Paldies, ka apmeklējāt vietni nature.com. Jūsu izmantotajai pārlūkprogrammas versijai ir ierobežots CSS atbalsts. Lai nodrošinātu vislabāko pieredzi, iesakām izmantot jaunāko pārlūkprogrammas versiju (vai izslēgt saderības režīmu pārlūkprogrammā Internet Explorer). Turklāt, lai nodrošinātu nepārtrauktu atbalstu, šajā vietnē netiks iekļauti stili vai JavaScript.
Putekļu vētras rada nopietnus draudus daudzām pasaules valstīm to destruktīvās ietekmes uz lauksaimniecību, cilvēku veselību, transporta tīkliem un infrastruktūru dēļ. Tā rezultātā vēja erozija tiek uzskatīta par globālu problēmu. Viena no videi draudzīgām pieejām vēja erozijas ierobežošanai ir mikrobu inducētas karbonātu nogulsnēšanās (MICP) izmantošana. Tomēr urīnvielas noārdīšanās rezultātā iegūtie MICP blakusprodukti, piemēram, amonjaks, nav ideāli, ja tos ražo lielos daudzumos. Šajā pētījumā ir piedāvātas divas kalcija formiāta baktēriju formulas MICP noārdīšanai, neražojot urīnvielu, un vispusīgi salīdzināta to veiktspēja ar divām kalcija acetāta baktēriju formulām, kas neražo amonjaku. Aplūkotās baktērijas ir Bacillus subtilis un Bacillus amyloliquefaciens. Vispirms tika noteiktas optimizētās CaCO3 veidošanos kontrolējošo faktoru vērtības. Pēc tam tika veikti vēja tuneļa testi ar smilšu kāpu paraugiem, kas apstrādāti ar optimizētajām formulām, un tika mērīta vēja erozijas izturība, atdalīšanas sliekšņa ātrums un smilšu bombardēšanas izturība. Kalcija karbonāta (CaCO3) alomorfas tika novērtētas, izmantojot optisko mikroskopiju, skenējošo elektronu mikroskopiju (SEM) un rentgenstaru difrakcijas analīzi. Kalcija karbonāta veidošanās ziņā uz kalcija formiāta bāzes veidotie preparāti bija ievērojami labāki nekā uz acetāta bāzes veidotie preparāti. Turklāt B. subtilis ražoja vairāk kalcija karbonāta nekā B. amyloliquefaciens. SEM mikroattēli skaidri parādīja aktīvo un neaktīvo baktēriju saistīšanos un nospiedumu uz kalcija karbonāta, ko izraisa sedimentācija. Visi preparāti ievērojami samazināja vēja eroziju.
Vēja erozija jau sen ir atzīta par nopietnu problēmu, ar ko saskaras sausie un daļēji sausie reģioni, piemēram, ASV dienvidrietumi, Ķīnas rietumi, Sahāras Āfrika un liela daļa Tuvo Austrumu1. Zems nokrišņu daudzums sausos un hipersausos klimatiskajos apstākļos ir pārveidojis lielas šo reģionu daļas par tuksnešiem, smilšu kāpām un neapstrādātām zemēm. Pastāvīgā vēja erozija rada vides draudus infrastruktūrai, piemēram, transporta tīkliem, lauksaimniecības zemei ​​un rūpnieciskajai zemei, izraisot sliktus dzīves apstākļus un augstas pilsētu attīstības izmaksas šajos reģionos2,3,4. Svarīgi ir tas, ka vēja erozija ietekmē ne tikai vietu, kur tā notiek, bet arī rada veselības un ekonomiskās problēmas attālās kopienās, jo tā ar vēju pārnes daļiņas uz apgabaliem, kas atrodas tālu no avota5,6.
Vēja erozijas kontrole joprojām ir globāla problēma. Vēja erozijas kontrolei tiek izmantotas dažādas augsnes stabilizācijas metodes. Šīs metodes ietver tādus materiālus kā ūdens lietošana7, eļļas mulčas8, biopolimēri5, mikrobu inducēta karbonātu nogulsnēšanās (MICP)9,10,11,12 un enzīmu inducēta karbonātu nogulsnēšanās (EICP)1. Augsnes mitrināšana ir standarta putekļu ierobežošanas metode laukā. Tomēr tās straujā iztvaikošana padara šo metodi par ierobežotu efektivitāti sausos un daļēji sausos reģionos1. Eļļas mulčas maisījumu lietošana palielina smilšu kohēziju un starpdaļiņu berzi. To kohēzijas īpašība saista smilšu graudus kopā; tomēr eļļas mulčas rada arī citas problēmas; to tumšā krāsa palielina siltuma absorbciju un noved pie augu un mikroorganismu nāves. To smaka un izgarojumi var izraisīt elpošanas problēmas, un, pats galvenais, to augstās izmaksas ir vēl viens šķērslis. Biopolimēri ir viena no nesen ierosinātajām videi draudzīgajām metodēm vēja erozijas mazināšanai; tos iegūst no dabīgiem avotiem, piemēram, augiem, dzīvniekiem un baktērijām. Ksantāna sveķi, guāra sveķi, hitīna un gellāna sveķi ir visbiežāk izmantotie biopolimēri inženiertehniskajos pielietojumos5. Tomēr ūdenī šķīstoši biopolimēri var zaudēt izturību un izskaloties no augsnes, nonākot saskarē ar ūdeni13,14. Ir pierādīts, ka EICP ir efektīva putekļu slāpēšanas metode dažādiem pielietojumiem, tostarp neasfaltētiem ceļiem, atkritumu dīķiem un būvlaukumiem. Lai gan tās rezultāti ir iepriecinoši, jāņem vērā daži iespējamie trūkumi, piemēram, izmaksas un kodolu veidošanās vietu trūkums (kas paātrina CaCO3 kristālu veidošanos un nogulsnēšanos15,16).
