Þakka þér fyrir að heimsækja nature.com. Vafraútgáfan sem þú notar hefur takmarkaðan CSS-stuðning. Til að fá sem bestu upplifun mælum við með að þú notir nýjustu útgáfuna af vafranum (eða slökkvir á samhæfingarstillingu í Internet Explorer). Til að tryggja áframhaldandi stuðning mun þessi síða ekki innihalda stíla eða JavaScript.
Rykstormar eru alvarleg ógn fyrir mörg lönd um allan heim vegna skaðlegra áhrifa þeirra á landbúnað, heilsu manna, samgöngukerfi og innviði. Þar af leiðandi er vindrof talið vera alþjóðlegt vandamál. Ein af umhverfisvænni aðferðunum til að stemma stigu við vindrof er notkun örverueyðandi karbónatútfellingar (MICP). Hins vegar eru aukaafurðir MICP sem myndast við þvagefnisniðurbrot, svo sem ammóníak, ekki tilvaldar þegar þær eru framleiddar í miklu magni. Þessi rannsókn kynnir tvær samsetningar af kalsíumformatbakteríum til niðurbrots MICP án þess að framleiða þvagefni og ber ítarlega saman frammistöðu þeirra við tvær samsetningar af kalsíumasetatbakteríum sem ekki framleiða ammóníak. Bakteríurnar sem skoðaðar eru eru Bacillus subtilis og Bacillus amyloliquefaciens. Fyrst voru bestu gildi þáttanna sem stjórna CaCO3 myndun ákvörðuð. Vindgöngprófanir voru síðan gerðar á sandöldusýnum sem meðhöndluð voru með bestu samsetningunum og vindrofsviðnám, þröskuldhraði fyrir afklæðingu og sandsprengjuviðnám mæld. Kalsíumkarbónat (CaCO3) samsætumyndun var metin með ljóssmásjá, rafeindasmásjá (SEM) og röntgengeislunargreiningu. Kalsíumformat-byggðar blöndur stóðu sig marktækt betur en asetat-byggðar blöndur hvað varðar myndun kalsíumkarbónats. Að auki framleiddi B. subtilis meira kalsíumkarbónat en B. amyloliquefaciens. SEM smásjármyndir sýndu greinilega bindingu og prentun virkra og óvirkra baktería á kalsíumkarbónat af völdum botnfalls. Allar blöndurnar drógu verulega úr vindrof.
Vindrof hefur lengi verið viðurkennt sem stórt vandamál sem þurr og hálfþurr svæði eins og suðvesturhluta Bandaríkjanna, vesturhluta Kína, Sahara-Afríku og stóran hluta Mið-Austurlanda standa frammi fyrir1. Lítil úrkoma í þurru og mjög þurru loftslagi hefur breytt stórum hlutum þessara svæða í eyðimerkur, sandöldur og óræktað land. Áframhaldandi vindrof skapar umhverfisógn fyrir innviði eins og samgöngukerfi, landbúnaðarland og iðnaðarland, sem leiðir til slæmra lífsskilyrða og mikils kostnaðar við þéttbýlisþróun á þessum svæðum2,3,4. Mikilvægt er að hafa í huga að vindrof hefur ekki aðeins áhrif á staðsetninguna þar sem það á sér stað, heldur veldur það einnig heilsufarslegum og efnahagslegum vandamálum í afskekktum samfélögum þar sem það flytur agnir með vindi til svæða langt frá upptökum5,6.
Vindrofsvörn er enn alþjóðlegt vandamál. Ýmsar aðferðir til að stöðuga jarðveg eru notaðar til að stjórna vindrof. Þessar aðferðir fela í sér efni eins og vatnsnotkun7, olíuþekju8, líffjölliður5, örverueyðandi karbónatútfellingu (MICP)9,10,11,12 og ensím-örvuð karbónatútfelling (EICP)1. Jarðvegsvæta er staðlað aðferð til að bæla niður ryk á vettvangi. Hins vegar gerir hröð uppgufun þessarar aðferðar takmarkaða virkni á þurrum og hálfþurrum svæðum1. Notkun olíuþekjuefna eykur samloðun sands og núning milli agna. Samloðunareiginleikar þeirra binda sandkorn saman; olíuþekjur valda þó einnig öðrum vandamálum; dökkur litur þeirra eykur varmaupptöku og leiðir til dauða plantna og örvera. Lykt og gufur þeirra geta valdið öndunarerfiðleikum og síðast en ekki síst er hár kostnaður þeirra önnur hindrun. Líffjölliður eru ein af nýlega tillögðum umhverfisvænum aðferðum til að draga úr vindrof; þær eru unnar úr náttúrulegum uppruna eins og plöntum, dýrum og bakteríum. Xantangúmmí, gúargúmmí, kítósan og gellangúmmí eru algengustu líffjölliðurnar í verkfræði. Hins vegar geta vatnsleysanlegar lífpólýmerar misst styrk og lekið úr jarðvegi þegar þeir verða fyrir vatni13,14. EICP hefur reynst áhrifarík rykbælingaraðferð fyrir fjölbreytt notkun, þar á meðal ómalbikaðar vegir, úrgangstjarnir og byggingarsvæði. Þó að niðurstöðurnar séu hvetjandi verður að hafa í huga nokkra hugsanlega galla, svo sem kostnað og skort á kjarnamyndunarstöðum (sem flýtir fyrir myndun og útfellingu CaCO3 kristalla15,16).
