Köszönjük, hogy felkereste a nature.com weboldalt. Az Ön által használt böngészőverzió korlátozott CSS-támogatással rendelkezik. A legjobb élmény érdekében javasoljuk, hogy a legújabb böngészőverziót használja (vagy kapcsolja ki a kompatibilitási módot az Internet Explorerben). Ezenkívül a folyamatos támogatás biztosítása érdekében ez az oldal nem tartalmaz stílusokat vagy JavaScriptet.
A porviharok komoly veszélyt jelentenek a világ számos országára a mezőgazdaságra, az emberi egészségre, a közlekedési hálózatokra és az infrastruktúrára gyakorolt ​​romboló hatásuk miatt. Ennek eredményeként a szélerózió globális problémának számít. A szélerózió megfékezésére szolgáló egyik környezetbarát megközelítés a mikrobiális indukált karbonátos kicsapódás (MICP) alkalmazása. A karbamid lebontásán alapuló MICP melléktermékei, például az ammónia, azonban nagy mennyiségben előállítva nem ideálisak. Ez a tanulmány két kalcium-formiát baktériumkészítményt mutat be a MICP karbamidtermelés nélküli lebontására, és átfogóan összehasonlítja teljesítményüket két, nem ammóniát termelő kalcium-acetát baktériumkészítményével. A vizsgált baktériumok a Bacillus subtilis és a Bacillus amyloliquefaciens. Először meghatározták a CaCO3 képződését szabályozó tényezők optimalizált értékeit. Ezután szélcsatorna-teszteket végeztek az optimalizált készítményekkel kezelt homokdűne mintákon, és megmérték a szélerózióval szembeni ellenállást, a leválasztási küszöbsebességet és a homokbombázási ellenállást. A kalcium-karbonát (CaCO3) allomorfokat optikai mikroszkópiával, pásztázó elektronmikroszkópiával (SEM) és röntgendiffrakciós analízissel értékelték. A kalcium-formiát alapú készítmények szignifikánsan jobban teljesítettek az acetát alapúakhoz képest a kalcium-karbonát képződése tekintetében. Ezenkívül a B. subtilis több kalcium-karbonátot termelt, mint a B. amyloliquefaciens. A pásztázó elektronmikroszkópos felvételek egyértelműen kimutatták az aktív és inaktív baktériumok kötődését és lenyomatát a kalcium-karbonáton, amelyet üledékképződés okoz. Minden készítmény jelentősen csökkentette a szél okozta eróziót.
A széleróziót régóta az arid és félszáraz régiók, például az Egyesült Államok délnyugati része, Nyugat-Kína, a szaharai Afrika és a Közel-Kelet nagy része1 egyik fő problémájaként tartják számon. A száraz és hiperszáraz éghajlaton tapasztalható alacsony csapadékmennyiség e régiók nagy részét sivataggá, homokdűnékké és megműveletlen földterületekké alakította. A folyamatos szélerózió környezeti veszélyeket jelent az olyan infrastruktúrára, mint a közlekedési hálózatok, a mezőgazdasági területek és az ipari területek, ami rossz életkörülményekhez és a városfejlesztés magas költségeihez vezet ezekben a régiókban2,3,4. Fontos megjegyezni, hogy a szélerózió nemcsak azt a helyet érinti, ahol előfordul, hanem egészségügyi és gazdasági problémákat is okoz a távoli közösségekben, mivel a szél a részecskéket a forrástól távoli területekre szállítja5,6.
A szélerózió elleni védekezés továbbra is globális probléma. A talajstabilizáció különféle módszereit alkalmazzák a szélerózió megfékezésére. Ezek a módszerek olyan anyagokat foglalnak magukban, mint az öntözés7, az olajtakarás8, a biopolimerek5, a mikrobiális indukált karbonátos kicsapás (MICP)9,10,11,12 és az enzimindukált karbonátos kicsapás (EICP)1. A talaj nedvesítése a pormentesítés standard módszere a terepen. Gyors párolgása azonban korlátozott hatékonyságot eredményez száraz és félszáraz területeken1. Az olajtakaró vegyületek alkalmazása növeli a homok kohézióját és a részecskék közötti súrlódást. Kohéziós tulajdonságuk összeköti a homokszemeket; az olajtakarások azonban más problémákat is felvetnek; sötét színük növeli a hőelnyelést, és a növények és mikroorganizmusok pusztulásához vezet. Szaguk és gőzeik légzési problémákat okozhatnak, és ami a legfontosabb, magas költségük egy másik akadály. A biopolimerek a szélerózió enyhítésére irányuló, nemrégiben javasolt környezetbarát módszerek közé tartoznak; természetes forrásokból, például növényekből, állatokból és baktériumokból nyerik ki őket. A xantángumi, a guargumi, a kitin és a gellángumi a leggyakrabban használt biopolimerek a mérnöki alkalmazásokban5. A vízben oldódó biopolimerek azonban elveszíthetik szilárdságukat és kimosódhatnak a talajból, ha vízzel érintkeznek13,14. Az EICP hatékony pormentesítési módszernek bizonyult számos alkalmazásban, beleértve a burkolatlan utakat, zagytározókat és építési területeket. Bár az eredmények biztatóak, figyelembe kell venni néhány lehetséges hátrányt, például a költségeket és a nukleációs helyek hiányát (ami felgyorsítja a CaCO3 kristályok képződését és kicsapódását15,16).
