neki potencijalni nedostaci, kao što su cijena i nedostatak mjesta nukleacije (što ubrzava stvaranje i taloženje kristala CaCO315,16).
MICP su prvi put opisali krajem 19. stoljeća Murray i Irwin (1890) i Steinmann (1901) u svojoj studiji o razgradnji uree morskim mikroorganizmima17. MICP je prirodni biološki proces koji uključuje različite mikrobne aktivnosti i hemijske procese u kojima se kalcijum karbonat taloži reakcijom karbonatnih iona iz mikrobnih metabolita s kalcijum ionima u okolišu18,19. MICP koji uključuje ciklus dušika koji razgrađuje ureu (MICP koji razgrađuje ureu) najčešći je tip mikrobno izazvanog karbonatnog taloženja, u kojem ureaza koju proizvode bakterije katalizira hidrolizu uree20,21,22,23,24,25,26,27 na sljedeći način:
U MICP-u koji uključuje ugljikov ciklus oksidacije organskih soli (tip MICP bez degradacije uree), heterotrofne bakterije koriste organske soli poput acetata, laktata, citrata, sukcinata, oksalata, malata i glioksilata kao izvore energije za proizvodnju karbonatnih minerala28. U prisustvu kalcijum laktata kao izvora ugljika i kalcijumovih iona, hemijska reakcija formiranja kalcijum karbonata prikazana je u jednačini (5).
U MICP procesu, bakterijske ćelije obezbjeđuju mjesta nukleacije koja su posebno važna za taloženje kalcijum karbonata; površina bakterijske ćelije je negativno naelektrisana i može djelovati kao adsorbent za dvovalentne katione poput kalcijumovih iona. Adsorpcijom kalcijumovih iona na bakterijske ćelije, kada je koncentracija karbonatnih iona dovoljna, kalcijumovi kationi i karbonatni anjoni reaguju i kalcijum karbonat se taloži na bakterijskoj površini29,30. Proces se može sažeti na sljedeći način31,32:
Biogenerirani kristali kalcijum karbonata mogu se podijeliti u tri vrste: kalcit, vaterit i aragonit. Među njima, kalcit i vaterit su najčešći bakterijski inducirani alomorfi kalcijum karbonata33,34. Kalcit je termodinamički najstabilniji alomorf kalcijum karbonata35. Iako je za vaterit utvrđeno da je metastabilan, on se na kraju transformiše u kalcit36,37. Vaterit je najgušći od ovih kristala. To je heksagonalni kristal koji ima bolju sposobnost popunjavanja pora od drugih kristala kalcijum karbonata zbog svoje veće veličine38. MICP, i ureom razgrađen i ureom nerazgrađen, može dovesti do taloženja vaterita13,39,40,41.
Iako je MICP pokazao obećavajući potencijal u stabilizaciji problematičnih tala i tala podložnih eroziji vjetrom42,43,44,45,46,47,48, jedan od nusprodukata hidrolize uree je amonijak, koji može uzrokovati blage do teške zdravstvene probleme ovisno o nivou izloženosti49. Ovaj neželjeni efekat čini upotrebu ove posebne tehnologije kontroverznom, posebno kada je potrebno tretirati velike površine, kao što je suzbijanje prašine. Osim toga, miris amonijaka je nepodnošljiv kada se proces provodi pri visokim stopama primjene i velikim količinama, što može utjecati na njegovu praktičnu primjenjivost. Iako su nedavne studije pokazale da se amonijevi ioni mogu smanjiti pretvaranjem u druge proizvode poput struvita, ove metode ne uklanjaju u potpunosti amonijeve ione50. Stoga i dalje postoji potreba za istraživanjem alternativnih rješenja koja ne generiraju amonijeve ione. Upotreba puteva razgradnje koji nisu urea za MICP može pružiti potencijalno rješenje koje je slabo istraženo u kontekstu ublažavanja erozije vjetrom. Fattahi i saradnici istraživali su razgradnju MICP-a bez uree pomoću kalcijum acetata i Bacillus megaterium41, dok su Mohebbi i saradnici... korišten je kalcijev acetat i Bacillus amyloliquefaciens9. Međutim, njihova studija nije upoređena s drugim izvorima kalcija i heterotrofnim bakterijama koje bi u konačnici mogle poboljšati otpornost na eroziju vjetrom. Također nedostaje literature koja uspoređuje puteve razgradnje bez uree s putevima razgradnje uree u ublažavanju erozije vjetrom.
