Dėkojame, kad apsilankėte nature.com. Jūsų naudojama naršyklės versija turi ribotą CSS palaikymą. Kad patirtis būtų geriausia, rekomenduojame naudoti naujausią naršyklės versiją (arba išjungti suderinamumo režimą „Internet Explorer“). Be to, siekiant užtikrinti nuolatinį palaikymą, šioje svetainėje nebus stilių ar „JavaScript“.
Dulkių audros kelia rimtą grėsmę daugeliui pasaulio šalių dėl savo destruktyvaus poveikio žemės ūkiui, žmonių sveikatai, transporto tinklams ir infrastruktūrai. Dėl to vėjo erozija laikoma pasauline problema. Vienas iš aplinkai nekenksmingų būdų pažaboti vėjo eroziją yra mikrobų sukelto karbonato nusodinimo (MICP) naudojimas. Tačiau karbamido skaidymo pagrindu sukurto MICP šalutiniai produktai, tokie kaip amoniakas, nėra idealūs, kai gaminami dideliais kiekiais. Šiame tyrime pateikiamos dvi kalcio formiato bakterijų formulės MICP skaidymui negaminant karbamido, ir išsamiai palyginamas jų veikimas su dviem neamoniako gaminančių kalcio acetato bakterijų formulėmis. Nagrinėjamos bakterijos yra Bacillus subtilis ir Bacillus amyloliquefaciens. Pirmiausia buvo nustatytos optimizuotos CaCO3 susidarymą kontroliuojančių veiksnių vertės. Tada buvo atlikti vėjo tunelio bandymai su smėlio kopų mėginiais, apdorotais optimizuotomis formulėmis, ir išmatuotas atsparumas vėjo erozijai, nuplėšimo slenksčio greitis ir atsparumas smėlio bombardavimui. Kalcio karbonato (CaCO3) alomorfos buvo įvertintos naudojant optinę mikroskopiją, skenuojančiąją elektroninę mikroskopiją (SEM) ir rentgeno spindulių difrakcijos analizę. Kalcio formiato pagrindu pagamintos formulės kalcio karbonato susidarymo atžvilgiu pasirodė esančios žymiai geresnės nei acetato pagrindu pagamintos formulės. Be to, *B. subtilis* gamino daugiau kalcio karbonato nei *B. amyloliquefaciens*. SEM mikrografijos aiškiai parodė aktyvių ir neaktyvių bakterijų prisijungimą ir įspaudą ant kalcio karbonato dėl sedimentacijos. Visos formulės žymiai sumažino vėjo eroziją.
Vėjo erozija jau seniai pripažįstama kaip didelė problema, su kuria susiduria sausringi ir pusiau sausringi regionai, tokie kaip pietvakarių JAV, vakarų Kinija, Sacharos Afrika ir didelė Artimųjų Rytų dalis1. Dėl mažo kritulių kiekio sausringame ir hiperaridiniame klimate didelė šių regionų dalis virto dykumomis, smėlio kopomis ir nedirbamomis žemėmis. Nuolatinė vėjo erozija kelia grėsmę tokiai infrastruktūrai kaip transporto tinklai, žemės ūkio paskirties žemė ir pramoninė žemė, todėl šiuose regionuose prastos gyvenimo sąlygos ir didelės miestų plėtros išlaidos2,3,4. Svarbu tai, kad vėjo erozija daro įtaką ne tik vietai, kurioje ji vyksta, bet ir sukelia sveikatos bei ekonominių problemų atokiose bendruomenėse, nes vėjas perneša daleles į vietoves, esančias toli nuo šaltinio5,6.
Vėjo erozijos kontrolė išlieka pasauline problema. Vėjo erozijai kontroliuoti naudojami įvairūs dirvožemio stabilizavimo metodai. Šie metodai apima tokias medžiagas kaip vandens naudojimas7, alyvos mulčias8, biopolimerai5, mikrobų sukeltas karbonato nusodinimas (MICP)9,10,11,12 ir fermentų sukeltas karbonato nusodinimas (EICP)1. Dirvožemio drėkinimas yra standartinis dulkių slopinimo lauke metodas. Tačiau dėl greito garavimo šis metodas yra ribotai veiksmingas sausringuose ir pusiau sausringuose regionuose1. Alyvos mulčio mišinių naudojimas padidina smėlio sanglaudą ir trintį tarp dalelių. Jų sanglaudos savybė suriša smėlio grūdelius; tačiau alyvos mulčias kelia ir kitų problemų; tamsi jų spalva padidina šilumos absorbciją ir sukelia augalų bei mikroorganizmų žūtį. Jų kvapas ir garai gali sukelti kvėpavimo takų problemų, o svarbiausia – didelė jų kaina yra dar viena kliūtis. Biopolimerai yra vienas iš neseniai pasiūlytų ekologiškų metodų vėjo erozijai mažinti; jie išgaunami iš natūralių šaltinių, tokių kaip augalai, gyvūnai ir bakterijos. Ksantano derva, guaro derva, chitozanas ir gelano derva yra dažniausiai inžinerijos srityje naudojami biopolimerai5. Tačiau vandenyje tirpūs biopolimerai, veikiami vandens, gali prarasti stiprumą ir išsiplauti iš dirvožemio13,14. Įrodyta, kad EICP yra veiksmingas dulkių slopinimo metodas įvairiose srityse, įskaitant neasfaltuotus kelius, atliekų tvenkinius ir statybvietes. Nors jo rezultatai yra daug žadantys, reikia atsižvelgti į kai kuriuos galimus trūkumus, tokius kaip kaina ir kristalizacijos vietų trūkumas (dėl ko pagreitėja CaCO3 kristalų susidarymas ir nusodinimas15,16).
