Дякуємо за відвідування сайту nature.com. Версія браузера, яку ви використовуєте, має обмежену підтримку CSS. Для найкращої роботи рекомендуємо використовувати останню версію браузера (або вимкнути режим сумісності в Internet Explorer). Крім того, для забезпечення постійної підтримки цей сайт не міститиме стилів або JavaScript.
Пилові бурі становлять серйозну загрозу для багатьох країн світу через їх руйнівний вплив на сільське господарство, здоров'я людини, транспортні мережі та інфраструктуру. Як наслідок, вітрова ерозія вважається глобальною проблемою. Одним з екологічно чистих підходів до боротьби з вітровою ерозією є використання мікробно-індукованих карбонатних осадів (МІОП). Однак побічні продукти МІОП на основі деградації сечовини, такі як аміак, не є ідеальними при виробництві у великих кількостях. У цьому дослідженні представлені дві рецептури бактерій форміату кальцію для деградації МІОП без утворення сечовини та всебічно порівнюється їхня ефективність з двома рецептурами бактерій ацетату кальцію, що не продукують аміак. Розглянуті бактерії - Bacillus subtilis та Bacillus amyloliquefaciens. Спочатку були визначені оптимізовані значення факторів, що контролюють утворення CaCO3. Потім були проведені випробування в аеродинамічній трубі на зразках піщаних дюн, оброблених оптимізованими рецептурами, та виміряні стійкість до вітрової ерозії, порогова швидкість відшаровування та стійкість до бомбардування піском. Аломорфи карбонату кальцію (CaCO3) були оцінені за допомогою оптичної мікроскопії, скануючої електронної мікроскопії (СЕМ) та рентгеноструктурного аналізу. Форми на основі форміату кальцію показали значно кращі результати, ніж ацетатні, щодо утворення карбонату кальцію. Крім того, B. subtilis виробляв більше карбонату кальцію, ніж B. amyloliquefaciens. Мікрофотографії SEM чітко показали зв'язування та відбиття активних та неактивних бактерій на карбонаті кальцію, спричинене седиментацією. Усі формули значно зменшили вітрову ерозію.
Вітрова ерозія давно визнана серйозною проблемою, з якою стикаються посушливі та напівпосушливі регіони, такі як південно-західна частина Сполучених Штатів, західний Китай, країни Африки Сахара та значна частина Близького Сходу1. Низька кількість опадів у посушливому та гіперпосушливому кліматі перетворила значну частину цих регіонів на пустелі, піщані дюни та необроблювані землі. Триваюча вітрова ерозія створює екологічні загрози для інфраструктури, такої як транспортні мережі, сільськогосподарські угіддя та промислові землі, що призводить до поганих умов життя та високих витрат на міський розвиток у цих регіонах2,3,4. Важливо, що вітрова ерозія впливає не лише на місце, де вона відбувається, але й спричиняє проблеми зі здоров'ям та економіку у віддалених громадах, оскільки вона переносить частинки вітром у райони, віддалені від джерела5,6.
Боротьба з вітровою ерозією залишається глобальною проблемою. Для боротьби з вітровою ерозією використовуються різні методи стабілізації ґрунту. Ці методи включають такі матеріали, як обприскування водою7, олійні мульчі8, біополімери5, мікробно-індуковане карбонатне осадження (МІКП)9,10,11,12 та ферментно-індуковане карбонатне осадження (ЕІКП)1. Зволоження ґрунту є стандартним методом придушення пилу в польових умовах. Однак його швидке випаровування робить цей метод обмежено ефективним у посушливих та напівпосушливих регіонах1. Застосування олійних мульчуючих сполук збільшує когезію піску та міжчастинкове тертя. Їхня когезійна властивість пов'язує піщинки разом; однак олійні мульчі також створюють інші проблеми; їхній темний колір збільшує поглинання тепла та призводить до загибелі рослин та мікроорганізмів. Їхній запах та випари можуть спричинити проблеми з диханням, і, що найважливіше, їхня висока вартість є ще однією перешкодою. Біополімери є одним із нещодавно запропонованих екологічно чистих методів пом'якшення вітрової ерозії; їх видобувають з природних джерел, таких як рослини, тварини та бактерії. Ксантанова камедь, гуарова камедь, хітозан та геланова камедь є найбільш поширеними біополімерами в інженерних застосуваннях5. Однак, водорозчинні біополімери можуть втрачати міцність та вимиватися з ґрунту під впливом води13,14. EICP (енергетична хроматографія, що пригнічує пилоутворення) показала себе ефективним методом придушення пилу для різних застосувань, включаючи ґрунтові дороги, хвостосховища та будівельні майданчики. Хоча результати є обнадійливими, слід враховувати деякі потенційні недоліки, такі як вартість та відсутність центрів нуклеації (що прискорює утворення та осадження кристалів CaCO315,16).
