Takk for at du besøker nature.com. Nettleserversjonen du bruker har begrenset CSS-støtte. For best mulig opplevelse anbefaler vi at du bruker den nyeste nettleserversjonen (eller slår av kompatibilitetsmodus i Internet Explorer). I tillegg, for å sikre fortsatt støtte, vil ikke dette nettstedet inkludere stiler eller JavaScript.
Støvstormer utgjør en alvorlig trussel for mange land rundt om i verden på grunn av deres destruktive innvirkning på landbruk, menneskers helse, transportnettverk og infrastruktur. Som et resultat av dette regnes vinderosjon som et globalt problem. En av de miljøvennlige tilnærmingene for å dempe vinderosjon er bruk av mikrobiell indusert karbonatutfelling (MICP). Biproduktene fra ureanedbrytningsbasert MICP, som ammoniakk, er imidlertid ikke ideelle når de produseres i store mengder. Denne studien presenterer to formuleringer av kalsiumformiatbakterier for nedbrytning av MICP uten å produsere urea og sammenligner omfattende ytelsen deres med to formuleringer av ikke-ammoniakkproduserende kalsiumacetatbakterier. Bakteriene som ble vurdert er Bacillus subtilis og Bacillus amyloliquefaciens. Først ble de optimaliserte verdiene for faktorene som kontrollerer CaCO3-dannelse bestemt. Vindtunneltester ble deretter utført på sanddynprøver behandlet med de optimaliserte formuleringene, og vinderosjonsmotstand, strippetterskelhastighet og sandbombardementmotstand ble målt. Kalsiumkarbonat (CaCO3)-allomorfer ble evaluert ved hjelp av optisk mikroskopi, skanningselektronmikroskopi (SEM) og røntgendiffraksjonsanalyse. Kalsiumformiatbaserte formuleringer presterte betydelig bedre enn acetatbaserte formuleringer når det gjaldt dannelse av kalsiumkarbonat. I tillegg produserte B. subtilis mer kalsiumkarbonat enn B. amyloliquefaciens. SEM-mikrografer viste tydelig binding og preging av aktive og inaktive bakterier på kalsiumkarbonat forårsaket av sedimentasjon. Alle formuleringene reduserte vinderosjon betydelig.
Vinderosjon har lenge vært anerkjent som et stort problem for tørre og semi-tørre regioner som det sørvestlige USA, vestlige Kina, Sahara-Afrika og store deler av Midtøsten1. Lav nedbør i tørre og hyper-tørre klimaer har forvandlet store deler av disse regionene til ørkener, sanddyner og udyrket land. Fortsatt vinderosjon utgjør en miljøtrussel mot infrastruktur som transportnettverk, jordbruksarealer og industriarealer, noe som fører til dårlige levekår og høye kostnader for byutvikling i disse regionene2,3,4. Det er viktig å merke seg at vinderosjon ikke bare påvirker stedet der den oppstår, men også forårsaker helse- og økonomiske problemer i avsidesliggende samfunn, ettersom den transporterer partikler med vinden til områder langt fra kilden5,6.
Kontroll av vinderosjon er fortsatt et globalt problem. Ulike metoder for jordstabilisering brukes til å kontrollere vinderosjon. Disse metodene inkluderer materialer som vannpåføring7, oljedekke8, biopolymerer5, mikrobiell indusert karbonatutfelling (MICP)9,10,11,12 og enzymindusert karbonatutfelling (EICP)1. Jordfukting er en standardmetode for støvdemping i felten. Imidlertid gjør den raske fordampningen denne metoden begrenset effektiv i tørre og semi-tørre regioner1. Påføring av oljedekkemidler øker sandkohesjon og friksjon mellom partikler. Deres kohesive egenskaper binder sandkorn sammen; oljedekke byr imidlertid også på andre problemer; deres mørke farge øker varmeabsorpsjonen og fører til død av planter og mikroorganismer. Lukt og damp kan forårsake luftveisproblemer, og mest bemerkelsesverdig er deres høye kostnad en annen hindring. Biopolymerer er en av de nylig foreslåtte miljøvennlige metodene for å redusere vinderosjon; de er utvunnet fra naturlige kilder som planter, dyr og bakterier. Xantangummi, guargummi, kitosan og gellangummi er de mest brukte biopolymerene i tekniske applikasjoner5. Vannløselige biopolymerer kan imidlertid miste styrke og lekke ut av jord når de utsettes for vann13,14. EICP har vist seg å være en effektiv støvbekjempelsesmetode for en rekke bruksområder, inkludert grusveier, avgangsdammer og byggeplasser. Selv om resultatene er oppmuntrende, må noen potensielle ulemper vurderes, som kostnader og mangel på kimdannelsessteder (som akselererer dannelsen og utfellingen av CaCO3-krystaller15,16).
