Vă mulțumim că ați vizitat nature.com. Versiunea browserului pe care o utilizați are suport limitat pentru CSS. Pentru o experiență optimă, vă recomandăm să utilizați cea mai recentă versiune de browser (sau să dezactivați modul de compatibilitate în Internet Explorer). În plus, pentru a asigura asistență continuă, acest site nu va include stiluri sau JavaScript.
Furtunile de praf reprezintă o amenințare serioasă pentru multe țări din întreaga lume datorită impactului lor distructiv asupra agriculturii, sănătății umane, rețelelor de transport și infrastructurii. Prin urmare, eroziunea eoliană este considerată o problemă globală. Una dintre abordările ecologice pentru a reduce eroziunea eoliană este utilizarea precipitării carbonatice induse microbian (MICP). Cu toate acestea, subprodusele MICP pe bază de degradare a ureei, cum ar fi amoniacul, nu sunt ideale atunci când sunt produse în cantități mari. Acest studiu prezintă două formulări de bacterii formiate de calciu pentru degradarea MICP fără a produce uree și compară în mod cuprinzător performanța lor cu două formulări de bacterii acetat de calciu care nu produc amoniac. Bacteriile luate în considerare sunt Bacillus subtilis și Bacillus amyloliquefaciens. Mai întâi, au fost determinate valorile optimizate ale factorilor care controlează formarea CaCO3. Apoi, au fost efectuate teste în tunel aerodinamic pe probe de dune de nisip tratate cu formulările optimizate, iar rezistența la eroziunea eoliană, viteza pragului de stripare și rezistența la bombardamentul cu nisip au fost măsurate. Alomorfii de carbonat de calciu (CaCO3) au fost evaluați utilizând microscopia optică, microscopia electronică cu scanare (SEM) și analiza prin difracție de raze X. Formulările pe bază de formiat de calciu au avut performanțe semnificativ mai bune decât formulările pe bază de acetat în ceea ce privește formarea carbonatului de calciu. În plus, B. subtilis a produs mai mult carbonat de calciu decât B. amyloliquefaciens. Micrografiile SEM au arătat clar legarea și imprimarea bacteriilor active și inactive pe carbonatul de calciu cauzată de sedimentare. Toate formulările au redus semnificativ eroziunea eoliană.
Eroziunea eoliană a fost mult timp recunoscută ca o problemă majoră cu care se confruntă regiunile aride și semi-aride, cum ar fi sud-vestul Statelor Unite, vestul Chinei, Africa Sahariană și o mare parte din Orientul Mijlociu1. Precipitațiile scăzute în climatele aride și hiperaride au transformat mari părți din aceste regiuni în deșerturi, dune de nisip și terenuri necultivate. Eroziunea eoliană continuă reprezintă amenințări de mediu pentru infrastructură, cum ar fi rețelele de transport, terenurile agricole și terenurile industriale, ducând la condiții de viață precare și costuri ridicate ale dezvoltării urbane în aceste regiuni2,3,4. Este important de menționat că eroziunea eoliană nu numai că are impact asupra locației în care apare, dar provoacă și probleme de sănătate și economice în comunitățile îndepărtate, deoarece transportă particule prin vânt în zone îndepărtate de sursă5,6.
Controlul eroziunii eoliene rămâne o problemă globală. Diverse metode de stabilizare a solului sunt utilizate pentru a controla eroziunea eoliană. Aceste metode includ materiale precum aplicarea de apă7, mulciul de ulei8, biopolimeri5, precipitarea carbonatică indusă de microbi (MICP)9,10,11,12 și precipitarea carbonatică indusă de enzime (EICP)1. Umezirea solului este o metodă standard de suprimare a prafului pe teren. Cu toate acestea, evaporarea sa rapidă face ca această metodă să aibă o eficacitate limitată în regiunile aride și semiaride1. Aplicarea compușilor de mulcire cu ulei crește coeziunea nisipului și frecarea interparticulelor. Proprietatea lor coezivă leagă granulele de nisip împreună; cu toate acestea, mulciul de ulei prezintă și alte probleme; culoarea lor închisă crește absorbția căldurii și duce la moartea plantelor și microorganismelor. Mirosul și vaporii lor pot provoca probleme respiratorii și, în special, costul lor ridicat este un alt obstacol. Biopolimerii sunt una dintre metodele ecologice propuse recent pentru atenuarea eroziunii eoliene; aceștia sunt extrași din surse naturale, cum ar fi plante, animale și bacterii. Guma xantan, guma guar, chitosanul și guma gellan sunt cei mai frecvent utilizați biopolimeri în aplicațiile inginerești5. Cu toate acestea, biopolimerii solubili în apă își pot pierde rezistența și se pot scurge din sol atunci când sunt expuși la apă13,14. EICP s-a dovedit a fi o metodă eficientă de suprimare a prafului pentru o varietate de aplicații, inclusiv drumuri neasfaltate, iazuri de decantare și șantiere de construcții. Deși rezultatele sale sunt încurajatoare, trebuie luate în considerare unele dezavantaje potențiale, cum ar fi costul și lipsa locurilor de nucleație (care accelerează formarea și precipitarea cristalelor de CaCO315,16).