MICP вперше був описаний наприкінці 19 століття Мюрреєм та Ірвіном (1890) і Штайнманом (1901) у їхньому дослідженні деградації сечовини морськими мікроорганізмами17. MICP – це природний біологічний процес, що включає різноманітну мікробну активність та хімічні процеси, в яких карбонат кальцію осаджується внаслідок реакції карбонатних іонів з мікробних метаболітів з іонами кальцію в навколишньому середовищі18,19. MICP, що включає цикл азоту, що деградує сечовину (MICP, що деградує сечовину), є найпоширенішим типом мікробно-індукованого карбонатного осадження, в якому уреаза, що продукується бактеріями, каталізує гідроліз сечовини20,21,22,23,24,25,26,27 наступним чином:
У MICP, що включає вуглецевий цикл окислення органічних солей (тип MICP без деградації сечовини), гетеротрофні бактерії використовують органічні солі, такі як ацетат, лактат, цитрат, сукцинат, оксалат, малат та гліоксилат, як джерела енергії для виробництва карбонатних мінералів28. У присутності лактату кальцію як джерела вуглецю та іонів кальцію хімічна реакція утворення карбонату кальцію показана в рівнянні (5).
У процесі MICP бактеріальні клітини забезпечують місця нуклеації, які особливо важливі для осадження карбонату кальцію; поверхня бактеріальної клітини негативно заряджена та може діяти як адсорбент для двовалентних катіонів, таких як іони кальцію. Адсорбуючи іони кальцію на бактеріальних клітинах, коли концентрація карбонатних іонів є достатньою, катіони кальцію та карбонатні аніони реагують, і карбонат кальцію осідає на поверхні бактерій29,30. Процес можна підсумувати наступним чином31,32:
Біогенеровані кристали карбонату кальцію можна розділити на три типи: кальцит, ватерит та арагоніт. Серед них кальцит і ватерит є найпоширенішими бактеріально-індукованими аломорфами карбонату кальцію33,34. Кальцит є найбільш термодинамічно стабільним аломорфом карбонату кальцію35. Хоча повідомлялося, що ватерит є метастабільним, він зрештою перетворюється на кальцит36,37. Ватерит є найщільнішим з цих кристалів. Це гексагональний кристал, який має кращу здатність до заповнення пор, ніж інші кристали карбонату кальцію, завдяки своєму більшому розміру38. Як деградований сечовиною, так і недеградований сечовиною MICP може призвести до осадження ватериту13,39,40,41.
Хоча MICP продемонстрував багатообіцяючий потенціал у стабілізації проблемних ґрунтів та ґрунтів, схильних до вітрової ерозії42,43,44,45,46,47,48, одним із побічних продуктів гідролізу сечовини є аміак, який може спричинити проблеми зі здоров'ям від легких до серйозних залежно від рівня впливу49. Цей побічний ефект робить використання цієї конкретної технології суперечливим, особливо коли потрібно обробити великі площі, наприклад, для придушення пилу. Крім того, запах аміаку є нестерпним, коли процес проводиться з високими нормами внесення та великими обсягами, що може вплинути на його практичну застосовність. Хоча нещодавні дослідження показали, що іони амонію можна зменшити, перетворивши їх на інші продукти, такі як струвіт, ці методи не повністю видаляють іони амонію50. Тому все ще існує потреба у дослідженні альтернативних рішень, які не генерують іони амонію. Використання шляхів розкладання MICP без використання сечовини може забезпечити потенційне рішення, яке було мало досліджено в контексті пом'якшення вітрової ерозії. Фаттахі та ін. досліджували розкладання MICP без використання сечовини за допомогою ацетату кальцію та Bacillus megaterium41, тоді як Мохеббі та ін. використовували ацетат кальцію та Bacillus amyloliquefaciens9. Однак їхнє дослідження не порівнювали з іншими джерелами кальцію та гетеротрофними бактеріями, які могли б зрештою покращити стійкість до вітрової ерозії. Також бракує літератури, яка б порівнювала шляхи деградації без сечовини зі шляхами деградації сечовини для пом'якшення наслідків вітрової ерозії.
Крім того, більшість досліджень вітрової ерозії та боротьби з пилом проводилися на зразках ґрунту з плоскими поверхнями.1,51,52,53 Однак плоскі поверхні зустрічаються в природі рідше, ніж пагорби та западини. Саме тому піщані дюни є найпоширенішою ландшафтною рисою в пустельних регіонах.