Osim toga, većina studija o eroziji vjetrom i kontroli prašine provedena je na uzorcima tla s ravnim površinama.1,51,52,53 Međutim, ravne površine su rjeđe u prirodi od brda i udubljenja. Zbog toga su pješčane dine najčešća karakteristika krajolika u pustinjskim regijama.
Kako bi se prevazišli gore navedeni nedostaci, cilj ove studije bio je uvođenje novog seta bakterijskih sredstava koja ne proizvode amonijak. U tu svrhu, razmatrali smo MICP puteve koji ne razgrađuju ureu. Istražena je efikasnost dva izvora kalcija (kalcijum format i kalcijum acetat). Koliko je autorima poznato, taloženje karbonata korištenjem dva izvora kalcija i kombinacija bakterija (tj. kalcijum format-Bacillus subtilis i kalcijum format-Bacillus amyloliquefaciens) nije istraživano u prethodnim studijama. Izbor ovih bakterija zasnivao se na enzimima koje proizvode, a koji kataliziraju oksidaciju kalcijum formata i kalcijum acetata, formirajući mikrobnu taloženje karbonata. Osmislili smo temeljitu eksperimentalnu studiju kako bismo pronašli optimalne faktore kao što su pH, vrste bakterija i izvora kalcija i njihove koncentracije, odnos bakterija i rastvora izvora kalcija i vrijeme sušenja. Konačno, efikasnost ovog seta bakterijskih sredstava u suzbijanju erozije vjetrom putem taloženja kalcijum karbonata istražena je provođenjem serije testova u aerotunelu na pješčanim dinama kako bi se odredila magnituda erozije vjetrom, prag brzine odvajanja i otpornost pijeska na bombardovanje vjetrom, a također su provedena i penetrometarska mjerenja i mikrostrukturne studije (npr. analiza rendgenske difrakcije (XRD) i skenirajuća elektronska mikroskopija (SEM)).
Proizvodnja kalcijum karbonata zahtijeva kalcijumove i karbonatne ione. Kalcijumovi ioni se mogu dobiti iz različitih izvora kalcijuma kao što su kalcijum hlorid, kalcijum hidroksid i obrano mlijeko u prahu54,55. Karbonatni ioni mogu se proizvesti različitim mikrobnim metodama kao što su hidroliza uree i aerobna ili anaerobna oksidacija organske materije56. U ovoj studiji, karbonatni ioni su dobijeni reakcijom oksidacije formata i acetata. Pored toga, koristili smo kalcijumove soli formata i acetata za proizvodnju čistog kalcijum karbonata, tako da su kao nusproizvodi dobijeni samo CO2 i H2O. U ovom procesu, samo jedna supstanca služi kao izvor kalcijuma i izvor karbonata, a ne proizvodi se amonijak. Ove karakteristike čine metodu proizvodnje izvora kalcijuma i karbonata koju smo smatrali veoma obećavajućom.
Odgovarajuće reakcije kalcijum formata i kalcijum acetata koje formiraju kalcijum karbonat prikazane su u formulama (7)-(14). Formule (7)-(11) pokazuju da se kalcijum format rastvara u vodi i formira mravlju kiselinu ili format. Otopina je stoga izvor slobodnog kalcijum i hidroksidnih iona (formule 8 i 9). Kao rezultat oksidacije mravlje kiseline, atomi ugljika u mravljoj kiselini pretvaraju se u ugljik dioksid (formula 10). Na kraju se formira kalcijum karbonat (formule 11 i 12).
Slično tome, kalcijum karbonat se formira iz kalcijum acetata (jednačine 13-15), osim što se umjesto mravlje kiseline formira sirćetna kiselina ili acetat.
Bez prisustva enzima, acetat i format se ne mogu oksidirati na sobnoj temperaturi. FDH (format dehidrogenaza) i CoA (koenzim A) kataliziraju oksidaciju formata i acetata, formirajući ugljik dioksid, respektivno (jednačine 16, 17) 57, 58, 59. Različite bakterije su sposobne proizvoditi ove enzime, a heterotrofne bakterije, naime Bacillus subtilis (PTCC #1204 (Perzijska kolekcija tipskih kultura), također poznata kao NCIMB #13061 (Međunarodna kolekcija bakterija, kvasca, faga, plazmida, biljnog sjemena i kultura biljnog ćelijskog tkiva)) i Bacillus amyloliquefaciens (PTCC #1732, NCIMB #12077), korištene su u ovoj studiji. Ove bakterije su uzgajane u mediju koji sadrži mesni pepton (5 g/L) i mesni ekstrakt (3 g/L), nazvanom hranjivi bujon (NBR) (105443 Merck).
