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 diljem svijeta zbog svog destruktivnog utjecaja na poljoprivredu, ljudsko zdravlje, prometne mreže i infrastrukturu. Kao rezultat toga, erozija vjetrom smatra se globalnim problemom. Jedan od ekološki prihvatljivih pristupa suzbijanju erozije vjetrom je korištenje mikrobno inducirane karbonatne precipitacije (MICP). Međutim, nusprodukti MICP-a na bazi razgradnje uree, poput amonijaka, nisu idealni kada se proizvode u velikim količinama. Ova studija predstavlja dvije formulacije bakterija kalcijevog formata za razgradnju MICP-a bez proizvodnje uree i sveobuhvatno uspoređuje njihove performanse s dvije formulacije bakterija kalcijevog 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 zračnom tunelu na uzorcima pješčanih dina tretiranim optimiziranim formulacijama, a izmjereni su otpornost na eroziju vjetrom, brzina praga skidanja i otpornost na bombardiranje pijeskom. Alomorfi kalcijevog karbonata (CaCO3) procijenjeni su pomoću optičke mikroskopije, skenirajuće elektronske mikroskopije (SEM) i rendgenske difrakcijske analize. Formulacije na bazi kalcijevog formata pokazale su značajno bolje rezultate od formulacija na bazi acetata u smislu stvaranja kalcijevog karbonata. Osim toga, B. subtilis je proizveo više kalcijevog karbonata nego B. amyloliquefaciens. SEM mikrografije jasno su pokazale vezanje i otiskivanje aktivnih i neaktivnih bakterija na kalcijev karbonat uzrokovano sedimentacijom. Sve formulacije značajno su smanjile eroziju vjetrom.
Erozija vjetrom odavno je prepoznata kao glavni problem s kojim se suočavaju sušne i polusušne regije poput jugozapada Sjedinjenih Država, zapadne Kine, saharske Afrike i većeg dijela Bliskog istoka1. Niska količina oborina u sušnim i hipersušnim klimama pretvorila je velike dijelove tih regija u pustinje, pješčane dine i neobrađena zemljišta. Kontinuirana erozija vjetrom predstavlja ekološke prijetnje infrastrukturi poput prometnih mreža, poljoprivrednog zemljišta i industrijskog zemljišta, što dovodi do loših životnih uvjeta i visokih troškova urbanog razvoja u tim regijama2,3,4. Važno je napomenuti da erozija vjetrom ne utječe samo na mjesto gdje 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 i dalje je globalni problem. Za kontrolu erozije vjetrom koriste se različite metode stabilizacije tla. Ove metode uključuju materijale poput primjene vode7, uljnih malčeva8, biopolimera5, mikrobno inducirane karbonatne taložnice (MICP)9,10,11,12 i enzimski inducirane karbonatne taložnice (EICP)1. Vlaženje tla standardna je metoda suzbijanja prašine na terenu. Međutim, njezino brzo isparavanje čini ovu metodu ograničenom učinkovitošću u sušnim i polusušnim regijama1. Primjena spojeva za uljne malčeve povećava koheziju pijeska i trenje među česticama. Njihovo kohezivno svojstvo veže zrna pijeska zajedno; međutim, uljni malčevi predstavljaju i 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 topljivi u vodi mogu izgubiti čvrstoću i iscuriti iz tla kada su izloženi vodi13,14. EICP se pokazao kao učinkovita metoda suzbijanja prašine za razne primjene, uključujući neasfaltirane ceste, jalovišta i gradilišta. Iako su rezultati ohrabrujući, moraju se uzeti u obzir neki potencijalni nedostaci, poput cijene i nedostatka mjesta nukleacije (što ubrzava stvaranje i taloženje kristala CaCO315,16).