Щоб подолати вищезазначені недоліки, це дослідження мало на меті запровадити новий набір бактеріальних агентів, що не продукують аміак. Для цього ми розглянули шляхи MICP, що не розкладають сечовину. Була досліджена ефективність двох джерел кальцію (форміату кальцію та ацетату кальцію). Наскільки авторам відомо, осадження карбонату з використанням двох комбінацій джерел кальцію та бактерій (тобто форміату кальцію - Bacillus subtilis та форміату кальцію - Bacillus amyloliquefaciens) не досліджувалося в попередніх дослідженнях. Вибір цих бактерій ґрунтувався на ферментах, які вони виробляють, що каталізують окислення форміату кальцію та ацетату кальцію з утворенням мікробних осадів карбонату. Ми розробили ретельне експериментальне дослідження, щоб знайти оптимальні фактори, такі як pH, типи бактерій та джерел кальцію та їх концентрації, співвідношення бактерій до розчину джерела кальцію та час затвердіння. Зрештою, ефективність цього набору бактеріальних агентів у придушенні вітрової ерозії внаслідок осадження карбонату кальцію була досліджена шляхом проведення серії випробувань в аеродинамічній трубі на піщаних дюнах для визначення величини вітрової ерозії, порогової швидкості відриву та стійкості піску до вітрового бомбардування, а також були проведені вимірювання за допомогою пенетрометра та мікроструктурні дослідження (наприклад, рентгенівська дифракція (XRD) та скануюча електронна мікроскопія (SEM)).
Для виробництва карбонату кальцію потрібні іони кальцію та іони карбонату. Іони кальцію можна отримати з різних джерел кальцію, таких як хлорид кальцію, гідроксид кальцію та сухе знежирене молоко54,55. Іони карбонату можна отримати різними мікробними методами, такими як гідроліз сечовини та аеробне або анаеробне окислення органічної речовини56. У цьому дослідженні іони карбонату були отримані в результаті реакції окислення форміату та ацетату. Крім того, ми використовували кальцієві солі форміату та ацетату для отримання чистого карбонату кальцію, таким чином, як побічні продукти отримували лише CO2 та H2O. У цьому процесі лише одна речовина служить джерелом кальцію та джерелом карбонату, і аміак не утворюється. Ці характеристики роблять джерело кальцію та метод виробництва карбонату, який ми вважали дуже перспективним.
Відповідні реакції форміату кальцію та ацетату кальцію з утворенням карбонату кальцію показано у формулах (7)-(14). Формули (7)-(11) показують, що форміат кальцію розчиняється у воді з утворенням мурашиної кислоти або форміату. Таким чином, розчин є джерелом вільного кальцію та гідроксид-іонів (формули 8 та 9). В результаті окислення мурашиної кислоти атоми вуглецю в мурашиній кислоті перетворюються на вуглекислий газ (формула 10). Зрештою утворюється карбонат кальцію (формули 11 та 12).
Аналогічно, карбонат кальцію утворюється з ацетату кальцію (рівняння 13–15), за винятком того, що замість мурашиної кислоти утворюється оцтова кислота або ацетат.
Без присутності ферментів ацетат і форміат не можуть окислюватися за кімнатної температури. ФДГ (форміатдегідрогеназа) та КоА (кофермент А) каталізують окислення форміату та ацетату з утворенням вуглекислого газу відповідно (рівняння 16, 17) [57, 58, 59]. Різні бактерії здатні виробляти ці ферменти, і в цьому дослідженні були використані гетеротрофні бактерії, а саме Bacillus subtilis (PTCC #1204 (Перська колекція типових культур), також відома як NCIMB #13061 (Міжнародна колекція бактерій, дріжджів, фагів, плазмід, насіння рослин та культур рослинних клітин та тканин)) та Bacillus amyloliquefaciens (PTCC #1732, NCIMB #12077). Ці бактерії культивували у середовищі, що містило м'ясний пептон (5 г/л) та м'ясний екстракт (3 г/л), яке називається поживним бульйоном (NBR) (105443 Merck).
Таким чином, було підготовлено чотири рецептури для індукції осадження карбонату кальцію з використанням двох джерел кальцію та двох бактерій: форміату кальцію та Bacillus subtilis (FS), форміату кальцію та Bacillus amyloliquefaciens (FA), ацетату кальцію та Bacillus subtilis (AS), ацетату кальцію та Bacillus amyloliquefaciens (AA).
У першій частині експериментального плану було проведено випробування для визначення оптимальної комбінації, яка забезпечить максимальне виробництво карбонату кальцію. Оскільки зразки ґрунту містили карбонат кальцію, було розроблено набір попередніх оціночних тестів для точного вимірювання CaCO3, що утворюється різними комбінаціями, а також було оцінено суміші розчинів культурального середовища та джерела кальцію. Для кожної комбінації джерела кальцію та розчину бактерій, визначеної вище (FS, FA, AS та AA), були отримані коефіцієнти оптимізації (концентрація джерела кальцію, час затвердіння, концентрація розчину бактерій, виміряна оптичною густиною розчину (OD), співвідношення джерела кальцію до розчину бактерій та pH) та використані в аеродинамічних випробуваннях обробки піщаних дюн, описаних у наступних розділах.
Для кожної комбінації було проведено 150 експериментів з метою вивчення впливу осадження CaCO3 та оцінки різних факторів, а саме: концентрації джерела кальцію, часу затвердіння, значення оптичної густини бактерій, співвідношення джерела кальцію до розчину бактерій та pH під час аеробного окислення органічної речовини (Таблиця 1). Діапазон pH для оптимізованого процесу було обрано на основі кривих росту Bacillus subtilis та Bacillus amyloliquefaciens, щоб отримати швидший ріст. Це детальніше пояснюється в розділі «Результати».