MICP pirmo reizi aprakstīja 19. gadsimta beigās Marejs un Irvins (1890) un Šteinmans (1901) savā pētījumā par urīnvielas noārdīšanos jūras mikroorganismu ietekmē17. MICP ir dabiski notiekošs bioloģisks process, kurā iesaistītas dažādas mikrobu aktivitātes un ķīmiskie procesi, kuros kalcija karbonāts tiek nogulsnēts, mikrobu metabolītu karbonātu joniem reaģējot ar kalcija joniem vidē18,19. MICP, kas ietver urīnvielu noārdošo slāpekļa ciklu (urīnvielu noārdošais MICP), ir visizplatītākais mikrobu izraisītas karbonātu nogulsnēšanās veids, kurā baktēriju ražotā ureāze katalizē urīnvielas hidrolīzi20,21,22,23,24,25,26,27 šādi:
MICP, kas ietver organisko sāļu oksidācijas oglekļa ciklu (MICP bez urīnvielas degradācijas tipa), heterotrofās baktērijas izmanto organiskos sāļus, piemēram, acetātu, laktātu, citrātu, sukcinātu, oksalātu, malātu un glioksilātu, kā enerģijas avotus, lai ražotu karbonātu minerālus28. Kalcija laktāta kā oglekļa avota un kalcija jonu klātbūtnē kalcija karbonāta veidošanās ķīmiskā reakcija ir parādīta vienādojumā (5).
MICP procesā baktēriju šūnas nodrošina kodolu veidošanās vietas, kas ir īpaši svarīgas kalcija karbonāta nogulsnēšanai; baktēriju šūnas virsma ir negatīvi lādēta un var darboties kā adsorbents divvērtīgiem katjoniem, piemēram, kalcija joniem. Adsorbējot kalcija jonus uz baktēriju šūnām, kad karbonāta jonu koncentrācija ir pietiekama, kalcija katjoni un karbonāta anjoni reaģē, un kalcija karbonāts tiek nogulsnēts uz baktēriju virsmas29,30. Procesu var apkopot šādi31,32:
Bioģenerētos kalcija karbonāta kristālus var iedalīt trīs veidos: kalcīts, vaterīts un aragonīts. Starp tiem kalcīts un vaterīts ir visizplatītākie baktēriju inducētie kalcija karbonāta alomorfi33,34. Kalcīts ir termodinamiski visstabilākais kalcija karbonāta alomorfs35. Lai gan ir ziņots, ka vaterīts ir metastabils, tas galu galā pārvēršas kalcītā36,37. Vaterīts ir visblīvākais no šiem kristāliem. Tas ir sešstūrains kristāls, kam ir labāka poru aizpildīšanas spēja nekā citiem kalcija karbonāta kristāliem, pateicoties tā lielākajam izmēram38. Gan urīnvielas degradētais, gan urīnvielas nedegradētais MICP var izraisīt vaterīta nogulsnēšanos13,39,40,41.
Lai gan MICP ir uzrādījis daudzsološu potenciālu problemātisku augsņu un vēja erozijai pakļautu augsņu stabilizācijā42,43,44,45,46,47,48, viens no urīnvielas hidrolīzes blakusproduktiem ir amonjaks, kas atkarībā no iedarbības līmeņa var izraisīt no vieglas līdz smagas veselības problēmas49. Šī blakusparādība padara šīs konkrētās tehnoloģijas izmantošanu pretrunīgu, īpaši, ja jāapstrādā lielas platības, piemēram, putekļu slāpēšanai. Turklāt amonjaka smaka ir nepanesama, ja process tiek veikts ar lielu lietošanas devu un lielu daudzumu, kas var ietekmēt tā praktisko pielietojamību. Lai gan jaunākie pētījumi ir parādījuši, ka amonija jonus var samazināt, pārveidojot tos citos produktos, piemēram, struvītā, šīs metodes pilnībā nenoņem amonija jonus50. Tāpēc joprojām ir jāizpēta alternatīvi risinājumi, kas nerada amonija jonus. MICP noārdīšanās ceļu izmantošana, kas nav urīnvielas sastāvdaļa, varētu sniegt potenciālu risinājumu, kas vēja erozijas mazināšanas kontekstā ir maz pētīts. Fattahi et al. pētīja urīnvielas nesaturošu MICP noārdīšanos, izmantojot kalcija acetātu un Bacillus megaterium41, savukārt Mohebbi et al. izmantoja kalcija acetātu un Bacillus amyloliquefaciens9. Tomēr viņu pētījums netika salīdzināts ar citiem kalcija avotiem un heterotrofiskām baktērijām, kas galu galā varētu uzlabot izturību pret vēja eroziju. Trūkst arī literatūras, kas salīdzinātu urīnvielas nesaturošus noārdīšanās ceļus ar urīnvielas noārdīšanās ceļiem vēja erozijas mazināšanā.
Turklāt lielākā daļa vēja erozijas un putekļu kontroles pētījumu ir veikti ar augsnes paraugiem ar plakanām virsmām.1,51,52,53 Tomēr plakanas virsmas dabā ir retāk sastopamas nekā pakalni un ieplakas. Tāpēc smilšu kāpas ir visizplatītākā ainavas iezīme tuksneša reģionos.