Stoga su pripremljene četiri formulacije za indukciju taloženja kalcijum karbonata korištenjem dva izvora kalcijuma i dvije bakterije: kalcijum format i Bacillus subtilis (FS), kalcijum format i Bacillus amyloliquefaciens (FA), kalcijum acetat i Bacillus subtilis (AS), te kalcijum acetat i Bacillus amyloliquefaciens (AA).
U prvom dijelu eksperimentalnog dizajna, provedeni su testovi kako bi se odredila optimalna kombinacija koja bi postigla maksimalnu proizvodnju kalcijum karbonata. Budući da su uzorci tla sadržavali kalcijum karbonat, osmišljen je set preliminarnih testova evaluacije kako bi se precizno izmjerio CaCO3 proizveden različitim kombinacijama, a procijenjene su i mješavine podloge za kulturu i rastvora izvora kalcija. Za svaku kombinaciju izvora kalcija i rastvora bakterija definiranu gore (FS, FA, AS i AA), izvedeni su faktori optimizacije (koncentracija izvora kalcija, vrijeme sušenja, koncentracija rastvora bakterija mjerena optičkom gustoćom rastvora (OD), omjer izvora kalcija i rastvora bakterija i pH) i korišteni su u testovima aerotunela za obradu pješčanih dina opisanim u sljedećim odjeljcima.
Za svaku kombinaciju provedeno je 150 eksperimenata kako bi se proučio učinak taloženja CaCO3 i procijenili različiti faktori, i to koncentracija izvora kalcija, vrijeme sušenja, bakterijska optička gustoća (OD), odnos izvora kalcija i bakterijske otopine i pH tokom aerobne oksidacije organske tvari (Tabela 1). Raspon pH za optimizirani proces odabran je na osnovu krivulja rasta Bacillus subtilis i Bacillus amyloliquefaciens kako bi se postigao brži rast. Ovo je detaljnije objašnjeno u odjeljku Rezultati.
Sljedeći koraci su korišteni za pripremu uzoraka za fazu optimizacije. MICP rastvor je prvo pripremljen podešavanjem početnog pH medija za kulturu, a zatim autoklaviran na 121 °C tokom 15 minuta. Soj je zatim inokuliran u laminarnom protoku zraka i održavan u inkubatoru za trešenje na 30 °C i 180 rpm. Kada je optička gustoća (OD) bakterija dostigla željeni nivo, pomiješana je sa rastvorom izvora kalcija u željenom omjeru (Slika 1a). MICP rastvor je ostavljen da reaguje i očvrsne u inkubatoru za trešenje na 220 rpm i 30 °C tokom vremena koje je dostiglo ciljanu vrijednost. Precipitovani CaCO3 je odvojen nakon centrifugiranja na 6000 g tokom 5 minuta, a zatim osušen na 40 °C kako bi se pripremili uzorci za kalcimetrijski test (Slika 1b). Precipitacija CaCO3 je zatim izmjerena pomoću Bernard kalcimetra, gdje CaCO3 prah reaguje sa 1,0 N HCl (ASTM-D4373-02) dajući CO2, a volumen ovog gasa je mjera sadržaja CaCO3 (Slika 1c). Da bi se volumen CO2 pretvorio u sadržaj CaCO3, generisana je kalibraciona krivulja pranjem čistog CaCO3 praha sa 1 N HCl i njegovim prikazivanjem u odnosu na razvijeni CO2. Morfologija i čistoća istaloženog CaCO3 praha ispitane su pomoću SEM snimanja i XRD analize. Optički mikroskop sa uvećanjem od 1000 korišten je za proučavanje formiranja kalcijum karbonata oko bakterija, faze formiranog kalcijum karbonata i aktivnosti bakterija.
Sliv Dejegh je dobro poznato područje s visokom erodacijom u jugozapadnoj iranskoj provinciji Fars, a istraživači su prikupili uzorke tla erodiranog vjetrom s tog područja. Uzorci su za potrebe studije uzeti s površine tla. Indikatorski testovi na uzorcima tla pokazali su da je tlo bilo slabo sortirano pjeskovito tlo s muljem i klasificirano kao SP-SM prema Jedinstvenom sistemu klasifikacije tla (USC) (Slika 2a). XRD analiza je pokazala da se tlo Dejegh uglavnom sastoji od kalcita i kvarca (Slika 2b). Osim toga, EDX analiza je pokazala da su i drugi elementi poput Al, K i Fe prisutni u manjim omjerima.