Для підготовки зразків до фази оптимізації було використано наступні кроки. Спочатку розчин MICP готували шляхом регулювання початкового pH культурального середовища, а потім автоклавували при 121 °C протягом 15 хвилин. Потім штам інокулювали в ламінарному потоці повітря та витримували в інкубаторі з струшуванням при 30 °C та 180 об/хв. Після досягнення бажаного рівня оптичної густини (OD) бактерій змішували з розчином джерела кальцію в потрібній пропорції (Рисунок 1a). Розчину MICP давали прореагувати та затвердіти в інкубаторі з струшуванням при 220 об/хв та 30 °C протягом часу, який досягав цільового значення. Осад CaCO3 відокремлювали після центрифугування при 6000 g протягом 5 хвилин, а потім сушили при 40 °C для підготовки зразків до кальциметричного тесту (Рисунок 1b). Осадження CaCO3 потім вимірювали за допомогою кальциметра Бернарда, де порошок CaCO3 реагує з 1,0 N HCl (ASTM-D4373-02) з утворенням CO2, а об'єм цього газу є мірою вмісту CaCO3 (Рисунок 1c). Для перетворення об'єму CO2 на вміст CaCO3 калібрувальну криву побудували шляхом промивання чистого порошку CaCO3 1 N HCl та побудови графіка залежності від виділеного CO2. Морфологію та чистоту осадженого порошку CaCO3 досліджували за допомогою SEM-візуалізації та рентгенівської дифракції. Для вивчення утворення карбонату кальцію навколо бактерій, фази утвореного карбонату кальцію та активності бактерій використовували оптичний мікроскоп зі збільшенням 1000.
Басейн Дежег — добре відомий регіон із високим рівнем еродованої природи в південно-західній провінції Фарс в Ірані, і дослідники зібрали зразки ґрунту, що піддався вітровій ерозії, з цього району. Для дослідження зразки були взяті з поверхні ґрунту. Індикаторні тести зразків ґрунту показали, що ґрунт був погано сортованим піщаним ґрунтом з мулом і класифікувався як SP-SM згідно з Єдиною системою класифікації ґрунтів (USC) (Рисунок 2a). Рентгенівський дифрактограмний аналіз показав, що ґрунт Дежег складався переважно з кальциту та кварцу (Рисунок 2b). Крім того, EDX-аналіз показав, що інші елементи, такі як Al, K та Fe, також були присутні в менших пропорціях.
Для підготовки лабораторних дюн до випробувань на вітрову ерозію ґрунт подрібнювали з висоти 170 мм через лійку діаметром 10 мм до твердої поверхні, в результаті чого утворювалася типова дюна висотою 60 мм та діаметром 210 мм. У природі піщані дюни з найнижчою щільністю утворюються внаслідок еолових процесів. Аналогічно, зразок, підготовлений за вищезазначеною процедурою, мав найнижчу відносну щільність, γ = 14,14 кН/м³, утворюючи піщаний конус, нанесений на горизонтальну поверхню з кутом природного укосу приблизно 29,7°.
Оптимальний розчин MICP, отриманий у попередньому розділі, розпилювали на схил дюни з нормою витрати 1, 2 та 3 лм⁻², а потім зразки зберігали в інкубаторі при температурі 30 °C (рис. 3) протягом 9 днів (тобто оптимальний час затвердіння), а потім виносили для випробувань в аеродинамічній трубі.
Для кожної обробки було підготовлено чотири зразки, один для вимірювання вмісту карбонату кальцію та міцності поверхні за допомогою пенетрометра, а решта три зразки використовувалися для випробувань на ерозію при трьох різних швидкостях. У випробуваннях в аеродинамічній трубі величину ерозії визначали при різних швидкостях вітру, а потім порогову швидкість відриву для кожного обробленого зразка визначали за допомогою графіка залежності величини ерозії від швидкості вітру. На додаток до випробувань на вітрову ерозію, оброблені зразки піддавали бомбардуванню піском (тобто експериментам зі стрибками). Для цієї мети було підготовлено два додаткові зразки з нормою витрати 2 та 3 л/м⁻². Випробування на бомбардування піском тривало 15 хвилин з потоком 120 г/м⁻¹, що знаходиться в межах значень, обраних у попередніх дослідженнях [60, 61, 62]. Горизонтальна відстань між абразивним соплом та основою дюни становила 800 мм, розташована на 100 мм вище дна тунелю. Це положення було встановлено таким чином, щоб майже всі частинки піску, що стрибали, падали на дюну.