Lai pārvarētu iepriekš minētos trūkumus, šī pētījuma mērķis bija ieviest jaunu baktēriju aģentu komplektu, kas neražo amonjaku. Šim nolūkam mēs apsvērām MICP nenoārdīšanas ceļus, kas nenoārda urīnvielu. Tika pētīta divu kalcija avotu (kalcija formiāta un kalcija acetāta) efektivitāte. Cik autoriem zināms, karbonātu nogulsnēšanās, izmantojot divu kalcija avotu un baktēriju kombinācijas (t. i., kalcija formiātu-Bacillus subtilis un kalcija formiātu-Bacillus amyloliquefaciens), iepriekšējos pētījumos nav pētīta. Šo baktēriju izvēle balstījās uz to ražotajiem enzīmiem, kas katalizē kalcija formiāta un kalcija acetāta oksidēšanos, veidojot mikrobiālu karbonātu nogulsnēšanos. Mēs izstrādājām rūpīgu eksperimentālu pētījumu, lai atrastu optimālos faktorus, piemēram, pH, baktēriju veidus un kalcija avotus un to koncentrācijas, baktēriju attiecību pret kalcija avota šķīdumu un sacietēšanas laiku. Visbeidzot, šī baktēriju līdzekļu komplekta efektivitāte vēja erozijas nomākšanā ar kalcija karbonāta nogulsnēšanās palīdzību tika pētīta, veicot virkni vēja tuneļa testu uz smilšu kāpām, lai noteiktu vēja erozijas lielumu, smilšu atraušanās ātruma robežvērtību un vēja bombardēšanas izturību, kā arī tika veikti penetrometra mērījumi un mikrostruktūras pētījumi (piemēram, rentgenstaru difrakcijas (XRD) analīze un skenējošās elektronu mikroskopijas (SEM) analīze).
Kalcija karbonāta ražošanai nepieciešami kalcija joni un karbonāta joni. Kalcija jonus var iegūt no dažādiem kalcija avotiem, piemēram, kalcija hlorīda, kalcija hidroksīda un vājpiena pulvera54,55. Karbonāta jonus var ražot ar dažādām mikrobu metodēm, piemēram, urīnvielas hidrolīzi un organisko vielu aerobisko vai anaerobo oksidāciju56. Šajā pētījumā karbonāta joni tika iegūti no formiāta un acetāta oksidācijas reakcijas. Turklāt tīra kalcija karbonāta iegūšanai izmantojām formiāta un acetāta kalcija sāļus, tādējādi kā blakusprodukti tika iegūti tikai CO2 un H2O. Šajā procesā tikai viena viela kalpo kā kalcija avots un karbonāta avots, un netiek ražots amonjaks. Šīs īpašības padara šo kalcija avotu un karbonāta ražošanas metodi par ļoti daudzsološu.
Atbilstošās kalcija formiāta un kalcija acetāta reakcijas, veidojot kalcija karbonātu, ir parādītas formulās (7)-(14). Formulas (7)-(11) parāda, ka kalcija formiāts izšķīst ūdenī, veidojot skudrskābi vai formiātu. Tādējādi šķīdums ir brīvo kalcija un hidroksīda jonu avots (formulas 8 un 9). Skudrskābes oksidēšanās rezultātā skudrskābes oglekļa atomi tiek pārvērsti par oglekļa dioksīdu (formula 10). Galu galā veidojas kalcija karbonāts (formulas 11 un 12).
Līdzīgi kalcija karbonāts veidojas no kalcija acetāta (vienādojumi 13–15), izņemot to, ka skudrskābes vietā veidojas etiķskābe vai acetāts.
Bez enzīmu klātbūtnes acetātu un formiātu istabas temperatūrā nevar oksidēt. FDH (formiāta dehidrogenāze) un CoA (koenzīms A) katalizē formiāta un acetāta oksidēšanos, veidojot oglekļa dioksīdu (16., 17. vienādojums) 57, 58, 59. Dažādas baktērijas spēj ražot šos enzīmus, un šajā pētījumā tika izmantotas heterotrofas baktērijas, proti, Bacillus subtilis (PTCC #1204 (Persiešu tipa kultūru kolekcija), pazīstama arī kā NCIMB #13061 (Starptautiskā baktēriju, rauga, fāgu, plazmīdu, augu sēklu un augu šūnu audu kultūru kolekcija)) un Bacillus amyloliquefaciens (PTCC #1732, NCIMB #12077). Šīs baktērijas tika kultivētas barotnē, kas saturēja gaļas peptonu (5 g/l) un gaļas ekstraktu (3 g/l), ko sauc par barības vielu buljonu (NBR) (105443 Merck).
Tādējādi tika sagatavotas četras formulas kalcija karbonāta nogulsnēšanās izraisīšanai, izmantojot divus kalcija avotus un divas baktērijas: kalcija formiātu un Bacillus subtilis (FS), kalcija formiātu un Bacillus amyloliquefaciens (FA), kalcija acetātu un Bacillus subtilis (AS), un kalcija acetātu un Bacillus amyloliquefaciens (AA).
Eksperimentālā plāna pirmajā daļā tika veikti testi, lai noteiktu optimālo kombināciju, kas nodrošinātu maksimālu kalcija karbonāta ražošanu. Tā kā augsnes paraugi saturēja kalcija karbonātu, tika izstrādāts sākotnēju novērtēšanas testu kopums, lai precīzi izmērītu dažādu kombināciju saražoto CaCO3, un tika novērtēti barotnes un kalcija avota šķīdumu maisījumi. Katrai iepriekš definētajai kalcija avota un baktēriju šķīduma kombinācijai (FS, FA, AS un AA) tika iegūti optimizācijas faktori (kalcija avota koncentrācija, sacietēšanas laiks, baktēriju šķīduma koncentrācija, kas mērīta ar šķīduma optisko blīvumu (OD), kalcija avota un baktēriju šķīduma attiecība un pH), un tie tika izmantoti turpmākajās sadaļās aprakstītajos smilšu kāpu apstrādes vēja tuneļa testos.
Katrai kombinācijai tika veikti 150 eksperimenti, lai pētītu CaCO3 nogulsnēšanās ietekmi un novērtētu dažādus faktorus, proti, kalcija avota koncentrāciju, sacietēšanas laiku, baktēriju OD vērtību, kalcija avota un baktēriju šķīduma attiecību un pH organisko vielu aerobās oksidācijas laikā (1. tabula). Optimizētā procesa pH diapazons tika izvēlēts, pamatojoties uz Bacillus subtilis un Bacillus amyloliquefaciens augšanas līknēm, lai panāktu ātrāku augšanu. Tas ir sīkāk paskaidrots sadaļā “Rezultāti”.