Az MICP-t először a 19. század végén Murray és Irwin (1890), valamint Steinmann (1901) írta le a tengeri mikroorganizmusok általi karbamidlebontás tanulmányozása során17. Az MICP egy természetesen előforduló biológiai folyamat, amely számos mikrobiális aktivitást és kémiai folyamatot foglal magában, melyek során a kalcium-karbonát a mikrobiális metabolitokból származó karbonátionok és a környezetben lévő kalciumionok reakciója révén csapódik ki18,19. A karbamidlebontó nitrogénciklust magában foglaló MICP (karbamidlebontó MICP) a mikrobiális indukált karbonátkicsapódás leggyakoribb típusa, amelyben a baktériumok által termelt ureáz katalizálja a karbamid hidrolízisét20,21,22,23,24,25,26,27 az alábbiak szerint:
A szerves sók oxidációjának szénciklusát magában foglaló MICP-ben (karbamid lebontás nélküli MICP típus) a heterotróf baktériumok szerves sókat, például acetátot, laktátot, citrátot, szukcinátot, oxalátot, malátot és glioxilátot használnak energiaforrásként karbonátásványok előállításához28. Kalcium-laktát szénforrásként és kalciumionok jelenlétében a kalcium-karbonát képződésének kémiai reakcióját az (5) egyenlet mutatja.
Az MICP folyamatban a baktériumsejtek nukleációs helyeket biztosítanak, amelyek különösen fontosak a kalcium-karbonát kicsapódásához; a baktériumsejt felszíne negatív töltésű, és adszorbensként működhet a kétértékű kationok, például a kalciumionok számára. A kalciumionok baktériumsejtekre történő adszorbeálásával, amikor a karbonátion-koncentráció megfelelő, a kalciumkationok és a karbonátanionok reakcióba lépnek, és a kalcium-karbonát kicsapódik a baktérium felszínén29,30. A folyamat a következőképpen foglalható össze31,32:
A biogenerált kalcium-karbonát kristályok három típusba sorolhatók: kalcit, vaterit és aragonit. Közülük a kalcit és a vaterit a leggyakoribb bakteriális úton indukált kalcium-karbonát allomorfok33,34. A kalcit termodinamikailag a legstabilabb kalcium-karbonát allomorf35. Bár a vateritről kimutatták, hogy metastabil, végül kalcittá alakul36,37. A vaterit a legsűrűbb ilyen kristály. Ez egy hatszögletű kristály, amely nagyobb mérete miatt jobb póruskitöltő képességgel rendelkezik, mint más kalcium-karbonát kristályok38. Mind a karbamid által lebontott, mind a karbamid által lebontatlan MICP vaterit kicsapódásához vezethet13,39,40,41.
Bár az MICP ígéretes potenciált mutatott a problémás talajok és a szélerózióra hajlamos talajok stabilizálásában42,43,44,45,46,47,48, a karbamid hidrolízisének egyik mellékterméke az ammónia, amely az expozíció szintjétől függően enyhe vagy súlyos egészségügyi problémákat okozhat49. Ez a mellékhatás vitatottá teszi ennek a technológiának az alkalmazását, különösen akkor, ha nagy területeket kell kezelni, például pormentesítés céljából. Ezenkívül az ammónia szaga elviselhetetlen, ha a folyamatot nagy mennyiségben és nagy mennyiségben végzik, ami befolyásolhatja a gyakorlati alkalmazhatóságát. Bár a legújabb tanulmányok kimutatták, hogy az ammóniumionok mennyisége csökkenthető más termékekké, például struvittá alakítással, ezek a módszerek nem távolítják el teljesen az ammóniumionokat50. Ezért továbbra is szükség van olyan alternatív megoldások feltárására, amelyek nem termelnek ammóniumionokat. A nem karbamid lebontási útvonalak alkalmazása az MICP esetében egy olyan potenciális megoldást jelenthet, amelyet a szélerózió mérséklése terén kevéssé vizsgáltak. Fattahi és munkatársai a karbamidmentes MICP lebontást vizsgálták kalcium-acetát és Bacillus megaterium41 felhasználásával, míg Mohebbi és munkatársai... kalcium-acetátot és Bacillus amyloliquefaciens9-et használtak. Tanulmányukat azonban nem hasonlították össze más kalciumforrásokkal és heterotróf baktériumokkal, amelyek végső soron javíthatnák a szélerózióval szembeni ellenállást. Hiányzik az a szakirodalom is, amely összehasonlítaná a karbamidmentes lebontási útvonalakat a szélerózió mérséklésében alkalmazott karbamid lebontási útvonalakkal.
Ezenkívül a legtöbb szélerózióval és porszabályozással kapcsolatos vizsgálatot sík felszínű talajmintákon végezték.1,51,52,53 A sík felületek azonban ritkábban fordulnak elő a természetben, mint a dombok és a mélyedések. Ezért a homokdűnék a leggyakoribb tájképi elemek a sivatagi régiókban.