MICP pirmą kartą aprašė XIX a. pabaigoje Murray ir Irwin (1890 m.) bei Steinmann (1901 m.), tyrinėdami jūrinių mikroorganizmų vykdomą karbamido skaidymą17. MICP yra natūraliai vykstantis biologinis procesas, apimantis įvairius mikrobų aktyvumus ir cheminius procesus, kurių metu kalcio karbonatas nusodinamas karbonato jonams iš mikrobų metabolitų reaguojant su kalcio jonais aplinkoje18,19. MICP, susijęs su karbamidą skaidančiu azoto ciklu (karbamidą skaidantis MICP), yra labiausiai paplitęs mikrobų sukelto karbonato nusodinimo tipas, kai bakterijų gaminama ureazė katalizuoja karbamido hidrolizę20,21,22,23,24,25,26,27 taip:
MICP, kuriame vyksta organinių druskų oksidacijos anglies ciklas (MICP be karbamido skaidymo tipo), heterotrofinės bakterijos naudoja organines druskas, tokias kaip acetatas, laktatas, citratas, sukcinatas, oksalatas, malatas ir glioksilatas, kaip energijos šaltinius karbonatinių mineralų gamybai28. Esant kalcio laktatui kaip anglies šaltiniui ir kalcio jonams, kalcio karbonato susidarymo cheminė reakcija parodyta (5) lygtyje.
MICP procese bakterijų ląstelės suteikia branduolio susidarymo vietas, kurios yra ypač svarbios kalcio karbonato nusodinimui; bakterijų ląstelės paviršius yra neigiamai įkrautas ir gali veikti kaip adsorbentas dvivalenčiams katijonams, tokiems kaip kalcio jonai. Adsorbuojant kalcio jonus ant bakterijų ląstelių, kai karbonato jonų koncentracija yra pakankama, kalcio katijonai ir karbonato anijonai reaguoja ir kalcio karbonatas nusodinamas ant bakterijų paviršiaus29,30. Procesą galima apibendrinti taip31,32:
Biogeneruoti kalcio karbonato kristalai gali būti suskirstyti į tris tipus: kalcitą, vateritą ir aragonitą. Iš jų kalcitas ir vateritas yra dažniausiai bakterijų sukeliami kalcio karbonato alomorfai33,34. Kalcitas yra termodinamiškai stabiliausias kalcio karbonato alomorfas35. Nors pranešama, kad vateritas yra metastabilus, galiausiai jis virsta kalcitu36,37. Vateritas yra tankiausias iš šių kristalų. Tai šešiakampis kristalas, kuris dėl didesnio dydžio38 geriau užpildo poras nei kiti kalcio karbonato kristalai. Tiek karbamido suskaidytas, tiek karbamido nesuskaidytas MICP gali sukelti vaterito nusodinimą13,39,40,41.
Nors MICP parodė daug žadantį potencialą stabilizuojant probleminius dirvožemius ir vėjo erozijai jautrius dirvožemius42,43,44,45,46,47,48, vienas iš karbamido hidrolizės šalutinių produktų yra amoniakas, kuris, priklausomai nuo poveikio lygio, gali sukelti nuo lengvų iki sunkių sveikatos problemų49. Šis šalutinis poveikis kelia ginčų dėl šios konkrečios technologijos naudojimo, ypač kai reikia apdoroti didelius plotus, pavyzdžiui, dulkių slopinimui. Be to, amoniako kvapas yra netoleruojamas, kai procesas atliekamas dideliais kiekiais ir dideliu kiekiu, o tai gali turėti įtakos jo praktiniam pritaikomumui. Nors naujausi tyrimai parodė, kad amonio jonų kiekį galima sumažinti paverčiant juos kitais produktais, tokiais kaip struvitas, šie metodai visiškai nepašalina amonio jonų50. Todėl vis dar reikia ieškoti alternatyvių sprendimų, kurie nesukurtų amonio jonų. Ne karbamido skaidymo būdų naudojimas MICP gali būti potencialus sprendimas, kuris buvo menkai ištirtas vėjo erozijos mažinimo kontekste. Fattahi ir kt. tyrė MICP skaidymą be karbamido, naudodami kalcio acetatą ir Bacillus megaterium41, o Mohebbi ir kt. buvo naudojamas kalcio acetatas ir Bacillus amyloliquefaciens9. Tačiau jų tyrimas nebuvo lyginamas su kitais kalcio šaltiniais ir heterotrofinėmis bakterijomis, kurios galiausiai galėtų pagerinti atsparumą vėjo erozijai. Taip pat trūksta literatūros, kurioje būtų lyginami karbamido neturintys skaidymo būdai su karbamido skaidymo būdais mažinant vėjo eroziją.
Be to, dauguma vėjo erozijos ir dulkių kontrolės tyrimų buvo atlikti su dirvožemio mėginiais su lygiais paviršiais.1,51,52,53 Tačiau plokšti paviršiai gamtoje sutinkami rečiau nei kalvos ir įdubos. Štai kodėl smėlio kopos yra labiausiai paplitęs kraštovaizdžio elementas dykumų regionuose.