MICP su prvi put opisali krajem 19. stoljeća Murray i Irwin (1890.) te Steinmann (1901.) u svojoj studiji o razgradnji uree morskim mikroorganizmima17. MICP je prirodni biološki proces koji uključuje niz mikrobnih aktivnosti i kemijskih procesa u kojima se kalcijev karbonat taloži reakcijom karbonatnih iona iz mikrobnih metabolita s kalcijevim ionima u okolišu18,19. MICP koji uključuje ciklus dušika koji razgrađuje ureu (MICP koji razgrađuje ureu) najčešći je tip mikrobno induciranog karbonatnog taloženja, u kojem ureaza koju proizvode bakterije katalizira hidrolizu uree20,21,22,23,24,25,26,27 kako slijedi:
U MICP-u koji uključuje ugljikov ciklus oksidacije organskih soli (tip MICP bez razgradnje uree), heterotrofne bakterije koriste organske soli poput acetata, laktata, citrata, sukcinata, oksalata, malata i glioksilata kao izvore energije za proizvodnju karbonatnih minerala28. U prisutnosti kalcijevog laktata kao izvora ugljika i kalcijevih iona, kemijska reakcija stvaranja kalcijevog karbonata prikazana je u jednadžbi (5).
U MICP procesu, bakterijske stanice osiguravaju mjesta nukleacije koja su posebno važna za taloženje kalcijevog karbonata; površina bakterijske stanice je negativno nabijena i može djelovati kao adsorbent za dvovalentne katione poput kalcijevih iona. Adsorpcijom kalcijevih iona na bakterijske stanice, kada je koncentracija karbonatnih iona dovoljna, kalcijevi kationi i karbonatni anioni reagiraju i kalcijev karbonat se taloži na bakterijskoj površini29,30. Proces se može sažeti na sljedeći način31,32:
Biogenerirani kristali kalcijevog karbonata mogu se podijeliti u tri vrste: kalcit, vaterit i aragonit. Među njima su kalcit i vaterit najčešći bakterijski inducirani alomorfi kalcijevog karbonata33,34. Kalcit je termodinamički najstabilniji alomorf kalcijevog karbonata35. Iako je za vaterit zabilježeno da je metastabilan, on se na kraju transformira u kalcit36,37. Vaterit je najgušći od ovih kristala. To je heksagonalni kristal koji ima bolju sposobnost popunjavanja pora od drugih kristala kalcijevog karbonata zbog svoje veće veličine38. MICP, i razgrađen ureom i nerazgrađen ureom, može dovesti do taloženja vaterita13,39,40,41.
Iako je MICP pokazao obećavajući potencijal u stabilizaciji problematičnih tala i tala osjetljivih na eroziju vjetrom42,43,44,45,46,47,48, jedan od nusprodukata hidrolize uree je amonijak, koji može uzrokovati blage do teške zdravstvene probleme ovisno o razini izloženosti49. Ova nuspojava 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 još uvijek postoji potreba za istraživanjem alternativnih rješenja koja ne stvaraju amonijeve ione. Korištenje puteva razgradnje koji nisu urea za MICP može pružiti potencijalno rješenje koje je slabo istraženo u kontekstu ublažavanja erozije vjetrom. Fattahi i sur. istraživali su razgradnju MICP-a bez uree pomoću kalcijevog acetata i Bacillus megaterium41, dok su Mohebbi i sur. korišten je kalcijev acetat i Bacillus amyloliquefaciens9. Međutim, njihova studija nije uspoređena s drugim izvorima kalcija i heterotrofnim bakterijama koje bi u konačnici mogle poboljšati otpornost na eroziju vjetrom. Također nedostaje literature koja uspoređuje putove razgradnje bez uree s putovima 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 udubina. Zbog toga su pješčane dine najčešća krajobrazna značajka u pustinjskim regijama.