A fent említett hiányosságok kiküszöbölése érdekében ez a tanulmány egy új, nem ammóniatermelő bakteriális ágenskészlet bevezetését tűzte ki célul. Erre a célra a nem karbamidot lebontó MICP-útvonalakat vettük figyelembe. Két kalciumforrás (kalcium-formiát és kalcium-acetát) hatékonyságát vizsgáltuk. A szerzők legjobb tudomása szerint a karbonátos kicsapást két kalciumforrás és baktérium kombinációval (azaz kalcium-formiát-Bacillus subtilis és kalcium-formiát-Bacillus amyloliquefaciens) korábbi vizsgálatokban nem vizsgálták. Ezen baktériumok kiválasztása az általuk termelt enzimeken alapult, amelyek katalizálják a kalcium-formiát és a kalcium-acetát oxidációját mikrobiális karbonát kicsapódássá. Alapos kísérleti vizsgálatot terveztünk az optimális tényezők, például a pH, a baktériumok és kalciumforrások típusa és koncentrációja, a baktériumok és a kalciumforrás-oldat aránya, valamint a kikeményedési idő megtalálására. Végül, a bakteriális ágensek ezen készletének a kalcium-karbonát kicsapódáson keresztüli szélerózió elnyomásában való hatékonyságát vizsgálták homokdűnéken végzett szélcsatorna-tesztek sorozatával, hogy meghatározzák a homok széleróziójának nagyságát, küszöbkitörési sebességét és szélbombázási ellenállását, valamint penetrométeres méréseket és mikroszerkezeti vizsgálatokat (pl. röntgendiffrakciós (XRD) analízis és pásztázó elektronmikroszkópia (SEM)) is végeztek.
A kalcium-karbonát előállításához kalciumionokra és karbonátionokra van szükség. A kalciumionok különböző kalciumforrásokból, például kalcium-kloridból, kalcium-hidroxidból és sovány tejporból nyerhetők54,55. A karbonátionok különböző mikrobiális módszerekkel állíthatók elő, például karbamid hidrolízissel és szerves anyagok aerob vagy anaerob oxidációjával56. Ebben a vizsgálatban a karbonátionokat formiát és acetát oxidációs reakciójából nyertük. Ezenkívül a tiszta kalcium-karbonát előállításához formiát és acetát kalciumsóit használtuk, így melléktermékként csak CO2 és H2O keletkezett. Ebben a folyamatban csak egy anyag szolgál kalciumforrásként és karbonátforrásként, és nem keletkezik ammónia. Ezek a jellemzők teszik a kalciumforrást és a karbonát előállítási módszert nagyon ígéretesnek.
A kalcium-formiát és a kalcium-acetát kalcium-karbonát képződéséhez vezető megfelelő reakcióit a (7)-(14) képletek mutatják. A (7)-(11) képletek azt mutatják, hogy a kalcium-formiát vízben oldva hangyasavat vagy formiátot képez. Az oldat így szabad kalcium- és hidroxidionok forrása (8. és 9. képlet). A hangyasav oxidációjának eredményeként a hangyasavban lévő szénatomok szén-dioxiddá alakulnak (10. képlet). Végül kalcium-karbonát keletkezik (11. és 12. képlet).
Hasonlóképpen, kalcium-karbonát keletkezik kalcium-acetátból (13–15. egyenletek), azzal a különbséggel, hogy hangyasav helyett ecetsav vagy acetát keletkezik.
Enzimek jelenléte nélkül az acetát és a formiát szobahőmérsékleten nem oxidálható. Az FDH (formiát-dehidrogenáz) és a CoA (koenzim A) katalizálja a formiát és az acetát oxidációját szén-dioxiddá (16., 17. egyenlet) 57, 58, 59. Különböző baktériumok képesek ezen enzimek előállítására, és heterotróf baktériumokat, nevezetesen a Bacillus subtilis (PTCC #1204 (Perzsa Típuskultúra Gyűjtemény), más néven NCIMB #13061 (Nemzetközi Baktériumok, Élesztő, Fág, Plazmidok, Növényi Magok és Növényi Sejtszövet Kultúrák Gyűjteménye)) és a Bacillus amyloliquefaciens (PTCC #1732, NCIMB #12077) baktériumokat használtunk ebben a vizsgálatban. Ezeket a baktériumokat húspeptont (5 g/l) és húskivonatot (3 g/l) tartalmazó táptalajban, az úgynevezett tápanyaglevesben (NBR) (105443 Merck) tenyésztettük.
Így négy készítményt készítettek a kalcium-karbonát kicsapódásának kiváltására két kalciumforrás és két baktérium felhasználásával: kalcium-formiát és Bacillus subtilis (FS), kalcium-formiát és Bacillus amyloliquefaciens (FA), kalcium-acetát és Bacillus subtilis (AS), valamint kalcium-acetát és Bacillus amyloliquefaciens (AA).
A kísérleti terv első részében teszteket végeztek a maximális kalcium-karbonát-termelést elérő optimális kombináció meghatározására. Mivel a talajminták kalcium-karbonátot tartalmaztak, előzetes értékelő teszteket terveztek a különböző kombinációk által termelt CaCO3 pontos mérésére, és értékelték a táptalaj és a kalciumforrás-oldatok keverékeit. A fent meghatározott kalciumforrás- és baktériumoldat-kombinációk (FS, FA, AS és AA) mindegyikéhez optimalizálási tényezőket (kalciumforrás-koncentráció, kikeményedési idő, a baktériumoldat-koncentráció az oldat optikai sűrűségével (OD) mérve, a kalciumforrás és a baktériumoldat aránya, valamint pH) származtattak, és ezeket használták a következő szakaszokban ismertetett homokdűne-kezelési szélcsatorna-tesztekben.
Minden kombináció esetében 150 kísérletet végeztek a CaCO3 kicsapódás hatásának vizsgálatára és különböző tényezők, nevezetesen a kalciumforrás koncentrációjának, a kikeményedési időnek, a bakteriális OD-értéknek, a kalciumforrás és a baktériumoldat arányának, valamint a pH-értéknek a szerves anyag aerob oxidációja során történő értékelésére (1. táblázat). Az optimalizált folyamat pH-tartományát a Bacillus subtilis és a Bacillus amyloliquefaciens növekedési görbéi alapján választották ki a gyorsabb növekedés elérése érdekében. Ezt részletesebben az Eredmények részben ismertetjük.