MICP var fyrst lýst seint á 19. öld af Murray og Irwin (1890) og Steinmann (1901) í rannsókn þeirra á niðurbroti þvagefnis af völdum sjávarörvera17. MICP er náttúrulegt líffræðilegt ferli sem felur í sér fjölbreytta örverustarfsemi og efnafræðilega ferla þar sem kalsíumkarbónat fellur út með efnahvörfum karbónatjóna úr örveruefnabrotsefnum við kalsíumjónir í umhverfinu18,19. MICP sem felur í sér þvagefnisniðurbrjótandi köfnunarefnishringrásina (þvagefnisniðurbrjótandi MICP) er algengasta tegund örveruframkallaðrar karbónatútfellingar, þar sem úreasi framleitt af bakteríum hvatar vatnsrof þvagefnis20,21,22,23,24,25,26,27 á eftirfarandi hátt:
Í MICP sem felur í sér kolefnishringrás lífrænna saltoxunar (MICP án þvagefnisniðurbrots) nota óeðlilegar bakteríur lífræn sölt eins og asetat, laktat, sítrat, súksínat, oxalat, malat og glýoxýlat sem orkugjafa til að framleiða karbónatsteinefni28. Í viðurvist kalsíumlaktats sem kolefnisgjafa og kalsíumjóna er efnahvörf kalsíumkarbónatmyndunar sýnd í jöfnu (5).
Í MICP ferlinu mynda bakteríufrumur kjarnamyndunarstaði sem eru sérstaklega mikilvægir fyrir útfellingu kalsíumkarbónats; yfirborð bakteríufrumunnar er neikvætt hlaðið og getur virkað sem aðsogsefni fyrir tvígildar katjónir eins og kalsíumjónir. Með því að aðsoga kalsíumjónir á bakteríufrumur, þegar styrkur karbónatjóna er nægur, hvarfast kalsíumkatjónir og karbónatjónir og kalsíumkarbónat fellur út á yfirborð bakteríunnar29,30. Ferlið má draga saman á eftirfarandi hátt31,32:
Lífmyndaða kalsíumkarbónatkristalla má skipta í þrjár gerðir: kalsít, vaterít og aragonít. Meðal þeirra eru kalsít og vaterít algengustu kalsíumkarbónat-allómorfin sem bakteríur valda33,34. Kalsít er varmafræðilega stöðugasta kalsíumkarbónat-allómorfin35. Þótt vaterít hafi verið greint frá því að vera stöðugt, umbreytist það að lokum í kalsít36,37. Vaterít er þéttastur þessara kristalla. Það er sexhyrndur kristall sem hefur betri getu til að fylla holur en aðrir kalsíumkarbónatkristallar vegna stærri stærðar sinnar38. Bæði þvagefnisbrotið og þvagefnisóbrotið MICP getur leitt til útfellingar vateríts13,39,40,41.
Þótt MICP hafi sýnt fram á efnilegan möguleika í að koma á stöðugleika í vandræðalegum jarðvegi og jarðvegi sem er viðkvæmur fyrir vindrofi42,43,44,45,46,47,48, þá er ein af aukaafurðum þvagefnisvatnsrofs ammoníak, sem getur valdið vægum til alvarlegum heilsufarsvandamálum eftir því hversu mikil útsetning er fyrir því49. Þessi aukaverkun gerir notkun þessarar tilteknu tækni umdeilda, sérstaklega þegar meðhöndla þarf stór svæði, svo sem til að bæla niður ryk. Að auki er lyktin af ammoníaki óþolandi þegar ferlið er framkvæmt með miklum skömmtum og miklu magni, sem getur haft áhrif á hagnýtingu þess. Þótt nýlegar rannsóknir hafi sýnt að hægt sé að draga úr ammoníumjónum með því að breyta þeim í aðrar vörur eins og strúvít, fjarlægja þessar aðferðir ekki ammoníumjónir að fullu50. Því er enn þörf á að kanna aðrar lausnir sem mynda ekki ammoníumjónir. Notkun niðurbrotsleiða sem ekki eru þvagefnistengdar fyrir MICP gæti veitt mögulega lausn sem hefur verið illa könnuð í samhengi við að draga úr vindrofi. Fattahi o.fl. rannsökuðu þvagefnislausa niðurbrotsferla MICP með því að nota kalsíumasetat og Bacillus megaterium41, en Mohebbi o.fl. notuðu kalsíumasetat og Bacillus amyloliquefaciens9. Hins vegar var rannsókn þeirra ekki borin saman við aðrar kalsíumgjafa og ófrumbakteríur sem gætu að lokum bætt viðnám gegn vindrofi. Einnig vantar heimildir sem bera saman þvagefnislausar niðurbrotsferla við þvagefnisniðurbrotsferla í því að draga úr vindrofi.
Að auki hafa flestar rannsóknir á vindrof og rykeyðingu verið gerðar á jarðvegssýnum með sléttu yfirborði.1,51,52,53 Hins vegar eru slétt yfirborð sjaldgæfari í náttúrunni en hæðir og lægðir. Þess vegna eru sandöldur algengasta landslagsþátturinn í eyðimörkum.
