Благодарим ви, че посетихте nature.com. Версията на браузъра, която използвате, има ограничена поддръжка на CSS. За най-добро изживяване ви препоръчваме да използвате най-новата версия на браузъра (или да изключите режима на съвместимост в Internet Explorer). Освен това, за да се гарантира непрекъсната поддръжка, този сайт няма да включва стилове или JavaScript.
Праховите бури представляват сериозна заплаха за много страни по света поради разрушителното им въздействие върху селското стопанство, човешкото здраве, транспортните мрежи и инфраструктурата. В резултат на това ветровата ерозия се счита за глобален проблем. Един от екологично чистите подходи за ограничаване на ветровата ерозия е използването на микробно индуцирано карбонатно утаяване (MICP). Страничните продукти от MICP, базирани на разграждане на урея, като амоняк, обаче не са идеални, когато се произвеждат в големи количества. Това проучване представя две формулировки на калциево-формиатни бактерии за разграждане на MICP без производство на урея и сравнява изчерпателно тяхната ефективност с две формулировки на калциево-ацетатни бактерии, които не произвеждат амоняк. Разглежданите бактерии са Bacillus subtilis и Bacillus amyloliquefaciens. Първо, бяха определени оптимизираните стойности на факторите, контролиращи образуването на CaCO3. След това бяха проведени тестове в аеродинамичен тунел върху проби от пясъчни дюни, третирани с оптимизираните формулировки, и бяха измерени устойчивостта на ветрова ерозия, праговата скорост на отлепване и устойчивостта на бомбардиране с пясък. Аломорфите на калциевия карбонат (CaCO3) бяха оценени с помощта на оптична микроскопия, сканираща електронна микроскопия (SEM) и рентгеноструктурен анализ. Формулировките на базата на калциев формиат се представиха значително по-добре от формулировките на базата на ацетат по отношение на образуването на калциев карбонат. Освен това, B. subtilis произведе повече калциев карбонат от B. amyloliquefaciens. SEM микрографиите ясно показаха свързването и отпечатването на активни и неактивни бактерии върху калциевия карбонат, причинени от утаяването. Всички формулировки значително намалиха ветровата ерозия.
Вятърната ерозия отдавна е призната за основен проблем, пред който са изправени сухите и полусухите региони като югозападната част на САЩ, Западен Китай, Сахарска Африка и голяма част от Близкия изток1. Ниските валежи в сухите и хиперсухите климатични условия са превърнали големи части от тези региони в пустини, пясъчни дюни и необработваеми земи. Продължаващата ветрова ерозия представлява екологична заплаха за инфраструктурата, като транспортни мрежи, земеделски земи и промишлени земи, което води до лоши условия на живот и високи разходи за градско развитие в тези региони2,3,4. Важно е да се отбележи, че ветровата ерозия не само засяга мястото, където се случва, но и причинява здравословни и икономически проблеми в отдалечени общности, тъй като пренася частици чрез вятъра до райони, далеч от източника5,6.
Контролът на ветровата ерозия остава глобален проблем. За контрол на ветровата ерозия се използват различни методи за стабилизиране на почвата. Тези методи включват материали като прилагане на вода7, маслени мулчове8, биополимери5, микробно индуцирано карбонатно утаяване (MICP)9,10,11,12 и ензимно индуцирано карбонатно утаяване (EICP)1. Омокрянето на почвата е стандартен метод за потискане на праха на полето. Бързото му изпарение обаче прави този метод ограничено ефективен в сухи и полусухи райони1. Прилагането на маслени мулчиращи съединения увеличава кохезията на пясъка и междучастичното триене. Тяхното кохезионно свойство свързва пясъчните зърна заедно; маслените мулчове обаче създават и други проблеми; тъмният им цвят увеличава абсорбцията на топлина и води до смърт на растения и микроорганизми. Миризмата и изпаренията им могат да причинят респираторни проблеми и най-вече високата им цена е друга пречка. Биополимерите са един от наскоро предложените екологични методи за смекчаване на ветровата ерозия; те се извличат от естествени източници като растения, животни и бактерии. Ксантановата гума, гуаровата гума, хитозанът и гелановата гума са най-често използваните биополимери в инженерните приложения5. Въпреки това, водоразтворимите биополимери могат да загубят здравина и да се излужат от почвата, когато са изложени на вода13,14. EICP е доказано ефективен метод за потискане на праха за различни приложения, включително неасфалтирани пътища, хвостохранилища и строителни площадки. Въпреки че резултатите са окуражаващи, трябва да се вземат предвид някои потенциални недостатъци, като например цената и липсата на места за образуване на зародиши (което ускорява образуването и утаяването на кристали CaCO315,16).