A minták optimalizálási fázisra való előkészítéséhez a következő lépéseket alkalmaztuk. Az MICP-oldatot először a táptalaj kezdeti pH-értékének beállításával készítettük el, majd 121 °C-on 15 percig autoklávoztuk. A törzset ezután lamináris légáramban oltottuk be, és rázóinkubátorban tartottuk 30 °C-on és 180 fordulat/perc sebességgel. Miután a baktériumok OD-értéke elérte a kívánt szintet, a kívánt arányban összekevertük a kalciumforrás-oldattal (1a. ábra). Az MICP-oldatot rázóinkubátorban 220 fordulat/perc sebességgel és 30 °C-on hagytuk reagálni és megszilárdulni a célérték eléréséig. A kicsapódott CaCO3-at 6000 g-vel 5 percig centrifugáltuk, majd 40 °C-on szárítottuk a minták kalciméteres tesztre való előkészítéséhez (1b. ábra). A CaCO3 kicsapódását ezután Bernard kalciméterrel mértük, ahol a CaCO3 por 1,0 N HCl-lel (ASTM-D4373-02) reagálva CO2-t termel, és ennek a gáznak a térfogata a CaCO3-tartalom mértéke (1c. ábra). A CO2 térfogatának CaCO3-tartalommá való átszámításához kalibrációs görbét készítettünk úgy, hogy a tiszta CaCO3 port 1 N HCl-lel mostuk, és a képződött CO2 függvényében ábrázoltuk. A kicsapódott CaCO3 por morfológiáját és tisztaságát SEM képalkotással és XRD analízissel vizsgáltuk. 1000-szeres nagyítású optikai mikroszkópot használtunk a baktériumok körüli kalcium-karbonát képződésének, a képződött kalcium-karbonát fázisának és a baktériumok aktivitásának vizsgálatára.
A Dejegh-medence egy jól ismert, erősen erodált régió Irán délnyugati Fársz tartományában, és a kutatók szél által erodált talajmintákat gyűjtöttek a környékről. A mintákat a talajfelszínről vették a vizsgálathoz. A talajminták indikátorvizsgálatai azt mutatták, hogy a talaj rosszul osztályozott, iszapos homokos talaj volt, és az Egységes Talajosztályozási Rendszer (USC) szerint SP-SM kategóriába sorolták (2a. ábra). A röntgendiffrakciós elemzés kimutatta, hogy a Dejegh-talaj főként kalcitból és kvarcból állt (2b. ábra). Ezenkívül az EDX-elemzés kimutatta, hogy más elemek, például Al, K és Fe is kisebb arányban jelen voltak.
A laboratóriumi dűnék széleróziós vizsgálathoz való előkészítéséhez a talajt 170 mm magasságból zúzták össze egy 10 mm átmérőjű tölcséren keresztül szilárd felületre, így egy tipikus 60 mm magas és 210 mm átmérőjű dűne jött létre. A természetben a legkisebb sűrűségű homokdűnék eolikus folyamatok során alakulnak ki. Hasonlóképpen, a fenti eljárással előállított minta rendelkezett a legalacsonyabb relatív sűrűséggel, γ = 14,14 kN/m³, amely egy vízszintes felületre rakódott le, körülbelül 29,7°-os nyugalmi szöggel.
Az előző szakaszban kapott optimális MICP oldatot 1, 2 és 3 lm-2 felhordási mennyiségben permetezték a dűnelejtőre, majd a mintákat 9 napig (azaz az optimális kikeményedési időn) 30 °C-on inkubátorban tárolták (3. ábra), végül pedig szélcsatorna-vizsgálatra vitték ki.
Minden kezeléshez négy mintát készítettek elő, egyet a kalcium-karbonát-tartalom és a felületi szilárdság penetrométerrel történő mérésére, a fennmaradó három mintát pedig három különböző sebességgel végzett eróziós vizsgálatokhoz használták. A szélcsatorna-tesztek során az erózió mértékét különböző szélsebességeknél határozták meg, majd az egyes kezelt minták küszöbletörési sebességét az erózió mértékének a szélsebességhez viszonyított ábrázolásával határozták meg. A széleróziós vizsgálatok mellett a kezelt mintákat homokbombázásnak (azaz ugrási kísérleteknek) vetették alá. Erre a célra további két mintát készítettek elő 2 és 3 L m−2 alkalmazási mennyiséggel. A homokbombázási vizsgálat 15 percig tartott 120 gm−1 fluxussal, ami a korábbi vizsgálatokban kiválasztott értéktartományon belül van60,61,62. A csiszolófúvóka és a dűne alapja közötti vízszintes távolság 800 mm volt, amely 100 mm-rel az alagút alja felett helyezkedett el. Ezt a pozíciót úgy állították be, hogy szinte az összes ugró homokrészecske a dűnére hulljon.
A szélcsatorna-tesztet egy 8 m hosszú, 0,4 m széles és 1 m magas nyitott szélcsatornában végezték (4a. ábra). A szélcsatorna horganyzott acéllemezekből készült, és akár 25 m/s szélsebességet is képes generálni. Ezenkívül egy frekvenciaváltót használnak a ventilátor frekvenciájának beállítására és a frekvencia fokozatos növelésére a célzott szélsebesség eléréséhez. A 4b. ábra a szél által erodált homokdűnék vázlatos rajzát és a szélcsatornában mért szélsebesség-profilt mutatja.