MICP a fost descrisă pentru prima dată la sfârșitul secolului al XIX-lea de Murray și Irwin (1890) și Steinmann (1901) în studiul lor privind degradarea ureei de către microorganismele marine17. MICP este un proces biologic natural care implică o varietate de activități microbiene și procese chimice în care carbonatul de calciu este precipitat prin reacția ionilor de carbonat din metaboliții microbieni cu ionii de calciu din mediu18,19. MICP care implică ciclul azotului care degradează ureea (MICP care degradează ureea) este cel mai comun tip de precipitare a carbonatului indusă de microbi, în care ureaza produsă de bacterii catalizează hidroliza ureei20,21,22,23,24,25,26,27 după cum urmează:
În MICP care implică ciclul carbonului de oxidare a sărurilor organice (MICP fără degradare a ureei), bacteriile heterotrofe utilizează săruri organice precum acetat, lactat, citrat, succinat, oxalat, malat și glioxilat ca surse de energie pentru a produce minerale carbonatice28. În prezența lactatului de calciu ca sursă de carbon și a ionilor de calciu, reacția chimică de formare a carbonatului de calciu este prezentată în ecuația (5).
În procesul MICP, celulele bacteriene furnizează situsuri de nucleație deosebit de importante pentru precipitarea carbonatului de calciu; suprafața celulei bacteriene este încărcată negativ și poate acționa ca un adsorbant pentru cationii divalenți, cum ar fi ionii de calciu. Prin adsorbția ionilor de calciu pe celulele bacteriene, atunci când concentrația de ioni carbonat este suficientă, cationii de calciu și anionii carbonat reacționează, iar carbonatul de calciu este precipitat pe suprafața bacteriană29,30. Procesul poate fi rezumat după cum urmează31,32:
Cristalele de carbonat de calciu biogenerate pot fi împărțite în trei tipuri: calcit, vaterit și aragonit. Printre acestea, calcitul și vateritul sunt cele mai frecvente alomorfe de carbonat de calciu induse de bacterii33,34. Calcitul este cel mai stabil termodinamic alomorf de carbonat de calciu35. Deși s-a raportat că vateritul este metastabil, acesta se transformă în cele din urmă în calcit36,37. Vateritul este cel mai dens dintre aceste cristale. Este un cristal hexagonal care are o capacitate mai bună de umplere a porilor decât alte cristale de carbonat de calciu datorită dimensiunii sale mai mari38. Atât MICP degradat cu uree, cât și cel nedegradat cu uree pot duce la precipitarea vateritului13,39,40,41.
Deși MICP a demonstrat un potențial promițător în stabilizarea solurilor problematice și a solurilor susceptibile la eroziunea eoliană42,43,44,45,46,47,48, unul dintre produsele secundare ale hidrolizei ureei este amoniacul, care poate cauza probleme de sănătate ușoare până la severe, în funcție de nivelul de expunere49. Acest efect secundar face ca utilizarea acestei tehnologii particulare să fie controversată, în special atunci când trebuie tratate suprafețe mari, cum ar fi pentru suprimarea prafului. În plus, mirosul de amoniac este intolerabil atunci când procesul se desfășoară la rate de aplicare mari și volume mari, ceea ce poate afecta aplicabilitatea sa practică. Deși studii recente au arătat că ionii de amoniu pot fi reduși prin transformarea lor în alte produse, cum ar fi struvitul, aceste metode nu elimină complet ionii de amoniu50. Prin urmare, este încă nevoie să se exploreze soluții alternative care nu generează ioni de amoniu. Utilizarea căilor de degradare non-uree pentru MICP poate oferi o soluție potențială care a fost puțin explorată în contextul atenuării eroziunii eoliene. Fattahi și colab. a investigat degradarea MICP fără uree folosind acetat de calciu și Bacillus megaterium41, în timp ce Mohebbi și colab. au folosit acetat de calciu și Bacillus amyloliquefaciens9. Cu toate acestea, studiul lor nu a fost comparat cu alte surse de calciu și bacterii heterotrofe care ar putea îmbunătăți în cele din urmă rezistența la eroziunea eoliană. De asemenea, există o lipsă de literatură care să compare căile de degradare fără uree cu căile de degradare a ureei în atenuarea eroziunii eoliene.
În plus, majoritatea studiilor privind eroziunea eoliană și controlul prafului au fost efectuate pe probe de sol cu ​​suprafețe plane.1,51,52,53 Cu toate acestea, suprafețele plane sunt mai puțin frecvente în natură decât dealurile și depresiunile. Acesta este motivul pentru care dunele de nisip sunt cea mai comună caracteristică peisagistică în regiunile deșertice.
