Dankie dat u nature.com besoek het. Die blaaierweergawe wat u gebruik, het beperkte CSS-ondersteuning. Vir die beste ervaring beveel ons aan dat u die nuutste blaaierweergawe gebruik (of versoenbaarheidsmodus in Internet Explorer afskakel). Daarbenewens, om voortgesette ondersteuning te verseker, sal hierdie webwerf nie style of JavaScript insluit nie.
Stofstorms hou 'n ernstige bedreiging vir baie lande regoor die wêreld in as gevolg van hul vernietigende impak op landbou, menslike gesondheid, vervoernetwerke en infrastruktuur. Gevolglik word winderosie as 'n wêreldwye probleem beskou. Een van die omgewingsvriendelike benaderings om winderosie te bekamp, ​​is die gebruik van mikrobies-geïnduseerde karbonaatpresipitasie (MICP). Die neweprodukte van ureum-afbraak-gebaseerde MICP, soos ammoniak, is egter nie ideaal wanneer dit in groot hoeveelhede geproduseer word nie. Hierdie studie bied twee formulerings van kalsiumformaatbakterieë vir die afbraak van MICP sonder om ureum te produseer en vergelyk hul prestasie omvattend met twee formulerings van nie-ammoniakproduserende kalsiumasetaatbakterieë. Die bakterieë wat oorweeg word, is Bacillus subtilis en Bacillus amyloliquefaciens. Eerstens is die geoptimaliseerde waardes van die faktore wat CaCO3-vorming beheer, bepaal. Windtonneltoetse is toe uitgevoer op sandduinmonsters wat met die geoptimaliseerde formulerings behandel is, en winderosieweerstand, stroopdrempelsnelheid en sandbombardementweerstand is gemeet. Kalsiumkarbonaat (CaCO3) allomorfe is geëvalueer met behulp van optiese mikroskopie, skandeerelektronmikroskopie (SEM) en X-straaldiffraksie-analise. Kalsiumformaat-gebaseerde formulasies het beduidend beter gevaar as asetaat-gebaseerde formulasies in terme van kalsiumkarbonaatvorming. Daarbenewens het B. subtilis meer kalsiumkarbonaat geproduseer as B. amyloliquefaciens. SEM-mikrograwe het duidelik die binding en inprenting van aktiewe en onaktiewe bakterieë op kalsiumkarbonaat, veroorsaak deur sedimentasie, getoon. Alle formulasies het winderosie beduidend verminder.
Winderosie word al lank erken as 'n groot probleem wat droë en semi-droë streke soos die suidwestelike Verenigde State, westelike China, Sahara-Afrika en 'n groot deel van die Midde-Ooste in die gesig staar. Lae reënval in droë en hiper-droë klimate het groot dele van hierdie streke in woestyne, sandduine en onbewerkte lande omskep. Voortgesette winderosie hou omgewingsbedreigings in vir infrastruktuur soos vervoernetwerke, landbougrond en industriële grond, wat lei tot swak lewensomstandighede en hoë koste van stedelike ontwikkeling in hierdie streke. Dit is belangrik dat winderosie nie net die plek waar dit voorkom, beïnvloed nie, maar ook gesondheids- en ekonomiese probleme in afgeleë gemeenskappe veroorsaak, aangesien dit deeltjies deur die wind na gebiede ver van die bron vervoer.
Winderosiebeheer bly 'n wêreldwye probleem. Verskeie metodes van grondstabilisering word gebruik om winderosie te beheer. Hierdie metodes sluit in materiale soos watertoediening7, oliedeklaag8, biopolimere5, mikrobies-geïnduseerde karbonaatpresipitasie (MICP)9,10,11,12 en ensiem-geïnduseerde karbonaatpresipitasie (EICP)1. Grondbenatting is 'n standaardmetode van stofonderdrukking in die veld. Die vinnige verdamping daarvan maak hierdie metode egter van beperkte doeltreffendheid in droë en semi-droë streke1. Die toediening van oliedeklaagverbindings verhoog sandkohesie en interdeeltjiewrywing. Hul kohesiewe eienskap bind sandkorrels saam; oliedeklaag hou egter ook ander probleme in; hul donker kleur verhoog hitte-absorpsie en lei tot die dood van plante en mikroörganismes. Hul reuk en dampe kan respiratoriese probleme veroorsaak, en veral hul hoë koste is nog 'n struikelblok. Biopolimere is een van die onlangs voorgestelde omgewingsvriendelike metodes vir die versagting van winderosie; hulle word onttrek uit natuurlike bronne soos plante, diere en bakterieë. Xantaangom, guargom, chitosan en gellangom is die mees gebruikte biopolimere in ingenieurstoepassings5. Wateroplosbare biopolimere kan egter sterkte verloor en uit die grond loog wanneer dit aan water blootgestel word13,14. EICP is bewys as 'n effektiewe stofonderdrukkingsmetode vir 'n verskeidenheid toepassings, insluitend ongeplaveide paaie, slykdamme en konstruksieterreine. Alhoewel die resultate bemoedigend is, moet sommige potensiële nadele in ag geneem word, soos koste en die gebrek aan nukleasieplekke (wat die vorming en neerslag van CaCO3-kristalle versnel15,16).