Végül, az ebben a tanulmányban javasolt, nem urealitikus MICP készítmény eredményeinek összehasonlítása az urealitikus MICP kontrollteszt eredményeivel, dűne mintákat is előkészítettek és kezeltek karbamidot, kalcium-kloridot és Sporosarcina pasteuriit (mivel a Sporosarcina pasteurii jelentős ureáztermelő képességgel rendelkezik63) tartalmazó biológiai oldattal. A baktériumoldat optikai sűrűsége 1,5 volt, a karbamid és a kalcium-klorid koncentrációja pedig 1 M (a korábbi vizsgálatokban ajánlott értékek alapján kiválasztva36,64,65). A táptalaj táptalajból (8 g/l) és karbamidból (20 g/l) állt. A baktériumoldatot a dűne felületére permetezték, és 24 órán át hagyták állni a baktériumok megtapadása érdekében. 24 óra megtapadás után cementáló oldatot (kalcium-klorid és karbamid) permeteztek. Az urealitikus MICP kontrolltesztet a továbbiakban UMC-nek nevezzük. Az urealitikusan és nem urealitikusan kezelt talajminták kalcium-karbonát tartalmát Choi és munkatársai által javasolt eljárás szerint mosással határozták meg.66
Az 5. ábra a Bacillus amyloliquefaciens és a Bacillus subtilis növekedési görbéit mutatja a táptalajban (tápoldatban), 5 és 10 közötti kezdeti pH-tartományban. Amint az ábrán látható, a Bacillus amyloliquefaciens és a Bacillus subtilis gyorsabban növekedett 6-8, illetve 7-9 pH-értéken. Ezért ezt a pH-tartományt alkalmaztuk az optimalizálási szakaszban.
Az (a) Bacillus amyloliquefaciens és (b) Bacillus subtilis növekedési görbéi a táptalaj különböző kezdeti pH-értékeinél.
A 6. ábra a Bernard-limeméterben keletkezett szén-dioxid mennyiségét mutatja, amely a kicsapódott kalcium-karbonátot (CaCO3) jelenti. Mivel minden kombinációban egy tényezőt rögzítettek, a többi tényezőt pedig változtatták, a grafikonok minden pontja a kísérletsorozatban a szén-dioxid maximális térfogatának felel meg. Amint az ábrán látható, a kalciumforrás koncentrációjának növekedésével a kalcium-karbonát termelése is nőtt. Ezért a kalciumforrás koncentrációja közvetlenül befolyásolja a kalcium-karbonát termelését. Mivel a kalciumforrás és a szénforrás ugyanaz (azaz kalcium-formiát és kalcium-acetát), minél több kalciumion szabadul fel, annál több kalcium-karbonát képződik (6a. ábra). Az AS és AA készítményekben a kalcium-karbonát termelése a kikeményedési idő növekedésével tovább nőtt, amíg a csapadék mennyisége 9 nap után szinte változatlan nem volt. Az FA készítményben a kalcium-karbonát képződésének sebessége csökkent, amikor a kikeményedési idő meghaladta a 6 napot. Más készítményekhez képest az FS készítmény viszonylag alacsony kalcium-karbonát képződési sebességet mutatott 3 nap után (6b. ábra). Az FA és FS készítményekben a teljes kalcium-karbonát-termelés 70%, illetve 87%-a keletkezett három nap után, míg az AA és AS készítményekben ez az arány csak körülbelül 46%, illetve 45% volt. Ez azt jelzi, hogy a hangyasav alapú készítmény a kezdeti szakaszban nagyobb CaCO3-képződési sebességgel rendelkezik az acetát alapú készítményhez képest. A képződési sebesség azonban a kikeményedési idő növekedésével lassul. A 6c. ábrából arra lehet következtetni, hogy még OD1 feletti baktériumkoncentrációk esetén sincs jelentős hozzájárulás a kalcium-karbonát képződéséhez.
A Bernard kalciméterrel mért CO2-térfogat (és a hozzá tartozó CaCO3-tartalom) változása a következők függvényében: (a) kalciumforrás-koncentráció, (b) kötési idő, (c) OD, (d) kezdeti pH, (e) a kalciumforrás és a baktériumoldat aránya (minden egyes készítmény esetében); és (f) a kalciumforrás és a baktériumok minden kombinációja esetén előállított kalcium-karbonát maximális mennyisége.
A táptalaj kezdeti pH-jának hatását tekintve a 6d. ábra azt mutatja, hogy az FA és az FS esetében a CaCO3-termelés 7-es pH-értéken érte el a maximumát. Ez a megfigyelés összhangban van a korábbi tanulmányokkal, amelyek szerint az FDH enzimek 7-6,7 pH-értéken a legstabilabbak. Az AA és az AS esetében azonban a CaCO3-kicsapódás fokozódott, amikor a pH meghaladta a 7-et. Korábbi tanulmányok azt is kimutatták, hogy a CoA enzimaktivitás optimális pH-tartománya 8 és 9,2-6,8 között van. Figyelembe véve, hogy a CoA enzimaktivitás és a B. amyloliquefaciens növekedésének optimális pH-tartománya rendre (8-9,2), illetve (6-8) (5a. ábra), az AA-készítmény optimális pH-ja várhatóan 8, és a két pH-tartomány átfedésben van. Ezt a tényt kísérletek is megerősítették, amint azt a 6d. ábra mutatja. Mivel a B. subtilis növekedésének optimális pH-értéke 7-9 (5b. ábra), a CoA enzimaktivitás optimális pH-értéke pedig 8-9,2, a maximális CaCO3 kicsapódási hozam várhatóan a 8-9 pH-tartományban lesz, amit a 6d. ábra is megerősít (azaz az optimális kicsapási pH 9). A 6e. ábrán látható eredmények azt mutatják, hogy a kalciumforrás-oldat és a baktériumoldat optimális aránya mind az acetát-, mind a formiátoldatok esetében 1. Összehasonlításképpen a különböző készítmények (azaz AA, AS, FA és FS) teljesítményét a maximális CaCO3-termelés alapján értékelték különböző körülmények között (azaz kalciumforrás-koncentráció, kikeményedési idő, OD, kalciumforrás-baktériumoldat arány és kezdeti pH). A vizsgált készítmények közül az FS készítmény termelte a legnagyobb CaCO3-termelést, ami körülbelül háromszorosa volt az AA készítménynek (6f. ábra). Mindkét kalciumforrás esetében négy baktériummentes kontrollkísérletet végeztek, és 30 nap elteltével nem figyeltek meg CaCO3-kicsapódást.