Pentru a depăși deficiențele menționate mai sus, acest studiu a avut ca scop introducerea unui nou set de agenți bacterieni care nu produc amoniac. În acest scop, am luat în considerare căile MICP care nu degradează ureea. A fost investigată eficiența a două surse de calciu (formiat de calciu și acetat de calciu). Din câte știu autorii, precipitarea carbonatului utilizând două combinații de surse de calciu și bacterii (adică formiat de calciu-Bacillus subtilis și formiat de calciu-Bacillus amyloliquefaciens) nu a fost investigată în studiile anterioare. Alegerea acestor bacterii s-a bazat pe enzimele pe care le produc, care catalizează oxidarea formiatului de calciu și a acetatului de calciu pentru a forma precipitarea microbiană de carbonat. Am conceput un studiu experimental amănunțit pentru a găsi factorii optimi, cum ar fi pH-ul, tipurile de bacterii și sursele de calciu și concentrațiile acestora, raportul dintre bacterii și soluția sursă de calciu și timpul de întărire. În cele din urmă, eficacitatea acestui set de agenți bacterieni în suprimarea eroziunii eoliene prin precipitarea carbonatului de calciu a fost investigată prin efectuarea unei serii de teste în tunelul aerodinamic pe dunele de nisip pentru a determina magnitudinea eroziunii eoliene, viteza prag de rupere și rezistența nisipului la bombardamentul cu vânt, fiind efectuate și măsurători penetrometrice și studii microstructurale (de exemplu, analiza prin difracție de raze X (XRD) și microscopia electronică de scanare (SEM)).
Producția de carbonat de calciu necesită ioni de calciu și ioni de carbonat. Ionii de calciu pot fi obținuți din diverse surse de calciu, cum ar fi clorura de calciu, hidroxidul de calciu și laptele praf degresat54,55. Ionii de carbonat pot fi produși prin diverse metode microbiene, cum ar fi hidroliza ureei și oxidarea aerobă sau anaerobă a materiei organice56. În acest studiu, ionii de carbonat au fost obținuți din reacția de oxidare a formiatului și acetatului. În plus, am folosit săruri de calciu ale formiatului și acetatului pentru a produce carbonat de calciu pur, astfel încât s-au obținut doar CO2 și H2O ca produse secundare. În acest proces, o singură substanță servește ca sursă de calciu și sursă de carbonat și nu se produce amoniac. Aceste caracteristici fac ca metoda de producție a sursei de calciu și a carbonatului pe care am considerat-o foarte promițătoare.
Reacțiile corespunzătoare ale formiatului de calciu și acetatului de calciu pentru a forma carbonat de calciu sunt prezentate în formulele (7)-(14). Formulele (7)-(11) arată că formiatul de calciu se dizolvă în apă pentru a forma acid formic sau formiat. Soluția este astfel o sursă de ioni liberi de calciu și hidroxid (formulele 8 și 9). Ca urmare a oxidării acidului formic, atomii de carbon din acidul formic sunt transformați în dioxid de carbon (formula 10). În cele din urmă, se formează carbonat de calciu (formulele 11 și 12).
În mod similar, carbonatul de calciu se formează din acetat de calciu (ecuațiile 13-15), cu excepția faptului că în loc de acid formic se formează acid acetic sau acetat.
Fără prezența enzimelor, acetatul și formiatul nu pot fi oxidate la temperatura camerei. FDH (formiat dehidrogenaza) și CoA (coenzima A) catalizează oxidarea formiatului și acetatului pentru a forma dioxid de carbon, respectiv (Ec. 16, 17) 57, 58, 59. Diverse bacterii sunt capabile să producă aceste enzime, iar în acest studiu au fost utilizate bacterii heterotrofe, și anume Bacillus subtilis (PTCC #1204 (Persian Type Culture Collection), cunoscută și sub numele de NCIMB #13061 (International Collection of Bacteria, Yeast, Phage, Plasmids, Plant Seeds and Plant Cell Tissue Cultures)) și Bacillus amyloliquefaciens (PTCC #1732, NCIMB #12077). Aceste bacterii au fost cultivate într-un mediu care conține peptonă de carne (5 g/L) și extract de carne (3 g/L), numit bulion nutritiv (NBR) (105443 Merck).
Astfel, au fost preparate patru formulări pentru a induce precipitarea carbonatului de calciu utilizând două surse de calciu și două bacterii: formiat de calciu și Bacillus subtilis (FS), formiat de calciu și Bacillus amyloliquefaciens (FA), acetat de calciu și Bacillus subtilis (AS) și acetat de calciu și Bacillus amyloliquefaciens (AA).
În prima parte a designului experimental, s-au efectuat teste pentru a determina combinația optimă care ar realiza producția maximă de carbonat de calciu. Deoarece probele de sol conțineau carbonat de calciu, a fost conceput un set de teste preliminare de evaluare pentru a măsura cu precizie CaCO3 produs de diferitele combinații și au fost evaluate amestecuri de mediu de cultură și soluții sursă de calciu. Pentru fiecare combinație de sursă de calciu și soluție bacteriană definită mai sus (FS, FA, AS și AA), au fost derivați factori de optimizare (concentrația sursei de calciu, timpul de întărire, concentrația soluției bacteriane măsurată prin densitatea optică a soluției (DO), raportul sursă de calciu/soluție bacteriană și pH-ul) și utilizați în testele de tratare a dunelor de nisip descrise în secțiunile următoare.