MICP ble først beskrevet på slutten av 1800-tallet av Murray og Irwin (1890) og Steinmann (1901) i deres studie av urea-nedbrytning av marine mikroorganismer17. MICP er en naturlig forekommende biologisk prosess som involverer en rekke mikrobielle aktiviteter og kjemiske prosesser der kalsiumkarbonat utfelles ved reaksjon av karbonationer fra mikrobielle metabolitter med kalsiumioner i miljøet18,19. MICP som involverer den urea-nedbrytende nitrogensyklusen (urea-nedbrytende MICP) er den vanligste typen mikrobielt indusert karbonatutfelling, der urease produsert av bakterier katalyserer hydrolysen av urea20,21,22,23,24,25,26,27 som følger:
I MICP som involverer karbonsyklusen i organisk saltoksidasjon (MICP uten ureanedbrytningstype), bruker heterotrofe bakterier organiske salter som acetat, laktat, sitrat, suksinat, oksalat, malat og glyoksylat som energikilder for å produsere karbonatmineraler28. I nærvær av kalsiumlaktat som karbonkilde og kalsiumioner, vises den kjemiske reaksjonen for kalsiumkarbonatdannelse i ligning (5).
I MICP-prosessen gir bakterieceller kimdannelsessteder som er spesielt viktige for utfelling av kalsiumkarbonat; bakteriecelleoverflaten er negativt ladet og kan fungere som et adsorbent for divalente kationer som kalsiumioner. Ved å adsorbere kalsiumioner på bakterieceller, når karbonationkonsentrasjonen er tilstrekkelig, reagerer kalsiumkationer og karbonatanioner, og kalsiumkarbonat utfelles på bakterieoverflaten29,30. Prosessen kan oppsummeres som følger31,32:
Biogenererte kalsiumkarbonatkrystaller kan deles inn i tre typer: kalsitt, vateritt og aragonitt. Blant dem er kalsitt og vateritt de vanligste bakterielt induserte kalsiumkarbonat-allomorfene33,34. Kalsitt er den mest termodynamisk stabile kalsiumkarbonat-allomorfen35. Selv om vateritt har blitt rapportert å være metastabil, omdannes den til slutt til kalsitt36,37. Vateritt er den tetteste av disse krystallene. Det er en sekskantet krystall som har bedre porefyllingsevne enn andre kalsiumkarbonatkrystaller på grunn av sin større størrelse38. Både urea-degradert og urea-udegradert MICP kan føre til utfelling av vateritt13,39,40,41.
Selv om MICP har vist lovende potensial for å stabilisere problematiske jordtyper og jordtyper som er utsatt for vinderosjon42,43,44,45,46,47,48, er et av biproduktene fra ureahydrolyse ammoniakk, som kan forårsake milde til alvorlige helseproblemer avhengig av eksponeringsnivået49. Denne bivirkningen gjør bruken av denne teknologien kontroversiell, spesielt når store områder må behandles, for eksempel for støvbekjempelse. I tillegg er lukten av ammoniakk uutholdelig når prosessen utføres med høye påføringsmengder og store volumer, noe som kan påvirke den praktiske anvendeligheten. Selv om nyere studier har vist at ammoniumioner kan reduseres ved å omdanne dem til andre produkter som struvitt, fjerner ikke disse metodene ammoniumioner fullstendig50. Derfor er det fortsatt behov for å utforske alternative løsninger som ikke genererer ammoniumioner. Bruk av ikke-urea-nedbrytningsveier for MICP kan gi en potensiell løsning som har blitt dårlig utforsket i sammenheng med vinderosjonsreduksjon. Fattahi et al. undersøkte ureafri MICP-nedbrytning ved bruk av kalsiumacetat og Bacillus megaterium41, mens Mohebbi et al. brukte kalsiumacetat og Bacillus amyloliquefaciens9. Studien deres ble imidlertid ikke sammenlignet med andre kalsiumkilder og heterotrofe bakterier som til slutt kunne forbedre motstanden mot vinderosjon. Det mangler også litteratur som sammenligner ureafrie nedbrytningsveier med urea-nedbrytningsveier i reduksjon av vinderosjon.
I tillegg er de fleste studiene av vinderosjon og støvkontroll utført på jordprøver med flate overflater.1,51,52,53 Flate overflater er imidlertid mindre vanlige i naturen enn åser og forsenkninger. Dette er grunnen til at sanddyner er det vanligste landskapstrekket i ørkenregioner.
For å overvinne de ovennevnte manglene, hadde denne studien som mål å introdusere et nytt sett med ikke-ammoniakkproduserende bakterielle stoffer. For dette formålet vurderte vi ikke-urea-nedbrytende MICP-veier. Effektiviteten til to kalsiumkilder (kalsiumformiat og kalsiumacetat) ble undersøkt. Så vidt forfatterne vet, har karbonatutfelling ved bruk av to kalsiumkilde- og bakteriekombinasjoner (dvs. kalsiumformiat-Bacillus subtilis og kalsiumformiat-Bacillus amyloliquefaciens) ikke blitt undersøkt i tidligere studier. Valget av disse bakteriene var basert på enzymene de produserer som katalyserer oksidasjonen av kalsiumformiat og kalsiumacetat for å danne mikrobiell karbonatutfelling. Vi utformet en grundig eksperimentell studie for å finne de optimale faktorene som pH, bakterietyper og kalsiumkilder og deres konsentrasjoner, forholdet mellom bakterier og kalsiumkildeløsning og herdetid. Til slutt ble effektiviteten til dette settet med bakterielle midler i å undertrykke vinderosjon gjennom kalsiumkarbonatutfelling undersøkt ved å utføre en serie vindtunneltester på sanddyner for å bestemme vinderosjonsstørrelsen, terskelbrytningshastighet og vindbombardementmotstanden til sanden, og penetrometermålinger og mikrostrukturstudier (f.eks. røntgendiffraksjonsanalyse (XRD) og skanningselektronmikroskopi (SEM)) ble også utført.