Da bi se laboratorijske dine pripremile za ispitivanje erozije vjetrom, tlo je drobljeno sa visine od 170 mm kroz lijevak promjera 10 mm do čvrste površine, što je rezultiralo tipičnom dinom visine 60 mm i promjera 210 mm. U prirodi, pješčane dine najniže gustoće nastaju eolskim procesima. Slično tome, uzorak pripremljen korištenjem gore navedenog postupka imao je najnižu relativnu gustoću, γ = 14,14 kN/m³, formirajući pješčani konus nanesen na horizontalnu površinu s kutom mirovanja od približno 29,7°.
Optimalna MICP otopina dobivena u prethodnom odjeljku poprskana je po padini dine u količinama od 1, 2 i 3 lm-2, a zatim su uzorci pohranjeni u inkubatoru na 30 °C (Sl. 3) tokom 9 dana (tj. optimalno vrijeme sušenja), a zatim izneseni na ispitivanje u aerotunelu.
Za svaki tretman pripremljena su četiri uzorka, jedan za mjerenje sadržaja kalcijum karbonata i površinske čvrstoće pomoću penetrometra, a preostala tri uzorka korištena su za testove erozije pri tri različite brzine. U testovima u aerotunelu, količina erozije određena je pri različitim brzinama vjetra, a zatim je prag brzine odvajanja za svaki uzorak tretmana određen korištenjem grafikona količine erozije u odnosu na brzinu vjetra. Pored testova erozije vjetrom, tretirani uzorci su podvrgnuti bombardovanju pijeskom (tj. eksperimentima skakanja). U tu svrhu pripremljena su još dva uzorka sa brzinama primjene od 2 i 3 L m−2. Test bombardovanja pijeskom trajao je 15 minuta sa fluksom od 120 gm−1, što je unutar raspona vrijednosti odabranih u prethodnim studijama 60,61,62. Horizontalna udaljenost između abrazivne mlaznice i baze dine bila je 800 mm, smještena 100 mm iznad dna tunela. Ovaj položaj je postavljen tako da gotovo sve čestice pijeska koje skaču padu na dinu.
Ispitivanje u aerotunelu provedeno je u otvorenom aerotunelu dužine 8 m, širine 0,4 m i visine 1 m (Slika 4a). Aerotunel je izrađen od pocinčanih čeličnih limova i može generirati brzinu vjetra do 25 m/s. Osim toga, frekventni pretvarač se koristi za podešavanje frekvencije ventilatora i postepeno povećanje frekvencije kako bi se postigla ciljana brzina vjetra. Slika 4b prikazuje shematski dijagram pješčanih dina erodiranih vjetrom i profil brzine vjetra izmjeren u aerotunelu.
Konačno, kako bi se uporedili rezultati ne-urealitičke MICP formulacije predložene u ovoj studiji sa rezultatima urealitičkog MICP kontrolnog testa, uzorci dina su također pripremljeni i tretirani biološkim rastvorom koji sadrži ureu, kalcijum hlorid i Sporosarcina pasteurii (budući da Sporosarcina pasteurii ima značajnu sposobnost proizvodnje ureaze63). Optička gustina bakterijskog rastvora bila je 1,5, a koncentracije uree i kalcijum hlorida bile su 1 M (odabrane na osnovu vrijednosti preporučenih u prethodnim studijama36,64,65). Podloga za kulturu sastojala se od hranjivog bujona (8 g/L) i uree (20 g/L). Bakterijski rastvor je poprskan po površini dine i ostavljen 24 sata radi vezivanja bakterija. Nakon 24 sata vezivanja, poprskana je cementirajuća otopina (kalcijum hlorid i urea). Urealitički MICP kontrolni test u daljem tekstu se naziva UMC. Sadržaj kalcijum karbonata u uralički i neuralički tretiranim uzorcima tla dobijen je pranjem prema postupku koji su predložili Choi i saradnici.66
Slika 5 prikazuje krivulje rasta Bacillus amyloliquefaciens i Bacillus subtilis u mediju za kulturu (hranjivoj otopini) s početnim pH rasponom od 5 do 10. Kao što je prikazano na slici, Bacillus amyloliquefaciens i Bacillus subtilis su brže rasli pri pH 6-8 i 7-9, respektivno. Stoga je ovaj pH raspon usvojen u fazi optimizacije.
Krive rasta (a) Bacillus amyloliquefaciens i (b) Bacillus subtilis pri različitim početnim pH vrijednostima hranjive podloge.