Pentru fiecare combinație, au fost efectuate 150 de experimente pentru a studia efectul precipitării CaCO3 și a evalua diverși factori, și anume concentrația sursei de calciu, timpul de întărire, valoarea densității optice bacteriene, raportul sursă de calciu/soluție bacteriană și pH-ul în timpul oxidării aerobe a materiei organice (Tabelul 1). Intervalul de pH pentru procesul optimizat a fost selectat pe baza curbelor de creștere ale Bacillus subtilis și Bacillus amyloliquefaciens pentru a obține o creștere mai rapidă. Acest lucru este explicat mai detaliat în secțiunea Rezultate.
Următorii pași au fost utilizați pentru pregătirea probelor pentru faza de optimizare. Soluția MICP a fost preparată mai întâi prin ajustarea pH-ului inițial al mediului de cultură și apoi autoclavizată la 121 °C timp de 15 minute. Tulpina a fost apoi inoculată într-un flux laminar de aer și menținută într-un incubator cu agitare la 30 °C și 180 rpm. Odată ce densitatea optică (DO) a bacteriilor a atins nivelul dorit, aceasta a fost amestecată cu soluția sursă de calciu în proporția dorită (Figura 1a). Soluția MICP a fost lăsată să reacționeze și să se solidifice într-un incubator cu agitare la 220 rpm și 30 °C pentru un timp care a atins valoarea țintă. CaCO3 precipitat a fost separat după centrifugare la 6000 g timp de 5 minute și apoi uscat la 40 °C pentru a pregăti probele pentru testul calcimetric (Figura 1b). Precipitarea de CaCO3 a fost apoi măsurată folosind un calcimetru Bernard, în care pulberea de CaCO3 reacționează cu HCl 1,0 N (ASTM-D4373-02) pentru a produce CO2, iar volumul acestui gaz este o măsură a conținutului de CaCO3 (Figura 1c). Pentru a converti volumul de CO2 în conținut de CaCO3, a fost generată o curbă de calibrare prin spălarea pulberii pure de CaCO3 cu HCl 1 N și reprezentarea grafică a acesteia în raport cu CO2 degajat. Morfologia și puritatea pulberii de CaCO3 precipitate au fost investigate folosind imagistica SEM și analiza XRD. Un microscop optic cu o mărire de 1000 a fost utilizat pentru a studia formarea carbonatului de calciu în jurul bacteriilor, faza carbonatului de calciu format și activitatea bacteriilor.
Bazinul Dejegh este o regiune bine-cunoscută ca fiind puternic erodată în provincia Fars de sud-vest a Iranului, iar cercetătorii au colectat probe de sol erodat de vânt din zonă. Probele au fost prelevate de la suprafața solului pentru studiu. Testele indicatoare pe probele de sol au arătat că solul era un sol nisipos slab sortat, cu nămol, și a fost clasificat drept SP-SM conform Sistemului Unic de Clasificare a Solurilor (USC) (Figura 2a). Analiza XRD a arătat că solul Dejegh era compus în principal din calcit și cuarț (Figura 2b). În plus, analiza EDX a arătat că și alte elemente precum Al, K și Fe erau prezente în proporții mai mici.
Pentru a pregăti dunele de laborator pentru testele de eroziune eoliană, solul a fost zdrobit de la o înălțime de 170 mm printr-o pâlnie cu diametrul de 10 mm până la o suprafață fermă, rezultând o dună tipică de 60 mm în înălțime și 210 mm în diametru. În natură, dunele de nisip cu cea mai mică densitate sunt formate prin procese eoliene. În mod similar, proba preparată folosind procedura de mai sus a avut cea mai mică densitate relativă, γ = 14,14 kN/m³, formând un con de nisip depus pe o suprafață orizontală cu un unghi de repaus de aproximativ 29,7°.
Soluția optimă de MICP obținută în secțiunea anterioară a fost pulverizată pe panta dunei la rate de aplicare de 1, 2 și 3 lm-2, iar apoi probele au fost depozitate într-un incubator la 30 °C (Fig. 3) timp de 9 zile (adică timpul optim de întărire) și apoi scoase pentru testare în tunelul aerodinamic.
Pentru fiecare tratament, au fost pregătite patru specimene, una pentru măsurarea conținutului de carbonat de calciu și a rezistenței suprafeței folosind un penetrometru, iar celelalte trei specimene au fost utilizate pentru teste de eroziune la trei viteze diferite. În testele din tunelul aerodinamic, cantitatea de eroziune a fost determinată la diferite viteze ale vântului, iar apoi viteza prag de rupere pentru fiecare specimen tratat a fost determinată folosind un grafic al cantității de eroziune în funcție de viteza vântului. Pe lângă testele de eroziune eoliană, specimenele tratate au fost supuse bombardamentului cu nisip (adică experimente de sărituri). Două specimene suplimentare au fost pregătite în acest scop, la rate de aplicare de 2 și 3 L m−2. Testul de bombardament cu nisip a durat 15 minute cu un flux de 120 gm−1, care se încadrează în intervalul de valori selectat în studiile anterioare60,61,62. Distanța orizontală dintre duza abrazivă și baza dunei a fost de 800 mm, situată la 100 mm deasupra fundului tunelului. Această poziție a fost setată astfel încât aproape toate particulele de nisip săritor să cadă pe dună.