Til að vinna bug á ofangreindum göllum miðaði þessi rannsókn að því að kynna nýjar gerðir af bakteríuefnum sem ekki framleiða ammóníak. Í þessu skyni skoðuðum við MICP-ferla sem ekki brjóta niður þvagefni. Skilvirkni tveggja kalsíumgjafa (kalsíumformats og kalsíumasetats) var rannsökuð. Að því er höfundar best vita hefur karbónatútfelling með því að nota tvær samsetningar kalsíumgjafa og baktería (þ.e. kalsíumformats-Bacillus subtilis og kalsíumformats-Bacillus amyloliquefaciens) ekki verið rannsökuð í fyrri rannsóknum. Val þessara baktería var byggt á ensímunum sem þær framleiða sem hvata oxun kalsíumformats og kalsíumasetats til að mynda örverukarbónatútfellingu. Við hönnuðum ítarlega tilraunarannsókn til að finna bestu þætti eins og sýrustig, gerðir baktería og kalsíumgjafa og styrk þeirra, hlutfall baktería á móti kalsíumuppsprettulausn og herðingartíma. Að lokum var virkni þessa safns bakteríuefna við að bæla vindrof með útfellingu kalsíumkarbónats rannsökuð með því að framkvæma röð vindgönguprófana á sandöldum til að ákvarða umfang vindrofs, þröskuldbrotshraða og vindárásarþol sandsins, og einnig voru framkvæmdar mælingar með gegnumbrotsmæli og örbyggingarrannsóknir (t.d. röntgengeislunargreining (XRD) og skannandi rafeindasmásjá (SEM)).
Framleiðsla á kalsíumkarbónati krefst kalsíumjóna og karbónatjóna. Kalsíumjónir er hægt að fá úr ýmsum kalsíumgjöfum eins og kalsíumklóríði, kalsíumhýdroxíði og undanrennudufti54,55. Karbónatjónir er hægt að framleiða með ýmsum örverufræðilegum aðferðum eins og þvagefnisvatnsrofi og loftháðri eða loftfirrtri oxun lífræns efnis56. Í þessari rannsókn voru karbónatjónir fengnar úr oxunarviðbrögðum formats og asetats. Að auki notuðum við kalsíumsölt af formati og asetati til að framleiða hreint kalsíumkarbónat, þannig að aðeins CO2 og H2O fengust sem aukaafurðir. Í þessu ferli þjónar aðeins eitt efni sem kalsíumgjafi og karbónatgjafi, og ekkert ammóníak myndast. Þessir eiginleikar gera aðferðina við kalsíumgjafa og karbónatframleiðslu sem við töldum mjög efnilega.
Samsvarandi efnahvörf kalsíumformats og kalsíumasetats til að mynda kalsíumkarbónat eru sýnd í formúlum (7)-(14). Formúlur (7)-(11) sýna að kalsíumformat leysist upp í vatni og myndar maurasýru eða format. Lausnin er því uppspretta frjálsra kalsíum- og hýdroxíðjóna (formúlur 8 og 9). Við oxun maurasýru breytast kolefnisatómin í maurasýru í koltvísýring (formúla 10). Að lokum myndast kalsíumkarbónat (formúlur 11 og 12).
Á sama hátt myndast kalsíumkarbónat úr kalsíumasetati (jöfnur 13–15), nema hvað ediksýra eða asetat myndast í stað maurasýru.
Án ensíma er ekki hægt að oxa asetat og format við stofuhita. FDH (format dehýdrógenasi) og CoA (kóensím A) hvata oxun formats og asetats til að mynda koltvísýring, talið í sömu röð (jöfnur 16, 17) 57, 58, 59. Ýmsar bakteríur eru færar um að framleiða þessi ensím og í þessari rannsókn voru notaðar ófrumbakteríur, þ.e. Bacillus subtilis (PTCC #1204 (Persian Type Culture Collection), einnig þekkt sem NCIMB #13061 (International Collection of Bacteria, Yeast, Phage, Plasmids, Plant Seeds and Plant Cell Tissue Cultures)) og Bacillus amyloliquefaciens (PTCC #1732, NCIMB #12077). Þessar bakteríur voru ræktaðar í ræktunarmiðli sem innihélt kjötpeptón (5 g/L) og kjötþykkni (3 g/L), kallað næringarseyði (NBR) (105443 Merck).
Þannig voru fjórar blöndur útbúnar til að örva útfellingu kalsíumkarbónats með því að nota tvær kalsíumgjafa og tvær bakteríur: kalsíumformat og Bacillus subtilis (FS), kalsíumformat og Bacillus amyloliquefaciens (FA), kalsíumasetat og Bacillus subtilis (AS), og kalsíumasetat og Bacillus amyloliquefaciens (AA).
Í fyrsta hluta tilraunahönnunarinnar voru gerðar prófanir til að ákvarða bestu samsetninguna sem myndi ná hámarksframleiðslu kalsíumkarbónats. Þar sem jarðvegssýnin innihéldu kalsíumkarbónat var sett af formatsprófum hönnuð til að mæla nákvæmlega CaCO3 sem framleitt var með mismunandi samsetningum, og blöndur af ræktunarmiðli og kalsíumgjafalausnum voru metnar. Fyrir hverja samsetningu kalsíumgjafa og bakteríulausnar sem skilgreind er hér að ofan (FS, FA, AS og AA) voru bestunarþættir (styrkur kalsíumgjafa, herðingartími, styrkur bakteríulausnar mældur með ljósþéttleika lausnarinnar (OD), hlutfall kalsíumgjafa og bakteríulausnar og pH) reiknaðir og notaðir í vindgönguprófunum á sandöldum sem lýst er í eftirfarandi köflum.
Fyrir hverja samsetningu voru gerðar 150 tilraunir til að rannsaka áhrif CaCO3 úrkomu og meta ýmsa þætti, þ.e. styrk kalsíumgjafa, herðingartíma, OD gildi baktería, hlutfall kalsíumgjafa og bakteríulausnar og pH við loftháða oxun lífræns efnis (Tafla 1). pH bilið fyrir bestuðu ferlið var valið út frá vaxtarkúrfum Bacillus subtilis og Bacillus amyloliquefaciens til að fá hraðari vöxt. Þetta er útskýrt nánar í niðurstöðukaflanum.