Slika 6 prikazuje količinu ugljičnog dioksida proizvedenog u Bernardovom krečometru, koji predstavlja istaloženi kalcijev karbonat (CaCO3). Budući da je jedan faktor bio fiksan u svakoj kombinaciji, a ostali faktori su varirali, svaka tačka na ovim grafovima odgovara maksimalnoj zapremini ugljičnog dioksida u tom skupu eksperimenata. Kao što je prikazano na slici, kako se koncentracija izvora kalcija povećavala, povećavala se i proizvodnja kalcijevog karbonata. Stoga, koncentracija izvora kalcija direktno utiče na proizvodnju kalcijevog karbonata. Budući da su izvor kalcija i izvor ugljika isti (tj. kalcijev format i kalcijev acetat), što se više kalcijevih iona oslobađa, to se više kalcijevog karbonata formira (Slika 6a). U formulacijama AS i AA, proizvodnja kalcijevog karbonata nastavila se povećavati s povećanjem vremena sušenja sve dok količina taloga nije bila gotovo nepromijenjena nakon 9 dana. U formulaciji FA, brzina stvaranja kalcijevog karbonata smanjila se kada je vrijeme sušenja prešlo 6 dana. U poređenju s drugim formulacijama, formulacija FS pokazala je relativno nisku brzinu stvaranja kalcijevog karbonata nakon 3 dana (Slika 6b). U formulacijama FA i FS, 70% i 87% ukupne proizvodnje kalcijum karbonata dobijeno je nakon tri dana, dok je u formulacijama AA i AS ovaj udio bio samo oko 46% odnosno 45%. To ukazuje na to da formulacija na bazi mravlje kiseline ima veću brzinu stvaranja CaCO3 u početnoj fazi u poređenju sa formulacijom na bazi acetata. Međutim, brzina stvaranja se usporava sa povećanjem vremena stvrdnjavanja. Iz slike 6c se može zaključiti da čak i pri koncentracijama bakterija iznad OD1, nema značajnog doprinosa stvaranju kalcijum karbonata.
Promjena volumena CO2 (i odgovarajućeg sadržaja CaCO3) mjerena Bernard kalcimetrom kao funkcija (a) koncentracije izvora kalcija, (b) vremena vezivanja, (c) optičke gustoće (OD), (d) početnog pH, (e) odnosa izvora kalcija i bakterijskog rastvora (za svaku formulaciju); i (f) maksimalne količine kalcijum karbonata proizvedene za svaku kombinaciju izvora kalcija i bakterija.
Što se tiče utjecaja početnog pH medija, Slika 6d pokazuje da je za FA i FS, proizvodnja CaCO3 dostigla maksimalnu vrijednost pri pH 7. Ovo zapažanje je u skladu s prethodnim studijama da su FDH enzimi najstabilniji pri pH 7-6,7. Međutim, za AA i AS, precipitacija CaCO3 se povećala kada je pH premašio 7. Prethodne studije su također pokazale da je optimalni raspon pH za aktivnost CoA enzima od 8 do 9,2-6,8. S obzirom na to da su optimalni rasponi pH za aktivnost CoA enzima i rast B. amyloliquefaciens (8-9,2) i (6-8), respektivno (Slika 5a), očekuje se da će optimalni pH formulacije AA biti 8, a dva raspona pH se preklapaju. Ova činjenica je potvrđena eksperimentima, kao što je prikazano na Slici 6d. Budući da je optimalni pH za rast B. subtilis 7-9 (Slika 5b), a optimalni pH za aktivnost CoA enzima 8-9,2, očekuje se da će maksimalni prinos taloženja CaCO3 biti u rasponu pH od 8-9, što potvrđuje Slika 6d (tj. optimalni pH taloženja je 9). Rezultati prikazani na Slici 6e pokazuju da je optimalni omjer otopine izvora kalcija i bakterijske otopine 1 i za acetatne i za formatne otopine. Poređenja radi, performanse različitih formulacija (tj. AA, AS, FA i FS) procijenjene su na osnovu maksimalne proizvodnje CaCO3 pod različitim uvjetima (tj. koncentracija izvora kalcija, vrijeme stvrdnjavanja, optička gustoća (OD), omjer izvora kalcija i bakterijske otopine i početni pH). Među proučavanim formulacijama, formulacija FS imala je najveću proizvodnju CaCO3, koja je bila približno tri puta veća od formulacije AA (Slika 6f). Četiri kontrolna eksperimenta bez bakterija provedena su za oba izvora kalcija i nije uočeno taloženje CaCO3 nakon 30 dana.