Lai sagatavotu paraugus optimizācijas fāzei, tika izmantotas šādas darbības. MICP šķīdums vispirms tika sagatavots, pielāgojot barotnes sākotnējo pH līmeni, un pēc tam autoklāvēts 121 °C temperatūrā 15 minūtes. Pēc tam celms tika inokulēts laminārā gaisa plūsmā un turēts kratīšanas inkubatorā 30 °C temperatūrā un ar ātrumu 180 apgr./min. Kad baktēriju OD sasniedza vēlamo līmeni, tas tika sajaukts ar kalcija avota šķīdumu vēlamajā proporcijā (1.a attēls). MICP šķīdumam ļāva reaģēt un sacietēt kratīšanas inkubatorā ar ātrumu 220 apgr./min un 30 °C temperatūrā tik ilgi, kamēr tika sasniegta mērķa vērtība. Nogulsnēto CaCO3 atdalīja pēc centrifugēšanas pie 6000 g 5 minūtes un pēc tam žāvēja 40 °C temperatūrā, lai sagatavotu paraugus kalcimetra testam (1.b attēls). CaCO3 nogulsnēšanās tika mērīta, izmantojot Bernarda kalcimetru, kur CaCO3 pulveris reaģē ar 1,0 N HCl (ASTM-D4373-02), veidojot CO2, un šīs gāzes tilpums ir CaCO3 satura mērs (1.c attēls). Lai CO2 tilpumu pārvērstu CaCO3 saturumā, kalibrēšanas līkne tika ģenerēta, mazgājot tīru CaCO3 pulveri ar 1 N HCl un attēlojot to pret izdalījušos CO2. Nogulsnētā CaCO3 pulvera morfoloģija un tīrība tika pētīta, izmantojot SEM attēlveidošanu un XRD analīzi. Optiskais mikroskops ar 1000 reižu palielinājumu tika izmantots, lai pētītu kalcija karbonāta veidošanos ap baktērijām, izveidotā kalcija karbonāta fāzi un baktēriju aktivitāti.
Dejegas baseins ir labi pazīstams ļoti erodēts reģions Irānas dienvidrietumu Fārsas provincē, un pētnieki no šī apgabala savāca vēja erozijas skartus augsnes paraugus. Pētījumam paraugi tika ņemti no augsnes virsmas. Indikatoru testi augsnes paraugos parādīja, ka augsne bija slikti šķirota smilšaina augsne ar dūņām un saskaņā ar Vienoto augsnes klasifikācijas sistēmu (USC) tika klasificēta kā SP-SM (2.a attēls). Rentgenstaru difrakcijas (XRD) analīze parādīja, ka Dejegas augsne galvenokārt sastāvēja no kalcīta un kvarca (2.b attēls). Turklāt EDX analīze parādīja, ka mazākās proporcijās bija klāt arī citi elementi, piemēram, Al, K un Fe.
Lai sagatavotu laboratorijas kāpas vēja erozijas testēšanai, augsne tika sasmalcināta no 170 mm augstuma caur 10 mm diametra piltuvi līdz stingrai virsmai, iegūstot tipisku kāpu ar augstumu 60 mm un diametru 210 mm. Dabā vismazākā blīvuma smilšu kāpas veidojas eolisko procesu rezultātā. Līdzīgi paraugam, kas sagatavots, izmantojot iepriekš minēto procedūru, bija viszemākais relatīvais blīvums, γ = 14,14 kN/m³, veidojot smilšu konusu, kas nogulsnējies uz horizontālas virsmas ar miera leņķi aptuveni 29,7°.
Iepriekšējā sadaļā iegūtais optimālais MICP šķīdums tika izsmidzināts uz kāpu nogāzes ar lietošanas ātrumu 1, 2 un 3 lm-2, un pēc tam paraugi tika uzglabāti inkubatorā 30 °C temperatūrā (3. att.) 9 dienas (t.i., optimālais sacietēšanas laiks) un pēc tam izņemti vēja tuneļa testēšanai.
Katrai apstrādei tika sagatavoti četri paraugi: viens kalcija karbonāta satura un virsmas stiprības mērīšanai, izmantojot penetrometru, bet atlikušie trīs paraugi tika izmantoti erozijas testiem ar trim dažādiem ātrumiem. Vēja tuneļa testos erozijas apjoms tika noteikts pie dažādiem vēja ātrumiem, un pēc tam katra apstrādātā parauga robežšķirtnes atraušanās ātrums tika noteikts, izmantojot erozijas apjoma un vēja ātruma grafiku. Papildus vēja erozijas testiem apstrādātie paraugi tika pakļauti smilšu bombardēšanai (t. i., lēcienu eksperimentiem). Šim nolūkam tika sagatavoti vēl divi paraugi ar uzklāšanas ātrumu 2 un 3 l m−2. Smilšu bombardēšanas tests ilga 15 minūtes ar plūsmu 120 gm−1, kas ir iepriekšējos pētījumos izvēlēto vērtību diapazonā60,61,62. Horizontālais attālums starp abrazīvo sprauslu un kāpas pamatni bija 800 mm, kas atradās 100 mm virs tuneļa dibena. Šī pozīcija tika iestatīta tā, lai gandrīz visas lēcošās smilšu daļiņas nokristu uz kāpas.