Kalsiumkarbonatproduksjon krever kalsiumioner og karbonationer. Kalsiumioner kan utvinnes fra ulike kalsiumkilder som kalsiumklorid, kalsiumhydroksid og skummetmelkpulver54,55. Karbonationer kan produseres ved ulike mikrobielle metoder som ureahydrolyse og aerob eller anaerob oksidasjon av organisk materiale56. I denne studien ble karbonationer utvunnet fra oksidasjonsreaksjonen av formiat og acetat. I tillegg brukte vi kalsiumsalter av formiat og acetat for å produsere rent kalsiumkarbonat, og dermed ble bare CO2 og H2O utvunnet som biprodukter. I denne prosessen fungerer bare ett stoff som kalsiumkilde og karbonatkilde, og det produseres ingen ammoniakk. Disse egenskapene gjør kalsiumkilde- og karbonationer-produksjonsmetoden som vi anså som svært lovende.
De tilsvarende reaksjonene mellom kalsiumformiat og kalsiumacetat for å danne kalsiumkarbonat er vist i formlene (7)-(14). Formlene (7)-(11) viser at kalsiumformiat løses opp i vann for å danne maursyre eller formiat. Løsningen er dermed en kilde til frie kalsium- og hydroksidioner (formlene 8 og 9). Som et resultat av oksidasjonen av maursyre omdannes karbonatomene i maursyren til karbondioksid (formel 10). Til slutt dannes kalsiumkarbonat (formlene 11 og 12).
På samme måte dannes kalsiumkarbonat fra kalsiumacetat (ligningene 13–15), bortsett fra at eddiksyre eller acetat dannes i stedet for maursyre.
Uten tilstedeværelse av enzymer kan ikke acetat og formiat oksideres ved romtemperatur. FDH (formiatdehydrogenase) og CoA (koenzym A) katalyserer oksidasjonen av formiat og acetat for å danne henholdsvis karbondioksid (ligning 16, 17) 57, 58, 59. Ulike bakterier er i stand til å produsere disse enzymene, og heterotrofe bakterier, nemlig Bacillus subtilis (PTCC #1204 (Persian Type Culture Collection), også kjent som NCIMB #13061 (International Collection of Bacteria, Yeast, Phage, Plasmids, Plant Seeds and Plant Cell Tissue Cultures)) og Bacillus amyloliquefaciens (PTCC #1732, NCIMB #12077), ble brukt i denne studien. Disse bakteriene ble dyrket i et medium som inneholdt kjøttpepton (5 g/L) og kjøttekstrakt (3 g/L), kalt næringsbuljong (NBR) (105443 Merck).
Dermed ble fire formuleringer fremstilt for å indusere kalsiumkarbonatutfelling ved bruk av to kalsiumkilder og to bakterier: kalsiumformiat og Bacillus subtilis (FS), kalsiumformiat og Bacillus amyloliquefaciens (FA), kalsiumacetat og Bacillus subtilis (AS), og kalsiumacetat og Bacillus amyloliquefaciens (AA).
I den første delen av det eksperimentelle designet ble det utført tester for å bestemme den optimale kombinasjonen som ville oppnå maksimal kalsiumkarbonatproduksjon. Siden jordprøvene inneholdt kalsiumkarbonat, ble et sett med foreløpige evalueringstester utformet for å nøyaktig måle CaCO3 produsert av de forskjellige kombinasjonene, og blandinger av kulturmedium og kalsiumkildeløsninger ble evaluert. For hver kombinasjon av kalsiumkilde og bakterieløsning definert ovenfor (FS, FA, AS og AA) ble optimaliseringsfaktorer (kalsiumkildekonsentrasjon, herdetid, bakterieløsningskonsentrasjon målt ved optisk tetthet av løsningen (OD), forholdet mellom kalsiumkilde og bakterieløsning og pH) utledet og brukt i vindtunneltester for sanddynbehandling beskrevet i de følgende avsnittene.
For hver kombinasjon ble det utført 150 eksperimenter for å studere effekten av CaCO3-utfelling og evaluere ulike faktorer, nemlig kalsiumkildekonsentrasjon, herdetid, bakteriell OD-verdi, forholdet mellom kalsiumkilde og bakteriell løsning og pH under aerob oksidasjon av organisk materiale (tabell 1). PH-området for den optimaliserte prosessen ble valgt basert på vekstkurvene til Bacillus subtilis og Bacillus amyloliquefaciens for å oppnå raskere vekst. Dette forklares mer detaljert i resultatdelen.