Slike optičke mikroskopije svih formulacija pokazale su da je vaterit glavna faza u kojoj se formirao kalcijum karbonat (Slika 7). Kristali vaterita bili su sfernog oblika 69,70,71. Utvrđeno je da se kalcijum karbonat taložio na bakterijskim ćelijama jer je površina bakterijskih ćelija bila negativno naelektrisana i mogla je djelovati kao adsorbent za dvovalentne katione. Uzimajući formulaciju FS kao primjer u ovoj studiji, nakon 24 sata, kalcijum karbonat se počeo formirati na nekim bakterijskim ćelijama (Slika 7a), a nakon 48 sati, broj bakterijskih ćelija obloženih kalcijum karbonatom značajno se povećao. Osim toga, kao što je prikazano na Slici 7b, mogle su se detektovati i čestice vaterita. Konačno, nakon 72 sata, čini se da je veliki broj bakterija vezan za kristale vaterita, a broj čestica vaterita značajno se povećao (Slika 7c).
Optička mikroskopska posmatranja precipitacije CaCO3 u sastavima FS tokom vremena: (a) 24, (b) 48 i (c) 72 sata.
Kako bi se dalje istražila morfologija istaložene faze, provedene su rendgenska difrakcijska (XRD) i SEM analiza prahova. XRD spektri (slika 8a) i SEM mikrografije (slika 8b, c) potvrdili su prisustvo kristala vaterita, budući da su imali oblik sličan salati, a uočena je i podudarnost između vrhova vaterita i vrhova taloga.
(a) Poređenje rendgenskih difrakcijskih spektara formiranog CaCO3 i vaterita. SEM mikrografije vaterita pri (b) uvećanju od 1 kHz i (c) od 5,27 kHz, respektivno.
Rezultati ispitivanja u aerotunelu prikazani su na slici 9a, b. Iz slike 9a se može vidjeti da je granična brzina erozije (TDV) netretiranog pijeska oko 4,32 m/s. Pri brzini primjene od 1 l/m² (slika 9a), nagibi linija brzine gubitka tla za frakcije FA, FS, AA i UMC približno su isti kao i za netretiranu dinu. To ukazuje na to da je tretman pri ovoj brzini primjene neefikasan i čim brzina vjetra premaši TDV, tanka kora tla nestaje i brzina erozije dine je ista kao i za netretiranu dinu. Nagib erozije frakcije AS je također niži od nagiba ostalih frakcija s nižim apscisama (tj. TDV) (slika 9a). Strelice na slici 9b pokazuju da pri maksimalnoj brzini vjetra od 25 m/s nije došlo do erozije u tretiranim dinama pri brzinama primjene od 2 i 3 l/m². Drugim riječima, za FS, FA, AS i UMC, dine su bile otpornije na eroziju vjetrom uzrokovanu taloženjem CaCO³ pri stopama primjene od 2 i 3 l/m² nego pri maksimalnoj brzini vjetra (tj. 25 m/s). Stoga je TDV vrijednost od 25 m/s dobijena u ovim testovima donja granica za stope primjene prikazane na slici 9b, osim u slučaju AA, gdje je TDV gotovo jednaka maksimalnoj brzini u aerotunelu.
Test erozije vjetrom (a) Gubitak težine u odnosu na brzinu vjetra (količina primjene 1 l/m2), (b) Prag brzine kidanja u odnosu na brzinu primjene i formulaciju (CA za kalcijev acetat, CF za kalcijev format).
Slika 10 prikazuje površinsku eroziju pješčanih dina tretiranih različitim formulacijama i stopama primjene nakon testa bombardiranja pijeskom, a kvantitativni rezultati su prikazani na Slici 11. Neobrađeni slučaj nije prikazan jer nije pokazao otpornost i potpuno je erodirao (ukupni gubitak mase) tokom testa bombardiranja pijeskom. Iz Slike 11 je jasno da je uzorak tretiran biokompozicijom AA izgubio 83,5% svoje težine pri stopi primjene od 2 l/m2, dok su svi ostali uzorci pokazali manje od 30% erozije tokom procesa bombardiranja pijeskom. Kada je stopa primjene povećana na 3 l/m2, svi tretirani uzorci izgubili su manje od 25% svoje težine. Pri obje stope primjene, spoj FS pokazao je najbolju otpornost na bombardiranje pijeskom. Maksimalna i minimalna otpornost na bombardiranje u uzorcima tretiranim FS i AA može se pripisati njihovoj maksimalnoj i minimalnoj precipitaciji CaCO3 (Slika 6f).
Rezultati bombardiranja pješčanih dina različitog sastava pri protoku od 2 i 3 l/m2 (strelice označavaju smjer vjetra, križići označavaju smjer vjetra okomit na ravan crteža).