Vēja tuneļa tests tika veikts atklātā vēja tunelī ar garumu 8 m, platumu 0,4 m un augstumu 1 m (4.a attēls). Vēja tunelis ir izgatavots no cinkota tērauda loksnēm un var radīt vēja ātrumu līdz 25 m/s. Turklāt frekvences pārveidotājs tiek izmantots, lai regulētu ventilatora frekvenci un pakāpeniski palielinātu frekvenci, lai iegūtu mērķa vēja ātrumu. 4.b attēlā parādīta vēja erozijas skarto smilšu kāpu shematiska diagramma un vēja ātruma profils, kas izmērīts vēja tunelī.
Visbeidzot, lai salīdzinātu šajā pētījumā piedāvātās neurīnvielas MICP formulas rezultātus ar ureātiskā MICP kontroles testa rezultātiem, kāpu paraugi tika sagatavoti un apstrādāti arī ar bioloģisku šķīdumu, kas saturēja urīnvielu, kalcija hlorīdu un Sporosarcina pasteurii (jo Sporosarcina pasteurii piemīt ievērojama spēja ražot ureāzi63). Baktēriju šķīduma optiskais blīvums bija 1,5, un urīnvielas un kalcija hlorīda koncentrācija bija 1 M (izvēlēta, pamatojoties uz iepriekšējos pētījumos ieteiktajām vērtībām36,64,65). Barotne sastāvēja no barības vielu buljona (8 g/l) un urīnvielas (20 g/l). Baktēriju šķīdums tika izsmidzināts uz kāpu virsmas un atstāts uz 24 stundām baktēriju piestiprināšanai. Pēc 24 stundu piestiprināšanas tika izsmidzināts cementējošs šķīdums (kalcija hlorīds un urīnviela). Ureātiskā MICP kontroles tests turpmāk tekstā tiek saukts par UMC. Ureātiskā un neurīnvielas apstrādāto augsnes paraugu kalcija karbonāta saturs tika iegūts, mazgājot saskaņā ar Choi et al.66 ierosināto procedūru.
5. attēlā redzamas Bacillus amyloliquefaciens un Bacillus subtilis augšanas līknes barotnē (barības vielu šķīdumā) ar sākotnējo pH diapazonu no 5 līdz 10. Kā parādīts attēlā, Bacillus amyloliquefaciens un Bacillus subtilis auga ātrāk attiecīgi pie pH 6–8 un 7–9. Tāpēc optimizācijas posmā tika pieņemts šis pH diapazons.
(a) Bacillus amyloliquefaciens un (b) Bacillus subtilis augšanas līknes pie dažādām barības vielas sākotnējām pH vērtībām.
6. attēlā parādīts Bernarda limērā saražotā oglekļa dioksīda daudzums, kas atspoguļo nogulsnēto kalcija karbonātu (CaCO3). Tā kā katrā kombinācijā viens faktors tika fiksēts, bet pārējie faktori tika mainīti, katrs punkts šajos grafikos atbilst maksimālajam oglekļa dioksīda tilpumam šajā eksperimentu komplektā. Kā parādīts attēlā, palielinoties kalcija avota koncentrācijai, palielinājās kalcija karbonāta ražošana. Tāpēc kalcija avota koncentrācija tieši ietekmē kalcija karbonāta ražošanu. Tā kā kalcija avots un oglekļa avots ir viens un tas pats (t.i., kalcija formiāts un kalcija acetāts), jo vairāk kalcija jonu tiek atbrīvots, jo vairāk kalcija karbonāta veidojas (6.a attēls). AS un AA formulās kalcija karbonāta ražošana turpināja pieaugt, palielinoties sacietēšanas laikam, līdz nogulšņu daudzums pēc 9 dienām gandrīz nemainījās. FA formulā kalcija karbonāta veidošanās ātrums samazinājās, kad sacietēšanas laiks pārsniedza 6 dienas. Salīdzinot ar citām formulām, FS formula uzrādīja relatīvi zemu kalcija karbonāta veidošanās ātrumu pēc 3 dienām (6.b attēls). Formulās FA un FS pēc trim dienām tika iegūti 70% un 87% no kopējā kalcija karbonāta daudzuma, savukārt formulās AA un AS šī proporcija bija attiecīgi tikai aptuveni 46% un 45%. Tas norāda, ka uz skudrskābes bāzes veidotajam formulējumam sākotnējā posmā ir augstāks CaCO3 veidošanās ātrums salīdzinājumā ar uz acetāta bāzes veidoto formulējumu. Tomēr veidošanās ātrums palēninās, palielinoties sacietēšanas laikam. No 6.c attēla var secināt, ka pat pie baktēriju koncentrācijas, kas pārsniedz OD1, nav būtiskas ietekmes uz kalcija karbonāta veidošanos.
CO2 tilpuma (un atbilstošā CaCO3 satura) izmaiņas, ko mēra ar Bernāra kalcimetru, atkarībā no (a) kalcija avota koncentrācijas, (b) sacietēšanas laika, (c) OD, (d) sākotnējā pH, (e) kalcija avota un baktēriju šķīduma attiecības (katrai formulai); un (f) maksimālā kalcija karbonāta daudzuma, kas saražots katrai kalcija avota un baktēriju kombinācijai.