Følgende trinn ble brukt for å klargjøre prøvene for optimaliseringsfasen. MICP-løsningen ble først klargjort ved å justere den initiale pH-verdien i kulturmediet og deretter autoklavert ved 121 °C i 15 minutter. Stammen ble deretter inokulert i en laminær luftstrøm og oppbevart i en risteinkubator ved 30 °C og 180 rpm. Når bakteriens OD nådde ønsket nivå, ble den blandet med kalsiumkildeløsningen i ønsket mengde (figur 1a). MICP-løsningen fikk reagere og størkne i en risteinkubator ved 220 rpm og 30 °C i en tid som nådde målverdien. Det utfelte CaCO3 ble separert etter sentrifugering ved 6000 g i 5 minutter og deretter tørket ved 40 °C for å klargjøre prøvene for kalsimetertesten (figur 1b). Utfellingen av CaCO3 ble deretter målt ved hjelp av et Bernard-kalsimeter, hvor CaCO3-pulver reagerer med 1,0 N HCl (ASTM-D4373-02) for å produsere CO2, og volumet av denne gassen er et mål på CaCO3-innholdet (figur 1c). For å konvertere volumet av CO2 til CaCO3-innhold ble en kalibreringskurve generert ved å vaske rent CaCO3-pulver med 1 N HCl og plotte det mot den utviklede CO2. Morfologien og renheten til det utfelte CaCO3-pulveret ble undersøkt ved hjelp av SEM-avbildning og XRD-analyse. Et optisk mikroskop med en forstørrelse på 1000 ble brukt til å studere dannelsen av kalsiumkarbonat rundt bakteriene, fasen til det dannede kalsiumkarbonatet og bakterienes aktivitet.
Dejegh-bassenget er et velkjent område med høy erodering i den sørvestlige Fars-provinsen i Iran, og forskerne samlet inn vinderoderte jordprøver fra området. Prøvene ble tatt fra jordoverflaten for studien. Indikatortester på jordprøvene viste at jorden var dårlig sortert sandjord med silt og ble klassifisert som SP-SM i henhold til Unified Soil Classification System (USC) (figur 2a). XRD-analyse viste at Dejegh-jorden hovedsakelig besto av kalsitt og kvarts (figur 2b). I tillegg viste EDX-analyse at andre elementer som Al, K og Fe også var tilstede i mindre mengder.
For å forberede laboratoriedynene for vinderosjonstesting ble jorden knust fra en høyde på 170 mm gjennom en trakt med 10 mm diameter til en fast overflate, noe som resulterte i en typisk sanddyn på 60 mm i høyde og 210 mm i diameter. I naturen dannes sanddynene med lavest tetthet av eoliske prosesser. Tilsvarende hadde prøven som ble fremstilt ved hjelp av prosedyren ovenfor den laveste relative tettheten, γ = 14,14 kN/m³, som dannet en sandkjegle avsatt på en horisontal overflate med en hvilevinkel på omtrent 29,7°.
Den optimale MICP-løsningen som ble oppnådd i forrige avsnitt ble sprayet på sanddyneskråningen med påføringsmengder på 1, 2 og 3 lm-2, og deretter ble prøvene lagret i en inkubator ved 30 °C (fig. 3) i 9 dager (dvs. optimal herdetid) og deretter tatt ut for vindtunneltesting.
For hver behandling ble det fremstilt fire prøver, én for måling av kalsiumkarbonatinnhold og overflatestyrke ved hjelp av et penetrometer, og de resterende tre prøvene ble brukt til erosjonstester ved tre forskjellige hastigheter. I vindtunneltestene ble erosjonsmengden bestemt ved forskjellige vindhastigheter, og deretter ble terskelbrytningshastigheten for hver behandlingsprøve bestemt ved hjelp av et plott av erosjonsmengde versus vindhastighet. I tillegg til vinderosjonstestene ble de behandlede prøvene utsatt for sandbombardement (dvs. hoppeksperimenter). To ytterligere prøver ble fremstilt for dette formålet med påføringsmengder på 2 og 3 L m−2. Sandbombardementstesten varte i 15 minutter med en fluks på 120 gm−1, som er innenfor verdiområdet valgt i tidligere studier60,61,62. Den horisontale avstanden mellom slipedysen og sanddynens base var 800 mm, plassert 100 mm over tunnelbunnen. Denne posisjonen ble satt slik at nesten alle de hoppende sandpartiklene falt på sanddynen.
Vindtunnellesten ble utført i en åpen vindtunnel med en lengde på 8 m, en bredde på 0,4 m og en høyde på 1 m (figur 4a). Vindtunnelen er laget av galvaniserte stålplater og kan generere en vindhastighet på opptil 25 m/s. I tillegg brukes en frekvensomformer til å justere viftefrekvensen og gradvis øke frekvensen for å oppnå ønsket vindhastighet. Figur 4b viser et skjematisk diagram av sanddynene som erodert av vind og vindhastighetsprofilen målt i vindtunnelen.