Kao što je prikazano na Slici 12, sadržaj kalcijum karbonata u svim formulama se povećavao kako se stopa primjene povećavala sa 1 L/m² na 3 L/m². Osim toga, pri svim stopama primjene, formula sa najvećim sadržajem kalcijum karbonata bila je FS, a zatim FA i UMC. To ukazuje na to da ove formule mogu imati veću površinsku otpornost.
Slika 13a prikazuje promjenu površinskog otpora netretiranih, kontrolnih i tretiranih uzoraka tla mjerenu permeametrom. Iz ove slike je vidljivo da se površinski otpor formulacija UMC, AS, FA i FS značajno povećao s povećanjem brzine primjene. Međutim, povećanje površinske čvrstoće bilo je relativno malo kod formulacije AA. Kao što je prikazano na slici, formulacije FA i FS MICP-a koji nije razgrađen ureom imaju bolju površinsku propusnost u poređenju s MICP-om razgrađenim ureom. Slika 13b prikazuje promjenu TDV-a s otporom površine tla. Iz ove slike je jasno vidljivo da će za dine s površinskim otporom većim od 100 kPa, granična brzina skidanja premašiti 25 m/s. Budući da se površinski otpor in situ može lako izmjeriti permeametrom, ovo znanje može pomoći u procjeni TDV-a u odsustvu ispitivanja u aerotunelu, te na taj način služiti kao indikator kontrole kvalitete za terenske primjene.
Rezultati SEM-a prikazani su na Slici 14. Slike 14a-b prikazuju uvećane čestice netretiranog uzorka tla, što jasno ukazuje na to da je kohezivno i da nema prirodno vezivanje ili cementaciju. Slika 14c prikazuje SEM mikrografiju kontrolnog uzorka tretiranog MICP-om razgrađenim ureom. Ova slika pokazuje prisustvo CaCO3 taloga kao polimorfa kalcita. Kao što je prikazano na slikama 14d-o, istaloženi CaCO3 veže čestice zajedno; sferni kristali vaterita također se mogu identificirati na SEM mikrografijama. Rezultati ove i prethodnih studija pokazuju da CaCO3 veze formirane kao polimorfi vaterita također mogu pružiti razumnu mehaničku čvrstoću; naši rezultati pokazuju da se površinski otpor povećava na 350 kPa, a prag brzine odvajanja povećava se sa 4,32 na više od 25 m/s. Ovaj rezultat je u skladu s rezultatima prethodnih studija koje su pokazale da je matrica CaCO3 istaloženog MICP-om vaterit, koji ima razumnu mehaničku čvrstoću i otpornost na eroziju vjetrom13,40 te da može održati razumnu otpornost na eroziju vjetrom čak i nakon 180 dana izlaganja uvjetima okoline na terenu13.
(a, b) SEM mikrografije netretiranog tla, (c) MICP kontrola degradacije uree, (df) uzorci tretirani AA, (gi) uzorci tretirani AS, (jl) uzorci tretirani FA i (mo) uzorci tretirani FS pri brzini primjene od 3 L/m2 pri različitim uvećanjima.
Slika 14d-f pokazuje da je nakon tretmana AA spojevima, kalcijum karbonat istaložen na površini i između zrna pijeska, dok su uočena i neka neobložena zrna pijeska. Kod AS komponenti, iako se količina formiranog CaCO3 nije značajno povećala (slika 6f), količina kontakata između zrna pijeska uzrokovanih CaCO3 značajno se povećala u poređenju sa AA spojevima (slika 14g-i).
Iz slika 14j-l i 14m-o jasno je da upotreba kalcijum formata kao izvora kalcijuma dovodi do daljeg povećanja taloženja CaCO3 u poređenju sa AS spojem, što je u skladu sa mjerenjima kalcijummetra na slici 6f. Čini se da se ovaj dodatni CaCO3 uglavnom taloži na česticama pijeska i ne poboljšava nužno kvalitet kontakta. Ovo potvrđuje prethodno uočeno ponašanje: uprkos razlikama u količini taloženja CaCO3 (slika 6f), tri formulacije (AS, FA i FS) se ne razlikuju značajno u pogledu antieolskih (vjetrovnih) performansi (slika 11) i površinskog otpora (slika 13a).