Testul în tunelul aerodinamic a fost efectuat într-un tunel aerodinamic deschis cu o lungime de 8 m, o lățime de 0,4 m și o înălțime de 1 m (Figura 4a). Tunelul aerodinamic este realizat din tablă de oțel galvanizat și poate genera o viteză a vântului de până la 25 m/s. În plus, se utilizează un convertor de frecvență pentru a regla frecvența ventilatorului și a crește treptat frecvența pentru a obține viteza țintă a vântului. Figura 4b prezintă diagrama schematică a dunelor de nisip erodate de vânt și profilul vitezei vântului măsurat în tunelul aerodinamic.
În final, pentru a compara rezultatele formulării MICP non-urealitice propuse în acest studiu cu rezultatele testului de control MICP urealitic, au fost preparate și probe de dună, care au fost tratate cu o soluție biologică ce conține uree, clorură de calciu și Sporosarcina pasteurii (deoarece Sporosarcina pasteurii are o capacitate semnificativă de a produce urează63). Densitatea optică a soluției bacteriene a fost de 1,5, iar concentrațiile de uree și clorură de calciu au fost de 1 M (selectate pe baza valorilor recomandate în studiile anterioare36,64,65). Mediul de cultură a constat din bulion nutritiv (8 g/L) și uree (20 g/L). Soluția bacteriană a fost pulverizată pe suprafața dunei și lăsată timp de 24 de ore pentru atașarea bacteriilor. După 24 de ore de atașare, s-a pulverizat o soluție de cimentare (clorură de calciu și uree). Testul de control MICP urealitic este denumit în continuare UMC. Conținutul de carbonat de calciu din probele de sol tratate urealitic și neurealitic a fost obținut prin spălare conform procedurii propuse de Choi și colab.66
Figura 5 prezintă curbele de creștere ale Bacillus amyloliquefaciens și Bacillus subtilis în mediul de cultură (soluție nutritivă) cu un interval de pH inițial de 5 până la 10. După cum se arată în figură, Bacillus amyloliquefaciens și Bacillus subtilis au crescut mai rapid la pH 6-8 și respectiv 7-9. Prin urmare, acest interval de pH a fost adoptat în etapa de optimizare.
Curbele de creștere ale (a) Bacillus amyloliquefaciens și (b) Bacillus subtilis la diferite valori inițiale ale pH-ului mediului nutritiv.
Figura 6 prezintă cantitatea de dioxid de carbon produsă în calcimetrul Bernard, care reprezintă carbonatul de calciu precipitat (CaCO3). Deoarece un factor a fost fix în fiecare combinație, iar ceilalți factori au fost variați, fiecare punct de pe aceste grafice corespunde volumului maxim de dioxid de carbon din acel set de experimente. După cum se arată în figură, pe măsură ce concentrația sursei de calciu a crescut, producția de carbonat de calciu a crescut. Prin urmare, concentrația sursei de calciu afectează direct producția de carbonat de calciu. Deoarece sursa de calciu și sursa de carbon sunt aceleași (adică formiat de calciu și acetat de calciu), cu cât sunt eliberați mai mulți ioni de calciu, cu atât se formează mai mult carbonat de calciu (Figura 6a). În formulările AS și AA, producția de carbonat de calciu a continuat să crească odată cu creșterea timpului de întărire, până când cantitatea de precipitat a rămas aproape neschimbată după 9 zile. În formularea FA, rata de formare a carbonatului de calciu a scăzut când timpul de întărire a depășit 6 zile. Comparativ cu alte formulări, formularea FS a prezentat o rată relativ scăzută de formare a carbonatului de calciu după 3 zile (Figura 6b). În formulările FA și FS, 70% și 87% din producția totală de carbonat de calciu a fost obținută după trei zile, în timp ce în formulările AA și AS, această proporție a fost de doar aproximativ 46%, respectiv 45%. Acest lucru indică faptul că formularea pe bază de acid formic are o rată de formare a CaCO3 mai mare în stadiul inițial, comparativ cu formularea pe bază de acetat. Cu toate acestea, rata de formare încetinește odată cu creșterea timpului de întărire. Se poate concluziona din Figura 6c că, chiar și la concentrații bacteriene peste OD1, nu există o contribuție semnificativă la formarea carbonatului de calciu.
Modificarea volumului de CO2 (și a conținutului corespunzător de CaCO3) măsurată de calcimetrul Bernard în funcție de (a) concentrația sursei de calciu, (b) timpul de întărire, (c) densitatea optică (DO), (d) pH-ul inițial, (e) raportul dintre sursa de calciu și soluția bacteriană (pentru fiecare formulare); și (f) cantitatea maximă de carbonat de calciu produsă pentru fiecare combinație de sursă de calciu și bacterii.