Siekiant įveikti minėtus trūkumus, šio tyrimo tikslas buvo pristatyti naują ne amoniaką gaminančių bakterinių agentų rinkinį. Šiuo tikslu atsižvelgėme į MICP ne šlapalo skaidančius kelius. Buvo tirtas dviejų kalcio šaltinių (kalcio formiato ir kalcio acetato) efektyvumas. Autorių žiniomis, karbonato nusodinimas naudojant du kalcio šaltinių ir bakterijų derinius (t. y. kalcio formiatas – Bacillus subtilis ir kalcio formiatas – Bacillus amyloliquefaciens) ankstesniuose tyrimuose nebuvo tirtas. Šių bakterijų pasirinkimas buvo pagrįstas jų gaminamais fermentais, kurie katalizuoja kalcio formiato ir kalcio acetato oksidaciją, kad susidarytų mikrobinis karbonato nusodinimas. Atlikome išsamų eksperimentinį tyrimą, siekdami nustatyti optimalius veiksnius, tokius kaip pH, bakterijų rūšys ir kalcio šaltiniai bei jų koncentracijos, bakterijų ir kalcio šaltinio tirpalo santykis ir kietėjimo laikas. Galiausiai, šio bakterinių agentų rinkinio veiksmingumas slopinant vėjo eroziją kalcio karbonato nusodinimu buvo ištirtas atliekant vėjo tunelio bandymų seriją smėlio kopose, siekiant nustatyti vėjo erozijos dydį, slenksčio atitrūkimo greitį ir smėlio atsparumą vėjo bombardavimui, taip pat atlikti penetrometriniai matavimai ir mikrostruktūriniai tyrimai (pvz., rentgeno spindulių difrakcijos (XRD) analizė ir skenuojančioji elektroninė mikroskopija (SEM)).
Kalcio karbonato gamybai reikalingi kalcio jonai ir karbonato jonai. Kalcio jonus galima gauti iš įvairių kalcio šaltinių, tokių kaip kalcio chloridas, kalcio hidroksidas ir nugriebto pieno milteliai54,55. Karbonato jonus galima gauti įvairiais mikrobiniais metodais, tokiais kaip karbamido hidrolizė ir aerobinis arba anaerobinis organinių medžiagų oksidavimas56. Šiame tyrime karbonato jonai buvo gauti iš formiato ir acetato oksidacijos reakcijos. Be to, grynam kalcio karbonatui gaminti naudojome formiato ir acetato kalcio druskas, todėl kaip šalutiniai produktai buvo gauti tik CO2 ir H2O. Šiame procese tik viena medžiaga yra kalcio ir karbonato šaltinis, ir nesusidaro amoniakas. Dėl šių savybių kalcio šaltinis ir karbonato gamybos metodas yra labai perspektyvus.
Atitinkamos kalcio formiato ir kalcio acetato reakcijos, susidarant kalcio karbonatui, parodytos (7)-(14) formulėse. (7)-(11) formulės rodo, kad kalcio formiatas ištirpsta vandenyje ir sudaro skruzdžių rūgštį arba formiatą. Taigi tirpalas yra laisvųjų kalcio ir hidroksido jonų šaltinis (8 ir 9 formulės). Dėl skruzdžių rūgšties oksidacijos skruzdžių rūgšties anglies atomai paverčiami anglies dioksidu (10 formulė). Galiausiai susidaro kalcio karbonatas (11 ir 12 formulės).
Panašiai kalcio karbonatas susidaro iš kalcio acetato (13–15 lygtys), išskyrus tai, kad vietoj skruzdžių rūgšties susidaro acto rūgštis arba acetatas.
Be fermentų, acetatas ir formiatas negali būti oksiduojami kambario temperatūroje. FDH (formiato dehidrogenazė) ir CoA (kofermentas A) atitinkamai katalizuoja formiato ir acetato oksidaciją, susidarant anglies dioksidui (16, 17 lygtys) 57, 58, 59. Šiuos fermentus gali gaminti įvairios bakterijos, o šiame tyrime buvo naudojamos heterotrofinės bakterijos, būtent Bacillus subtilis (PTCC #1204 (Persų tipo kultūrų kolekcija), taip pat žinoma kaip NCIMB #13061 (Tarptautinė bakterijų, mielių, fagų, plazmidžių, augalų sėklų ir augalų ląstelių audinių kultūrų kolekcija)) ir Bacillus amyloliquefaciens (PTCC #1732, NCIMB #12077). Šios bakterijos buvo kultivuojamos terpėje, kurioje buvo mėsos peptono (5 g/l) ir mėsos ekstrakto (3 g/l), vadinamoje maistiniu sultiniu (NBR) (105443 Merck).
Taigi, buvo paruoštos keturios formuluotės kalcio karbonato nusodinimui sukelti, naudojant du kalcio šaltinius ir dvi bakterijas: kalcio formiatą ir Bacillus subtilis (FS), kalcio formiatą ir Bacillus amyloliquefaciens (FA), kalcio acetatą ir Bacillus subtilis (AS) bei kalcio acetatą ir Bacillus amyloliquefaciens (AA).
Pirmojoje eksperimentinio plano dalyje buvo atlikti bandymai, siekiant nustatyti optimalų derinį, kuris užtikrintų maksimalią kalcio karbonato gamybą. Kadangi dirvožemio mėginiuose buvo kalcio karbonato, buvo sudarytas preliminarių vertinimo bandymų rinkinys, skirtas tiksliai išmatuoti skirtingų derinių pagamintą CaCO3, ir įvertinti kultūros terpės bei kalcio šaltinio tirpalų mišiniai. Kiekvienam aukščiau apibrėžtam kalcio šaltinio ir bakterijų tirpalo deriniui (FS, FA, AS ir AA) buvo nustatyti optimizavimo koeficientai (kalcio šaltinio koncentracija, kietėjimo laikas, bakterijų tirpalo koncentracija, išmatuota pagal tirpalo optinį tankį (OD), kalcio šaltinio ir bakterijų tirpalo santykis bei pH), kurie buvo panaudoti smėlio kopų apdorojimo vėjo tunelio bandymuose, aprašytuose tolesniuose skyriuose.
Kiekvienam deriniui buvo atlikta 150 eksperimentų, siekiant ištirti CaCO3 nusodinimo poveikį ir įvertinti įvairius veiksnius, būtent kalcio šaltinio koncentraciją, kietėjimo laiką, bakterijų OD vertę, kalcio šaltinio ir bakterijų tirpalo santykį bei pH organinės medžiagos aerobinio oksidavimo metu (1 lentelė). Optimizuoto proceso pH diapazonas buvo parinktas remiantis Bacillus subtilis ir Bacillus amyloliquefaciens augimo kreivėmis, siekiant spartesnio augimo. Tai išsamiau paaiškinta rezultatų skyriuje.