Attiecībā uz barotnes sākotnējā pH ietekmi 6.d attēlā redzams, ka FA un FS gadījumā CaCO3 veidošanās sasniedza maksimālo vērtību pie pH 7. Šis novērojums saskan ar iepriekšējiem pētījumiem, ka FDH enzīmi ir visstabilākie pie pH 7–6,7. Tomēr AA un AS gadījumā CaCO3 nogulsnēšanās palielinājās, kad pH pārsniedza 7. Iepriekšējie pētījumi arī parādīja, ka optimālais pH diapazons CoA enzīmu aktivitātei ir no 8 līdz 9,2–6,8. Ņemot vērā, ka optimālie pH diapazoni CoA enzīmu aktivitātei un B. amyloliquefaciens augšanai ir attiecīgi (8–9,2) un (6–8) (5.a attēls), paredzams, ka AA formulas optimālais pH būs 8, un abi pH diapazoni pārklājas. Šo faktu apstiprināja eksperimenti, kā parādīts 6.d attēlā. Tā kā optimālais pH līmenis B. subtilis augšanai ir 7–9 (5.b attēls) un optimālais pH līmenis CoA enzīmu aktivitātei ir 8–9,2, paredzams, ka maksimālā CaCO3 nogulsnēšanās būs pH diapazonā no 8 līdz 9, ko apstiprina 6.d attēls (t.i., optimālais nogulsnēšanās pH ir 9). 6.e attēlā parādītie rezultāti norāda, ka optimālā kalcija avota šķīduma un baktēriju šķīduma attiecība gan acetāta, gan formāta šķīdumiem ir 1. Salīdzinājumam dažādu formulu (t.i., AA, AS, FA un FS) veiktspēja tika novērtēta, pamatojoties uz maksimālo CaCO3 ražošanu dažādos apstākļos (t.i., kalcija avota koncentrācija, sacietēšanas laiks, OD, kalcija avota un baktēriju šķīduma attiecība un sākotnējais pH). Starp pētītajām formulām formulai FS bija visaugstākā CaCO3 ražošana, kas bija aptuveni trīs reizes lielāka nekā formulai AA (6.f attēls). Abiem kalcija avotiem tika veikti četri kontroles eksperimenti bez baktērijām, un pēc 30 dienām CaCO3 nogulsnēšanās netika novērota.
Visu formulējumu optiskās mikroskopijas attēli parādīja, ka vaterīts bija galvenā fāze, kurā veidojās kalcija karbonāts (7. attēls). Vaterīta kristāli bija sfēriskas formas69,70,71. Tika konstatēts, ka kalcija karbonāts nogulsnējās uz baktēriju šūnām, jo ​​baktēriju šūnu virsma bija negatīvi lādēta un varēja darboties kā adsorbents divvērtīgiem katjoniem. Ņemot šajā pētījumā par piemēru formulējumu FS, pēc 24 stundām uz dažām baktēriju šūnām sāka veidoties kalcija karbonāts (7.a attēls), un pēc 48 stundām ievērojami palielinājās ar kalcija karbonātu pārklāto baktēriju šūnu skaits. Turklāt, kā parādīts 7.b attēlā, varēja noteikt arī vaterīta daļiņas. Visbeidzot, pēc 72 stundām šķita, ka liels skaits baktēriju ir saistītas ar vaterīta kristāliem, un vaterīta daļiņu skaits ievērojami palielinājās (7.c attēls).
CaCO3 nogulšņu optiskās mikroskopijas novērojumi FS sastāvos laika gaitā: (a) 24, (b) 48 un (c) 72 stundas.
Lai sīkāk izpētītu nogulšņu fāzes morfoloģiju, tika veiktas pulveru rentgenstaru difrakcijas (XRD) un SEM analīzes. XRD spektri (8.a att.) un SEM mikroattēli (8.b, c att.) apstiprināja vaterīta kristālu klātbūtni, jo tiem bija salātveida forma un tika novērota atbilstība starp vaterīta pīķiem un nogulšņu pīķiem.
(a) Izveidojušā CaCO3 un vaterīta rentgenstaru difrakcijas spektru salīdzinājums. Vaterīta SEM mikroattēli attiecīgi (b) 1 kHz un (c) 5,27 kHz palielinājumā.
Vēja tuneļa testu rezultāti ir parādīti 9.a, b attēlā. No 9.a attēla var redzēt, ka neapstrādātu smilšu erozijas robežātrums (TDV) ir aptuveni 4,32 m/s. Pie pielietošanas devas 1 l/m² (9.a attēls) frakciju FA, FS, AA un UMC augsnes zuduma ātruma līniju slīpumi ir aptuveni tādi paši kā neapstrādātai kāpai. Tas norāda, ka apstrāde ar šo pielietošanas devu ir neefektīva, un, tiklīdz vēja ātrums pārsniedz TDV, plānā augsnes garoza izzūd un kāpas erozijas ātrums ir tāds pats kā neapstrādātai kāpai. Frakcijas AS erozijas slīpums ir arī zemāks nekā citām frakcijām ar zemākām abscisām (t.i., TDV) (9.a attēls). Bultiņas 9.b attēlā norāda, ka pie maksimālā vēja ātruma 25 m/s apstrādātajās kāpās erozija nenotika, pielietojot 2 un 3 l/m². Citiem vārdiem sakot, FS, FA, AS un UMC kāpas bija izturīgākas pret vēja eroziju, ko izraisīja CaCO³ nogulsnēšanās, lietojot mēslojuma daudzumu 2 un 3 l/m² nekā pie maksimālā vēja ātruma (t. i., 25 m/s). Tādējādi šajos testos iegūtā TDV vērtība 25 m/s ir apakšējā robeža 9.b attēlā parādītajām lietošanas devām, izņemot AA gadījumu, kur TDV ir gandrīz vienāds ar maksimālo vēja tuneļa ātrumu.
Vēja erozijas tests (a) Svara zudums atkarībā no vēja ātruma (uzklāšanas deva 1 l/m2), (b) Atplēšanas ātruma robežvērtība atkarībā no uzklāšanas devas un formulas (CA kalcija acetātam, CF kalcija formiātam).