MICP is die eerste keer in die laat 19de eeu deur Murray en Irwin (1890) en Steinmann (1901) beskryf in hul studie van ureumafbraak deur mariene mikroörganismes17. MICP is 'n natuurlik voorkomende biologiese proses wat 'n verskeidenheid mikrobiese aktiwiteite en chemiese prosesse behels waarin kalsiumkarbonaat neerslag vind deur die reaksie van karbonaatione van mikrobiese metaboliete met kalsiumione in die omgewing18,19. MICP wat die ureum-afbrekende stikstofsiklus (ureum-afbrekende MICP) behels, is die mees algemene tipe mikrobies-geïnduseerde karbonaatpresipitasie, waarin urease wat deur bakterieë geproduseer word, die hidrolise van ureum20,21,22,23,24,25,26,27 soos volg kataliseer:
In MICP wat die koolstofsiklus van organiese soutoksidasie (MICP sonder ureumafbraaktipe) behels, gebruik heterotrofiese bakterieë organiese soute soos asetaat, laktaat, sitraat, suksinaat, oksalaat, malaat en glikosielaat as energiebronne om karbonaatminerale te produseer28. In die teenwoordigheid van kalsiumlaktaat as 'n koolstofbron en kalsiumione, word die chemiese reaksie van kalsiumkarbonaatvorming in vergelyking (5) getoon.
In die MICP-proses verskaf bakteriese selle nukleasieplekke wat veral belangrik is vir die presipitasie van kalsiumkarbonaat; die bakteriese seloppervlak is negatief gelaai en kan as 'n adsorbent vir divalente katione soos kalsiumione optree. Deur kalsiumione op bakteriese selle te adsorbeer, wanneer die karbonaatioonkonsentrasie voldoende is, reageer kalsiumkatione en karbonaatanione en kalsiumkarbonaat word op die bakteriese oppervlak presipiteer29,30. Die proses kan soos volg opgesom word31,32:
Biogegenereerde kalsiumkarbonaatkristalle kan in drie tipes verdeel word: kalsiet, vateriet en aragoniet. Onder hulle is kalsiet en vateriet die mees algemene bakteries-geïnduseerde kalsiumkarbonaat-allomorfe33,34. Kalsiet is die mees termodinamies stabiele kalsiumkarbonaat-allomorf35. Alhoewel vateriet berig is as metastabiel, transformeer dit uiteindelik in kalsiet36,37. Vateriet is die digste van hierdie kristalle. Dit is 'n seshoekige kristal wat beter porievulvermoë het as ander kalsiumkarbonaatkristalle as gevolg van sy groter grootte38. Beide ureum-afgebreekte en ureum-onafgebreekte MICP kan lei tot die presipitasie van vateriet13,39,40,41.
Alhoewel MICP belowende potensiaal getoon het in die stabilisering van problematiese gronde en gronde wat vatbaar is vir winderosie42,43,44,45,46,47,48, is een van die neweprodukte van ureumhidrolise ammoniak, wat ligte tot ernstige gesondheidsprobleme kan veroorsaak, afhangende van die vlak van blootstelling49. Hierdie newe-effek maak die gebruik van hierdie spesifieke tegnologie kontroversieel, veral wanneer groot areas behandel moet word, soos vir stofonderdrukking. Boonop is die reuk van ammoniak ondraaglik wanneer die proses teen hoë toedieningshoeveelhede en groot volumes uitgevoer word, wat die praktiese toepaslikheid daarvan kan beïnvloed. Alhoewel onlangse studies getoon het dat ammoniumione verminder kan word deur dit in ander produkte soos struwiet om te skakel, verwyder hierdie metodes nie ammoniumione heeltemal50 nie. Daarom is daar steeds 'n behoefte om alternatiewe oplossings te ondersoek wat nie ammoniumione genereer nie. Die gebruik van nie-ureum-afbraakpaaie vir MICP kan 'n potensiële oplossing bied wat swak ondersoek is in die konteks van winderosieversagting. Fattahi et al. het ureumvrye MICP-afbraak ondersoek met behulp van kalsiumasetaat en Bacillus megaterium41, terwyl Mohebbi et al. kalsiumasetaat en Bacillus amyloliquefaciens9 gebruik het. Hul studie is egter nie vergelyk met ander kalsiumbronne en heterotrofiese bakterieë wat uiteindelik winderosiebestandheid kan verbeter nie. Daar is ook 'n gebrek aan literatuur wat ureumvrye afbraakpaaie vergelyk met ureumafbraakpaaie in winderosieversagting.
Daarbenewens is die meeste winderosie- en stofbeheerstudies op grondmonsters met plat oppervlaktes uitgevoer.1,51,52,53 Plat oppervlaktes is egter minder algemeen in die natuur as heuwels en depressies. Dit is hoekom sandduine die algemeenste landskapkenmerk in woestynstreke is.
Om die bogenoemde tekortkominge te oorkom, het hierdie studie gepoog om 'n nuwe stel nie-ammoniakproduserende bakteriese agente bekend te stel. Vir hierdie doel het ons nie-ureum-afbrekende MICP-paaie oorweeg. Die doeltreffendheid van twee kalsiumbronne (kalsiumformaat en kalsiumasetaat) is ondersoek. Na die beste wete van die outeurs is karbonaatpresipitasie met behulp van twee kalsiumbron- en bakteriekombinasies (dws kalsiumformaat-Bacillus subtilis en kalsiumformaat-Bacillus amyloliquefaciens) nie in vorige studies ondersoek nie. Die keuse van hierdie bakterieë was gebaseer op die ensieme wat hulle produseer wat die oksidasie van kalsiumformaat en kalsiumasetaat kataliseer om mikrobiese karbonaatpresipitasie te vorm. Ons het 'n deeglike eksperimentele studie ontwerp om die optimale faktore soos pH, tipes bakterieë en kalsiumbronne en hul konsentrasies, die verhouding van bakterieë tot kalsiumbronoplossing en uithardingstyd te vind. Laastens is die doeltreffendheid van hierdie stel bakteriese agente in die onderdrukking van winderosie deur kalsiumkarbonaatpresipitasie ondersoek deur 'n reeks windtunneltoetse op sandduine uit te voer om die winderosie-grootte, drempel-wegbreeksnelheid en windbombardementweerstand van die sand te bepaal, en penetrometermetings en mikrostrukturele studies (bv. X-straaldiffraksie (XRD) analise en skandeerelektronmikroskopie (SEM)) is ook uitgevoer.