În ceea ce privește efectul pH-ului inițial al mediului, Figura 6d arată că pentru FA și FS, producția de CaCO3 a atins o valoare maximă la pH 7. Această observație este în concordanță cu studiile anterioare conform cărora enzimele FDH sunt cele mai stabile la pH 7-6,7. Cu toate acestea, pentru AA și AS, precipitarea de CaCO3 a crescut atunci când pH-ul a depășit 7. Studiile anterioare au arătat, de asemenea, că intervalul optim de pH pentru activitatea enzimei CoA este de la 8 la 9,2-6,8. Considerând că intervalele optime de pH pentru activitatea enzimei CoA și creșterea B. amyloliquefaciens sunt (8-9,2) și respectiv (6-8) (Figura 5a), pH-ul optim al formulării AA este de așteptat să fie 8, iar cele două intervale de pH se suprapun. Acest fapt a fost confirmat prin experimente, așa cum se arată în Figura 6d. Întrucât pH-ul optim pentru creșterea B. subtilis este 7-9 (Figura 5b), iar pH-ul optim pentru activitatea enzimatică CoA este 8-9,2, se așteaptă ca randamentul maxim de precipitare a CaCO3 să fie în intervalul de pH 8-9, ceea ce este confirmat de Figura 6d (adică, pH-ul optim de precipitare este 9). Rezultatele prezentate în Figura 6e indică faptul că raportul optim dintre soluția sursă de calciu și soluția bacteriană este 1 atât pentru soluțiile de acetat, cât și pentru cele de formiat. Pentru comparație, performanța diferitelor formulări (adică AA, AS, FA și FS) a fost evaluată pe baza producției maxime de CaCO3 în diferite condiții (adică, concentrația sursei de calciu, timpul de întărire, densitatea optică (DO), raportul sursă de calciu și soluția bacteriană și pH-ul inițial). Dintre formulările studiate, formularea FS a avut cea mai mare producție de CaCO3, care a fost de aproximativ trei ori mai mare decât cea a formulării AA (Figura 6f). Au fost efectuate patru experimente de control fără bacterii pentru ambele surse de calciu și nu s-a observat nicio precipitare de CaCO3 după 30 de zile.
Imaginile obținute prin microscopie optică ale tuturor formulărilor au arătat că vaterita a fost principala fază în care s-a format carbonatul de calciu (Figura 7). Cristalele de vaterită aveau formă sferică69,70,71. S-a constatat că carbonatul de calciu a precipitat pe celulele bacteriene deoarece suprafața celulelor bacteriene era încărcată negativ și putea acționa ca un adsorbant pentru cationii divalenți. Luând formularea FS ca exemplu în acest studiu, după 24 de ore, carbonatul de calciu a început să se formeze pe unele celule bacteriene (Figura 7a), iar după 48 de ore, numărul de celule bacteriene acoperite cu carbonat de calciu a crescut semnificativ. În plus, așa cum se arată în Figura 7b, au putut fi detectate și particule de vaterită. În cele din urmă, după 72 de ore, un număr mare de bacterii părea să fie legate de cristalele de vaterită, iar numărul de particule de vaterită a crescut semnificativ (Figura 7c).
Observații prin microscopie optică ale precipitării CaCO3 în compozițiile FS în funcție de timp: (a) 24, (b) 48 și (c) 72 h.
Pentru a investiga în continuare morfologia fazei precipitate, s-au efectuat analize de difracție de raze X (XRD) și SEM ale pulberilor. Spectrele XRD (Fig. 8a) și micrografiile SEM (Fig. 8b, c) au confirmat prezența cristalelor de vaterit, deoarece acestea aveau o formă asemănătoare salatei și s-a observat o corespondență între vârfurile de vaterit și vârfurile precipitatului.
(a) Compararea spectrelor de difracție cu raze X ale CaCO3 format și vateritului. Micrografii SEM ale vateritului la (b) 1 kHz și (c) mărire de 5,27 kHz, respectiv.
Rezultatele testelor în tunelul aerodinamic sunt prezentate în Figura 9a, b. Se poate observa din Figura 9a că viteza prag de eroziune (TDV) a nisipului netratat este de aproximativ 4,32 m/s. La o rată de aplicare de 1 l/m² (Figura 9a), pantele liniilor ratei de pierdere a solului pentru fracțiile FA, FS, AA și UMC sunt aproximativ aceleași ca pentru duna netratată. Acest lucru indică faptul că tratamentul la această rată de aplicare este ineficient și, de îndată ce viteza vântului depășește TDV, crusta subțire de sol dispare, iar rata de eroziune a dunei este aceeași ca pentru duna netratată. Panta de eroziune a fracției AS este, de asemenea, mai mică decât cea a celorlalte fracții cu abscise mai mici (adică TDV) (Figura 9a). Săgețile din Figura 9b indică faptul că la viteza maximă a vântului de 25 m/s, nu s-a produs eroziune în dunele tratate la ratele de aplicare de 2 și 3 l/m². Cu alte cuvinte, pentru FS, FA, AS și UMC, dunele au fost mai rezistente la eroziunea eoliană cauzată de depunerea de CaCO³ la rate de aplicare de 2 și 3 l/m² decât la viteza maximă a vântului (adică 25 m/s). Astfel, valoarea TDV de 25 m/s obținută în aceste teste reprezintă limita inferioară pentru ratele de aplicare prezentate în Figura 9b, cu excepția cazului AA, unde TDV este aproape egală cu viteza maximă a tunelului aerodinamic.