Eftirfarandi skref voru notuð til að undirbúa sýnin fyrir hagræðingarstigið. MICP lausnin var fyrst útbúin með því að stilla upphaflegt pH ræktunarmiðilsins og síðan svæfð í sjálfsofnun við 121°C í 15 mínútur. Stofninn var síðan sáð í laminar loftflæði og haldið í hristingarræktunarofni við 30°C og 180 snúninga á mínútu. Þegar OD bakteríunnar hafði náð æskilegu gildi var hún blandað saman við kalsíumuppsprettulausnina í æskilegu hlutfalli (Mynd 1a). MICP lausninni var leyft að hvarfast og storkna í hristingarræktunarofni við 220 snúninga á mínútu og 30°C í þann tíma að markmiðsgildið náðist. Útfellda CaCO3 var aðskilið eftir skilvindu við 6000 g í 5 mínútur og síðan þurrkað við 40°C til að undirbúa sýnin fyrir kalsíummæliprófið (Mynd 1b). Úrkoma CaCO3 var síðan mæld með Bernard kalsímetramæli, þar sem CaCO3 duft hvarfast við 1,0 N HCl (ASTM-D4373-02) til að framleiða CO2, og rúmmál þessa gass er mælikvarði á CaCO3 innihaldið (Mynd 1c). Til að umbreyta rúmmáli CO2 í CaCO3 innihald var kvörðunarkúrfa búin til með því að þvo hreint CaCO3 duft með 1 N HCl og teikna það á móti mynduðu CO2. Lögun og hreinleiki útfellda CaCO3 duftsins voru rannsökuð með rafeindasmásjá og XRD greiningu. Sjónsmásjá með 1000 stækkun var notuð til að rannsaka myndun kalsíumkarbónats í kringum bakteríurnar, fasa myndaðs kalsíumkarbónats og virkni bakteríanna.
Dejegh-dalurinn er vel þekkt svæði með mikla rof í suðvesturhluta Fars-héraðs í Íran og söfnuðu vísindamennirnir jarðvegssýnum af svæðinu sem höfðu rofist vegna vinds. Sýnin voru tekin af jarðvegsyfirborðinu fyrir rannsóknina. Vísbendingar á jarðvegssýnunum sýndu að jarðvegurinn var illa flokkaður sandur jarðvegur með leir og var flokkaður sem SP-SM samkvæmt sameinaða jarðvegsflokkunarkerfinu (USC) (Mynd 2a). XRD-greining sýndi að Dejegh-jarðvegurinn var aðallega úr kalsíti og kvarsi (Mynd 2b). Að auki sýndi EDX-greining að önnur frumefni eins og Al, K og Fe voru einnig til staðar í minni hlutföllum.
Til að undirbúa sandöldurnar í rannsóknarstofunni fyrir vindrofsprófanir var jarðvegurinn mulinn úr 170 mm hæð í gegnum trekt með 10 mm þvermál niður á fast yfirborð, sem leiddi til dæmigerðrar sandöldu sem var 60 mm á hæð og 210 mm í þvermál. Í náttúrunni myndast sandöldur með lægsta eðlisþyngd með jökulsferlum. Á sama hátt hafði sýnið sem útbúið var með ofangreindri aðferð lægsta hlutfallslega eðlisþyngdina, γ = 14,14 kN/m³, sem myndaði sandkeilu sem lagðist á lárétt yfirborð með hvíldarhorni upp á um það bil 29,7°.
Besta MICP lausnin sem fékkst í fyrri hlutanum var úðað á sandölduhlíðina í skömmtum upp á 1, 2 og 3 lm-2 og síðan voru sýnin geymd í ræktunarofni við 30°C (Mynd 3) í 9 daga (þ.e. besti herðingartími) og síðan tekin út til vindgönguprófana.
Fyrir hverja meðferð voru fjögur sýni útbúin, eitt til að mæla kalsíumkarbónatinnihald og yfirborðsstyrk með því að nota skarpskyggnismæli, og hin þrjú sýnin voru notuð í rofprófanir við þrjá mismunandi hraða. Í vindgönguprófunum var magn rofsins ákvarðað við mismunandi vindhraða og síðan var þröskuldsbrothraði fyrir hvert meðferðarpróf ákvarðaður með því að nota graf af magni rofsins á móti vindhraða. Auk vindrofprófanna voru meðhöndluðu sýnin látin sandsprengja (þ.e. stökktilraunir). Tvö viðbótar sýni voru útbúin í þessu skyni með notkunarskömmtum upp á 2 og 3 L m−2. Sandsprengjuprófið stóð yfir í 15 mínútur með flæði upp á 120 gm−1, sem er innan þeirra gilda sem valin voru í fyrri rannsóknum60,61,62. Lárétt fjarlægð milli slípiefnisstútsins og botns sandgöngunnar var 800 mm, staðsett 100 mm fyrir ofan botn jarðganganna. Þessi staðsetning var stillt þannig að næstum allar stökkandi sandagnirnar féllu á sandgönguna.
Vindgönguprófunin var framkvæmd í opnum vindgöngum sem voru 8 m langir, 0,4 m breiðir og 1 m á hæð (Mynd 4a). Vindgöngurnar eru úr galvaniseruðum stálplötum og geta myndað vindhraða allt að 25 m/s. Að auki er tíðnibreytir notaður til að stilla viftutíðnina og auka tíðnina smám saman til að ná fram markvindhraða. Mynd 4b sýnir skýringarmynd af sandöldunum sem rofnuðu af vindi og vindhraðaprófílinn sem mældur var í vindgöngunum.