Kalsiumkarbonaatproduksie vereis kalsiumione en karbonaatione. Kalsiumione kan verkry word uit verskeie kalsiumbronne soos kalsiumchloried, kalsiumhidroksied en afgeroomde melkpoeier54,55. Karbonaatione kan geproduseer word deur verskeie mikrobiese metodes soos ureumhidrolise en aërobiese of anaërobiese oksidasie van organiese materiaal56. In hierdie studie is karbonaatione verkry uit die oksidasiereaksie van formate en asetaat. Daarbenewens het ons kalsiumsoute van formate en asetaat gebruik om suiwer kalsiumkarbonaat te produseer, dus is slegs CO2 en H2O as neweprodukte verkry. In hierdie proses dien slegs een stof as 'n kalsiumbron en 'n karbonaatbron, en geen ammoniak word geproduseer nie. Hierdie eienskappe maak die kalsiumbron en karbonaatproduksiemetode wat ons as baie belowend beskou het.
Die ooreenstemmende reaksies van kalsiumformiaat en kalsiumasetaat om kalsiumkarbonaat te vorm, word in formules (7)-(14) getoon. Formules (7)-(11) toon dat kalsiumformiaat in water oplos om mieresuur of formiaat te vorm. Die oplossing is dus 'n bron van vrye kalsium- en hidroksiedione (formules 8 en 9). As gevolg van die oksidasie van mieresuur word die koolstofatome in mieresuur omgeskakel in koolstofdioksied (formule 10). Kalsiumkarbonaat word uiteindelik gevorm (formules 11 en 12).
Net so word kalsiumkarbonaat gevorm uit kalsiumasetaat (vergelykings 13–15), behalwe dat asynsuur of asetaat in plaas van miersuur gevorm word.
Sonder die teenwoordigheid van ensieme kan asetaat en formate nie by kamertemperatuur geoksideer word nie. FDH (formate dehidrogenase) en CoA (koënsiem A) kataliseer die oksidasie van formate en asetaat om onderskeidelik koolstofdioksied te vorm (Vgl. 16, 17) 57, 58, 59. Verskeie bakterieë is in staat om hierdie ensieme te produseer, en heterotrofiese bakterieë, naamlik Bacillus subtilis (PTCC #1204 (Persian Type Culture Collection), ook bekend as NCIMB #13061 (International Collection of Bacteria, Yeast, Phage, Plasmids, Plant Seeds and Plant Cell Tissue Cultures)) en Bacillus amyloliquefaciens (PTCC #1732, NCIMB #12077), is in hierdie studie gebruik. Hierdie bakterieë is gekweek in 'n medium wat vleispeptoon (5 g/L) en vleisekstrak (3 g/L) bevat, genaamd nutriëntbouillon (NBR) (105443 Merck).
Dus is vier formulerings voorberei om kalsiumkarbonaatpresipitasie te veroorsaak deur twee kalsiumbronne en twee bakterieë te gebruik: kalsiumformaat en Bacillus subtilis (FS), kalsiumformaat en Bacillus amyloliquefaciens (FA), kalsiumasetaat en Bacillus subtilis (AS), en kalsiumasetaat en Bacillus amyloliquefaciens (AA).
In die eerste deel van die eksperimentele ontwerp is toetse uitgevoer om die optimale kombinasie te bepaal wat maksimum kalsiumkarbonaatproduksie sou behaal. Aangesien die grondmonsters kalsiumkarbonaat bevat het, is 'n stel voorlopige evalueringstoetse ontwerp om die CaCO3 wat deur die verskillende kombinasies geproduseer word, akkuraat te meet, en mengsels van kultuurmedium en kalsiumbronoplossings is geëvalueer. Vir elke kombinasie van kalsiumbron en bakterie-oplossing wat hierbo gedefinieer is (FS, FA, AS en AA), is optimeringsfaktore (kalsiumbronkonsentrasie, uithardingstyd, bakterie-oplossingkonsentrasie gemeet deur optiese digtheid van die oplossing (OD), kalsiumbron tot bakterie-oplossingsverhouding en pH) afgelei en gebruik in die sandduinbehandeling-windtonneltoetse wat in die volgende afdelings beskryf word.
Vir elke kombinasie is 150 eksperimente uitgevoer om die effek van CaCO3-presipitasie te bestudeer en verskeie faktore te evalueer, naamlik kalsiumbronkonsentrasie, uithardingstyd, bakteriese OD-waarde, kalsiumbron tot bakteriese oplossingverhouding en pH tydens aërobiese oksidasie van organiese materiaal (Tabel 1). Die pH-reeks vir die geoptimaliseerde proses is gekies op grond van die groeikurwes van Bacillus subtilis en Bacillus amyloliquefaciens om vinniger groei te verkry. Dit word in meer besonderhede in die Resultate-afdeling verduidelik.