Випробування в аеродинамічній трубі проводилися у відкритій аеродинамічній трубі довжиною 8 м, шириною 0,4 м та висотою 1 м (рисунок 4a). Аеродинамічна труба виготовлена ​​з оцинкованих сталевих листів і може генерувати швидкість вітру до 25 м/с. Крім того, для регулювання частоти вентилятора та поступового збільшення частоти для досягнення цільової швидкості вітру використовується перетворювач частоти. На рисунку 4b показано схематичну діаграму піщаних дюн, розмитих вітром, та профіль швидкості вітру, виміряний в аеродинамічній трубі.
Нарешті, для порівняння результатів неуреалітичної рецептури MICP, запропонованої в цьому дослідженні, з результатами контрольного тесту MICP з уреалітичним розчином, зразки дюн також були підготовлені та оброблені біологічним розчином, що містив сечовину, хлорид кальцію та Sporosarcina pasteurii (оскільки Sporosarcina pasteurii має значну здатність продукувати уреазу63). Оптична щільність бактеріального розчину становила 1,5, а концентрації сечовини та хлориду кальцію – 1 М (обрані на основі значень, рекомендованих у попередніх дослідженнях36,64,65). Культуральне середовище складалося з поживного бульйону (8 г/л) та сечовини (20 г/л). Бактеріальний розчин розпилювали на поверхню дюни та залишали на 24 години для прикріплення бактерій. Після 24 годин прикріплення розпилювали цементуючий розчин (хлорид кальцію та сечовина). Контрольний тест MICP з уреалітичним розчином надалі називається UMC. Вміст карбонату кальцію у зразках ґрунту, оброблених уреалітично та неуреалітично, було отримано шляхом промивання згідно з процедурою, запропонованою Чоєм та ін.66.
На рисунку 5 показано криві росту Bacillus amyloliquefaciens та Bacillus subtilis у культуральному середовищі (живильному розчині) з початковим діапазоном pH від 5 до 10. Як показано на рисунку, Bacillus amyloliquefaciens та Bacillus subtilis росли швидше при pH 6-8 та 7-9 відповідно. Тому цей діапазон pH був прийнятий на етапі оптимізації.
Криві росту (a) Bacillus amyloliquefaciens та (b) Bacillus subtilis за різних початкових значень pH поживного середовища.
На рисунку 6 показано кількість вуглекислого газу, що утворюється у вапнемірі Бернарда, що відображає осаджений карбонат кальцію (CaCO3). Оскільки один фактор був фіксованим у кожній комбінації, а інші фактори варіювалися, кожна точка на цих графіках відповідає максимальному об'єму вуглекислого газу в цьому наборі експериментів. Як показано на рисунку, зі збільшенням концентрації джерела кальцію збільшувалося виробництво карбонату кальцію. Отже, концентрація джерела кальцію безпосередньо впливає на виробництво карбонату кальцію. Оскільки джерело кальцію та джерело вуглецю однакові (тобто форміат кальцію та ацетат кальцію), чим більше іонів кальцію вивільняється, тим більше утворюється карбонату кальцію (рисунок 6a). У рецептурах AS та AA виробництво карбонату кальцію продовжувало зростати зі збільшенням часу твердіння, доки кількість осаду майже не змінилася через 9 днів. У рецептурі FA швидкість утворення карбонату кальцію зменшувалася, коли час твердіння перевищував 6 днів. Порівняно з іншими рецептурами, рецептура FS показала відносно низьку швидкість утворення карбонату кальцію через 3 дні (рисунок 6b). У рецептурах FA та FS 70% та 87% від загальної кількості карбонату кальцію було отримано через три дні, тоді як у рецептурах AA та AS ця частка становила лише близько 46% та 45% відповідно. Це вказує на те, що рецептура на основі мурашиної кислоти має вищу швидкість утворення CaCO3 на початковій стадії порівняно з рецептурою на основі ацетату. Однак швидкість утворення сповільнюється зі збільшенням часу затвердіння. З рисунка 6c можна зробити висновок, що навіть при концентраціях бактерій вище OD1 немає значного внеску в утворення карбонату кальцію.
Зміна об'єму CO2 (та відповідного вмісту CaCO3), виміряна кальциметром Бернарда, як функція (a) концентрації джерела кальцію, (b) часу затвердіння, (c) оптичної густини (OD), (d) початкового pH, (e) співвідношення джерела кальцію до бактеріального розчину (для кожної рецептури); та (f) максимальної кількості карбонату кальцію, що утворюється для кожної комбінації джерела кальцію та бактерій.