Kako bi se prevladali gore navedeni nedostaci, cilj ove studije bio je uvesti novi set bakterijskih sredstava koja ne proizvode amonijak. U tu svrhu razmatrali smo MICP puteve koji ne razgrađuju ureu. Istražena je učinkovitost dvaju izvora kalcija (kalcijev format i kalcijev acetat). Koliko je autorima poznato, taloženje karbonata korištenjem dvaju kombinacija izvora kalcija i bakterija (tj. kalcijev format - Bacillus subtilis i kalcijev format - Bacillus amyloliquefaciens) nije istraživano u prethodnim studijama. Izbor ovih bakterija temeljio se na enzimima koje proizvode, a koji kataliziraju oksidaciju kalcijevog formata i kalcijevog acetata kako bi se stvorila mikrobna taloženja karbonata. Osmislili smo temeljitu eksperimentalnu studiju kako bismo pronašli optimalne čimbenike poput pH, vrsta bakterija i izvora kalcija te njihovih koncentracija, omjera bakterija i otopine izvora kalcija te vremena sušenja. Konačno, učinkovitost ovog skupa bakterijskih sredstava u suzbijanju erozije vjetrom putem taloženja kalcijevog karbonata istražena je provođenjem niza testova u aerotunelu na pješčanim dinama kako bi se odredila magnituda erozije vjetrom, prag brzine odvajanja i otpornost pijeska na bombardiranje vjetrom, a provedena su i mjerenja penetrometrom i mikrostrukturne studije (npr. analiza rendgenske difrakcije (XRD) i skenirajuća elektronska mikroskopija (SEM)).
Proizvodnja kalcijevog karbonata zahtijeva kalcijeve ione i karbonatne ione. Kalcijevi ioni mogu se dobiti iz različitih izvora kalcija kao što su kalcijev klorid, kalcijev hidroksid i obrano mlijeko u prahu54,55. Karbonatni ioni mogu se proizvesti raznim mikrobnim metodama kao što su hidroliza uree i aerobna ili anaerobna oksidacija organske tvari56. U ovoj studiji, karbonatni ioni dobiveni su reakcijom oksidacije formata i acetata. Osim toga, koristili smo kalcijeve soli formata i acetata za proizvodnju čistog kalcijevog karbonata, tako da su kao nusproizvodi dobiveni samo CO2 i H2O. U ovom procesu samo jedna tvar služi kao izvor kalcija i izvor karbonata, a ne proizvodi se amonijak. Ove karakteristike čine metodu proizvodnje izvora kalcija i karbonata koju smo smatrali vrlo obećavajućom.
Odgovarajuće reakcije kalcijevog formata i kalcijevog acetata za stvaranje kalcijevog karbonata prikazane su u formulama (7)-(14). Formule (7)-(11) pokazuju da se kalcijev format otapa u vodi i stvara mravlju kiselinu ili format. Otopina je stoga izvor slobodnog kalcija i hidroksidnih iona (formule 8 i 9). Kao rezultat oksidacije mravlje kiseline, atomi ugljika u mravljoj kiselini pretvaraju se u ugljikov dioksid (formula 10). Na kraju nastaje kalcijev karbonat (formule 11 i 12).
Slično tome, kalcijev karbonat nastaje iz kalcijevog acetata (jednadžbe 13–15), osim što se umjesto mravlje kiseline formira octena kiselina ili acetat.
Bez prisutnosti enzima, acetat i format ne mogu se oksidirati na sobnoj temperaturi. FDH (format dehidrogenaza) i CoA (koenzim A) kataliziraju oksidaciju formata i acetata u ugljikov dioksid (jednadžbe 16, 17) 57, 58, 59. Različite bakterije sposobne su proizvoditi ove enzime, a u ovoj studiji korištene su heterotrofne bakterije, naime Bacillus subtilis (PTCC #1204 (Perzijska zbirka tipskih kultura), također poznata kao NCIMB #13061 (Međunarodna zbirka bakterija, kvasaca, faga, plazmida, biljnog sjemena i kultura biljnih stanica i tkiva)) i Bacillus amyloliquefaciens (PTCC #1732, NCIMB #12077). Ove bakterije uzgajane su u mediju koji sadrži mesni pepton (5 g/L) i mesni ekstrakt (3 g/L), nazvanom hranjiva juha (NBR) (105443 Merck).