Að lokum, til að bera saman niðurstöður úr þvagefnislausri MICP-blöndu sem lögð er til í þessari rannsókn við niðurstöður úr þvagefnislausri MICP-viðmiðunarprófun, voru sandöldusýni einnig útbúin og meðhöndluð með líffræðilegri lausn sem innihélt þvagefni, kalsíumklóríð og Sporosarcina pasteurii (þar sem Sporosarcina pasteurii hefur verulega getu til að framleiða úreasa63). Ljósþéttleiki bakteríulausnarinnar var 1,5 og styrkur þvagefnis og kalsíumklóríðs var 1 M (valið út frá ráðlögðum gildum í fyrri rannsóknum36,64,65). Ræktunarmiðillinn samanstóð af næringarseyði (8 g/L) og þvagefni (20 g/L). Bakteríulausnin var úðuð á yfirborð sandöldunnar og látin standa í 24 klukkustundir til að bakteríurnar festust. Eftir 24 klukkustunda festingu var sementslausn (kalsíumklóríð og þvagefni) úðuð. Úrealískt MICP-viðmiðunarpróf er hér eftir nefnt UMC. Kalsíumkarbónatinnihald jarðvegssýna, sem höfðu verið þvagefnisfræðilega meðhöndlaðar og ekki, var mælt með þvotti samkvæmt aðferð sem Choi o.fl. lögðu til66.
Mynd 5 sýnir vaxtarferla Bacillus amyloliquefaciens og Bacillus subtilis í ræktunarmiðli (næringarlausn) með upphafs-pH-bili á bilinu 5 til 10. Eins og sést á myndinni uxu Bacillus amyloliquefaciens og Bacillus subtilis hraðar við pH 6-8 og 7-9, talið í sömu röð. Þess vegna var þetta pH-bil notað í bestunarferlinu.
Vaxtarferlar (a) Bacillus amyloliquefaciens og (b) Bacillus subtilis við mismunandi upphafs-pH gildi næringarmiðilsins.
Mynd 6 sýnir magn koltvísýrings sem framleitt er í Bernard kalkmælinum, sem táknar útfellt kalsíumkarbónat (CaCO3). Þar sem einn þáttur var fastur í hverri samsetningu og hinir þættirnir voru breytilegir, samsvarar hver punktur á þessum gröfum hámarksrúmmáli koltvísýrings í þeirri tilraunasettu. Eins og sést á myndinni, jókst framleiðsla kalsíumkarbónats eftir því sem styrkur kalsíumgjafans jókst. Þess vegna hefur styrkur kalsíumgjafans bein áhrif á framleiðslu kalsíumkarbónats. Þar sem kalsíumgjafinn og kolefnisgjafinn eru þeir sömu (þ.e. kalsíumformat og kalsíumasetat), því fleiri kalsíumjónir sem losna, því meira kalsíumkarbónat myndast (mynd 6a). Í AS og AA samsetningunum hélt framleiðsla kalsíumkarbónats áfram að aukast með auknum herðingartíma þar til magn útfellingarinnar var næstum óbreytt eftir 9 daga. Í FA samsetningunni minnkaði myndunarhraði kalsíumkarbónats þegar herðingartíminn fór yfir 6 daga. Í samanburði við aðrar samsetningar sýndi FS samsetningin tiltölulega lágan myndunarhraða kalsíumkarbónats eftir 3 daga (mynd 6b). Í efnasamsetningunum FA og FS náðist 70% og 87% af heildarframleiðslu kalsíumkarbónats eftir þrjá daga, en í efnasamsetningunum AA og AS var þetta hlutfall aðeins um 46% og 45%, talið í sömu röð. Þetta bendir til þess að maurasýruefnasamsetningin hafi hærri CaCO3 myndunarhraða á upphafsstigi samanborið við asetatefnasamsetninguna. Hins vegar hægist á myndunarhraðinn með auknum herðingartíma. Af mynd 6c má álykta að jafnvel við bakteríuþéttni yfir OD1 er enginn marktækur þáttur í myndun kalsíumkarbónats.
Breyting á CO2 rúmmáli (og samsvarandi CaCO3 innihaldi) mæld með Bernard kalsíummæli sem fall af (a) styrk kalsíumgjafa, (b) harðnunartíma, (c) OD, (d) upphafs pH, (e) hlutfalli kalsíumgjafa og bakteríulausnar (fyrir hverja blöndu); og (f) hámarksmagn kalsíumkarbónats sem framleitt er fyrir hverja samsetningu kalsíumgjafa og baktería.