Az összes készítmény optikai mikroszkópos képe azt mutatta, hogy a vaterit volt a fő fázis, amelyben a kalcium-karbonát képződött (7. ábra). A vaterit kristályok gömb alakúak voltak69,70,71. Megállapították, hogy a kalcium-karbonát kicsapódott a baktériumsejteken, mivel a baktériumsejtek felülete negatív töltésű volt, és adszorbensként működhetett a kétértékű kationok számára. Az FS készítményt példaként véve ebben a vizsgálatban, 24 óra elteltével kalcium-karbonát kezdett képződni egyes baktériumsejteken (7a. ábra), és 48 óra elteltével a kalcium-karbonáttal bevont baktériumsejtek száma jelentősen megnőtt. Ezenkívül, amint a 7b. ábra mutatja, vaterit részecskék is kimutathatók voltak. Végül 72 óra elteltével úgy tűnt, hogy nagyszámú baktérium kötődik a vaterit kristályokhoz, és a vaterit részecskék száma jelentősen megnőtt (7c. ábra).
A CaCO3 kicsapódásának optikai mikroszkópos megfigyelései FS összetételekben az idő függvényében: (a) 24, (b) 48 és (c) 72 óra.
A kicsapódott fázis morfológiájának további vizsgálata érdekében röntgendiffrakciós (XRD) és pásztázó elektronmikroszkópos (SEM) elemzést végeztünk a porokon. Az XRD spektrumok (8a. ábra) és az SEM mikrográfok (8b., c. ábra) megerősítették a vaterit kristályok jelenlétét, mivel azok saláta alakúak voltak, és a vaterit csúcsok és a csapadékcsúcsok között megfelelést figyeltünk meg.
(a) A képződött CaCO3 és a vaterit röntgendiffrakciós spektrumainak összehasonlítása. A vaterit SEM mikroszkópos felvételei (b) 1 kHz és (c) 5,27 kHz nagyításnál.
A szélcsatorna-tesztek eredményeit a 9a. és 9b. ábra mutatja. A 9a. ábrából látható, hogy a kezeletlen homok küszöberóziós sebessége (TDV) körülbelül 4,32 m/s. 1 l/m² kijuttatási mennyiségnél (9a. ábra) az FA, FS, AA és UMC frakciók talajveszteségi sebességét jelző vonalainak meredeksége megközelítőleg megegyezik a kezeletlen dűnéével. Ez azt jelzi, hogy a kezelés ennél a kijuttatási mennyiségnél hatástalan, és amint a szélsebesség meghaladja a TDV-t, a vékony talajkéreg eltűnik, és a dűne eróziós sebessége megegyezik a kezeletlen dűnéével. Az AS frakció eróziós meredeksége szintén alacsonyabb, mint az alacsonyabb abszcisszával (azaz TDV-vel) rendelkező többi frakcióé (9a. ábra). A 9b. ábrán látható nyilak azt jelzik, hogy 25 m/s maximális szélsebességnél a kezelt dűnékben 2 és 3 l/m² kijuttatási mennyiségnél nem történt erózió. Más szóval, az FS, FA, AS és UMC esetében a dűnék jobban ellenálltak a CaCO³ lerakódása okozta széleróziónak 2 és 3 l/m² kijuttatási mennyiségnél, mint a maximális szélsebességnél (azaz 25 m/s). Így az ezekben a vizsgálatokban kapott 25 m/s TDV érték az alsó határ a 9b. ábrán látható kijuttatási mennyiségekre, kivéve az AA esetet, ahol a TDV majdnem megegyezik a maximális szélcsatorna-sebességgel.
Széleróziós vizsgálat (a) Tömegveszteség a szélsebesség függvényében (felhordási mennyiség 1 l/m2), (b) Küszöbletépési sebesség a felhordási mennyiség és a készítmény függvényében (CA a kalcium-acetát, CF a kalcium-formiát esetében).
A 10. ábra a homokdűnék felszíni erózióját mutatja be különböző készítményekkel és alkalmazási arányokkal a homokbombázási teszt után, a mennyiségi eredményeket pedig a 11. ábra mutatja. A kezeletlen esetet nem ábrázoljuk, mivel nem mutatott ellenállást, és a homokbombázási teszt során teljesen erodálódott (teljes tömegveszteség). A 11. ábrából egyértelműen kitűnik, hogy az AA bioösszetétellel kezelt minta 2 l/m2 alkalmazási aránynál tömegének 83,5%-át veszítette, míg az összes többi minta kevesebb, mint 30%-os eróziót mutatott a homokbombázási folyamat során. Amikor az alkalmazási arányt 3 l/m2-re növelték, az összes kezelt minta kevesebb, mint 25%-át veszítette tömegének. Mindkét alkalmazási aránynál az FS vegyület mutatta a legjobb ellenállást a homokbombázással szemben. Az FS és AA kezelt minták maximális és minimális bombázási ellenállása a maximális és minimális CaCO3 kicsapódásuknak tulajdonítható (6f. ábra).