Test de eroziune eoliană (a) Pierdere în greutate în funcție de viteza vântului (doză de aplicare 1 l/m2), (b) Viteză prag de rupere în funcție de doza de aplicare și formulare (CA pentru acetat de calciu, CF pentru formiat de calciu).
Figura 10 prezintă eroziunea de suprafață a dunelor de nisip tratate cu diferite formulări și rate de aplicare după testul de bombardament cu nisip, iar rezultatele cantitative sunt prezentate în Figura 11. Cazul netratat nu este prezentat deoarece nu a prezentat rezistență și a fost complet erodat (pierdere totală de masă) în timpul testului de bombardament cu nisip. Din Figura 11 este clar că proba tratată cu biocompoziția AA a pierdut 83,5% din greutatea sa la o rată de aplicare de 2 l/m2, în timp ce toate celelalte probe au prezentat o eroziune mai mică de 30% în timpul procesului de bombardament cu nisip. Când rata de aplicare a fost crescută la 3 l/m2, toate probele tratate au pierdut mai puțin de 25% din greutatea lor. La ambele rate de aplicare, compusul FS a prezentat cea mai bună rezistență la bombardamentul cu nisip. Rezistența maximă și minimă la bombardament în probele tratate cu FS și AA poate fi atribuită precipitației maxime și minime de CaCO3 (Figura 6f).
Rezultatele bombardării dunelor de nisip cu diferite compoziții la debite de 2 și 3 l/m2 (săgețile indică direcția vântului, crucile indică direcția vântului perpendiculară pe planul desenului).
După cum se arată în Figura 12, conținutul de carbonat de calciu al tuturor formulelor a crescut odată cu creșterea ratei de aplicare de la 1 L/m² la 3 L/m². În plus, la toate ratele de aplicare, formula cu cel mai mare conținut de carbonat de calciu a fost FS, urmată de FA și UMC. Acest lucru sugerează că aceste formule ar putea avea o rezistență superficială mai mare.
Figura 13a prezintă modificarea rezistenței superficiale a probelor de sol netratate, de control și tratate, măsurată prin testul cu permeametru. Din această figură, este evident că rezistența superficială a formulărilor UMC, AS, FA și FS a crescut semnificativ odată cu creșterea ratei de aplicare. Cu toate acestea, creșterea rezistenței superficiale a fost relativ mică în cazul formulării AA. După cum se arată în figură, formulările FA și FS de MICP nedegradat cu uree au o permeabilitate superficială mai bună în comparație cu MICP degradat cu uree. Figura 13b prezintă modificarea TDV în funcție de rezistența superficială a solului. Din această figură, este clar că pentru dunele cu o rezistență superficială mai mare de 100 kPa, viteza prag de îndepărtare a aerului va depăși 25 m/s. Deoarece rezistența superficială in situ poate fi ușor măsurată cu permeametru, aceste cunoștințe pot ajuta la estimarea TDV în absența testării în tunelul aerodinamic, servind astfel ca indicator de control al calității pentru aplicațiile pe teren.
Rezultatele SEM sunt prezentate în Figura 14. Figurile 14a-b prezintă particulele mărite ale probei de sol netratat, ceea ce indică în mod clar că aceasta este coezivă și nu are legături sau cimentare naturală. Figura 14c prezintă micrografia SEM a probei de control tratate cu MICP degradat cu uree. Această imagine arată prezența precipitatelor de CaCO3 sub formă de polimorfi de calcit. După cum se arată în Figurile 14d-o, CaCO3 precipitat leagă particulele împreună; cristale sferice de vaterit pot fi, de asemenea, identificate în micrografiile SEM. Rezultatele acestui studiu și ale studiilor anterioare indică faptul că legăturile de CaCO3 formate ca polimorfi de vaterit pot oferi, de asemenea, o rezistență mecanică rezonabilă; rezultatele noastre arată că rezistența superficială crește la 350 kPa, iar viteza prag de separare crește de la 4,32 la peste 25 m/s. Acest rezultat este în concordanță cu rezultatele studiilor anterioare conform cărora matricea de CaCO3 precipitat cu MICP este vaterită, care are o rezistență mecanică și o rezistență la eroziunea eoliană rezonabile13,40 și poate menține o rezistență rezonabilă la eroziunea eoliană chiar și după 180 de zile de expunere la condițiile de mediu din teren13.
(a, b) Micrografii SEM ale solului netratat, (c) Controlul degradării ureei cu MICP, (df) Probe tratate cu AA, (gi) Probe tratate cu AS, (jl) Probe tratate cu FA și (mo) Probe tratate cu FS la o rată de aplicare de 3 L/m2 la diferite măriri.
Figura 14d-f arată că, după tratamentul cu compuși AA, carbonatul de calciu a precipitat la suprafață și între granulele de nisip, observându-se și unele granule de nisip neacoperite. Pentru componentele AS, deși cantitatea de CaCO3 formată nu a crescut semnificativ (Fig. 6f), numărul de contacte dintre granulele de nisip cauzate de CaCO3 a crescut semnificativ în comparație cu compușii AA (Fig. 14g-i).