Kako bi se bolje vizualizirale bakterijske ćelije obložene CaCO3 i bakterijski otisak na istaloženim kristalima, napravljene su SEM mikrografije visokog uvećanja, a rezultati su prikazani na Slici 15. Kao što je prikazano, kalcijum karbonat se taloži na bakterijskim ćelijama i obezbjeđuje jezgra potrebna za taloženje tamo. Slika također prikazuje aktivne i neaktivne veze indukovane CaCO3. Može se zaključiti da svako povećanje neaktivnih veza ne mora nužno dovesti do daljnjeg poboljšanja mehaničkog ponašanja. Stoga, povećanje taloženja CaCO3 ne mora nužno dovesti do veće mehaničke čvrstoće, a obrazac taloženja igra važnu ulogu. Ova tačka je također proučavana u radovima Terzisa i Lalouija72 i Soghija i Al-Kabanija45,73. Da bi se dalje istražio odnos između obrasca taloženja i mehaničke čvrstoće, preporučuju se MICP studije korištenjem µCT snimanja, što je izvan okvira ove studije (tj. uvođenje različitih kombinacija izvora kalcijuma i bakterija za MICP bez amonijaka).
CaCO3 je indukovao aktivne i neaktivne veze u uzorcima tretiranim (a) AS sastavom i (b) FS sastavom i ostavio otisak bakterijskih ćelija na sedimentu.
Kao što je prikazano na slikama 14j-o i 15b, postoji CaCO3 film (prema EDX analizi, procentualni sastav svakog elementa u filmu je ugljik 11%, kisik 46,62% i kalcij 42,39%, što je vrlo blizu procentualnom udjelu CaCO3 na slici 16). Ovaj film prekriva kristale vaterita i čestice tla, pomažući u održavanju integriteta sistema tlo-sediment. Prisustvo ovog filma uočeno je samo u uzorcima tretiranim formulacijom na bazi formata.
Tabela 2 upoređuje površinsku čvrstoću, prag brzine odvajanja i bioinducirani sadržaj CaCO3 u tlu tretiranom MICP putevima koji razgrađuju i koji ne razgrađuju ureu u prethodnim studijama i ovoj studiji. Studije o otpornosti uzoraka dina tretiranih MICP-om na eroziju vjetrom su ograničene. Meng i saradnici istraživali su otpornost uzoraka dina koji razgrađuju ureu tretiranih MICP-om na eroziju vjetrom koristeći puhač lišća,13 dok su u ovoj studiji uzorci dina koji ne razgrađuju ureu (kao i kontrolni uzorci koji razgrađuju ureu) testirani u aerotunelu i tretirani sa četiri različite kombinacije bakterija i supstanci.
Kao što se može vidjeti, neke prethodne studije su razmatrale visoke stope primjene koje prelaze 4 L/m213,41,74. Vrijedi napomenuti da visoke stope primjene možda neće biti lako primjenjive na terenu sa ekonomske tačke gledišta zbog troškova povezanih sa vodosnabdijevanjem, transportom i primjenom velikih količina vode. Niže stope primjene, kao što je 1,62-2 L/m2, također su postigle prilično dobre površinske čvrstoće do 190 kPa i TDV preko 25 m/s. U ovoj studiji, dine tretirane MICP-om na bazi formata bez degradacije uree postigle su visoke površinske čvrstoće koje su bile uporedive sa onima dobijenim putem degradacije uree u istom rasponu stopa primjene (tj. uzorci tretirani MICP-om na bazi formata bez degradacije uree također su mogli postići isti raspon vrijednosti površinske čvrstoće kao što su izvijestili Meng i saradnici, 13, Slika 13a) pri većim stopama primjene. Također se može vidjeti da je pri količini primjene od 2 L/m2, prinos kalcijevog karbonata za ublažavanje erozije vjetrom pri brzini vjetra od 25 m/s bio 2,25% za MICP na bazi formata bez razgradnje uree, što je vrlo blizu potrebnoj količini CaCO3 (tj. 2,41%) u poređenju s dinama tretiranim kontrolnim MICP-om s razgradnjom uree pri istoj količini primjene i istoj brzini vjetra (25 m/s).
Dakle, iz ove tabele se može zaključiti da i put degradacije uree i put degradacije bez uree mogu pružiti prilično prihvatljive performanse u smislu površinske otpornosti i TDV-a. Glavna razlika je u tome što put degradacije bez uree ne sadrži amonijak i stoga ima manji utjecaj na okoliš. Osim toga, čini se da MICP metoda na bazi formata bez degradacije uree, predložena u ovoj studiji, daje bolje rezultate od MICP metode na bazi acetata bez degradacije uree. Iako su Mohebbi i saradnici proučavali MICP metodu na bazi acetata bez degradacije uree, njihova studija je uključivala uzorke na ravnim površinama9. Zbog većeg stepena erozije uzrokovane stvaranjem vrtloga oko uzoraka dina i rezultirajućeg smicanja, što rezultira nižim TDV-om, očekuje se da će erozija uzoraka dina vjetrom biti očiglednija od erozije ravnih površina pri istoj brzini.