Különböző összetételű homokdűnék bombázásának eredményei 2 és 3 l/m2 áramlási sebesség mellett (a nyilak a szélirányt, a keresztek a rajz síkjára merőleges szélirányt jelzik).
Amint a 12. ábrán látható, az összes készítmény kalcium-karbonát-tartalma nőtt, ahogy a felhordási mennyiség 1 l/m²-ről 3 l/m²-re nőtt. Ezenkívül minden felhordási mennyiség mellett az FS volt a legmagasabb kalcium-karbonát-tartalmú készítmény, ezt követte az FA és az UMC. Ez arra utal, hogy ezek a készítmények nagyobb felületi ellenállással rendelkezhetnek.
A 13a. ábra a kezeletlen, kontroll és kezelt talajminták felületi ellenállásának változását mutatja be permeaméteres vizsgálattal mérve. Az ábrából egyértelműen látszik, hogy az UMC, AS, FA és FS készítmények felületi ellenállása jelentősen nőtt a kijuttatási mennyiség növekedésével. Az AA készítményben azonban a felületi szilárdság növekedése viszonylag kismértékű volt. Amint az ábrán látható, a karbamiddal nem lebontott MICP FA és FS készítményei jobb felületi permeabilitással rendelkeznek a karbamiddal lebontott MICP-hez képest. A 13b. ábra a TDV változását mutatja a talajfelszíni ellenállás függvényében. Az ábrából egyértelműen látszik, hogy a 100 kPa-nál nagyobb felületi ellenállású dűnék esetében a küszöbleválasztási sebesség meghaladja a 25 m/s-ot. Mivel a helyszíni felületi ellenállás könnyen mérhető permeaméterrel, ez az ismeret segíthet a TDV becslésében szélcsatorna-vizsgálat hiányában, ezáltal minőségellenőrzési mutatóként szolgálhat a terepi alkalmazásokhoz.
Az SEM eredményeket a 14. ábra mutatja. A 14a-b ábrák a kezeletlen talajminta megnagyobbodott részecskéit mutatják, ami egyértelműen jelzi, hogy kohézív, és nincs természetes kötése vagy cementációja. A 14c ábra a karbamiddal lebontott MICP-vel kezelt kontrollminta SEM mikrofelvételét mutatja. Ez a kép a CaCO3 kicsapódásának jelenlétét mutatja kalcit polimorfok formájában. Amint a 14d-o ábrákon látható, a kicsapódott CaCO3 összeköti a részecskéket; gömb alakú vaterit kristályok is azonosíthatók az SEM mikrofelvételeken. A jelenlegi és a korábbi tanulmányok eredményei azt mutatják, hogy a vaterit polimorfokként kialakult CaCO3 kötések megfelelő mechanikai szilárdságot is biztosítanak; eredményeink azt mutatják, hogy a felületi ellenállás 350 kPa-ra nő, a küszöbszeparációs sebesség pedig 4,32-ről több mint 25 m/s-ra nő. Ez az eredmény összhangban van a korábbi tanulmányok eredményeivel, amelyek szerint az MICP-vel kicsapott CaCO3 mátrixa vaterit, amely elfogadható mechanikai szilárdsággal és szélerózióval szembeni ellenállással rendelkezik13,40, és még 180 napos terepi környezeti hatások után is képes fenntartani a megfelelő szélerózióval szembeni ellenállást13.
(a, b) Kezeletlen talaj SEM mikrográfiái, (c) MICP karbamid lebontási kontroll, (df) AA-val kezelt minták, (gi) AS-sel kezelt minták, (jl) FA-val kezelt minták és (mo) FS-sel kezelt minták 3 L/m2 alkalmazási mennyiséggel különböző nagyításokban.
A 14d-f. ábra azt mutatja, hogy az AA-vegyületekkel történő kezelés után kalcium-karbonát csapódott ki a felületen és a homokszemcsék között, miközben néhány bevonat nélküli homokszemcse is megfigyelhető volt. Az AS-komponensek esetében, bár a képződött CaCO3 mennyisége nem nőtt szignifikánsan (6f. ábra), a CaCO3 által okozott homokszemcsék közötti érintkezések mennyisége szignifikánsan nőtt az AA-vegyületekhez képest (14g-i. ábra).
A 14j-l és 14m-o ábrákból egyértelműen kitűnik, hogy a kalcium-formiát kalciumforrásként való használata a CaCO3 kicsapódásának további növekedéséhez vezet az AS vegyülethez képest, ami összhangban van a 6f ábrán látható kalciummérővel végzett mérésekkel. Úgy tűnik, hogy ez a további CaCO3 főként a homokszemcsékre rakódik le, és nem feltétlenül javítja az érintkezési minőséget. Ez megerősíti a korábban megfigyelt viselkedést: a CaCO3 kicsapódásának mennyiségében mutatkozó különbségek ellenére (6f ábra) a három készítmény (AS, FA és FS) nem különbözik szignifikánsan az anti-eolikus (szél) teljesítmény (11. ábra) és a felületi ellenállás (13a ábra) tekintetében.