Til slutt, for å sammenligne resultatene av den ikke-urealytiske MICP-formuleringen som ble foreslått i denne studien med resultatene av den urealytiske MICP-kontrolltesten, ble sanddynprøver også fremstilt og behandlet med en biologisk løsning som inneholdt urea, kalsiumklorid og Sporosarcina pasteurii (siden Sporosarcina pasteurii har en betydelig evne til å produsere urease63). Den optiske tettheten til bakterieløsningen var 1,5, og konsentrasjonene av urea og kalsiumklorid var 1 M (valgt basert på verdiene anbefalt i tidligere studier36,64,65). Kulturmediet besto av næringsbuljong (8 g/L) og urea (20 g/L). Bakterieløsningen ble sprayet på sanddynoverflaten og fikk stå i 24 timer for bakteriell feste. Etter 24 timers feste ble en sementeringsløsning (kalsiumklorid og urea) sprayet. Den urealytiske MICP-kontrolltesten omtales heretter som UMC. Kalsiumkarbonatinnholdet i urealytisk og ikke-urealytisk behandlede jordprøver ble målt ved vasking i henhold til prosedyren foreslått av Choi et al.66
Figur 5 viser vekstkurvene til Bacillus amyloliquefaciens og Bacillus subtilis i kulturmediet (næringsløsning) med et initialt pH-område på 5 til 10. Som vist i figuren vokste Bacillus amyloliquefaciens og Bacillus subtilis raskere ved henholdsvis pH 6–8 og 7–9. Derfor ble dette pH-området brukt i optimaliseringsfasen.
Vekstkurver for (a) Bacillus amyloliquefaciens og (b) Bacillus subtilis ved forskjellige initiale pH-verdier i næringsmediet.
Figur 6 viser mengden karbondioksid produsert i Bernard-kalkmåleren, som representerer utfelt kalsiumkarbonat (CaCO3). Siden én faktor var fast i hver kombinasjon og de andre faktorene ble variert, tilsvarer hvert punkt på disse grafene det maksimale volumet av karbondioksid i det settet med eksperimenter. Som vist i figuren, økte produksjonen av kalsiumkarbonat etter hvert som konsentrasjonen av kalsiumkilden økte. Derfor påvirker konsentrasjonen av kalsiumkilden direkte produksjonen av kalsiumkarbonat. Siden kalsiumkilden og karbonkilden er den samme (dvs. kalsiumformiat og kalsiumacetat), jo flere kalsiumioner som frigjøres, desto mer kalsiumkarbonat dannes (figur 6a). I AS- og AA-formuleringene fortsatte kalsiumkarbonatproduksjonen å øke med økende herdetid inntil mengden utfelt var nesten uendret etter 9 dager. I FA-formuleringen minket dannelseshastigheten for kalsiumkarbonat når herdetiden oversteg 6 dager. Sammenlignet med andre formuleringer viste formulering FS en relativt lav dannelseshastighet for kalsiumkarbonat etter 3 dager (figur 6b). I formuleringene FA og FS ble 70 % og 87 % av den totale kalsiumkarbonatproduksjonen oppnådd etter tre dager, mens i formuleringene AA og AS var denne andelen bare henholdsvis omtrent 46 % og 45 %. Dette indikerer at formuleringen basert på maursyre har en høyere CaCO3-dannelsesrate i startfasen sammenlignet med formuleringen basert på acetat. Dannelsesraten avtar imidlertid med økende herdetid. Det kan konkluderes fra figur 6c at selv ved bakteriekonsentrasjoner over OD1 er det ikke noe signifikant bidrag til kalsiumkarbonatdannelse.
Endring i CO2-volum (og tilsvarende CaCO3-innhold) målt med Bernard-kalsimeteret som en funksjon av (a) kalsiumkildekonsentrasjon, (b) herdetid, (c) OD, (d) initial pH, (e) forholdet mellom kalsiumkilde og bakterieløsning (for hver formulering); og (f) maksimal mengde kalsiumkarbonat produsert for hver kombinasjon av kalsiumkilde og bakterier.