Varðandi áhrif upphafs-pH ræktunarvökvans, sýnir mynd 6d að fyrir FA og FS náði CaCO3 framleiðslan hámarksgildi við pH 7. Þessi athugun er í samræmi við fyrri rannsóknir sem sýna að FDH ensím eru stöðugust við pH 7-6,7. Hins vegar, fyrir AA og AS, jókst CaCO3 úrkoman þegar pH fór yfir 7. Fyrri rannsóknir sýndu einnig að kjörpH bilið fyrir virkni CoA ensíma er frá 8 til 9,2-6,8. Þar sem kjörpH bilin fyrir virkni CoA ensíma og vöxt B. amyloliquefaciens eru (8-9,2) og (6-8), talið í sömu röð (mynd 5a), er búist við að kjörpH AA samsetningarinnar sé 8, og að pH bilin tvö skarast. Þessi staðreynd var staðfest með tilraunum, eins og sýnt er á mynd 6d. Þar sem kjörpýramídan (pH) fyrir vöxt B. subtilis er 7-9 (mynd 5b) og kjörpýramídan fyrir virkni CoA ensíma er 8-9,2, er búist við að hámarks CaCO3 úrkomuframleiðsla sé á bilinu 8-9, sem staðfest er á mynd 6d (þ.e. kjörpýramídan fyrir úrkomu er 9). Niðurstöðurnar sem sýndar eru á mynd 6e benda til þess að kjörhlutfall kalsíumuppsprettulausnar og bakteríulausnar sé 1 fyrir bæði asetat- og formatlausnir. Til samanburðar var frammistaða mismunandi formúla (þ.e. AA, AS, FA og FS) metin út frá hámarks CaCO3 framleiðslu við mismunandi aðstæður (þ.e. styrk kalsíumuppsprettu, herðingartími, OD, hlutfall kalsíumuppsprettu og bakteríulausnar og upphafs-pH). Meðal þeirra formúla sem rannsakaðar voru hafði formúla FS hæstu CaCO3 framleiðsluna, sem var um það bil þrisvar sinnum meiri en formúla AA (mynd 6f). Fjórar bakteríulausar samanburðartilraunir voru gerðar fyrir báðar kalsíumuppsprettur og engin CaCO3 úrkoma sást eftir 30 daga.
Myndir af öllum samsetningunum, gerðar með ljósasmásjá, sýndu að vaterít var aðalfasinn þar sem kalsíumkarbónat myndaðist (mynd 7). Vaterítkristallarnir voru kúlulaga69,70,71. Kom í ljós að kalsíumkarbónat féll út á bakteríufrumurnar vegna þess að yfirborð bakteríufrumnanna var neikvætt hlaðið og gat virkað sem aðsogsefni fyrir tvígildar katjónir. Ef við tökum samsetningu FS sem dæmi í þessari rannsókn, fór kalsíumkarbónat að myndast á sumum bakteríufrumum eftir 24 klukkustundir (mynd 7a) og eftir 48 klukkustundir jókst fjöldi bakteríufrumna húðaðra með kalsíumkarbónati verulega. Að auki, eins og sést á mynd 7b, var einnig hægt að greina vaterít agnir. Að lokum, eftir 72 klukkustundir, virtist fjöldi baktería vera bundinn af vaterítkristöllunum og fjöldi vaterít agna jókst verulega (mynd 7c).
Athuganir á CaCO3 útfellingu í FS blöndum með ljósleiðara smásjárskoðun yfir tíma: (a) 24, (b) 48 og (c) 72 klst.
Til að rannsaka frekar formgerð útfellda fasans voru röntgengeislunargreiningar (XRD) og rafeindasmásjárgreiningar (SEM) framkvæmdar á duftinu. XRD litróf (mynd 8a) og rafeindasmásjármyndir (mynd 8b, c) staðfestu nærveru vaterítkristalla, þar sem þeir voru salatlaga og samsvarandi áhrif sáust á milli vateríttoppanna og útfellingstoppanna.
(a) Samanburður á röntgengeislunarrófum myndaðs CaCO3 og vateríts. SEM smásjármyndir af vateríti við (b) 1 kHz og (c) 5,27 kHz stækkun, talið í sömu röð.
Niðurstöður vindgönguprófana eru sýndar á mynd 9a og b. Af mynd 9a má sjá að þröskuldsrofshraði (TDV) ómeðhöndlaðs sands er um 4,32 m/s. Við útdráttarhraða 1 l/m² (mynd 9a) eru hallatölur jarðvegstapslínanna fyrir brot FA, FS, AA og UMC nokkurn veginn þær sömu og fyrir ómeðhöndlaða sandölduna. Þetta bendir til þess að meðhöndlun við þennan útdráttarhraða sé árangurslaus og um leið og vindhraðinn fer yfir TDV hverfur þunna jarðvegsskorpan og rofshraði sandöldunnar er sá sami og fyrir ómeðhöndlaða sandölduna. Rofhalli brots AS er einnig lægri en hjá öðrum brotum með lægri abscissum (þ.e. TDV) (mynd 9a). Örvarnar á mynd 9b gefa til kynna að við hámarksvindhraða 25 m/s varð ekkert rof í meðhöndluðu sandöldunum við útdráttarhraða 2 og 3 l/m². Með öðrum orðum, fyrir FS, FA, AS og UMC, voru sandöldurnar ónæmari fyrir vindrofi af völdum CaCO³ útfellingar við dreifingarhraða 2 og 3 l/m² en við hámarksvindhraða (þ.e. 25 m/s). Þannig er TDV gildið 25 m/s sem fékkst í þessum prófunum neðri mörk dreifingarhraðans sem sýndur er á mynd 9b, nema í tilviki AA, þar sem TDV er næstum jafnt hámarksvindgönguhraða.
Vindrofsprófun (a) Þyngdartap miðað við vindhraða (notkunarmagn 1 l/m2), (b) Þröskuldhraði við rifjun miðað við notkunarmagn og formúlu (CA fyrir kalsíumasetat, CF fyrir kalsíumformat).