Din Figurile 14j-l și 14m-o este clar că utilizarea formiatului de calciu ca sursă de calciu duce la o creștere suplimentară a precipitării CaCO3 în comparație cu compusul AS, ceea ce este în concordanță cu măsurătorile realizate cu calcimetrul din Figura 6f. Acest CaCO3 suplimentar pare să se depună în principal pe particulele de nisip și nu îmbunătățește neapărat calitatea contactului. Acest lucru confirmă comportamentul observat anterior: în ciuda diferențelor în cantitatea de precipitare a CaCO3 (Figura 6f), cele trei formulări (AS, FA și FS) nu diferă semnificativ în ceea ce privește performanța anti-eoliană (vânt) (Figura 11) și rezistența superficială (Figura 13a).
Pentru a vizualiza mai bine celulele bacteriene acoperite cu CaCO3 și amprenta bacteriană pe cristalele precipitate, au fost realizate micrografii SEM la mărire mare, iar rezultatele sunt prezentate în Figura 15. După cum se arată, carbonatul de calciu precipită pe celulele bacteriene și furnizează nucleele necesare pentru precipitare acolo. Figura prezintă, de asemenea, legăturile active și inactive induse de CaCO3. Se poate concluziona că orice creștere a legăturilor inactive nu duce neapărat la o îmbunătățire suplimentară a comportamentului mecanic. Prin urmare, creșterea precipitării CaCO3 nu duce neapărat la o rezistență mecanică mai mare, iar modelul de precipitare joacă un rol important. Acest punct a fost studiat și în lucrările lui Terzis și Laloui72 și Soghi și Al-Kabani45,73. Pentru a explora în continuare relația dintre modelul de precipitare și rezistența mecanică, se recomandă studii MICP utilizând imagistica µCT, ceea ce depășește scopul acestui studiu (adică introducerea diferitelor combinații de sursă de calciu și bacterii pentru MICP fără amoniac).
CaCO3 a indus legături active și inactive în probele tratate cu (a) compoziție AS și (b) compoziție FS și a lăsat o amprentă de celule bacteriene pe sediment.
După cum se arată în Figurile 14j-o și 15b, există o peliculă de CaCO3 (conform analizei EDX, compoziția procentuală a fiecărui element din peliculă este carbon 11%, oxigen 46,62% și calciu 42,39%, ceea ce este foarte apropiat de procentul de CaCO3 din Figura 16). Această peliculă acoperă cristalele de vaterită și particulele de sol, contribuind la menținerea integrității sistemului sol-sediment. Prezența acestei pelicule a fost observată doar în probele tratate cu formularea pe bază de formiat.
Tabelul 2 compară rezistența superficială, viteza prag de desprindere și conținutul de CaCO3 bioindus al solurilor tratate cu căi MICP care degradează și nu degradează ureea în studiile anterioare și în acest studiu. Studiile privind rezistența la eroziunea eoliană a probelor de dune tratate cu MICP sunt limitate. Meng și colab. au investigat rezistența la eroziunea eoliană a probelor de dune care degradează ureea tratate cu MICP folosind o suflantă de frunze,13 în timp ce în acest studiu, probele de dune care nu degradează ureea (precum și probele de control care degradează ureea) au fost testate într-un tunel aerodinamic și tratate cu patru combinații diferite de bacterii și substanțe.
După cum se poate observa, unele studii anterioare au luat în considerare rate de aplicare mari care depășesc 4 L/m²⁸ ... De asemenea, se poate observa că, la o rată de aplicare de 2 L/m2, randamentul de carbonat de calciu pentru atenuarea eroziunii eoliene la o viteză a vântului de 25 m/s a fost de 2,25% pentru MICP pe bază de formiat fără degradarea ureei, ceea ce este foarte aproape de cantitatea necesară de CaCO3 (adică 2,41%) în comparație cu dunele tratate cu MICP de control cu ​​degradarea ureei la aceeași rată de aplicare și aceeași viteză a vântului (25 m/s).
Prin urmare, din acest tabel se poate concluziona că atât calea de degradare a ureei, cât și calea de degradare fără uree pot oferi performanțe destul de acceptabile în ceea ce privește rezistența la suprafață și valoarea dizolvată a ureei (TDV). Principala diferență este că calea de degradare fără uree nu conține amoniac și, prin urmare, are un impact mai mic asupra mediului. În plus, metoda MICP pe bază de formiat fără degradarea ureei, propusă în acest studiu, pare să aibă performanțe mai bune decât metoda MICP pe bază de acetat fără degradarea ureei. Deși Mohebbi și colab. au studiat metoda MICP pe bază de acetat fără degradarea ureei, studiul lor a inclus probe pe suprafețe plane9. Datorită gradului mai mare de eroziune cauzat de formarea vârtejurilor în jurul probelor de dune și a forfecării rezultate, care are ca rezultat o TDV mai mică, se așteaptă ca eroziunea eoliană a probelor de dune să fie mai evidentă decât cea a suprafețelor plane la aceeași viteză.