10. attēlā redzama smilšu kāpu virsmas erozija, kas apstrādāta ar dažādām formulām un lietošanas devām pēc smilšu bombardēšanas testa, un kvantitatīvie rezultāti ir parādīti 11. attēlā. Neapstrādātais gadījums nav parādīts, jo tas neuzrādīja izturību un smilšu bombardēšanas testa laikā bija pilnībā erodēts (kopējais masas zudums). No 11. attēla ir skaidrs, ka ar biokompozīciju AA apstrādātais paraugs zaudēja 83,5% no sava svara pie lietošanas devas 2 l/m2, savukārt visiem pārējiem paraugiem smilšu bombardēšanas procesa laikā erozija bija mazāka par 30%. Palielinot lietošanas devu līdz 3 l/m2, visi apstrādātie paraugi zaudēja mazāk par 25% no sava svara. Pie abām lietošanas devām vislabāko izturību pret smilšu bombardēšanu uzrādīja savienojums FS. Maksimālo un minimālo bombardēšanas izturību ar FS un AA apstrādātajos paraugos var attiecināt uz to maksimālo un minimālo CaCO3 nogulsnēšanos (6.f attēls).
Dažāda sastāva smilšu kāpu bombardēšanas rezultāti pie plūsmas ātrumiem 2 un 3 l/m2 (bultiņas norāda vēja virzienu, krusti norāda vēja virzienu perpendikulāri zīmējuma plaknei).
Kā parādīts 12. attēlā, visu formulu kalcija karbonāta saturs palielinājās, palielinoties lietošanas ātrumam no 1 l/m² līdz 3 l/m². Turklāt, pie visām lietošanas devām, formula ar visaugstāko kalcija karbonāta saturu bija FS, kam sekoja FA un UMC. Tas liecina, ka šīm formulām varētu būt augstāka virsmas izturība.
13.a attēlā parādītas neapstrādātu, kontroles un apstrādātu augsnes paraugu virsmas pretestības izmaiņas, kas mērītas ar permemetra testu. No šī attēla ir skaidrs, ka UMC, AS, FA un FS preparātu virsmas pretestība ievērojami palielinājās, palielinoties lietošanas devai. Tomēr AA preparātā virsmas stiprības pieaugums bija relatīvi neliels. Kā parādīts attēlā, FA un FS preparātiem, kas satur urīnvielas nesadalījumu MICP, ir labāka virsmas caurlaidība salīdzinājumā ar urīnvielas sadalījumu MICP. 13.b attēlā parādītas TDV izmaiņas atkarībā no augsnes virsmas pretestības. No šī attēla ir skaidri redzams, ka kāpām ar virsmas pretestību, kas lielāka par 100 kPa, robežslodzes ātruma pārsniegs 25 m/s. Tā kā virsmas pretestību in situ var viegli izmērīt ar permemetru, šīs zināšanas var palīdzēt novērtēt TDV, ja netiek veikta vēja tuneļa testēšana, tādējādi kalpojot par kvalitātes kontroles indikatoru lauka lietojumiem.
SEM rezultāti ir parādīti 14. attēlā. 14.a–14.b attēlā redzamas neapstrādāta augsnes parauga palielinātās daļiņas, kas skaidri norāda, ka tas ir kohēzijas objekts un tam nav dabiskas saites vai cementācijas. 14.c attēlā redzams ar urīnvielu degradētu MICP apstrādāta kontroles parauga SEM mikroattēls. Šajā attēlā redzamas CaCO3 nogulsnes kalcīta polimorfu veidā. Kā parādīts 14.d–14.o attēlā, nogulsnētais CaCO3 saista daļiņas kopā; SEM mikroattēlos var identificēt arī sfēriskus vaterīta kristālus. Šī un iepriekšējo pētījumu rezultāti liecina, ka CaCO3 saites, kas veidojas kā vaterīta polimorfi, var nodrošināt arī pietiekamu mehānisko izturību; mūsu rezultāti liecina, ka virsmas pretestība palielinās līdz 350 kPa un sliekšņa atdalīšanās ātrums palielinās no 4,32 līdz vairāk nekā 25 m/s. Šis rezultāts atbilst iepriekšējo pētījumu rezultātiem, ka MICP nogulsnētā CaCO3 matrica ir vaterīts, kam ir pieņemama mehāniskā izturība un vēja erozijas izturība13,40, un tas var saglabāt pieņemamu vēja erozijas izturību pat pēc 180 dienu ilgas iedarbības lauka vides apstākļos13.
(a, b) neapstrādātas augsnes SEM mikroattēli, (c) MICP urīnvielas degradācijas kontrole, (df) ar AA apstrādāti paraugi, (gi) ar AS apstrādāti paraugi, (jl) ar FA apstrādāti paraugi un (mo) ar FS apstrādāti paraugi ar pielietošanas ātrumu 3 L/m2 dažādos palielinājumos.
14.d–14.f attēlā redzams, ka pēc apstrādes ar AA savienojumiem uz virsmas un starp smilšu graudiem nogulsnējās kalcija karbonāts, un tika novēroti arī daži nepārklāti smilšu graudi. AS komponentiem, lai gan veidotā CaCO3 daudzums būtiski nepalielinājās (6.f att.), CaCO3 izraisīto kontaktu daudzums starp smilšu graudiem ievērojami palielinājās, salīdzinot ar AA savienojumiem (14.g–14.i att.).
No 14.j–1. un 14.m–o attēla ir skaidrs, ka kalcija formiāta izmantošana kā kalcija avots vēl vairāk palielina CaCO3 nogulsnēšanos salīdzinājumā ar AS savienojumu, kas atbilst kalcija mērītāja mērījumiem 6.f attēlā. Šķiet, ka šis papildu CaCO3 galvenokārt nogulsnējas uz smilšu daļiņām un ne vienmēr uzlabo kontakta kvalitāti. Tas apstiprina iepriekš novēroto uzvedību: neskatoties uz atšķirībām CaCO3 nogulšņu daudzumā (6.f attēls), trīs formulējumi (AS, FA un FS) būtiski neatšķiras pretvēja izturības (11. attēls) un virsmas izturības (13.a attēls) ziņā.