Mėginiai optimizavimo etapui buvo paruošti atlikus šiuos veiksmus. MICP tirpalas pirmiausia buvo paruoštas sureguliuojant pradinį kultūros terpės pH, o po to 15 min. autoklavuojamas 121 °C temperatūroje. Tada padermė buvo inokuliuojama laminariniame oro sraute ir laikoma kratomajame inkubatoriuje 30 °C temperatūroje ir 180 aps./min. Kai bakterijų OD pasiekė norimą lygį, ji buvo sumaišyta su kalcio šaltinio tirpalu norimu santykiu (1a pav.). MICP tirpalui buvo leista reaguoti ir sukietėti kratomajame inkubatoriuje esant 220 aps./min. ir 30 °C temperatūrai tiek laiko, kiek buvo pasiekta tikslinė vertė. Nusodintas CaCO3 buvo atskirtas po centrifugavimo 6000 g greičiu 5 min. ir po to džiovinamas 40 °C temperatūroje, kad būtų paruošti mėginiai kalcimetro bandymui (1b pav.). CaCO3 nusodinimas buvo matuojamas naudojant Bernardo kalcimetrą, kur CaCO3 milteliai reaguoja su 1,0 N HCl (ASTM-D4373-02) ir susidaro CO2, o šių dujų tūris yra CaCO3 kiekio matas (1c pav.). Norint konvertuoti CO2 tūrį į CaCO3 kiekį, kalibravimo kreivė buvo sudaryta plaunant grynus CaCO3 miltelius 1 N HCl ir braižant ją pagal išsiskyrusį CO2. Nusodintų CaCO3 miltelių morfologija ir grynumas buvo tiriami naudojant SEM vaizdavimą ir XRD analizę. Kalcio karbonato susidarymui aplink bakterijas, susidariusio kalcio karbonato fazei ir bakterijų aktyvumui tirti buvo naudojamas 1000 kartų didinantis optinis mikroskopas.
Dejego baseinas yra gerai žinomas labai eroduotas regionas pietvakarinėje Irano Farso provincijoje, ir tyrėjai surinko vėjo eroduoto dirvožemio mėginius iš šios vietovės. Tyrimui mėginiai buvo paimti iš dirvožemio paviršiaus. Dirvožemio mėginių indikatoriniai tyrimai parodė, kad dirvožemis buvo prastai rūšiuotas smėlingas dirvožemis su dumblu ir pagal Vieningą dirvožemio klasifikavimo sistemą (USC) buvo klasifikuojamas kaip SP-SM (2a pav.). Rentgeno spindulių difrakcijos (XRD) analizė parodė, kad Dejego dirvožemį daugiausia sudarė kalcitas ir kvarcas (2b pav.). Be to, EDX analizė parodė, kad mažesnėmis proporcijomis taip pat buvo kitų elementų, tokių kaip Al, K ir Fe.
Norint paruošti laboratorines kopas vėjo erozijos tyrimams, dirvožemis buvo susmulkintas iš 170 mm aukščio per 10 mm skersmens piltuvą iki kieto paviršiaus, gaunant tipišką 60 mm aukščio ir 210 mm skersmens kopą. Gamtoje mažiausio tankio smėlio kopos susidaro dėl eolinių procesų. Panašiai, naudojant šią procedūrą paruoštas mėginys turėjo mažiausią santykinį tankį, γ = 14,14 kN/m³, sudarydamas smėlio kūgį, nusėdusį ant horizontalaus paviršiaus, kurio ramybės kampas yra maždaug 29,7°.
Ankstesniame skyriuje gautas optimalus MICP tirpalas buvo purškiamas ant kopos šlaito 1, 2 ir 3 lm-2 naudojimo greičiu, o po to mėginiai 9 dienas (t. y. optimalus kietėjimo laikas) buvo laikomi inkubatoriuje 30 °C temperatūroje (3 pav.), o po to išnešti bandymams vėjo tunelyje.
Kiekvienam apdorojimui buvo paruošti keturi bandiniai: vienas kalcio karbonato kiekiui ir paviršiaus stiprumui matuoti naudojant penetrometrą, o likę trys bandiniai buvo naudojami erozijos bandymams esant trims skirtingiems greičiams. Atliekant bandymus vėjo tunelyje, erozijos kiekis buvo nustatytas esant skirtingiems vėjo greičiams, o tada kiekvieno apdoroto bandinio slenkstinis atitrūkimo greitis buvo nustatytas naudojant erozijos kiekio ir vėjo greičio grafiką. Be vėjo erozijos bandymų, apdoroti bandiniai buvo apmėtyti smėliu (t. y. atlikti šuolių eksperimentai). Šiuo tikslu buvo paruošti dar du bandiniai, kurių naudojimo greitis buvo 2 ir 3 L m−2. Smėlio apmėtymo bandymas truko 15 min., o srautas buvo 120 gm−1, o tai atitinka ankstesniuose tyrimuose pasirinktas vertes60,61,62. Horizontalus atstumas tarp abrazyvinio antgalio ir kopos pagrindo buvo 800 mm, esantis 100 mm virš tunelio dugno. Ši padėtis buvo nustatyta taip, kad beveik visos šokinėjančios smėlio dalelės kristų ant kopos.
Vėjo tunelio bandymas buvo atliktas atvirame vėjo tunelyje, kurio ilgis – 8 m, plotis – 0,4 m, o aukštis – 1 m (4a pav.). Vėjo tunelis pagamintas iš cinkuoto plieno lakštų ir gali generuoti iki 25 m/s vėjo greitį. Be to, dažnio keitiklis naudojamas ventiliatoriaus dažniui reguliuoti ir palaipsniui didinti, kad būtų pasiektas tikslinis vėjo greitis. 4b paveiksle parodyta vėjo ardomų smėlio kopų schema ir vėjo tunelyje išmatuotas vėjo greičio profilis.