Når det gjelder effekten av mediets initiale pH, viser figur 6d at for FA og FS nådde CaCO3-produksjonen en maksimal verdi ved pH 7. Denne observasjonen er i samsvar med tidligere studier som viser at FDH-enzymer er mest stabile ved pH 7–6,7. For AA og AS økte imidlertid CaCO3-utfellingen når pH-en oversteg 7. Tidligere studier viste også at det optimale pH-området for CoA-enzymaktivitet er fra 8 til 9,2–6,8. Tatt i betraktning at de optimale pH-områdene for CoA-enzymaktivitet og vekst av B. amyloliquefaciens er henholdsvis (8–9,2) og (6–8) (figur 5a), forventes den optimale pH-en for AA-formuleringen å være 8, og de to pH-områdene overlapper. Dette ble bekreftet av eksperimenter, som vist i figur 6d. Siden optimal pH for B. subtilis-vekst er 7–9 (figur 5b) og optimal pH for CoA-enzymaktivitet er 8–9,2, forventes det maksimale CaCO3-utfellingsutbyttet å være i pH-området 8–9, noe som bekreftes av figur 6d (dvs. optimal utfellings-pH er 9). Resultatene vist i figur 6e indikerer at det optimale forholdet mellom kalsiumkildeløsning og bakterieløsning er 1 for både acetat- og formiatløsninger. Til sammenligning ble ytelsen til forskjellige formuleringer (dvs. AA, AS, FA og FS) evaluert basert på maksimal CaCO3-produksjon under forskjellige forhold (dvs. kalsiumkildekonsentrasjon, herdetid, OD, forhold mellom kalsiumkilde og bakterieløsning og initial pH). Blant de studerte formuleringene hadde formulering FS den høyeste CaCO3-produksjonen, som var omtrent tre ganger så høy som formulering AA (figur 6f). Fire bakteriefrie kontrollforsøk ble utført for begge kalsiumkildene, og ingen CaCO3-utfelling ble observert etter 30 dager.
De optiske mikroskopibildene av alle formuleringene viste at vateritt var hovedfasen der kalsiumkarbonat ble dannet (figur 7). Vaterittkrystallene var sfæriske i formen69,70,71. Det ble funnet at kalsiumkarbonat utfelte seg på bakteriecellene fordi overflaten av bakteriecellene var negativt ladet og kunne fungere som et adsorbent for divalente kationer. Hvis vi tar formulering FS som et eksempel i denne studien, begynte kalsiumkarbonat å dannes på noen bakterieceller etter 24 timer (figur 7a), og etter 48 timer økte antallet bakterieceller dekket med kalsiumkarbonat betydelig. I tillegg, som vist i figur 7b, kunne vaterittpartikler også detekteres. Til slutt, etter 72 timer, så det ut til at et stort antall bakterier var bundet av vaterittkrystallene, og antallet vaterittpartikler økte betydelig (figur 7c).
Optiske mikroskopiobservasjoner av CaCO3-utfelling i FS-sammensetninger over tid: (a) 24, (b) 48 og (c) 72 timer.
For å undersøke morfologien til den utfelte fasen ytterligere, ble det utført røntgendiffraksjon (XRD) og SEM-analyser av pulverne. XRD-spektrene (fig. 8a) og SEM-mikrografene (fig. 8b, c) bekreftet tilstedeværelsen av vaterittkrystaller, ettersom de hadde en salatlignende form, og det ble observert en samsvar mellom vateritttoppene og utfelningstoppene.
(a) Sammenligning av røntgendiffraksjonsspektre av dannet CaCO3 og vateritt. SEM-mikrografer av vateritt ved henholdsvis (b) 1 kHz og (c) 5,27 kHz forstørrelse.
Resultatene fra vindtunneltestene er vist i figur 9a og 9b. Det fremgår av figur 9a at terskel erosjonshastigheten (TDV) for den ubehandlede sanden er omtrent 4,32 m/s. Ved en påføringsmengde på 1 l/m² (figur 9a) er hellingene på jordtaphastighetslinjene for fraksjonene FA, FS, AA og UMC omtrent de samme som for den ubehandlede sanddynen. Dette indikerer at behandlingen ved denne påføringsmengden er ineffektiv, og så snart vindhastigheten overstiger TDV, forsvinner den tynne jordskorpen, og sanddynerosjonshastigheten er den samme som for den ubehandlede sanddynen. Erosjonshellingen for fraksjon AS er også lavere enn for de andre fraksjonene med lavere abscisser (dvs. TDV) (figur 9a). Pilene i figur 9b indikerer at ved maksimal vindhastighet på 25 m/s forekom det ingen erosjon i de behandlede sanddynene ved påføringsmengdene 2 og 3 l/m². Med andre ord, for FS, FA, AS og UMC var sanddynene mer motstandsdyktige mot vinderosjon forårsaket av CaCO³-avsetning ved påføringsmengder på 2 og 3 l/m² enn ved maksimal vindhastighet (dvs. 25 m/s). Dermed er TDV-verdien på 25 m/s oppnådd i disse testene den nedre grensen for påføringsmengdene vist i figur 9b, bortsett fra i tilfellet med AA, hvor TDV er nesten lik maksimal vindtunnelhastighet.
Vinderosjonstest (a) Vekttap versus vindhastighet (påføringsmengde 1 l/m2), (b) Terskelhastighet for avrivning versus påføringsmengde og formulering (CA for kalsiumacetat, CF for kalsiumformiat).