MICP е описан за първи път в края на 19 век от Мъри и Ъруин (1890) и Щайнман (1901) в тяхното изследване на разграждането на урея от морски микроорганизми17. MICP е естествено срещащ се биологичен процес, включващ различни микробни дейности и химични процеси, при които калциевият карбонат се утаява чрез реакцията на карбонатни йони от микробни метаболити с калциеви йони в околната среда18,19. MICP, включващ азотния цикъл, разграждащ урея (MICP, разграждащ урея), е най-често срещаният тип индуцирано от микроби карбонатно утаяване, при което уреазата, произведена от бактерии, катализира хидролизата на урея20,21,22,23,24,25,26,27 както следва:
В MICP, включващ въглеродния цикъл на окисление на органични соли (тип MICP без разграждане на урея), хетеротрофните бактерии използват органични соли като ацетат, лактат, цитрат, сукцинат, оксалат, малат и глиоксилат като източници на енергия за производство на карбонатни минерали28. В присъствието на калциев лактат като източник на въглерод и калциеви йони, химичната реакция на образуване на калциев карбонат е показана в уравнение (5).
В процеса MICP, бактериалните клетки осигуряват места за нуклеация, които са особено важни за утаяването на калциев карбонат; повърхността на бактериалната клетка е отрицателно заредена и може да действа като адсорбент за двувалентни катиони, като калциеви йони. Чрез адсорбиране на калциеви йони върху бактериалните клетки, когато концентрацията на карбонатни йони е достатъчна, калциевите катиони и карбонатните аниони реагират и калциевият карбонат се утаява върху бактериалната повърхност29,30. Процесът може да се обобщи по следния начин31,32:
Биогенерираните кристали на калциев карбонат могат да бъдат разделени на три вида: калцит, ватерит и арагонит. Сред тях калцитът и ватеритът са най-често срещаните бактериално индуцирани аломорфи на калциев карбонат33,34. Калцитът е най-термодинамично стабилният аломорф на калциев карбонат35. Въпреки че е съобщено, че ватеритът е метастабилен, той в крайна сметка се трансформира в калцит36,37. Ватеритът е най-плътният от тези кристали. Той е хексагонален кристал, който има по-добра способност за запълване на порите от другите кристали на калциев карбонат поради по-големия си размер38. Както разграденият от урея, така и неразграденият от урея MICP могат да доведат до утаяване на ватерит13,39,40,41.
Въпреки че MICP е показал обещаващ потенциал за стабилизиране на проблемни почви и почви, податливи на ветрова ерозия42,43,44,45,46,47,48, един от страничните продукти на хидролизата на урея е амонякът, който може да причини леки до тежки здравословни проблеми в зависимост от нивото на експозиция49. Този страничен ефект прави използването на тази конкретна технология спорно, особено когато е необходимо да се третират големи площи, например за потискане на праха. Освен това, миризмата на амоняк е непоносима, когато процесът се извършва с високи норми на приложение и големи обеми, което може да повлияе на практическата му приложимост. Въпреки че последните проучвания показват, че амониевите йони могат да бъдат намалени чрез превръщането им в други продукти като струвит, тези методи не премахват напълно амониевите йони50. Следователно, все още има нужда да се проучат алтернативни решения, които не генерират амониеви йони. Използването на пътища за разграждане без урея за MICP може да осигури потенциално решение, което е слабо проучено в контекста на смекчаване на ветровата ерозия. Fattahi et al. изследват разграждането на MICP без урея, използвайки калциев ацетат и Bacillus megaterium41, докато Mohebbi et al. използвали калциев ацетат и Bacillus amyloliquefaciens9. Въпреки това, тяхното проучване не е сравнено с други източници на калций и хетеротрофни бактерии, които в крайна сметка биха могли да подобрят устойчивостта на ветрова ерозия. Липсва и литература, сравняваща пътищата на разграждане без урея с пътищата на разграждане на урея при смекчаване на ветровата ерозия.
Освен това, повечето проучвания за ветрова ерозия и контрол на праха са проведени върху почвени проби с плоски повърхности.1,51,52,53 Плоските повърхности обаче са по-рядко срещани в природата от хълмовете и вдлъбнатините. Ето защо пясъчните дюни са най-често срещаната ландшафтна характеристика в пустинните райони.
За да се преодолеят гореспоменатите недостатъци, това проучване имаше за цел да въведе нов набор от бактериални агенти, които не произвеждат амоняк. За тази цел разгледахме пътища на MICP, които не разграждат урея. Изследвана беше ефективността на два източника на калций (калциев формиат и калциев ацетат). Доколкото е известно на авторите, карбонатната утайка, използваща две комбинации от източник на калций и бактерии (т.е. калциев формиат-Bacillus subtilis и калциев формиат-Bacillus amyloliquefaciens), не е била изследвана в предишни проучвания. Изборът на тези бактерии се основаваше на ензимите, които те произвеждат, катализиращи окислението на калциев формиат и калциев ацетат, за да се образува микробна карбонатна утайка. Проектирахме задълбочено експериментално проучване, за да намерим оптималните фактори като pH, видове бактерии и източници на калций и техните концентрации, съотношението на бактериите към разтвора от източник на калций и времето за втвърдяване. Накрая, ефективността на този набор от бактериални агенти за потискане на ветровата ерозия чрез утаяване на калциев карбонат беше изследвана чрез провеждане на серия от тестове в аеродинамичен тунел върху пясъчни дюни, за да се определи величината на ветровата ерозия, праговата скорост на откъсване и устойчивостта на пясъка на ветрова бомбардировка, както и чрез измервания с пенетрометър и микроструктурни изследвания (напр. рентгенова дифракционна (XRD) анализ и сканираща електронна микроскопия (SEM)).