Galiausiai, norint palyginti šiame tyrime siūlomos neurealitinės MICP formuluotės rezultatus su urealitinio MICP kontrolinio bandymo rezultatais, kopų mėginiai taip pat buvo paruošti ir apdoroti biologiniu tirpalu, kuriame buvo karbamido, kalcio chlorido ir Sporosarcina pasteurii (nes Sporosarcina pasteurii turi didelį gebėjimą gaminti ureazę63). Bakterijų tirpalo optinis tankis buvo 1,5, o karbamido ir kalcio chlorido koncentracijos – 1 M (parinkta remiantis ankstesniuose tyrimuose rekomenduojamomis vertėmis36,64,65). Mitybos terpę sudarė maistinis sultinys (8 g/l) ir karbamidas (20 g/l). Bakterijų tirpalas buvo purškiamas ant kopų paviršiaus ir paliktas 24 valandoms, kad bakterijos prisitvirtintų. Po 24 valandų prisitvirtinimo buvo purškiamas cementuojantis tirpalas (kalcio chloridas ir karbamidas). Urealitinio MICP kontrolinis bandymas toliau vadinamas UMC. Urealitiškai ir neurealitiškai apdorotų dirvožemio mėginių kalcio karbonato kiekis buvo nustatytas plaunant juos pagal Choi ir kt. pasiūlytą procedūrą66.
5 paveiksle parodytos Bacillus amyloliquefaciens ir Bacillus subtilis augimo kreivės kultūros terpėje (maistinių medžiagų tirpale), kai pradinis pH intervalas yra nuo 5 iki 10. Kaip parodyta paveiksle, Bacillus amyloliquefaciens ir Bacillus subtilis augo greičiau, kai pH buvo atitinkamai 6–8 ir 7–9. Todėl optimizavimo etape buvo pasirinktas šis pH intervalas.
(a) Bacillus amyloliquefaciens ir (b) Bacillus subtilis augimo kreivės esant skirtingoms pradinėms maistinės terpės pH vertėms.
6 paveiksle parodytas Bernardo limetro metu susidariusio anglies dioksido kiekis, kuris atitinka nusodintą kalcio karbonatą (CaCO3). Kadangi kiekviename derinyje vienas faktorius buvo fiksuotas, o kiti faktoriai buvo keičiami, kiekvienas šių grafikų taškas atitinka maksimalų anglies dioksido tūrį tame eksperimentų rinkinyje. Kaip parodyta paveiksle, didėjant kalcio šaltinio koncentracijai, didėjo kalcio karbonato gamyba. Todėl kalcio šaltinio koncentracija tiesiogiai veikia kalcio karbonato gamybą. Kadangi kalcio šaltinis ir anglies šaltinis yra tas pats (t. y. kalcio formiatas ir kalcio acetatas), kuo daugiau kalcio jonų išsiskiria, tuo daugiau kalcio karbonato susidaro (6a pav.). AS ir AA formulėse kalcio karbonato gamyba toliau didėjo ilgėjant kietėjimo laikui, kol nuosėdų kiekis po 9 dienų beveik nepakito. FA formulėje kalcio karbonato susidarymo greitis sumažėjo, kai kietėjimo laikas viršijo 6 dienas. Palyginti su kitomis formulėmis, FS formulė po 3 dienų parodė santykinai mažą kalcio karbonato susidarymo greitį (6b pav.). FA ir FS formulėse po trijų dienų buvo gauta 70 % ir 87 % viso kalcio karbonato kiekio, o AA ir AS formulėse ši dalis sudarė atitinkamai tik apie 46 % ir 45 %. Tai rodo, kad skruzdžių rūgšties pagrindu pagaminta formulė pradiniame etape pasižymi didesniu CaCO3 susidarymo greičiu, palyginti su acetato pagrindu pagaminta formule. Tačiau susidarymo greitis lėtėja ilgėjant kietėjimo laikui. Iš 6c paveikslo galima daryti išvadą, kad net ir esant didesnei nei OD1 bakterijų koncentracijai, kalcio karbonato susidarymui reikšmingo indėlio nėra.
CO2 tūrio (ir atitinkamo CaCO3 kiekio), išmatuoto Bernardo kalcimetru, pokytis kaip (a) kalcio šaltinio koncentracijos, (b) stingimo laiko, (c) OD, (d) pradinio pH, (e) kalcio šaltinio ir bakterijų tirpalo santykio (kiekvienai formuluotei); ir (f) didžiausio kalcio karbonato kiekio, pagaminto kiekvienam kalcio šaltinio ir bakterijų deriniui, funkcija.