Stoga su pripremljene četiri formulacije za induciranje taloženja kalcijevog karbonata korištenjem dva izvora kalcija i dvije bakterije: kalcijevog formata i Bacillus subtilis (FS), kalcijevog formata i Bacillus amyloliquefaciens (FA), kalcijevog acetata i Bacillus subtilis (AS) te kalcijevog acetata i Bacillus amyloliquefaciens (AA).
U prvom dijelu eksperimentalnog dizajna provedena su ispitivanja kako bi se odredila optimalna kombinacija koja bi postigla maksimalnu proizvodnju kalcijevog karbonata. Budući da su uzorci tla sadržavali kalcijev karbonat, osmišljen je skup preliminarnih ispitivanja kako bi se točno izmjerio CaCO3 proizveden različitim kombinacijama, a procijenjene su i smjese otopina medija za kulturu i izvora kalcija. Za svaku gore definiranu kombinaciju izvora kalcija i otopine bakterija (FS, FA, AS i AA), izvedeni su faktori optimizacije (koncentracija izvora kalcija, vrijeme sušenja, koncentracija otopine bakterija mjerena optičkom gustoćom otopine (OD), omjer izvora kalcija i otopine bakterija te pH) i korišteni su u ispitivanjima 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 čimbenici, naime koncentracija izvora kalcija, vrijeme sušenja, vrijednost bakterijske optičke gustoće, omjer izvora kalcija i bakterijske otopine te pH tijekom aerobne oksidacije organske tvari (Tablica 1). Raspon pH za optimizirani proces odabran je na temelju krivulja rasta Bacillus subtilis i Bacillus amyloliquefaciens kako bi se postigao brži rast. To je detaljnije objašnjeno u odjeljku Rezultati.
Sljedeći koraci korišteni su za pripremu uzoraka za fazu optimizacije. Otopina MICP-a prvo je pripremljena podešavanjem početnog pH medija za kulturu, a zatim autoklavirana na 121 °C tijekom 15 minuta. Soj je zatim inokuliran u laminarnom protoku zraka i održavan u inkubatoru za trešenje na 30 °C i 180 okretaja u minuti. Nakon što je optička gustoća bakterija dosegla željenu razinu, pomiješana je s otopinom izvora kalcija u željenom omjeru (Slika 1a). Otopina MICP-a je ostavljena da reagira i stvrdne se u inkubatoru za trešenje na 220 okretaja u minuti i 30 °C tijekom vremena koje je dostiglo ciljanu vrijednost. Istaloženi CaCO3 je odvojen nakon centrifugiranja na 6000 g tijekom 5 minuta, a zatim osušen na 40 °C kako bi se pripremili uzorci za kalcimetrijski test (Slika 1b). Taloženje CaCO3 zatim je izmjereno pomoću Bernard kalcimetra, gdje CaCO3 prah reagira s 1,0 N HCl (ASTM-D4373-02) dajući CO2, a volumen ovog plina je mjera sadržaja CaCO3 (Slika 1c). Za pretvaranje volumena CO2 u sadržaj CaCO3, generirana je kalibracijska krivulja pranjem čistog CaCO3 praha s 1 N HCl i njegovim prikazivanjem u odnosu na razvijeni CO2. Morfologija i čistoća istaloženog CaCO3 praha istražene su pomoću SEM snimanja i XRD analize. Optički mikroskop s povećanjem od 1000 korišten je za proučavanje stvaranja kalcijevog karbonata oko bakterija, faze nastalog kalcijevog karbonata i aktivnosti bakterija.