Mynd 10 sýnir yfirborðsrof sandöldna sem meðhöndlaðar voru með mismunandi samsetningum og notkunarskömmtum eftir sandsprengjuprófið og megindlegar niðurstöður eru sýndar á mynd 11. Ómeðhöndlaða sýnið er ekki sýnt þar sem það sýndi enga mótstöðu og rofnaði alveg (heildarmassatap) við sandsprengjuprófið. Það er ljóst á mynd 11 að sýnið sem meðhöndlað var með lífefnablöndu AA missti 83,5% af þyngd sinni við notkunarskömmtunina 2 l/m2 en öll önnur sýni sýndu minna en 30% rof við sandsprengjuferlið. Þegar notkunarskömmtunin var aukin í 3 l/m2 misstu öll meðhöndluð sýni minna en 25% af þyngd sinni. Við báðar notkunarskömmtanir sýndi FS-efnasambandið besta mótstöðu gegn sandsprengju. Hámarks- og lágmarkssprengjumótstöðu í FS- og AA-meðhöndluðum sýnum má rekja til hámarks- og lágmarks CaCO3 úrkomu þeirra (Mynd 6f).
Niðurstöður sprengjuárása á sandöldur af mismunandi samsetningu við rennslishraða 2 og 3 l/m2 (örvar gefa til kynna vindátt, krossar gefa til kynna vindátt hornrétt á plan teikningarinnar).
Eins og sést á mynd 12 jókst kalsíumkarbónatinnihald allra formúlnanna þegar notkunarmagnið jókst úr 1 L/m² í 3 L/m². Þar að auki var formúlan með hæsta kalsíumkarbónatinnihaldið FS, þar á eftir FA og UMC. Þetta bendir til þess að þessar formúlur gætu haft meiri yfirborðsþol.
Mynd 13a sýnir breytingu á yfirborðsviðnámi ómeðhöndlaðra, samanburðar- og meðhöndluðra jarðvegssýna mæld með gegndræpismæli. Af þessari mynd er ljóst að yfirborðsviðnám UMC, AS, FA og FS samsetninga jókst verulega með aukinni notkunarhraða. Hins vegar var aukningin á yfirborðsstyrk tiltölulega lítil í AA samsetningunni. Eins og sést á myndinni hafa FA og FS samsetningar af MICP sem ekki er niðurbrotið með þvagefnisuppruna betri yfirborðsgegndræpi samanborið við MICP sem er niðurbrotið með þvagefnisuppruna. Mynd 13b sýnir breytingu á TDV með yfirborðsviðnámi jarðvegs. Af þessari mynd er ljóst að fyrir sandöldur með yfirborðsviðnám sem er meira en 100 kPa mun þröskuldsstrimlhraði fara yfir 25 m/s. Þar sem yfirborðsviðnám á staðnum er auðveldlega hægt að mæla með gegndræpismæli getur þessi þekking hjálpað til við að meta TDV án vindgönguprófana og þannig þjónað sem gæðaeftirlitsvísir fyrir vettvangsnotkun.
Niðurstöður rafeindasmásjármyndanna eru sýndar á mynd 14. Myndir 14a-b sýna stækkaðar agnir ómeðhöndlaðs jarðvegssýnis, sem gefur greinilega til kynna að það er samloðandi og hefur engin náttúruleg tengsl eða sementering. Mynd 14c sýnir rafeindasmásjármynd af samanburðarsýninu sem meðhöndlað var með þvagefnisbrotnu MICP. Þessi mynd sýnir CaCO3 útfellingar sem kalsít fjölbreytileika. Eins og sést á myndum 14d-o bindur útfellda CaCO3 agnirnar saman; kúlulaga vaterítkristalla má einnig greina á rafeindasmásjármyndunum. Niðurstöður þessarar rannsóknar og fyrri rannsókna benda til þess að CaCO3 tengin sem myndast sem vaterít fjölbreytileikar geti einnig veitt hæfilegan vélrænan styrk; niðurstöður okkar sýna að yfirborðsviðnámið eykst í 350 kPa og þröskulds aðskilnaðarhraðinn eykst úr 4,32 í meira en 25 m/s. Þessi niðurstaða er í samræmi við niðurstöður fyrri rannsókna sem sýna að grunnefnið úr MICP-útfelldu CaCO3 er vaterít, sem hefur sanngjarnan vélrænan styrk og vindrofsþol13,40 og getur viðhaldið sanngjörnu vindrofsþoli jafnvel eftir 180 daga útsetningu fyrir umhverfisaðstæðum á vettvangi13.
(a, b) SEM smásjármyndir af ómeðhöndluðum jarðvegi, (c) MICP niðurbrotsstýring þvagefnis, (df) AA-meðhöndluð sýni, (gi) AS-meðhöndluð sýni, (jl) FA-meðhöndluð sýni og (mo) FS-meðhöndluð sýni með dreifingarhraða upp á 3 L/m2 við mismunandi stækkun.
Mynd 14d-f sýnir að eftir meðhöndlun með AA-samböndum féll kalsíumkarbónat út á yfirborðinu og á milli sandkornanna, en einnig sáust nokkur óhúðuð sandkorn. Fyrir AS-efnisþætti, þó að magn CaCO3 sem myndaðist jókst ekki marktækt (mynd 6f), þá jókst magn snertingar milli sandkorna af völdum CaCO3 marktækt samanborið við AA-sambönd (mynd 14g-i).
Af myndum 14j-l og 14m-o er ljóst að notkun kalsíumformats sem kalsíumgjafa leiðir til frekari aukningar á CaCO3 úrkomu samanborið við AS efnasambandið, sem er í samræmi við mælingar kalsíummælisins á mynd 6f. Þetta viðbótar CaCO3 virðist aðallega setjast á sandkornin og bætir ekki endilega snertigæðin. Þetta staðfestir fyrri hegðun: þrátt fyrir muninn á magni CaCO3 úrkomu (mynd 6f), eru þrjár samsetningarnar (AS, FA og FS) ekki marktækt frábrugðnar hvað varðar vindþol (mynd 11) og yfirborðsþol (mynd 13a).