Die volgende stappe is gebruik om die monsters vir die optimaliseringsfase voor te berei. Die MICP-oplossing is eers voorberei deur die aanvanklike pH van die kweekmedium aan te pas en dan vir 15 minute by 121 °C outoklaaf. Die stam is toe in 'n laminêre lugvloei geïnokuleer en in 'n skudinkubeerder by 30 °C en 180 rpm gehou. Sodra die OD van die bakterieë die verlangde vlak bereik het, is dit met die kalsiumbronoplossing in die verlangde verhouding gemeng (Figuur 1a). Die MICP-oplossing is toegelaat om te reageer en te stol in 'n skudinkubeerder by 220 rpm en 30 °C vir 'n tyd wat die teikenwaarde bereik het. Die neergeslane CaCO3 is geskei na sentrifugering by 6000 g vir 5 minute en dan by 40 °C gedroog om die monsters vir die kalsimetertoets voor te berei (Figuur 1b). Die neerslag van CaCO3 is toe gemeet met behulp van 'n Bernard-kalsimeter, waar CaCO3-poeier met 1.0 N HCl (ASTM-D4373-02) reageer om CO2 te produseer, en die volume van hierdie gas is 'n maatstaf van die CaCO3-inhoud (Figuur 1c). Om die volume CO2 na CaCO3-inhoud om te skakel, is 'n kalibrasiekurwe gegenereer deur suiwer CaCO3-poeier met 1 N HCl te was en dit teen die ontwikkelde CO2 te vergelyk. Die morfologie en suiwerheid van die neergeslane CaCO3-poeier is ondersoek met behulp van SEM-beelding en XRD-analise. 'n Optiese mikroskoop met 'n vergroting van 1000 is gebruik om die vorming van kalsiumkarbonaat rondom die bakterieë, die fase van die gevormde kalsiumkarbonaat en die aktiwiteit van die bakterieë te bestudeer.
Die Dejegh-bekken is 'n bekende hoogs geërodeerde streek in die suidwestelike Fars-provinsie van Iran, en die navorsers het wind-eërodeerde grondmonsters uit die gebied versamel. Die monsters is van die grondoppervlak geneem vir die studie. Aanwysertoetse op die grondmonsters het getoon dat die grond swak gesorteerde sandgrond met slik was en as SP-SM geklassifiseer is volgens die Verenigde Grondklassifikasiestelsel (USC) (Figuur 2a). XRD-analise het getoon dat die Dejegh-grond hoofsaaklik uit kalsiet en kwarts bestaan ​​het (Figuur 2b). Daarbenewens het EDX-analise getoon dat ander elemente soos Al, K en Fe ook in kleiner verhoudings teenwoordig was.
Om die laboratoriumduine voor te berei vir winderosietoetsing, is die grond vanaf 'n hoogte van 170 mm deur 'n tregter met 'n deursnee van 10 mm tot 'n ferm oppervlak gepers, wat 'n tipiese duin van 60 mm in hoogte en 210 mm in deursnee tot gevolg gehad het. In die natuur word die sandduine met die laagste digtheid deur Eoliese prosesse gevorm. Net so het die monster wat met behulp van die bogenoemde prosedure voorberei is, die laagste relatiewe digtheid, γ = 14.14 kN/m³, gehad, wat 'n sandkeël gevorm het wat op 'n horisontale oppervlak met 'n rushoek van ongeveer 29.7° neergelê is.
Die optimale MICP-oplossing wat in die vorige afdeling verkry is, is op die duinhelling gespuit teen toedieningshoeveelhede van 1, 2 en 3 lm-2 en daarna is die monsters vir 9 dae (d.w.s. die optimale uithardingstyd) in 'n inkubeerder by 30 °C (Fig. 3) gestoor en toe vir windtonneltoetsing uitgehaal.
Vir elke behandeling is vier monsters voorberei, een vir die meting van kalsiumkarbonaatinhoud en oppervlaksterkte met behulp van 'n penetrometer, en die oorblywende drie monsters is gebruik vir erosietoetse teen drie verskillende snelhede. In die windtonneltoetse is die hoeveelheid erosie teen verskillende windsnelhede bepaal, en toe is die drempelwegbreeksnelheid vir elke behandelingsmonster bepaal deur 'n grafiek van erosiehoeveelheid teenoor windsnelheid te gebruik. Benewens die winderosietoetse, is die behandelde monsters onderwerp aan sandbombardement (d.w.s. springeksperimente). Twee bykomende monsters is vir hierdie doel voorberei teen toedieningshoeveelhede van 2 en 3 L m−2. Die sandbombardementtoets het 15 minute geduur met 'n vloei van 120 gm−1, wat binne die reeks waardes is wat in vorige studies gekies is60,61,62. Die horisontale afstand tussen die skuurmondstuk en die duinbasis was 800 mm, 100 mm bo die tonnelbodem geleë. Hierdie posisie is so ingestel dat byna al die springsanddeeltjies op die duin geval het.
Die windtunneltoets is uitgevoer in 'n oop windtunnel met 'n lengte van 8 m, 'n breedte van 0.4 m en 'n hoogte van 1 m (Figuur 4a). Die windtunnel is gemaak van gegalvaniseerde staalplate en kan 'n windsnelheid van tot 25 m/s genereer. Daarbenewens word 'n frekwensie-omskakelaar gebruik om die waaierfrekwensie aan te pas en die frekwensie geleidelik te verhoog om die teikenwindsnelheid te verkry. Figuur 4b toon die skematiese diagram van die sandduine wat deur wind geërodeer is en die windsnelheidsprofiel wat in die windtunnel gemeet is.