Sliv Dejegh je dobro poznato područje s visokom erodiranom površinom u jugozapadnoj iranskoj provinciji Fars, a istraživači su prikupili uzorke tla erodiranog vjetrom s tog područja. Uzorci su za studiju uzeti s površine tla. Indikatorski testovi na uzorcima tla pokazali su da je tlo slabo sortirano pjeskovito tlo s muljem i klasificirano kao SP-SM prema Jedinstvenom sustavu klasifikacije tla (USC) (slika 2a). XRD analiza pokazala je da se tlo Dejegh uglavnom sastoji od kalcita i kvarca (slika 2b). Osim toga, EDX analiza pokazala je da su i drugi elementi poput Al, K i Fe prisutni u manjim omjerima.
Kako bi se laboratorijske dine pripremile za ispitivanje erozije vjetrom, tlo je drobljeno s 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 gore navedenim postupkom imao je najnižu relativnu gustoću, γ = 14,14 kN/m³, tvoreći pješčani konus nanesen na horizontalnu površinu s kutom mirovanja od približno 29,7°.
Optimalna otopina MICP-a 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 (slika 3) tijekom 9 dana (tj. optimalno vrijeme sušenja), a zatim izneseni na ispitivanje u aerotunelu.
Za svaki tretman pripremljena su četiri uzorka, jedan za mjerenje sadržaja kalcijevog karbonata i površinske čvrstoće pomoću penetrometra, a preostala tri uzorka korištena su za ispitivanja erozije pri tri različite brzine. U ispitivanjima u aerotunelu, količina erozije određena je pri različitim brzinama vjetra, a zatim je granična brzina odvajanja za svaki tretirani uzorak određena pomoću grafa količine erozije u odnosu na brzinu vjetra. Osim ispitivanja erozije vjetrom, tretirani uzorci podvrgnuti su bombardiranju pijeskom (tj. eksperimentima skakanja). U tu svrhu pripremljena su još dva uzorka s brzinama primjene od 2 i 3 L m−2. Ispitivanje bombardiranja pijeskom trajalo je 15 minuta s fluksom od 120 gm−1, što je unutar raspona vrijednosti odabranih u prethodnim studijama60,61,62. Horizontalna udaljenost između abrazivne mlaznice i podnožja 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 duljine 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, frekvencijski pretvarač se koristi za podešavanje frekvencije ventilatora i postupno 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 usporedili rezultati ne-urealitičke MICP formulacije predložene u ovoj studiji s rezultatima urealitičkog MICP kontrolnog testa, uzorci dina također su pripremljeni i tretirani biološkom otopinom koja sadrži ureu, kalcijev klorid i Sporosarcina pasteurii (budući da Sporosarcina pasteurii ima značajnu sposobnost proizvodnje ureaze63). Optička gustoća bakterijske otopine bila je 1,5, a koncentracije uree i kalcijevog klorida bile su 1 M (odabrane na temelju vrijednosti preporučenih u prethodnim studijama36,64,65). Medij za kulturu sastojao se od hranjive juhe (8 g/L) i uree (20 g/L). Bakterijska otopina je poprskana po površini dine i ostavljena 24 sata radi pričvršćivanja bakterija. Nakon 24 sata pričvršćivanja, poprskana je cementirajuća otopina (kalcijev klorid i urea). Urealitički MICP kontrolni test u daljnjem tekstu naziva se UMC. Sadržaj kalcijevog karbonata u urealitički i neurealitički tretiranim uzorcima tla dobiven je pranjem prema postupku koji su predložili Choi i suradnici.66
Slika 5 prikazuje krivulje rasta Bacillus amyloliquefaciens i Bacillus subtilis u mediju za uzgoj (hranjiva otopina) s početnim rasponom pH od 5 do 10. Kao što je prikazano na slici, Bacillus amyloliquefaciens i Bacillus subtilis brže su rasli pri pH 6-8, odnosno 7-9. Stoga je ovaj raspon pH usvojen u fazi optimizacije.
Krivulje rasta (a) Bacillus amyloliquefaciens i (b) Bacillus subtilis pri različitim početnim pH vrijednostima hranjive podloge.