Kalbant apie pradinio terpės pH įtaką, 6d paveiksle parodyta, kad FA ir FS atveju CaCO3 gamyba pasiekė maksimalią vertę esant pH 7. Šis stebėjimas atitinka ankstesnius tyrimus, kuriuose teigiama, kad FDH fermentai yra stabiliausi esant pH 7–6,7. Tačiau AA ir AS atveju CaCO3 nusėdimas padidėjo, kai pH viršijo 7. Ankstesni tyrimai taip pat parodė, kad optimalus pH diapazonas CoA fermento aktyvumui yra nuo 8 iki 9,2–6,8. Atsižvelgiant į tai, kad optimalūs pH diapazonai CoA fermento aktyvumui ir B. amyloliquefaciens augimui yra atitinkamai (8–9,2) ir (6–8) (5a paveikslas), tikimasi, kad optimalus AA formulės pH bus 8, o šie du pH diapazonai sutampa. Šį faktą patvirtino eksperimentai, kaip parodyta 6d paveiksle. Kadangi optimalus pH B. subtilis augimui yra 7–9 (5b pav.), o optimalus pH CoA fermento aktyvumui yra 8–9,2, tikėtina, kad maksimali CaCO3 nusodinimo išeiga bus 8–9 pH intervale, ką patvirtina 6d pav. (t. y. optimalus nusodinimo pH yra 9). 6e paveiksle pateikti rezultatai rodo, kad optimalus kalcio šaltinio tirpalo ir bakterijų tirpalo santykis tiek acetato, tiek formiatų tirpalams yra 1. Palyginimui, skirtingų formulių (t. y. AA, AS, FA ir FS) veikimas buvo įvertintas remiantis maksimalia CaCO3 gamyba skirtingomis sąlygomis (t. y. kalcio šaltinio koncentracija, kietėjimo laikas, OD, kalcio šaltinio ir bakterijų tirpalo santykis ir pradinis pH). Iš tirtų formulių FS formulė turėjo didžiausią CaCO3 gamybą, kuri buvo maždaug tris kartus didesnė nei AA formulės (6f pav.). Su abiem kalcio šaltiniais buvo atlikti keturi kontroliniai eksperimentai be bakterijų ir po 30 dienų CaCO3 nusodinimo nepastebėta.
Visų formulių optinės mikroskopijos vaizdai parodė, kad vateritas buvo pagrindinė fazė, kurioje susidarė kalcio karbonatas (7 pav.). Vaterito kristalai buvo sferinės formos69,70,71. Nustatyta, kad kalcio karbonatas nusėdo ant bakterijų ląstelių, nes bakterijų ląstelių paviršius buvo neigiamai įkrautas ir galėjo veikti kaip dvivalenčių katijonų adsorbentas. Šiame tyrime, pavyzdžiui, FS formuluotėje, po 24 valandų ant kai kurių bakterijų ląstelių pradėjo formuotis kalcio karbonatas (7a pav.), o po 48 valandų žymiai padidėjo kalcio karbonatu padengtų bakterijų ląstelių skaičius. Be to, kaip parodyta 7b paveiksle, taip pat buvo galima aptikti vaterito dalelių. Galiausiai, po 72 valandų, regis, daug bakterijų buvo surištos su vaterito kristalais, o vaterito dalelių skaičius žymiai padidėjo (7c pav.).
CaCO3 nusėdimo FS kompozicijose stebėjimai optinės mikroskopijos būdu laikui bėgant: (a) 24, (b) 48 ir (c) 72 val.
Siekiant toliau tirti nusodintos fazės morfologiją, atlikta miltelių rentgeno spindulių difrakcijos (XRD) ir SEM analizė. XRD spektrai (8a pav.) ir SEM mikrografijos (8b, c pav.) patvirtino vaterito kristalų buvimą, nes jie buvo salotos formos ir buvo pastebėtas atitikimas tarp vaterito ir nuosėdų pikų.
(a) Susidariusio CaCO3 ir vaterito rentgeno spindulių difrakcijos spektrų palyginimas. Vaterito SEM mikrografijos, atitinkamai esant (b) 1 kHz ir (c) 5,27 kHz didinimui.
Aerodinaminio tunelio bandymų rezultatai pateikti 9a ir 9b paveiksluose. Iš 9a paveikslo matyti, kad neapdoroto smėlio slenkstinis erozijos greitis (TDV) yra apie 4,32 m/s. Esant 1 l/m² naudojimo greičiui (9a paveikslas), FA, FS, AA ir UMC frakcijų dirvožemio netekimo greičio linijų nuolydžiai yra maždaug tokie patys kaip ir neapdorotos kopos. Tai rodo, kad apdorojimas tokiu naudojimo greičiu yra neefektyvus, ir kai tik vėjo greitis viršija TDV, plona dirvožemio pluta išnyksta, o kopos erozijos greitis yra toks pat kaip ir neapdorotos kopos. AS frakcijos erozijos nuolydis taip pat yra mažesnis nei kitų frakcijų, kurių abscisės (t. y. TDV) yra mažesnės (9a paveikslas). 9b paveiksle pateiktos rodyklės rodo, kad esant maksimaliam 25 m/s vėjo greičiui, apdorotose kopose erozija neatsirado, kai naudojimo normos buvo 2 ir 3 l/m². Kitaip tariant, FS, FA, AS ir UMC kopos buvo atsparesnės vėjo erozijai, kurią sukelia CaCO³ nusėdimas, esant 2 ir 3 l/m² naudojimo normoms nei esant maksimaliam vėjo greičiui (t. y. 25 m/s). Taigi, šiuose bandymuose gauta 25 m/s TDV vertė yra apatinė 9b paveiksle parodytų naudojimo normų riba, išskyrus AA atvejį, kai TDV yra beveik lygus maksimaliam vėjo tunelio greičiui.
Vėjo erozijos bandymas (a) Svorio sumažėjimas, priklausomai nuo vėjo greičio (naudojimo norma 1 l/m2), (b) Slenkstinis atplėšimo greitis, priklausomai nuo naudojimo normos ir formuluotės (CA – kalcio acetatui, CF – kalcio formiatui).
10 paveiksle parodyta smėlio kopų, apdorotų skirtingomis formulėmis ir naudojimo normomis, paviršiaus erozija po smėlio bombardavimo bandymo, o kiekybiniai rezultatai pateikti 11 paveiksle. Neapdorotas atvejis neparodytas, nes jis nerodė atsparumo ir smėlio bombardavimo bandymo metu buvo visiškai eroduotas (bendras masės praradimas). Iš 11 paveikslo matyti, kad biokompozicija AA apdorotas mėginys, naudojant 2 l/m2, prarado 83,5 % savo svorio, o visi kiti mėginiai smėlio bombardavimo metu parodė mažiau nei 30 % erozijos. Padidinus naudojimo normą iki 3 l/m2, visi apdoroti mėginiai prarado mažiau nei 25 % savo svorio. Taikant abu naudojimo lygius, FS junginys parodė geriausią atsparumą smėlio bombardavimui. FS ir AA apdorotų mėginių maksimalų ir minimalų atsparumą bombardavimui galima priskirti maksimaliam ir minimaliam CaCO3 iškritimui (6f pav.).