Laastens, om die resultate van die nie-urealitiese MICP-formulering wat in hierdie studie voorgestel word, te vergelyk met die resultate van die urealitiese MICP-kontroletoets, is duinmonsters ook voorberei en behandel met 'n biologiese oplossing wat ureum, kalsiumchloried en Sporosarcina pasteurii bevat (aangesien Sporosarcina pasteurii 'n beduidende vermoë het om urease te produseer63). Die optiese digtheid van die bakteriese oplossing was 1.5, en die konsentrasies ureum en kalsiumchloried was 1 M (gekies op grond van die waardes wat in vorige studies aanbeveel is36,64,65). Die kweekmedium het bestaan ​​uit voedingsbouillon (8 g/L) en ureum (20 g/L). Die bakteriese oplossing is op die duinoppervlak gespuit en vir 24 uur gelaat vir bakteriese aanhegting. Na 24 uur se aanhegting is 'n sementeringsoplossing (kalsiumchloried en ureum) gespuit. Die urealitiese MICP-kontroletoets word hierna UMC genoem. Die kalsiumkarbonaatinhoud van urealities en nie-urealities behandelde grondmonsters is verkry deur was volgens die prosedure wat deur Choi et al.66 voorgestel is.
Figuur 5 toon die groeikurwes van Bacillus amyloliquefaciens en Bacillus subtilis in die kweekmedium (voedingsoplossing) met 'n aanvanklike pH-reeks van 5 tot 10. Soos in die figuur getoon, het Bacillus amyloliquefaciens en Bacillus subtilis vinniger gegroei by pH 6-8 en 7-9, onderskeidelik. Daarom is hierdie pH-reeks in die optimaliseringsfase aangeneem.
Groeikrommes van (a) Bacillus amyloliquefaciens en (b) Bacillus subtilis by verskillende aanvanklike pH-waardes van die voedingsmedium.
Figuur 6 toon die hoeveelheid koolstofdioksied wat in die Bernard-kalkmeter geproduseer word, wat gepresipiteerde kalsiumkarbonaat (CaCO3) verteenwoordig. Aangesien een faktor in elke kombinasie vasgestel is en die ander faktore gevarieer is, stem elke punt op hierdie grafieke ooreen met die maksimum volume koolstofdioksied in daardie stel eksperimente. Soos in die figuur getoon, het die produksie van kalsiumkarbonaat toegeneem soos die konsentrasie van die kalsiumbron toegeneem het. Daarom beïnvloed die konsentrasie van die kalsiumbron direk die produksie van kalsiumkarbonaat. Aangesien die kalsiumbron en die koolstofbron dieselfde is (d.w.s. kalsiumformaat en kalsiumasetaat), hoe meer kalsiumione vrygestel word, hoe meer kalsiumkarbonaat word gevorm (Figuur 6a). In die AS- en AA-formulerings het kalsiumkarbonaatproduksie voortgegaan om te toeneem met toenemende uithardingstyd totdat die hoeveelheid presipitaat na 9 dae byna onveranderd was. In die FA-formulering het die tempo van kalsiumkarbonaatvorming afgeneem toe die uithardingstyd 6 dae oorskry het. In vergelyking met ander formulerings het formulering FS 'n relatief lae kalsiumkarbonaatvormingstempo na 3 dae getoon (Figuur 6b). In formulerings FA en FS is 70% en 87% van die totale kalsiumkarbonaatproduksie na drie dae verkry, terwyl hierdie verhouding in formulerings AA en AS onderskeidelik slegs ongeveer 46% en 45% was. Dit dui daarop dat die miersuur-gebaseerde formulering 'n hoër CaCO3-vormingstempo in die aanvanklike stadium het in vergelyking met die asetaat-gebaseerde formulering. Die vormingstempo vertraag egter met toenemende uithardingstyd. Uit Figuur 6c kan afgelei word dat selfs by bakteriese konsentrasies bo OD1, daar geen beduidende bydrae tot kalsiumkarbonaatvorming is nie.
Verandering in CO2-volume (en ooreenstemmende CaCO3-inhoud) gemeet deur die Bernard-kalsimeter as 'n funksie van (a) kalsiumbronkonsentrasie, (b) stoltyd, (c) OD, (d) aanvanklike pH, (e) verhouding van kalsiumbron tot bakteriese oplossing (vir elke formulering); en (f) maksimum hoeveelheid kalsiumkarbonaat wat vir elke kombinasie van kalsiumbron en bakterieë geproduseer word.