Slika 6 prikazuje količinu ugljikovog dioksida proizvedenog u Bernardovom vapnomeru, koji predstavlja istaloženi kalcijev karbonat (CaCO3). Budući da je jedan faktor bio fiksan u svakoj kombinaciji, a ostali faktori su varirali, svaka točka na ovim grafovima odgovara maksimalnom volumenu ugljikovog 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 izravno utječe 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 stvara (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 premašilo 6 dana. U usporedbi 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 kalcijevog karbonata dobiveno je nakon tri dana, dok je u formulacijama AA i AS taj 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 usporedbi s formulacijom na bazi acetata. Međutim, brzina stvaranja usporava se s povećanjem vremena stvrdnjavanja. Iz slike 6c može se zaključiti da čak i pri koncentracijama bakterija iznad OD1 nema značajnog doprinosa stvaranju kalcijevog karbonata.
Promjena volumena CO2 (i odgovarajućeg sadržaja CaCO3) izmjerena Bernardovim kalcimetrom kao funkcija (a) koncentracije izvora kalcija, (b) vremena stvrdnjavanja, (c) optičke gustoće (OD), (d) početnog pH, (e) omjera izvora kalcija i bakterijske otopine (za svaku formulaciju); i (f) maksimalne količine kalcijevog karbonata proizvedene za svaku kombinaciju izvora kalcija i bakterija.
Što se tiče učinka početnog pH medija, slika 6d pokazuje da je za FA i FS proizvodnja CaCO3 dosegla maksimalnu vrijednost pri pH 7. Ovo opažanje je u skladu s prethodnim studijama da su FDH enzimi najstabilniji pri pH 7-6,7. Međutim, za AA i AS, taloženje CaCO3 se povećalo kada je pH premašio 7. Prethodne studije su također pokazale da je optimalni raspon pH za aktivnost enzima CoA od 8 do 9,2-6,8. S obzirom na to da su optimalni rasponi pH za aktivnost enzima CoA i rast B. amyloliquefaciens (8-9,2) odnosno (6-8) (slika 5a), očekuje se da će optimalni pH formulacije AA biti 8, a dva raspona pH se preklapaju. Ova činjenica potvrđena je 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. Za usporedbu, učinkovitost različitih formulacija (tj. AA, AS, FA i FS) procijenjena je na temelju maksimalne proizvodnje CaCO3 pod različitim uvjetima (tj. koncentracija izvora kalcija, vrijeme sušenja, optička gustoća (OD), omjer izvora kalcija i bakterijske otopine te 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 nakon 30 dana nije uočeno taloženje CaCO3.
Slike optičke mikroskopije svih formulacija pokazale su da je vaterit glavna faza u kojoj je nastao kalcijev karbonat (Slika 7). Kristali vaterita bili su sfernog oblika 69,70,71. Utvrđeno je da se kalcijev karbonat taloži na bakterijskim stanicama jer je površina bakterijskih stanica negativno nabijena i može djelovati kao adsorbent za dvovalentne katione. Uzimajući formulaciju FS kao primjer u ovoj studiji, nakon 24 sata, kalcijev karbonat se počeo formirati na nekim bakterijskim stanicama (Slika 7a), a nakon 48 sati, broj bakterijskih stanica obloženih kalcijevim karbonatom značajno se povećao. Osim toga, kao što je prikazano na Slici 7b, mogle su se otkriti 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).
Opažanja taloženja CaCO3 u sastavima FS optičkom mikroskopijom tijekom 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 prisutnost kristala vaterita, budući da su imali oblik nalik salati, a uočena je i podudarnost između vrhova vaterita i vrhova taloga.
(a) Usporedba rendgenskih difrakcijskih spektara nastalog CaCO3 i vaterita. SEM mikrografije vaterita pri (b) povećanju od 1 kHz i (c) od 5,27 kHz.