Įvairios sudėties smėlio kopų bombardavimo rezultatai, esant 2 ir 3 l/m2 debitams (rodyklės rodo vėjo kryptį, kryžiai – vėjo kryptį statmeną brėžinio plokštumai).
Kaip parodyta 12 paveiksle, visų formulių kalcio karbonato kiekis didėjo, didėjant naudojimo greičiui nuo 1 l/m² iki 3 l/m². Be to, taikant visus naudojimo greičius, didžiausią kalcio karbonato kiekį turėjo FS formulė, po jos sekė FA ir UMC. Tai rodo, kad šios formulės gali turėti didesnį paviršiaus atsparumą.
13a paveiksle parodytas neapdoroto, kontrolinio ir apdoroto dirvožemio mėginių paviršiaus varžos pokytis, išmatuotas permeametru. Iš šio paveikslo matyti, kad UMC, AS, FA ir FS formulių paviršiaus varža reikšmingai padidėjo didėjant naudojimo greičiui. Tačiau AA formulėje paviršiaus stiprumo padidėjimas buvo santykinai nedidelis. Kaip parodyta paveiksle, FA ir FS formulės, pagamintos iš neskaidyto MICP, pasižymi geresniu paviršiaus pralaidumu, palyginti su karbamidu suskaidytu MICP. 13b paveiksle parodytas TDV pokytis priklausomai nuo dirvožemio paviršiaus varžos. Iš šio paveikslo aiškiai matyti, kad kopoms, kurių paviršiaus varža didesnė nei 100 kPa, slenkstinis nuplėšimo greitis viršys 25 m/s. Kadangi in situ paviršiaus varžą galima lengvai išmatuoti permeametru, šios žinios gali padėti įvertinti TDV neatlikus vėjo tunelio bandymų, todėl jos gali būti naudojamos kaip kokybės kontrolės rodiklis lauko darbams.
SEM rezultatai pateikti 14 paveiksle. 14a–14b paveiksluose parodytos padidėjusios neapdoroto dirvožemio mėginio dalelės, o tai aiškiai rodo, kad jis yra rišlus ir neturi natūralių jungčių ar cementacijos. 14c paveiksle parodyta kontrolinio mėginio, apdoroto karbamidu suskaidytu MICP, SEM mikrografija. Šiame paveikslėlyje matyti CaCO3 nuosėdų, kurios nusėda kalcito polimorfų pavidalu, buvimas. Kaip parodyta 14d–14o paveiksluose, nusodintas CaCO3 suriša daleles; SEM mikrografijose taip pat galima atpažinti sferinius vaterito kristalus. Šio ir ankstesnių tyrimų rezultatai rodo, kad CaCO3 jungtys, susidariusios kaip vaterito polimorfai, taip pat gali užtikrinti pakankamą mechaninį stiprumą; mūsų rezultatai rodo, kad paviršiaus varža padidėja iki 350 kPa, o slenkstinis atskyrimo greitis padidėja nuo 4,32 iki daugiau nei 25 m/s. Šis rezultatas atitinka ankstesnių tyrimų rezultatus, rodančius, kad MICP nusodinto CaCO3 matrica yra vateritas, pasižymintis pakankamu mechaniniu stiprumu ir atsparumu vėjo erozijai13,40 ir gali išlaikyti pakankamą atsparumą vėjo erozijai net po 180 dienų lauko aplinkos sąlygų poveikio13.
(a, b) neapdoroto dirvožemio SEM mikrografijos, (c) MICP karbamido skaidymo kontrolė, (df) AA apdoroti mėginiai, (gi) AS apdoroti mėginiai, (jl) FA apdoroti mėginiai ir (mo) FS apdoroti mėginiai, kurių naudojimo norma yra 3 L/m2 ir skirtingi didinimo lygiai.
14d–14f paveiksluose parodyta, kad po apdorojimo AA junginiais ant paviršiaus ir tarp smėlio grūdelių nusėdo kalcio karbonatas, taip pat buvo pastebėta keletas nepadengtų smėlio grūdelių. AS komponentų atveju, nors susidariusio CaCO3 kiekis reikšmingai nepadidėjo (6f pav.), CaCO3 sukeltų kontaktų tarp smėlio grūdelių kiekis reikšmingai padidėjo, palyginti su AA junginiais (14g–14i pav.).
Iš 14j–1 ir 14m–o paveikslų matyti, kad kalcio formiato naudojimas kaip kalcio šaltinio lemia dar didesnį CaCO3 nusėdimą, palyginti su AS junginiu, o tai atitinka kalcio matuoklio matavimus, parodytus 6f paveiksle. Šis papildomas CaCO3, atrodo, daugiausia nusėda ant smėlio dalelių ir nebūtinai pagerina kontakto kokybę. Tai patvirtina anksčiau pastebėtą elgseną: nepaisant CaCO3 nusėdimo kiekio skirtumų (6f paveikslas), trys formuluotės (AS, FA ir FS) reikšmingai nesiskiria antieolinėmis (vėjo) savybėmis (11 paveikslas) ir paviršiaus atsparumu (13a paveikslas).