Lai labāk vizualizētu ar CaCO3 pārklātās baktēriju šūnas un baktēriju nospiedumu uz nogulsnētiem kristāliem, tika uzņemti augsta palielinājuma SEM mikroattēli, un rezultāti parādīti 15. attēlā. Kā parādīts, kalcija karbonāts nogulsnējas uz baktēriju šūnām un nodrošina tur nogulsnēšanai nepieciešamos kodolus. Attēlā attēlotas arī CaCO3 inducētās aktīvās un neaktīvās saites. Var secināt, ka jebkāds neaktīvo saišu pieaugums ne vienmēr noved pie turpmākas mehāniskās uzvedības uzlabošanās. Tāpēc CaCO3 nogulsnēšanās palielināšana ne vienmēr noved pie lielākas mehāniskās izturības, un svarīga loma ir nogulsnēšanās modelim. Šis aspekts ir pētīts arī Terzisa un Laloui72, kā arī Soghi un Al-Kabani45,73 darbos. Lai sīkāk izpētītu saistību starp nogulsnēšanās modeli un mehānisko izturību, ieteicams veikt MICP pētījumus, izmantojot µCT attēlveidošanu, kas pārsniedz šī pētījuma tvērumu (t.i., ieviešot dažādas kalcija avota un baktēriju kombinācijas MICP bez amonjaka).
CaCO3 inducēja aktīvas un neaktīvas saites paraugos, kas apstrādāti ar (a) AS sastāvu un (b) FS sastāvu, un atstāja baktēriju šūnu nospiedumu uz nogulumiem.
Kā parādīts 14.j–o un 15.b attēlā, ir CaCO3 plēve (saskaņā ar EDX analīzi katra elementa procentuālais sastāvs plēvē ir ogleklis 11%, skābeklis 46,62% un kalcijs 42,39%, kas ir ļoti tuvu CaCO3 procentuālajam daudzumam 16. attēlā). Šī plēve pārklāj vaterīta kristālus un augsnes daļiņas, palīdzot saglabāt augsnes un nogulumu sistēmas integritāti. Šīs plēves klātbūtne tika novērota tikai paraugos, kas apstrādāti ar formāta bāzes formulu.
2. tabulā ir salīdzināta virsmas izturība, atdalīšanās ātruma robežvērtība un bioinducētā CaCO3 saturs augsnēs, kas iepriekšējos pētījumos un šajā pētījumā apstrādātas ar urīnvielu noārdošiem un nenoārdošiem MICP ceļiem. Pētījumi par MICP apstrādātu kāpu paraugu izturību pret vēja eroziju ir ierobežoti. Mengs un līdzautori pētīja MICP apstrādātu urīnvielu noārdošu kāpu paraugu izturību pret vēja eroziju, izmantojot lapu pūtēju,13 savukārt šajā pētījumā urīnvielu nenoārdoši kāpu paraugi (kā arī urīnvielu noārdoši kontroles paraugi) tika testēti vēja tunelī un apstrādāti ar četrām dažādām baktēriju un vielu kombinācijām.
Kā redzams, dažos iepriekšējos pētījumos ir ņemtas vērā lielas lietošanas devas, kas pārsniedz 4 l/m213,41,74. Jāatzīmē, ka lielas lietošanas devas var nebūt viegli pielietojamas laukā no ekonomiskā viedokļa, ņemot vērā izmaksas, kas saistītas ar ūdens piegādi, transportēšanu un liela ūdens daudzuma lietošanu. Arī zemākas lietošanas devas, piemēram, 1,62–2 l/m2, sasniedza diezgan labu virsmas izturību līdz 190 kPa un TDV, kas pārsniedz 25 m/s. Šajā pētījumā kāpas, kas apstrādātas ar formāta bāzes MICP bez urīnvielas degradācijas, sasniedza augstu virsmas izturību, kas bija salīdzināma ar to, kas iegūta ar urīnvielas degradācijas ceļu tajā pašā lietošanas devu diapazonā (t.i., paraugi, kas apstrādāti ar formāta bāzes MICP bez urīnvielas degradācijas, arī spēja sasniegt tādu pašu virsmas izturības vērtību diapazonu, kā ziņoja Meng et al., 13, 13.a attēls) pie lielākām lietošanas devām. Tāpat var redzēt, ka, lietojot devu 2 L/m2, kalcija karbonāta raža vēja erozijas mazināšanai pie vēja ātruma 25 m/s bija 2,25%, lietojot uz formāta bāzes veidotu MICP bez urīnvielas degradācijas, kas ir ļoti tuvu nepieciešamajam CaCO3 daudzumam (t. i., 2,41%), salīdzinot ar kāpām, kas apstrādātas ar kontroles MICP ar urīnvielas degradāciju pie tādas pašas lietošanas devas un tāda paša vēja ātruma (25 m/s).
Tādējādi no šīs tabulas var secināt, ka gan urīnvielas noārdīšanās ceļš, gan urīnvielas nesaturošais noārdīšanās ceļš var nodrošināt diezgan pieņemamu veiktspēju virsmas pretestības un TDV ziņā. Galvenā atšķirība ir tā, ka urīnvielas nesaturošais noārdīšanās ceļš nesatur amonjaku un tāpēc tam ir mazāka ietekme uz vidi. Turklāt šajā pētījumā piedāvātā uz formāta bāzes veidotā MICP metode bez urīnvielas noārdīšanās, šķiet, darbojas labāk nekā uz acetāta bāzes veidotā MICP metode bez urīnvielas noārdīšanās. Lai gan Mohebbi et al. pētīja uz acetāta bāzes veidoto MICP metodi bez urīnvielas noārdīšanās, viņu pētījumā tika iekļauti paraugi uz līdzenām virsmām9. Sakarā ar augstāku erozijas pakāpi, ko izraisa virpuļu veidošanās ap kāpu paraugiem un iegūtā bīde, kas rada zemāku TDV, paredzams, ka vēja erozija uz kāpu paraugiem būs izteiktāka nekā uz līdzenām virsmām ar tādu pašu ātrumu.