Rezultati ispitivanja u aerotunelu prikazani su na slici 9a i b. Iz slike 9a vidljivo je 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 neučinkovit i čim brzina vjetra premaši TDV, tanka kora tla nestaje, a brzina erozije dine ista je kao i za netretiranu dinu. Nagib erozije frakcije AS također je 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 brzinama primjene od 2 i 3 l/m² nego pri maksimalnoj brzini vjetra (tj. 25 m/s). Dakle, TDV vrijednost od 25 m/s dobivena u ovim ispitivanjima je donja granica za brzine primjene prikazane na slici 9b, osim u slučaju AA, gdje je TDV gotovo jednak maksimalnoj brzini u aerotunelu.
Ispitivanje 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 prikazani su na slici 11. Neobrađeni slučaj nije prikazan jer nije pokazao otpornost i potpuno je erodirao (ukupni gubitak mase) tijekom testa bombardiranja pijeskom. Iz slike 11 jasno je 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 tijekom 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 taložnosti 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 ravninu crteža).
Kao što je prikazano na slici 12, sadržaj kalcijevog karbonata u svim formulama povećavao se s povećanjem količine primjene s 1 L/m² na 3 L/m². Osim toga, pri svim količinama primjene, formula s najvećim sadržajem kalcijevog karbonata bila je FS, a slijede je FA i UMC. To sugerira da ove formule mogu imati veću površinsku otpornost.
Slika 13a prikazuje promjenu površinskog otpora netretiranih, kontrolnih i tretiranih uzoraka tla izmjerenu 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 u formulaciji AA. Kao što je prikazano na slici, formulacije FA i FS MICP-a koji nije razgrađen ureom imaju bolju površinsku propusnost u usporedbi 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 nedostatku ispitivanja u aerotunelu, te tako poslužiti kao pokazatelj 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 prirodnog vezivanja ili cementacije. Slika 14c prikazuje SEM mikrografiju kontrolnog uzorka tretiranog MICP-om razgrađenim ureom. Ova slika pokazuje prisutnost 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 nastale 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 s 4,32 na više od 25 m/s. Ovaj rezultat je u skladu s rezultatima prethodnih studija da je matrica CaCO3 istaloženog MICP-om vaterit, koji ima razumnu mehaničku čvrstoću i otpornost na eroziju vjetrom13,40 te može održati razumnu otpornost na eroziju vjetrom čak i nakon 180 dana izloženosti uvjetima okoline na terenu13.
(a, b) SEM mikrografije netretiranog tla, (c) MICP kontrola razgradnje 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 kalcijev karbonat istaložen na površini i između zrna pijeska, dok su uočena i neka neobložena zrna pijeska. Kod AS komponenti, iako se količina nastalog CaCO3 nije značajno povećala (slika 6f), količina kontakata između zrna pijeska uzrokovanih CaCO3 značajno se povećala u usporedbi s AA spojevima (slika 14g-i).
Iz slika 14j-l i 14m-o jasno je da upotreba kalcijevog formata kao izvora kalcija dovodi do daljnjeg povećanja taloženja CaCO3 u usporedbi sa spojem AS, što je u skladu s mjerenjima kalcijevog mjerača na slici 6f. Čini se da se ovaj dodatni CaCO3 uglavnom taloži na česticama pijeska i ne poboljšava nužno kvalitetu kontakta. To potvrđuje prethodno uočeno ponašanje: unatoč razlikama u količini taloženja CaCO3 (slika 6f), tri formulacije (AS, FA i FS) ne razlikuju se značajno u pogledu protueolskih (vjetrovnih) performansi (slika 11) i površinskog otpora (slika 13a).
Kako bi se bolje vizualizirale bakterijske stanice obložene CaCO3 i bakterijski otisak na istaloženim kristalima, snimljene su SEM mikrografije velikog povećanja, a rezultati su prikazani na slici 15. Kao što je prikazano, kalcijev karbonat se taloži na bakterijskim stanicama i osigurava jezgre potrebne za taloženje tamo. Slika također prikazuje aktivne i neaktivne veze inducirane 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 uzorak taloženja igra važnu ulogu. Ova je točka također proučavana u radovima Terzisa i Lalouija72 te Soghija i Al-Kabanija45,73. Za daljnje istraživanje odnosa između uzorka taloženja i mehaničke čvrstoće preporučuju se MICP studije korištenjem µCT snimanja, što je izvan okvira ove studije (tj. uvođenje različitih kombinacija izvora kalcija i bakterija za MICP bez amonijaka).