A CaCO3-mal bevont baktériumsejtek és a kicsapódott kristályokon lévő baktériumlenyomat jobb vizualizálása érdekében nagy nagyítású SEM mikroszkópos felvételeket készítettek, az eredményeket a 15. ábra mutatja. Amint látható, a kalcium-karbonát kicsapódik a baktériumsejteken, és biztosítja a kicsapódáshoz szükséges sejtmagokat. Az ábra a CaCO3 által indukált aktív és inaktív kötéseket is ábrázolja. Megállapítható, hogy az inaktív kötések számának növekedése nem feltétlenül vezet a mechanikai viselkedés további javulásához. Ezért a CaCO3 kicsapódásának növelése nem feltétlenül vezet nagyobb mechanikai szilárdsághoz, és a kicsapódási minta fontos szerepet játszik. Ezt a szempontot Terzis és Laloui72, valamint Soghi és Al-Kabani45,73 munkáiban is vizsgálták. A kicsapódási minta és a mechanikai szilárdság közötti kapcsolat további feltárásához µCT képalkotással végzett MICP vizsgálatok ajánlottak, ami meghaladja a jelen tanulmány kereteit (azaz ammóniamentes MICP előállításához különböző kalciumforrás- és baktériumkombinációk bevezetését).
A CaCO3 aktív és inaktív kötéseket indukált az (a) AS-összetétellel és (b) FS-összetétellel kezelt mintákban, és baktériumsejtek lenyomatát hagyta az üledéken.
Amint a 14j-o és 15b ábrákon látható, egy CaCO3 film található (az EDX analízis szerint a filmben lévő egyes elemek százalékos összetétele: szén 11%, oxigén 46,62% és kalcium 42,39%, ami nagyon közel van a 16. ábrán látható CaCO3 százalékos arányához). Ez a film befedi a vaterit kristályokat és a talajrészecskéket, segítve fenntartani a talaj-üledék rendszer integritását. A film jelenlétét csak a formiát alapú készítménnyel kezelt mintákban figyelték meg.
A 2. táblázat összehasonlítja a korábbi vizsgálatokban és a jelen vizsgálatban karbamid-lebontó és nem karbamid-lebontó MICP-útvonalakkal kezelt talajok felületi szilárdságát, küszöbleválási sebességét és bioindukált CaCO3-tartalmát. A MICP-vel kezelt dűneminták szélerózióval szembeni ellenállására vonatkozó vizsgálatok korlátozottak. Meng és munkatársai levélfúvó segítségével vizsgálták a MICP-vel kezelt karbamid-lebontó dűneminták szélerózióval szembeni ellenállását,13 míg ebben a vizsgálatban a karbamidot nem lebontó dűnemintákat (valamint a karbamid-lebontó kontrollokat) szélcsatornában tesztelték, és négy különböző baktérium- és anyagkombinációval kezelték.
Amint látható, néhány korábbi tanulmány a 4 l/m2-t meghaladó magas kijuttatási mennyiségeket is figyelembe vette13,41,74. Érdemes megjegyezni, hogy a magas kijuttatási mennyiségek gazdasági szempontból nem feltétlenül alkalmazhatók könnyen a terepen a vízellátással, a szállítással és a nagy vízmennyiségek alkalmazásával járó költségek miatt. Az alacsonyabb kijuttatási mennyiségek, például az 1,62-2 l/m2 is meglehetősen jó, akár 190 kPa-os felületi szilárdságot és 25 m/s-ot meghaladó TDV-t értek el. A jelen vizsgálatban a karbamid lebontása nélküli, formiát alapú MICP-vel kezelt dűnék olyan nagy felületi szilárdságot értek el, amely összehasonlítható volt a karbamid lebontási útvonallal kapott értékekkel, azonos kijuttatási mennyiségtartományban (azaz a karbamid lebontása nélküli, formiát alapú MICP-vel kezelt minták is képesek voltak elérni ugyanazt a felületi szilárdsági értéktartományt, mint amit Meng és munkatársai közöltek, 13, 13a. ábra) magasabb kijuttatási mennyiségek mellett. Az is látható, hogy 2 L/m2 kijuttatási mennyiség mellett a szélerózió mérsékléséhez szükséges kalcium-karbonát hozama 25 m/s szélsebesség mellett 2,25% volt a formiát alapú, karbamidlebontás nélküli MICP esetében, ami nagyon közel van a szükséges CaCO3 mennyiséghez (azaz 2,41%) a kontroll, karbamidlebontású MICP-vel kezelt dűnékhez képest azonos kijuttatási mennyiség és azonos szélsebesség (25 m/s) mellett.
Így a táblázatból arra lehet következtetni, hogy mind a karbamid lebontási útvonal, mind a karbamidmentes lebontási útvonal egészen elfogadható teljesítményt nyújthat a felületi ellenállás és a TDV tekintetében. A fő különbség az, hogy a karbamidmentes lebontási útvonal nem tartalmaz ammóniát, ezért kisebb a környezeti hatása. Ezenkívül az ebben a tanulmányban javasolt, karbamid lebontás nélküli, formiát alapú MICP módszer jobban teljesít, mint az acetát alapú, karbamid lebontás nélküli MICP módszer. Bár Mohebbi és munkatársai az acetát alapú MICP módszert karbamid lebontás nélkül vizsgálták, vizsgálatuk sík felületeken lévő mintákat is tartalmazott9. A dűne minták körüli örvényképződés és az ebből eredő nyírás okozta nagyobb mértékű erózió miatt, amely alacsonyabb TDV-t eredményez, a dűne minták széleróziója várhatóan nyilvánvalóbb lesz, mint a sík felületeké azonos sebesség mellett.