Til að sjá betur CaCO3-húðaðar bakteríufrumur og bakteríumerki á útfelldu kristöllunum voru teknar SEM-smásjármyndir með mikilli stækkun og niðurstöðurnar eru sýndar á mynd 15. Eins og sést fellur kalsíumkarbónat út á bakteríufrumurnar og myndar kjarna sem þarf til útfellingarinnar þar. Myndin sýnir einnig virka og óvirka tengingu sem CaCO3 veldur. Hægt er að álykta að aukning á óvirkum tengingum leiðir ekki endilega til frekari umbóta á vélrænni hegðun. Þess vegna leiðir aukin CaCO3-útfelling ekki endilega til meiri vélræns styrks og útfellingarmynstrið gegnir mikilvægu hlutverki. Þetta atriði hefur einnig verið rannsakað í verkum Terzis og Laloui72 og Soghi og Al-Kabani45,73. Til að kanna frekar tengslin milli útfellingarmynsturs og vélræns styrks eru MICP rannsóknir með µCT myndgreiningu ráðlagðar, sem er utan umfangs þessarar rannsóknar (þ.e. að kynna mismunandi samsetningar af kalsíumgjöfum og bakteríum fyrir ammoníaklaust MICP).
CaCO3 framkallaði virka og óvirka tengja í sýnum sem meðhöndluð voru með (a) AS samsetningu og (b) FS samsetningu og skildi eftir spor bakteríufrumna á botnfallinu.
Eins og sést á myndum 14j-o og 15b er til staðar CaCO filma (samkvæmt EDX greiningu er prósentusamsetning hvers frumefnis í filmunni kolefni 11%, súrefni 46,62% og kalsíum 42,39%, sem er mjög nálægt prósentu CaCO á mynd 16). Þessi filma hylur vaterítkristalla og jarðvegsagnir og hjálpar til við að viðhalda heilindum jarðvegs-setlagskerfisins. Þessi filma sást aðeins í sýnum sem meðhöndluð voru með formatblöndunni.
Tafla 2 ber saman yfirborðsstyrk, þröskulds losunarhraða og lífvirkt CaCO3 innihald jarðvegs sem meðhöndlaður var með þvagefnisbrjótandi og ekki-þvagefnisbrjótandi MICP ferlum í fyrri rannsóknum og þessari rannsókn. Rannsóknir á vindrofsþoli MICP-meðhöndlaðra sandöldusýna eru takmarkaðar. Meng o.fl. rannsökuðu vindrofsþol MICP-meðhöndlaðra þvagefnisbrjótandi sandöldusýna með því að nota laufblásara,13 en í þessari rannsókn voru ekki-þvagefnisbrjótandi sandöldusýni (auk þvagefnisbrjótandi samanburðarsýna) prófuð í vindgöngum og meðhöndluð með fjórum mismunandi samsetningum af bakteríum og efnum.
Eins og sjá má hafa sumar fyrri rannsóknir skoðað hátt notkunarmagn yfir 4 L/m²13,41,74. Það er vert að taka fram að hátt notkunarmagn er hugsanlega ekki auðvelt að beita á vettvangi frá efnahagslegu sjónarmiði vegna kostnaðar sem tengist vatnsveitu, flutningi og notkun mikils vatnsmagns. Lægri notkunarmagn eins og 1,62-2 L/m² náði einnig nokkuð góðum yfirborðsstyrk allt að 190 kPa og TDV yfir 25 m/s. Í þessari rannsókn náðu sandöldur sem meðhöndlaðar voru með format-byggðu MICP án þvagefnisniðurbrots miklum yfirborðsstyrk sem var sambærilegur við þann sem fékkst með þvagefnisniðurbrotsferlinu við sama úrval notkunarmagns (þ.e. sýni sem meðhöndluð voru með format-byggðu MICP án þvagefnisniðurbrots náðu einnig sama úrvali yfirborðsstyrksgilda og Meng o.fl. greindu frá, 13, mynd 13a) við hærra notkunarmagn. Einnig má sjá að við útdráttarhraðann 2 L/m2 var uppskeran af kalsíumkarbónati til að draga úr vindrof við vindhraða 25 m/s 2,25% fyrir format-byggða MICP án þvagefnisniðurbrots, sem er mjög nálægt nauðsynlegu magni af CaCO3 (þ.e. 2,41%) samanborið við sandöldur sem meðhöndlaðar voru með samanburðar-MICP með þvagefnisniðurbroti við sama útdráttarhraða og sama vindhraða (25 m/s).
Því má álykta út frá þessari töflu að bæði þvagefnisniðurbrotsferlið og þvagefnislausa niðurbrotsferlið geti veitt nokkuð ásættanlega frammistöðu hvað varðar yfirborðsþol og TDV. Helsti munurinn er sá að þvagefnislausa niðurbrotsferlið inniheldur ekki ammóníak og hefur því minni umhverfisáhrif. Þar að auki virðist format-byggða MICP-aðferðin án þvagefnisniðurbrots sem lögð er til í þessari rannsókn gefa betri raun en asetat-byggða MICP-aðferðin án þvagefnisniðurbrots. Þó að Mohebbi o.fl. hafi rannsakað asetat-byggða MICP-aðferðina án þvagefnisniðurbrots, þá náði rannsókn þeirra til sýna á sléttum fleti9. Vegna meiri rofs af völdum hvirfilmyndunar í kringum sandöldusýnin og afleiddrar skeringar, sem leiðir til lægri TDV, er búist við að vindrof sandöldusýnanna sé augljósara en á sléttum fleti við sama hraða.