CaCO3 je inducirao aktivne i neaktivne veze u uzorcima tretiranim (a) AS sastavom i (b) FS sastavom te ostavio otisak bakterijskih stanica na sedimentu.
Kao što je prikazano na slikama 14j-o i 15b, postoji CaCO3 film (prema EDX analizi, postotni sastav svakog elementa u filmu je ugljik 11%, kisik 46,62% i kalcij 42,39%, što je vrlo blizu postotku CaCO3 na slici 16). Ovaj film prekriva kristale vaterita i čestice tla, pomažući u održavanju integriteta sustava tlo-sediment. Prisutnost ovog filma uočena je samo u uzorcima tretiranim formulacijom na bazi formata.
Tablica 2 uspoređuje površinsku čvrstoću, prag brzine odvajanja i bioinducirani sadržaj CaCO3 u tlima tretiranim MICP putevima koji razgrađuju i nerazgrađuju ureu u prethodnim studijama i ovoj studiji. Studije o otpornosti uzoraka dina tretiranih MICP-om na eroziju vjetrom su ograničene. Meng i sur. istraživali su otpornost uzoraka dina koji razgrađuju ureu tretiranih MICP-om na eroziju vjetrom pomoću puhala za lišće,13 dok su u ovoj studiji uzorci dina koji ne razgrađuju ureu (kao i kontrolni uzorci koji razgrađuju ureu) testirani u zračnom tunelu i tretirani s četiri različite kombinacije bakterija i tvari.
Kao što se može vidjeti, neke prethodne studije razmatrale su visoke stope primjene koje prelaze 4 L/m213,41,74. Vrijedi napomenuti da visoke stope primjene možda neće biti lako primjenjive na terenu s ekonomskog gledišta zbog troškova povezanih s opskrbom vodom, prijevozom i primjenom velikih količina vode. Niže stope primjene, poput 1,62-2 L/m2, također su postigle prilično dobre površinske čvrstoće do 190 kPa i TDV veću od 25 m/s. U ovoj studiji, dine tretirane MICP-om na bazi formata bez razgradnje uree postigle su visoke površinske čvrstoće koje su bile usporedive s onima dobivenim putem razgradnje uree u istom rasponu stopa primjene (tj. uzorci tretirani MICP-om na bazi formata bez razgradnje uree također su mogli postići isti raspon vrijednosti površinske čvrstoće kao što su izvijestili Meng i sur., 13, slika 13a) pri većim stopama primjene. Također se može vidjeti da je pri primjeni 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 usporedbi s dinama tretiranim kontrolnim MICP-om s razgradnjom uree pri istoj primjeni i istoj brzini vjetra (25 m/s).
Dakle, iz ove tablice može se zaključiti da i put razgradnje uree i put razgradnje bez uree mogu pružiti prilično prihvatljive performanse u smislu površinskog otpora i TDV-a. Glavna razlika je u tome što put razgradnje bez uree ne sadrži amonijak i stoga ima manji utjecaj na okoliš. Osim toga, čini se da metoda MICP na bazi formata bez razgradnje uree predložena u ovoj studiji daje bolje rezultate od metode MICP na bazi acetata bez razgradnje uree. Iako su Mohebbi i suradnici proučavali metodu MICP na bazi acetata bez razgradnje uree, njihova studija uključivala je uzorke na ravnim površinama9. Zbog većeg stupnja erozije uzrokovane stvaranjem vrtloga oko uzoraka dina i rezultirajućeg smicanja, što rezultira nižim TDV-om, očekuje se da će erozija uzoraka dina vjetrom biti očitija od erozije ravnih površina pri istoj brzini.