Щодо впливу початкового pH середовища, на рисунку 6d показано, що для FA та FS виробництво CaCO3 досягло максимального значення при pH 7. Це спостереження узгоджується з попередніми дослідженнями, які показали, що ферменти FDH є найбільш стабільними при pH 7-6,7. Однак для AA та AS осадження CaCO3 збільшувалося, коли pH перевищувало 7. Попередні дослідження також показали, що оптимальний діапазон pH для активності ферменту CoA становить від 8 до 9,2-6,8. Враховуючи, що оптимальні діапазони pH для активності ферменту CoA та росту B. amyloliquefaciens становлять (8-9,2) та (6-8) відповідно (рисунок 5a), очікується, що оптимальний pH препарату AA буде 8, і ці два діапазони pH перекриваються. Цей факт був підтверджений експериментами, як показано на рисунку 6d. Оскільки оптимальний pH для росту B. subtilis становить 7-9 (Рисунок 5b), а оптимальний pH для активності ферменту CoA – 8-9,2, очікується, що максимальний вихід осадження CaCO3 буде в діапазоні pH 8-9, що підтверджується Рисунком 6d (тобто оптимальний pH осадження становить 9). Результати, показані на Рисунку 6e, вказують на те, що оптимальне співвідношення розчину джерела кальцію до бактеріального розчину становить 1 як для ацетатного, так і для форміатного розчинів. Для порівняння, ефективність різних рецептур (тобто AA, AS, FA та FS) оцінювалася на основі максимального утворення CaCO3 за різних умов (тобто концентрації джерела кальцію, часу затвердіння, оптичної щільності, співвідношення джерела кальцію до бактеріального розчину та початкового pH). Серед досліджених рецептур, рецептура FS мала найвище утворення CaCO3, яке приблизно втричі перевищувало утворення AA (Рисунок 6f). Було проведено чотири контрольні експерименти без бактерій для обох джерел кальцію, і осадження CaCO3 не спостерігалося через 30 днів.
Зображення оптичної мікроскопії всіх рецептур показали, що ватерит був основною фазою, в якій утворювався карбонат кальцію (Рисунок 7). Кристали ватериту мали сферичну форму69,70,71. Було виявлено, що карбонат кальцію осідає на бактеріальних клітинах, оскільки поверхня бактеріальних клітин була негативно заряджена і могла діяти як адсорбент для двовалентних катіонів. Взявши рецептуру FS як приклад у цьому дослідженні, через 24 години карбонат кальцію почав утворюватися на деяких бактеріальних клітинах (Рисунок 7a), а через 48 годин кількість бактеріальних клітин, покритих карбонатом кальцію, значно збільшилася. Крім того, як показано на Рисунку 7b, також можна було виявити частинки ватериту. Нарешті, через 72 години велика кількість бактерій, здавалося, зв'язалася з кристалами ватериту, і кількість частинок ватериту значно збільшилася (Рисунок 7c).
Спостереження за допомогою оптичної мікроскопії осадження CaCO3 у складах FS з плином часу: (a) 24, (b) 48 та (c) 72 год.
Для подальшого дослідження морфології осадженої фази було проведено рентгенівську дифракцію (XRD) та скануючу електронні мікрофотографії (SEM) порошків. XRD-спектри (рис. 8a) та SEM-мікрофотографії (рис. 8b, c) підтвердили наявність кристалів ватериту, оскільки вони мали форму салату, і спостерігалася відповідність між піками ватериту та піками осаду.
(a) Порівняння спектрів рентгенівської дифракції утвореного CaCO3 та ватериту. SEM-мікрофотографії ватериту при (b) збільшенні 1 кГц та (c) 5,27 кГц відповідно.
Результати випробувань в аеродинамічній трубі показано на рисунку 9a, b. З рисунка 9a видно, що порогова швидкість ерозії (TDV) необробленого піску становить близько 4,32 м/с. При нормі внесення 1 л/м² (рисунок 9a) нахили ліній швидкості втрати ґрунту для фракцій FA, FS, AA та UMC приблизно такі ж, як і для необробленої дюни. Це вказує на те, що обробка при цій нормі внесення неефективна, і як тільки швидкість вітру перевищує TDV, тонка ґрунтова кірка зникає, а швидкість ерозії дюни така ж, як і для необробленої дюни. Нахил ерозії фракції AS також нижчий, ніж у інших фракцій з нижчими абсцисами (тобто TDV) (рисунок 9a). Стрілки на рисунку 9b вказують на те, що при максимальній швидкості вітру 25 м/с ерозія в оброблених дюнах не відбувалася при нормах внесення 2 та 3 л/м². Іншими словами, для FS, FA, AS та UMC дюни були більш стійкими до вітрової ерозії, спричиненої осадженням CaCO³, при нормах внесення 2 та 3 л/м², ніж при максимальній швидкості вітру (тобто 25 м/с). Таким чином, значення TDV 25 м/с, отримане в цих випробуваннях, є нижньою межею для норм внесення, показаних на рисунку 9b, за винятком випадку AA, де TDV майже дорівнює максимальній швидкості в аеродинамічній трубі.
Випробування на вітрову ерозію (a) Втрата ваги залежно від швидкості вітру (норма внесення 1 л/м2), (b) Порогова швидкість відривання залежно від норми внесення та рецептури (CA для ацетату кальцію, CF для форміату кальцію).