Wat die effek van die aanvanklike pH van die medium betref, toon Figuur 6d dat die CaCO3-produksie vir FA en FS 'n maksimum waarde by pH 7 bereik het. Hierdie waarneming stem ooreen met vorige studies dat FDH-ensieme die stabielste is by pH 7-6.7. Vir AA en AS het die CaCO3-presipitasie egter toegeneem toe die pH 7 oorskry het. Vorige studies het ook getoon dat die optimale pH-reeks vir CoA-ensiemaktiwiteit van 8 tot 9.2-6.8 is. Aangesien die optimale pH-reekse vir CoA-ensiemaktiwiteit en B. amyloliquefaciens-groei onderskeidelik (8-9.2) en (6-8) is (Figuur 5a), word verwag dat die optimale pH van AA-formulering 8 sal wees, en die twee pH-reekse oorvleuel. Hierdie feit is deur eksperimente bevestig, soos getoon in Figuur 6d. Aangesien die optimale pH vir B. subtilis-groei 7-9 is (Figuur 5b) en die optimale pH vir CoA-ensiemaktiwiteit 8-9.2 is, word verwag dat die maksimum CaCO3-presipitasie-opbrengs in die pH-reeks van 8-9 sal wees, wat deur Figuur 6d bevestig word (d.w.s. die optimale presipitasie-pH is 9). Die resultate wat in Figuur 6e getoon word, dui daarop dat die optimale verhouding van kalsiumbronoplossing tot bakteriese oplossing 1 is vir beide asetaat- en formateoplossings. Ter vergelyking is die werkverrigting van verskillende formulasies (d.w.s. AA, AS, FA en FS) geëvalueer op grond van die maksimum CaCO3-produksie onder verskillende toestande (d.w.s. kalsiumbronkonsentrasie, uithardingstyd, OD, kalsiumbron-tot-bakteriese oplossingverhouding en aanvanklike pH). Onder die bestudeerde formulasies het formulasie FS die hoogste CaCO3-produksie gehad, wat ongeveer drie keer dié van formulasie AA was (Figuur 6f). Vier bakterieëvrye kontrole-eksperimente is vir beide kalsiumbronne uitgevoer en geen CaCO3-presipitasie is na 30 dae waargeneem nie.
Die optiese mikroskopiebeelde van al die formulasies het getoon dat vaterie die hooffase was waarin kalsiumkarbonaat gevorm is (Figuur 7). Die vateriekristalle was sferies van vorm69,70,71. Daar is gevind dat kalsiumkarbonaat op die bakteriese selle neerslag gevind het omdat die oppervlak van die bakteriese selle negatief gelaai was en as 'n adsorbent vir divalente katione kon optree. As ons formulering FS as voorbeeld in hierdie studie neem, het kalsiumkarbonaat na 24 uur op sommige bakteriese selle begin vorm (Figuur 7a), en na 48 uur het die aantal bakteriese selle wat met kalsiumkarbonaat bedek is, aansienlik toegeneem. Daarbenewens, soos getoon in Figuur 7b, kon vateriedeeltjies ook opgespoor word. Uiteindelik, na 72 uur, het 'n groot aantal bakterieë deur die vateriekristalle gebind gelyk, en die aantal vateriedeeltjies het aansienlik toegeneem (Figuur 7c).
Optiese mikroskopie-waarnemings van CaCO3-presipitasie in FS-samestellings oor tyd: (a) 24, (b) 48 en (c) 72 uur.
Om die morfologie van die neerslagfase verder te ondersoek, is X-straaldiffraksie (XRD) en SEM-analises van die poeiers uitgevoer. Die XRD-spektra (Fig. 8a) en SEM-mikrograwe (Fig. 8b, c) het die teenwoordigheid van vaterietkristalle bevestig, aangesien hulle 'n blaarslaai-agtige vorm gehad het en 'n ooreenstemming tussen die vaterietpieke en die neerslagpieke waargeneem is.
(a) Vergelyking van X-straaldiffraksiespektra van gevormde CaCO3 en vateriete. SEM-mikrograwe van vateriete teen (b) 1 kHz en (c) 5.27 kHz vergroting, onderskeidelik.
Die resultate van die windtunneltoetse word in Figuur 9a, b getoon. Dit kan uit Figuur 9a gesien word dat die drempel-erosiesnelheid (TDV) van die onbehandelde sand ongeveer 4.32 m/s is. Teen die toedieningshoeveelheid van 1 l/m² (Figuur 9a) is die hellings van die grondverliestempolyne vir fraksies FA, FS, AA en UMC ongeveer dieselfde as vir die onbehandelde duin. Dit dui daarop dat die behandeling teen hierdie toedieningshoeveelheid oneffektief is en sodra die windsnelheid die TDV oorskry, verdwyn die dun grondkors en is die duin-erosiesnelheid dieselfde as vir die onbehandelde duin. Die erosiehelling van fraksie AS is ook laer as dié van die ander fraksies met laer absisse (d.w.s. TDV) (Figuur 9a). Die pyle in Figuur 9b dui aan dat teen die maksimum windsnelheid van 25 m/s geen erosie in die behandelde duine teen die toedieningshoeveelhede van 2 en 3 l/m² plaasgevind het nie. Met ander woorde, vir FS, FA, AS en UMC, was die duine meer bestand teen winderosie veroorsaak deur CaCO³-afsetting teen die toedieningshoeveelhede van 2 en 3 l/m² as teen die maksimum windsnelheid (dws 25 m/s). Dus is die TDV-waarde van 25 m/s wat in hierdie toetse verkry is, die onderste limiet vir die toedieningshoeveelhede wat in Figuur 9b getoon word, behalwe vir die geval van AA, waar die TDV amper gelyk is aan die maksimum windtonnelsnelheid.
Winderosietoets (a) Gewigsverlies teenoor windspoed (toedieningshoeveelheid 1 l/m2), (b) Drempel-afskeurspoed teenoor toedieningshoeveelheid en formulering (CA vir kalsiumasetaat, CF vir kalsiumformaat).