Siekiant geriau vizualizuoti CaCO3 padengtas bakterijų ląsteles ir bakterijų atspaudą ant nusodintų kristalų, buvo padarytos didelio didinimo SEM mikrografijos, o rezultatai pateikti 15 paveiksle. Kaip parodyta, kalcio karbonatas nusėda ant bakterijų ląstelių ir sudaro ten nusodinimui reikalingus branduolius. Paveiksle taip pat pavaizduotos aktyvios ir neaktyvios CaCO3 sukeltos jungtys. Galima daryti išvadą, kad bet koks neaktyvių jungčių padidėjimas nebūtinai lemia tolesnį mechaninių savybių pagerėjimą. Todėl padidėjęs CaCO3 nusodinimas nebūtinai lemia didesnį mechaninį stiprumą, o svarbų vaidmenį vaidina nusodinimo pobūdis. Šis aspektas taip pat buvo nagrinėjamas Terzis ir Laloui72 bei Soghi ir Al-Kabani45,73 darbuose. Norint toliau tirti nusodinimo modelio ir mechaninio stiprumo ryšį, rekomenduojami MICP tyrimai naudojant µCT vaizdavimą, kas nepatenka į šio tyrimo apimtį (t. y., įvedant skirtingus kalcio šaltinio ir bakterijų derinius, kad MICP būtų be amoniako).
CaCO3 sukėlė aktyvius ir neaktyvius ryšius mėginiuose, apdorotuose (a) AS sudėtimi ir (b) FS sudėtimi, ir paliko bakterijų ląstelių įspaudus ant nuosėdų.
Kaip parodyta 14j–o ir 15b paveiksluose, yra CaCO3 plėvelė (EDX analizės duomenimis, kiekvieno elemento procentinė sudėtis plėvelėje yra tokia: anglies – 11 %, deguonies – 46,62 % ir kalcio – 42,39 %, tai yra labai artima CaCO3 procentinei daliai 16 paveiksle). Ši plėvelė dengia vaterito kristalus ir dirvožemio daleles, padėdama išlaikyti dirvožemio ir nuosėdų sistemos vientisumą. Šios plėvelės buvimas pastebėtas tik mėginiuose, apdorotuose formiatų pagrindu pagamintu preparatu.
2 lentelėje palyginamas ankstesnių tyrimų ir šio tyrimo metu karbamidą skaidančiais ir neskaidančiais MICP keliais apdorotų dirvožemių paviršiaus stiprumas, slenkstinis atsiskyrimo greitis ir bioindukuotas CaCO3 kiekis. MICP apdorotų kopų mėginių atsparumo vėjo erozijai tyrimų yra nedaug. Meng ir kt. tyrė MICP apdorotų karbamidą skaidančių kopų mėginių atsparumą vėjo erozijai naudodami lapų pūstuvą,13 o šiame tyrime karbamidą skaidantys kopų mėginiai (taip pat ir karbamidą skaidantys kontroliniai mėginiai) buvo tiriami vėjo tunelyje ir apdoroti keturiais skirtingais bakterijų ir medžiagų deriniais.
Kaip matyti, kai kuriuose ankstesniuose tyrimuose buvo nagrinėjamos didelės naudojimo normos, viršijančios 4 L/m²13,41,74. Verta paminėti, kad didelės naudojimo normos ekonominiu požiūriu gali būti sunkiai pritaikomos lauke dėl vandens tiekimo, transportavimo ir didelių vandens kiekių naudojimo išlaidų. Mažesnės naudojimo normos, pvz., 1,62–2 L/m², taip pat pasiekė gana gerą paviršiaus stiprumą iki 190 kPa ir TDV, viršijantį 25 m/s. Šiame tyrime kopos, apdorotos formiatų pagrindu pagamintu MICP be karbamido skaidymo, pasiekė didelį paviršiaus stiprumą, kuris buvo panašus į tą, kuris buvo gautas naudojant karbamido skaidymo būdą tame pačiame naudojimo normų diapazone (t. y. mėginiai, apdoroti formiatų pagrindu pagamintu MICP be karbamido skaidymo, taip pat galėjo pasiekti tą patį paviršiaus stiprumo verčių diapazoną, kaip pranešė Meng ir kt., 13, 13a pav.), esant didesnėms naudojimo normoms. Taip pat matyti, kad esant 2 l/m2 naudojimo normai, kalcio karbonato išeiga vėjo erozijai mažinti esant 25 m/s vėjo greičiui buvo 2,25 %, naudojant formiatų pagrindu pagamintą MICP be karbamido skaidymo, o tai yra labai artima reikiamam CaCO3 kiekiui (t. y. 2,41 %), palyginti su kopomis, apdorotomis kontroliniu MICP su karbamido skaidymu, esant tokiai pačiai naudojimo normai ir tokiam pačiam vėjo greičiui (25 m/s).
Taigi, remiantis šia lentele, galima daryti išvadą, kad tiek karbamido skaidymo būdas, tiek skaidymo būdas be karbamido gali užtikrinti gana priimtinus rezultatus paviršiaus atsparumo ir TDV atžvilgiu. Pagrindinis skirtumas yra tas, kad skaidymo būdas be karbamido neturi amoniako, todėl daro mažesnį poveikį aplinkai. Be to, šiame tyrime pasiūlytas formiatų pagrindu sukurtas MICP metodas be karbamido skaidymo, atrodo, veikia geriau nei acetato pagrindu sukurtas MICP metodas be karbamido skaidymo. Nors Mohebbi ir kt. tyrė acetato pagrindu pagrįstą MICP metodą be karbamido skaidymo, jų tyrime buvo įtraukti mėginiai ant plokščių paviršių9. Dėl didesnio erozijos laipsnio, kurį sukelia sūkurių susidarymas aplink kopų mėginius ir dėl to atsirandanti šlytis, dėl kurios sumažėja TDV, tikimasi, kad vėjo erozija kopų mėginiuose bus labiau pastebima nei plokščių paviršių tuo pačiu greičiu.