На рисунку 10 показано поверхневу ерозію піщаних дюн, оброблених різними рецептурами та нормами внесення після випробування на піщане бомбардування, а кількісні результати показано на рисунку 11. Необроблений випадок не показано, оскільки він не виявив стійкості та був повністю еродований (загальна втрата маси) під час випробування на піщане бомбардування. З рисунка 11 видно, що зразок, оброблений біокомпозицією AA, втратив 83,5% своєї ваги при нормі внесення 2 л/м2, тоді як усі інші зразки показали ерозію менше 30% під час процесу піщаного бомбардування. Коли норму внесення збільшили до 3 л/м2, всі оброблені зразки втратили менше 25% своєї ваги. При обох нормах внесення склад FS показав найкращу стійкість до піщаного бомбардування. Максимальну та мінімальну стійкість до бомбардування у зразках, оброблених FS та AA, можна пояснити їхнім максимальним та мінімальним осадженням CaCO3 (рисунок 6f).
Результати бомбардування піщаних дюн різного складу при витраті 2 та 3 л/м2 (стрілки вказують напрямок вітру, хрестики вказують напрямок вітру перпендикулярно до площини креслення).
Як показано на рисунку 12, вміст карбонату кальцію в усіх формулах збільшувався зі збільшенням норми внесення з 1 л/м² до 3 л/м². Крім того, за всіх норм внесення формулою з найвищим вмістом карбонату кальцію була FS, за нею йшли FA та UMC. Це свідчить про те, що ці формули можуть мати вищий поверхневий опір.
На рисунку 13a показано зміну поверхневого опору необроблених, контрольних та оброблених зразків ґрунту, виміряну за допомогою пермеаметра. З цього рисунка видно, що поверхневий опір препаратів UMC, AS, FA та FS значно збільшився зі збільшенням норми внесення. Однак збільшення поверхневої міцності було відносно невеликим у препараті AA. Як показано на рисунку, препарати FA та FS недеградованого сечовиною MICP мають кращу поверхневу проникність порівняно з деградованим сечовиною MICP. На рисунку 13b показано зміну TDV з опором поверхні ґрунту. З цього рисунка чітко видно, що для дюн з опором поверхні понад 100 кПа порогова швидкість відшаровування перевищуватиме 25 м/с. Оскільки опір поверхні in situ можна легко виміряти пермеаметром, ці знання можуть допомогти оцінити TDV за відсутності випробувань в аеродинамічній трубі, тим самим слугуючи показником контролю якості для польових застосувань.
Результати SEM показано на рисунку 14. На рисунках 14a-b показано збільшені частинки необробленого зразка ґрунту, що чітко вказує на його когезійність і відсутність природного зв'язку чи цементації. На рисунку 14c показано SEM-мікрофотографію контрольного зразка, обробленого MICP, деградованим сечовиною. Це зображення показує наявність осаду CaCO3 у вигляді поліморфів кальциту. Як показано на рисунках 14d-o, осаджений CaCO3 зв'язує частинки разом; на SEM-мікрофотографіях також можна ідентифікувати сферичні кристали ватериту. Результати цього та попередніх досліджень показують, що зв'язки CaCO3, утворені у вигляді поліморфів ватериту, також можуть забезпечити прийнятну механічну міцність; наші результати показують, що поверхневий опір зростає до 350 кПа, а порогова швидкість розділення зростає з 4,32 до понад 25 м/с. Цей результат узгоджується з результатами попередніх досліджень, які показали, що матрицею CaCO3, осадженого MICP, є ватерит, який має достатню механічну міцність та стійкість до вітрової ерозії13,40 і може зберігати достатню стійкість до вітрової ерозії навіть після 180 днів впливу польових умов навколишнього середовища13.
(a, b) SEM-мікрофотографії необробленого ґрунту, (c) контроль деградації сечовини MICP, (df) зразки, оброблені AA, (gi) зразки, оброблені AS, (jl) зразки, оброблені FA, та (mo) зразки, оброблені FS, з нормою внесення 3 л/м2 за різного збільшення.
На рисунках 14d-f видно, що після обробки сполуками AA карбонат кальцію осідав на поверхні та між піщинками, водночас спостерігалися деякі непокриті піщинки. Для компонентів AS, хоча кількість утвореного CaCO3 суттєво не збільшилася (рис. 6f), кількість контактів між піщинками, спричинених CaCO3, значно збільшилася порівняно зі сполуками AA (рис. 14g-i).
З рисунків 14j-l та 14m-o видно, що використання форміату кальцію як джерела кальцію призводить до подальшого збільшення осадження CaCO3 порівняно зі сполукою AS, що узгоджується з вимірюваннями кальціметра на рисунку 6f. Цей додатковий CaCO3, ймовірно, осідає переважно на частинках піску і не обов'язково покращує якість контакту. Це підтверджує раніше спостережувану поведінку: незважаючи на відмінності в кількості осадження CaCO3 (рисунок 6f), три рецептури (AS, FA та FS) суттєво не відрізняються за протиеоловими (вітровими) характеристиками (рисунок 11) та поверхневим опором (рисунок 13a).