Figuur 10 toon die oppervlakerosie van sandduine wat met verskillende formulasies en toedieningshoeveelhede na die sandbombardementtoets behandel is, en die kwantitatiewe resultate word in Figuur 11 getoon. Die onbehandelde geval word nie getoon nie, omdat dit geen weerstand getoon het nie en heeltemal geërodeer is (totale massaverlies) tydens die sandbombardementtoets. Dit is duidelik uit Figuur 11 dat die monster wat met biosamestelling AA behandel is, 83.5% van sy gewig verloor het teen die toedieningshoeveelheid van 2 l/m2, terwyl alle ander monsters minder as 30% erosie tydens die sandbombardementproses getoon het. Toe die toedieningshoeveelheid tot 3 l/m2 verhoog is, het alle behandelde monsters minder as 25% van hul gewig verloor. Teen beide toedieningshoeveelhede het verbinding FS die beste weerstand teen sandbombardement getoon. Die maksimum en minimum bombardementweerstand in die FS- en AA-behandelde monsters kan toegeskryf word aan hul maksimum en minimum CaCO3-neerslag (Figuur 6f).
Resultate van bombardement van sandduine van verskillende samestellings teen vloeisnelhede van 2 en 3 l/m2 (pyle dui windrigting aan, kruise dui windrigting loodreg op die vlak van die tekening aan).
Soos getoon in Figuur 12, het die kalsiumkarbonaatinhoud van al die formules toegeneem namate die toedieningshoeveelheid van 1 L/m² tot 3 L/m² toegeneem het. Daarbenewens was die formule met die hoogste kalsiumkarbonaatinhoud teen alle toedieningshoeveelhede FS, gevolg deur FA en UMC. Dit dui daarop dat hierdie formules moontlik hoër oppervlakweerstand het.
Figuur 13a toon die verandering in oppervlakweerstand van onbehandelde, kontrole- en behandelde grondmonsters gemeet deur die permeametertoets. Uit hierdie figuur is dit duidelik dat die oppervlakweerstand van UMC-, AS-, FA- en FS-formulerings aansienlik toegeneem het met die toename in toedieningshoeveelheid. Die toename in oppervlaksterkte was egter relatief klein in die AA-formulering. Soos in die figuur getoon, het FA- en FS-formulerings van nie-ureum-gedegradeerde MICP beter oppervlakdeurlaatbaarheid in vergelyking met ureum-gedegradeerde MICP. Figuur 13b toon die verandering in TDV met grondoppervlakweerstand. Uit hierdie figuur is dit duidelik dat vir duine met oppervlakweerstand groter as 100 kPa, die drempelstroopsnelheid 25 m/s sal oorskry. Aangesien in situ oppervlakweerstand maklik met 'n permeameter gemeet kan word, kan hierdie kennis help om TDV te skat in die afwesigheid van windtunneltoetsing, en sodoende dien as 'n kwaliteitsbeheer-aanwyser vir veldtoepassings.
Die SEM-resultate word in Figuur 14 getoon. Figure 14a-b toon die vergrote deeltjies van die onbehandelde grondmonster, wat duidelik aandui dat dit kohesief is en geen natuurlike binding of sementasie het nie. Figuur 14c toon die SEM-mikrograaf van die kontrolemonster wat met ureum-afgebreekte MICP behandel is. Hierdie beeld toon die teenwoordigheid van CaCO3-presipitate as kalsietpolimorfe. Soos getoon in Figure 14d-o, bind die gepresipiteerde CaCO3 die deeltjies aan mekaar; sferiese vaterietkristalle kan ook in die SEM-mikrograwe geïdentifiseer word. Die resultate van hierdie studie en vorige studies dui daarop dat die CaCO3-bindings wat as vaterietpolimorfe gevorm word, ook redelike meganiese sterkte kan bied; ons resultate toon dat die oppervlakweerstand toeneem tot 350 kPa en die drempelskeidingsnelheid toeneem van 4.32 tot meer as 25 m/s. Hierdie resultaat stem ooreen met die resultate van vorige studies dat die matriks van MICP-gepresipiteerde CaCO3 vaterie is, wat redelike meganiese sterkte en winderosiebestandheid13,40 het en redelike winderosiebestandheid kan handhaaf, selfs na 180 dae se blootstelling aan veldomgewingstoestande13.
(a, b) SEM-mikrograwe van onbehandelde grond, (c) MICP ureum-afbraakbeheer, (df) AA-behandelde monsters, (gi) AS-behandelde monsters, (jl) FA-behandelde monsters, en (mo) FS-behandelde monsters teen 'n toedieningshoeveelheid van 3 L/m2 by verskillende vergrotings.
Figuur 14d-f toon dat na behandeling met AA-verbindings kalsiumkarbonaat op die oppervlak en tussen die sandkorrels neergeslaan het, terwyl sommige onbedekte sandkorrels ook waargeneem is. Vir AS-komponente, hoewel die hoeveelheid CaCO3 wat gevorm is nie beduidend toegeneem het nie (Fig. 6f), het die hoeveelheid kontakte tussen sandkorrels wat deur CaCO3 veroorsaak is, beduidend toegeneem in vergelyking met AA-verbindings (Fig. 14g-i).
Uit Figure 14j-l en 14m-o is dit duidelik dat die gebruik van kalsiumformiaat as 'n kalsiumbron lei tot 'n verdere toename in CaCO3-presipitasie in vergelyking met die AS-verbinding, wat ooreenstem met die kalsiummetermetings in Figuur 6f. Hierdie bykomende CaCO3 blyk hoofsaaklik op die sanddeeltjies neergelê te word en verbeter nie noodwendig die kontakkwaliteit nie. Dit bevestig die voorheen waargenome gedrag: ten spyte van die verskille in die hoeveelheid CaCO3-presipitasie (Figuur 6f), verskil die drie formulasies (AS, FA en FS) nie beduidend in terme van anti-eoliese (wind) prestasie (Figuur 11) en oppervlakweerstand (Figuur 13a) nie.