Figur 10 viser overflateerosjonen av sanddyner behandlet med forskjellige formuleringer og påføringsmengder etter sandbombardementstesten, og de kvantitative resultatene er vist i figur 11. Det ubehandlede tilfellet er ikke vist fordi det ikke viste noen motstand og ble fullstendig erodert (totalt massetap) under sandbombardementstesten. Det er tydelig fra figur 11 at prøven behandlet med biosammensetning AA mistet 83,5 % av vekten sin ved en påføringsmengde på 2 l/m2, mens alle andre prøver viste mindre enn 30 % erosjon under sandbombardementprosessen. Da påføringsmengden ble økt til 3 l/m2, mistet alle behandlede prøver mindre enn 25 % av vekten sin. Ved begge påføringsmengder viste forbindelse FS den beste motstanden mot sandbombardement. Maksimal og minimal bombardementmotstand i de FS- og AA-behandlede prøvene kan tilskrives deres maksimale og minimale CaCO3-utfelling (figur 6f).
Resultater av bombardement av sanddyner med ulik sammensetning ved strømningshastigheter på 2 og 3 l/m2 (piler indikerer vindretning, kryss indikerer vindretning vinkelrett på tegningens plan).
Som vist i figur 12 økte kalsiumkarbonatinnholdet i alle formlene etter hvert som påføringsmengden økte fra 1 L/m² til 3 L/m². I tillegg var formelen med det høyeste kalsiumkarbonatinnholdet FS ved alle påføringsmengder, etterfulgt av FA og UMC. Dette tyder på at disse formlene kan ha høyere overflatemotstand.
Figur 13a viser endringen i overflatemotstand for ubehandlede, kontroll- og behandlede jordprøver målt ved permeametertest. Fra denne figuren er det tydelig at overflatemotstanden til UMC-, AS-, FA- og FS-formuleringer økte betydelig med økningen av påføringsmengden. Økningen i overflatestyrke var imidlertid relativt liten i AA-formuleringen. Som vist i figuren har FA- og FS-formuleringer av ikke-urea-degradert MICP bedre overflatepermeabilitet sammenlignet med urea-degradert MICP. Figur 13b viser endringen i TDV med jordoverflatemotstand. Fra denne figuren er det tydelig at for sanddyner med overflatemotstand større enn 100 kPa, vil terskelhastigheten for stripping overstige 25 m/s. Siden in situ overflatemotstand enkelt kan måles med permeameter, kan denne kunnskapen bidra til å estimere TDV i fravær av vindtunneltesting, og dermed tjene som en kvalitetskontrollindikator for feltanvendelser.
SEM-resultatene er vist i figur 14. Figur 14a-b viser de forstørrede partiklene i den ubehandlede jordprøven, noe som tydelig indikerer at den er kohesiv og ikke har noen naturlig binding eller sementering. Figur 14c viser SEM-mikrografen av kontrollprøven behandlet med urea-degradert MICP. Dette bildet viser tilstedeværelsen av CaCO3-utfellinger som kalsittpolymorfer. Som vist i figur 14d-o binder den utfelte CaCO3 partiklene sammen; sfæriske vaterittkrystaller kan også identifiseres i SEM-mikrografene. Resultatene fra denne studien og tidligere studier indikerer at CaCO3-bindingene dannet som vaterittpolymorfer også kan gi rimelig mekanisk styrke; våre resultater viser at overflatemotstanden øker til 350 kPa og terskelseparasjonshastigheten øker fra 4,32 til mer enn 25 m/s. Dette resultatet er i samsvar med resultatene fra tidligere studier som viser at matrisen av MICP-utfelt CaCO3 er vateritt, som har rimelig mekanisk styrke og vinderosjonsmotstand13,40 og kan opprettholde rimelig vinderosjonsmotstand selv etter 180 dager med eksponering for feltmiljøforhold13.
(a, b) SEM-mikrografer av ubehandlet jord, (c) MICP urea-nedbrytningskontroll, (df) AA-behandlede prøver, (gi) AS-behandlede prøver, (jl) FA-behandlede prøver og (mo) FS-behandlede prøver med en påføringsmengde på 3 L/m2 ved forskjellige forstørrelser.
Figur 14d-f viser at etter behandling med AA-forbindelser ble kalsiumkarbonat utfelt på overflaten og mellom sandkornene, mens noen ubelagte sandkorn også ble observert. For AS-komponenter, selv om mengden dannet CaCO3 ikke økte signifikant (fig. 6f), økte mengden kontakt mellom sandkorn forårsaket av CaCO3 signifikant sammenlignet med AA-forbindelser (fig. 14g-i).
Fra figur 14j-l og 14m-o er det tydelig at bruken av kalsiumformiat som kalsiumkilde fører til en ytterligere økning i CaCO3-utfelling sammenlignet med AS-forbindelsen, noe som er i samsvar med kalsiummålermålingene i figur 6f. Denne ekstra CaCO3-en ser ut til å hovedsakelig avsettes på sandpartiklene og forbedrer ikke nødvendigvis kontaktkvaliteten. Dette bekrefter den tidligere observerte oppførselen: til tross for forskjellene i mengden CaCO3-utfelling (figur 6f), skiller de tre formuleringene (AS, FA og FS) seg ikke vesentlig når det gjelder anti-eolisk (vind) ytelse (figur 11) og overflatemotstand (figur 13a).