Для кращої візуалізації бактеріальних клітин, покритих CaCO3, та бактеріального відбитка на осаджених кристалах були зроблені мікрофотографії SEM з великим збільшенням, результати яких показано на рисунку 15. Як показано, карбонат кальцію осідає на бактеріальних клітинах та забезпечує ядра, необхідні для осадження там. На рисунку також зображено активні та неактивні зв'язки, індуковані CaCO3. Можна зробити висновок, що будь-яке збільшення неактивних зв'язків не обов'язково призводить до подальшого покращення механічної поведінки. Отже, збільшення осадження CaCO3 не обов'язково призводить до вищої механічної міцності, і характер осадження відіграє важливу роль. Цей момент також вивчався в роботах Терзіса та Лалуї72 та Согі та Аль-Кабані45,73. Для подальшого вивчення взаємозв'язку між характером осадження та механічною міцністю рекомендуються дослідження MICP з використанням мікроКТ-візуалізації, що виходить за рамки цього дослідження (тобто введення різних комбінацій джерела кальцію та бактерій для MICP без аміаку).
CaCO3 індукував активні та неактивні зв'язки у зразках, оброблених (a) складом AS та (b) складом FS, і залишав відбиток бактеріальних клітин на осаді.
Як показано на рисунках 14j-o та 15b, присутня плівка CaCO3 (згідно з EDX-аналізом, процентний склад кожного елемента в плівці становить: вуглець 11%, кисень 46,62% та кальцій 42,39%, що дуже близько до відсоткового вмісту CaCO3 на рисунку 16). Ця плівка покриває кристали ватериту та частинки ґрунту, допомагаючи підтримувати цілісність ґрунтово-осадової системи. Наявність цієї плівки спостерігалася лише у зразках, оброблених формулою на основі форміату.
У таблиці 2 порівнюються поверхнева міцність, порогова швидкість відшаровування та біоіндукований вміст CaCO3 у ґрунтах, оброблених шляхами MICP, що розкладають та не розкладають сечовину, у попередніх дослідженнях та цьому дослідженні. Дослідження стійкості до вітрової ерозії зразків дюн, оброблених MICP, обмежені. Менг та ін. досліджували стійкість до вітрової ерозії зразків дюн, оброблених MICP, що розкладають сечовину, за допомогою повітродувки,13 тоді як у цьому дослідженні зразки дюн, що не розкладають сечовину (а також контрольні зразки, що розкладають сечовину), були випробувані в аеродинамічній трубі та оброблені чотирма різними комбінаціями бактерій та речовин.
Як видно, у деяких попередніх дослідженнях розглядалися високі норми внесення, що перевищують 4 л/м213,41,74. Варто зазначити, що високі норми внесення можуть бути нелегко застосовними в польових умовах з економічної точки зору через витрати, пов'язані з водопостачанням, транспортуванням та внесенням великих об'ємів води. Нижчі норми внесення, такі як 1,62-2 л/м2, також досягли досить хорошої поверхневої міцності до 190 кПа та TDV, що перевищує 25 м/с. У цьому дослідженні дюни, оброблені MICP на основі форміату без деградації сечовини, досягли високої поверхневої міцності, яку можна порівняти з тією, що була отримана шляхом деградації сечовини в тому ж діапазоні норм внесення (тобто зразки, оброблені MICP на основі форміату без деградації сечовини, також змогли досягти того ж діапазону значень поверхневої міцності, як повідомляли Meng et al., 13, Рисунок 13a) при вищих нормах внесення. Також видно, що при нормі внесення 2 л/м2 вихід карбонату кальцію для зменшення вітрової ерозії при швидкості вітру 25 м/с становив 2,25% для MICP на основі форміату без розкладання сечовини, що дуже близько до необхідної кількості CaCO3 (тобто 2,41%) порівняно з дюнами, обробленими контрольним MICP з розкладанням сечовини при тій самій нормі внесення та тій самій швидкості вітру (25 м/с).
Таким чином, з цієї таблиці можна зробити висновок, що як шлях деградації сечовини, так і шлях деградації без сечовини можуть забезпечити цілком прийнятні показники з точки зору поверхневого опору та TDV. Основна відмінність полягає в тому, що шлях деградації без сечовини не містить аміаку і тому має менший вплив на навколишнє середовище. Крім того, метод MICP на основі форміату без деградації сечовини, запропонований у цьому дослідженні, здається, працює краще, ніж метод MICP на основі ацетату без деградації сечовини. Хоча Мохеббі та ін. вивчали метод MICP на основі ацетату без деградації сечовини, їхнє дослідження включало зразки на плоских поверхнях9. Через вищий ступінь ерозії, спричиненої утворенням вихорів навколо зразків дюн та результуючим зсувом, що призводить до нижчої TDV, очікується, що вітрова ерозія зразків дюн буде більш очевидною, ніж ерозія плоских поверхонь з такою ж швидкістю.