Om die CaCO3-bedekte bakteriese selle en die bakteriese afdruk op die gepresipiteerde kristalle beter te visualiseer, is hoëvergroting SEM-mikrograwe geneem en die resultate word in Figuur 15 getoon. Soos getoon, presipiteer kalsiumkarbonaat op die bakteriese selle en verskaf die kerne wat benodig word vir die presipitasie daar. Die figuur toon ook die aktiewe en onaktiewe skakels wat deur CaCO3 geïnduseer word. Daar kan afgelei word dat enige toename in onaktiewe skakels nie noodwendig lei tot verdere verbetering in meganiese gedrag nie. Daarom lei toenemende CaCO3-presipitasie nie noodwendig tot hoër meganiese sterkte nie en die presipitasiepatroon speel 'n belangrike rol. Hierdie punt is ook bestudeer in die werke van Terzis en Laloui72 en Soghi en Al-Kabani45,73. Om die verband tussen presipitasiepatroon en meganiese sterkte verder te ondersoek, word MICP-studies met behulp van µCT-beelding aanbeveel, wat buite die bestek van hierdie studie val (d.w.s. die bekendstelling van verskillende kombinasies van kalsiumbron en bakterieë vir ammoniakvrye MICP).
CaCO3 het aktiewe en onaktiewe bindings in monsters wat behandel is met (a) AS-samestelling en (b) FS-samestelling geïnduseer en 'n afdruk van bakteriese selle op die sediment gelaat.
Soos getoon in Figure 14j-o en 15b, is daar 'n CaCO₂-film (volgens EDX-analise is die persentasie samestelling van elke element in die film koolstof 11%, suurstof 46.62% en kalsium 42.39%, wat baie naby is aan die persentasie CaCO₂ in Figuur 16). Hierdie film bedek die vaterietkristalle en gronddeeltjies, wat help om die integriteit van die grond-sedimentstelsel te handhaaf. Die teenwoordigheid van hierdie film is slegs waargeneem in die monsters wat met die formiaat-gebaseerde formulering behandel is.
Tabel 2 vergelyk die oppervlaksterkte, drempel-losmakingsnelheid en bio-geïnduseerde CaCO3-inhoud van gronde wat behandel is met ureum-afbrekende en nie-ureum-afbrekende MICP-paaie in vorige studies en hierdie studie. Studies oor die winderosiebestandheid van MICP-behandelde duinmonsters is beperk. Meng et al. het die winderosiebestandheid van MICP-behandelde ureum-afbrekende duinmonsters ondersoek met behulp van 'n blaarblaaier,13 terwyl in hierdie studie nie-ureum-afbrekende duinmonsters (sowel as ureum-afbrekende kontroles) in 'n windtunnel getoets en behandel is met vier verskillende kombinasies van bakterieë en stowwe.
Soos gesien kan word, het sommige vorige studies hoë toedieningshoeveelhede van meer as 4 L/m² oorweeg13,41,74. Dit is opmerklik dat hoë toedieningshoeveelhede dalk nie maklik in die veld toepaslik is vanuit 'n ekonomiese oogpunt nie as gevolg van die koste verbonde aan watervoorsiening, vervoer en toediening van groot volumes water. Laer toedieningshoeveelhede soos 1.62-2 L/m² het ook redelik goeie oppervlaksterktes van tot 190 kPa en 'n TDV van meer as 25 m/s behaal. In die huidige studie het duine wat met formiaat-gebaseerde MICP behandel is sonder ureumdegradasie hoë oppervlaksterktes behaal wat vergelykbaar was met dié wat verkry is met die ureumdegradasieroete in dieselfde reeks toedieningshoeveelhede (d.w.s. monsters wat met formiaat-gebaseerde MICP behandel is sonder ureumdegradasie kon ook dieselfde reeks oppervlaksterktewaardes bereik soos gerapporteer deur Meng et al., 13, Figuur 13a) teen hoër toedieningshoeveelhede. Daar kan ook gesien word dat teen die toedieningshoeveelheid van 2 L/m2, die opbrengs van kalsiumkarbonaat vir winderosieversagting teen 'n windspoed van 25 m/s 2.25% was vir die formate-gebaseerde MICP sonder ureumafbraak, wat baie naby is aan die vereiste hoeveelheid CaCO3 (d.w.s. 2.41%) in vergelyking met duine wat behandel is met die kontrole MICP met ureumafbraak teen dieselfde toedieningshoeveelheid en dieselfde windspoed (25 m/s).
Dus kan uit hierdie tabel afgelei word dat beide die ureum-afbraakroete en die ureumvrye afbraakroete heel aanvaarbare prestasie kan lewer in terme van oppervlakweerstand en TDV. Die hoofverskil is dat die ureumvrye afbraakroete nie ammoniak bevat nie en dus 'n laer omgewingsimpak het. Daarbenewens blyk die formiaat-gebaseerde MICP-metode sonder ureum-afbraak wat in hierdie studie voorgestel word, beter te presteer as die asetaat-gebaseerde MICP-metode sonder ureum-afbraak. Alhoewel Mohebbi et al. die asetaat-gebaseerde MICP-metode sonder ureum-afbraak bestudeer het, het hul studie monsters op plat oppervlaktes9 ingesluit. As gevolg van die hoër graad van erosie wat veroorsaak word deur wervelvorming rondom die duinmonsters en die gevolglike skuifwerking, wat lei tot 'n laer TDV, word verwag dat die winderosie van die duinmonsters meer opvallend sal wees as dié van plat oppervlaktes teen dieselfde spoed.