For å bedre visualisere de CaCO3-belagte bakteriecellene og det bakterielle avtrykket på de utfelte krystallene, ble det tatt SEM-mikrografer med høy forstørrelse, og resultatene er vist i figur 15. Som vist, utfelles kalsiumkarbonat på bakteriecellene og gir kjernene som kreves for utfellingen der. Figuren viser også de aktive og inaktive bindingene indusert av CaCO3. Det kan konkluderes med at en økning i inaktive bindinger ikke nødvendigvis fører til ytterligere forbedring av mekanisk oppførsel. Derfor fører økende CaCO3-utfelling ikke nødvendigvis til høyere mekanisk styrke, og utfellingsmønsteret spiller en viktig rolle. Dette poenget har også blitt studert i arbeidene til Terzis og Laloui72 og Soghi og Al-Kabani45,73. For å utforske forholdet mellom utfellingsmønster og mekanisk styrke ytterligere, anbefales MICP-studier ved bruk av µCT-avbildning, noe som er utenfor rammen av denne studien (dvs. å introdusere forskjellige kombinasjoner av kalsiumkilde og bakterier for ammoniakkfri MICP).
CaCO3 induserte aktive og inaktive bindinger i prøver behandlet med (a) AS-sammensetning og (b) FS-sammensetning og etterlot et avtrykk av bakterieceller på sedimentet.
Som vist i figur 14j-o og 15b, er det en CaCO₂-film (ifølge EDX-analyse er den prosentvise sammensetningen av hvert element i filmen karbon 11 %, oksygen 46,62 % og kalsium 42,39 %, som er svært nær prosentandelen CaCO₂ i figur 16). Denne filmen dekker vaterittkrystallene og jordpartiklene, og bidrar til å opprettholde integriteten til jord-sediment-systemet. Tilstedeværelsen av denne filmen ble bare observert i prøvene behandlet med den formiatbaserte formuleringen.
Tabell 2 sammenligner overflatestyrken, terskelløsningshastigheten og bioindusert CaCO3-innhold i jord behandlet med ureadegraderende og ikke-ureadegraderende MICP-veier i tidligere studier og denne studien. Studier av vinderosjonsmotstanden til MICP-behandlede sanddynprøver er begrenset. Meng et al. undersøkte vinderosjonsmotstanden til MICP-behandlede ureadegraderende sanddynprøver ved hjelp av en løvblåser,13 mens i denne studien ble ikke-ureadegraderende sanddynprøver (samt ureadegraderende kontroller) testet i en vindtunnel og behandlet med fire forskjellige kombinasjoner av bakterier og stoffer.
Som det kan sees, har noen tidligere studier vurdert høye påføringsmengder på over 4 L/m²13,41,74. Det er verdt å merke seg at høye påføringsmengder kanskje ikke er lett anvendelige i felten fra et økonomisk synspunkt på grunn av kostnadene forbundet med vannforsyning, transport og påføring av store vannmengder. Lavere påføringsmengder, som 1,62–2 L/m², oppnådde også ganske gode overflatestyrker på opptil 190 kPa og en TDV på over 25 m/s. I den foreliggende studien oppnådde sanddyner behandlet med formiatbasert MICP uten ureanedbrytning høye overflatestyrker som var sammenlignbare med de som ble oppnådd med ureanedbrytningsveien i samme område av påføringsmengder (dvs. prøver behandlet med formiatbasert MICP uten ureanedbrytning var også i stand til å oppnå samme område av overflatestyrkeverdier som rapportert av Meng et al., 13, figur 13a) ved høyere påføringsmengder. Det kan også sees at ved en påføringsmengde på 2 L/m2 var utbyttet av kalsiumkarbonat for vinderosjonsreduksjon ved en vindhastighet på 25 m/s 2,25 % for den formiatbaserte MICP uten ureanedbrytning, noe som er svært nær den nødvendige mengden CaCO3 (dvs. 2,41 %) sammenlignet med sanddyner behandlet med kontroll-MICP med ureanedbrytning ved samme påføringsmengde og samme vindhastighet (25 m/s).
Det kan dermed konkluderes fra denne tabellen at både urea-nedbrytningsveien og den ureafrie nedbrytningsveien kan gi ganske akseptabel ytelse når det gjelder overflatemotstand og TDV. Hovedforskjellen er at den ureafrie nedbrytningsveien ikke inneholder ammoniakk og derfor har lavere miljøpåvirkning. I tillegg ser det ut til at den formiatbaserte MICP-metoden uten ureanedbrytning som foreslås i denne studien, yter bedre enn den acetatbaserte MICP-metoden uten ureanedbrytning. Selv om Mohebbi et al. studerte den acetatbaserte MICP-metoden uten ureanedbrytning, inkluderte studien deres prøver på flate overflater9. På grunn av den høyere graden av erosjon forårsaket av virveldannelse rundt sanddynprøvene og den resulterende skjæringen, som resulterer i lavere TDV, forventes vinderosjonen av sanddynprøvene å være mer tydelig enn på flate overflater med samme hastighet.