Производството на калциев карбонат изисква калциеви йони и карбонатни йони. Калциевите йони могат да бъдат получени от различни източници на калций, като калциев хлорид, калциев хидроксид и обезмаслено мляко на прах54,55. Карбонатните йони могат да бъдат произведени чрез различни микробни методи, като хидролиза на урея и аеробно или анаеробно окисление на органична материя56. В това проучване карбонатните йони бяха получени от реакцията на окисление на формиат и ацетат. Освен това използвахме калциеви соли на формиат и ацетат, за да получим чист калциев карбонат, като по този начин се получиха само CO2 и H2O като странични продукти. В този процес само едно вещество служи като източник на калций и като източник на карбонат и не се произвежда амоняк. Тези характеристики правят метода за производство на калций и карбонат, който считахме за многообещаващ.
Съответните реакции на калциев формиат и калциев ацетат за образуване на калциев карбонат са показани във формули (7)-(14). Формули (7)-(11) показват, че калциевият формиат се разтваря във вода, за да образува мравчена киселина или формиат. По този начин разтворът е източник на свободни калциеви и хидроксидни йони (формули 8 и 9). В резултат на окислението на мравчената киселина, въглеродните атоми в мравчената киселина се превръщат във въглероден диоксид (формула 10). В крайна сметка се образува калциев карбонат (формули 11 и 12).
По подобен начин калциевият карбонат се образува от калциев ацетат (уравнения 13–15), с изключение на това, че вместо мравчена киселина се образува оцетна киселина или ацетат.
Без наличието на ензими, ацетатът и формиатът не могат да бъдат окислени при стайна температура. FDH (формат дехидрогеназа) и CoA (коензим А) катализират окислението на формиат и ацетат, за да образуват въглероден диоксид, съответно (ур. 16, 17) 57, 58, 59. Различни бактерии са способни да произвеждат тези ензими, като в това проучване са използвани хетеротрофни бактерии, а именно Bacillus subtilis (PTCC #1204 (Персийска колекция от типови култури), известна също като NCIMB #13061 (Международна колекция от бактерии, дрожди, фаги, плазмиди, растителни семена и тъканни култури на растения)) и Bacillus amyloliquefaciens (PTCC #1732, NCIMB #12077). Тези бактерии са култивирани в среда, съдържаща месен пептон (5 g/L) и месен екстракт (3 g/L), наречена хранителен бульон (NBR) (105443 Merck).
По този начин бяха приготвени четири формулировки за индуциране на утаяване на калциев карбонат, използвайки два източника на калций и две бактерии: калциев формиат и Bacillus subtilis (FS), калциев формиат и Bacillus amyloliquefaciens (FA), калциев ацетат и Bacillus subtilis (AS) и калциев ацетат и Bacillus amyloliquefaciens (AA).
В първата част на експерименталния дизайн бяха проведени тестове за определяне на оптималната комбинация, която би постигнала максимално производство на калциев карбонат. Тъй като почвените проби съдържаха калциев карбонат, беше разработен набор от предварителни тестове за оценка, за да се измери точно CaCO3, произведен от различните комбинации, и бяха оценени смеси от хранителна среда и разтвори на източник на калций. За всяка комбинация от източник на калций и бактериален разтвор, дефинирана по-горе (FS, FA, AS и AA), бяха получени фактори за оптимизация (концентрация на източника на калций, време за втвърдяване, концентрация на бактериален разтвор, измерена чрез оптична плътност на разтвора (OD), съотношение източник на калций към бактериален разтвор и pH) и те бяха използвани в тестовете в аеродинамичен тунел за обработка на пясъчни дюни, описани в следващите раздели.
За всяка комбинация бяха проведени 150 експеримента за изследване на ефекта от утаяването на CaCO3 и оценка на различни фактори, а именно концентрацията на източника на калций, времето за втвърдяване, стойността на оптичната плътност на бактериите, съотношението източник на калций към бактериален разтвор и pH по време на аеробното окисление на органичната материя (Таблица 1). Диапазонът на pH за оптимизирания процес беше избран въз основа на кривите на растеж на Bacillus subtilis и Bacillus amyloliquefaciens, за да се постигне по-бърз растеж. Това е обяснено по-подробно в раздела „Резултати“.
Следните стъпки бяха използвани за подготовка на пробите за фазата на оптимизация. Разтворът на MICP първо беше приготвен чрез регулиране на началното pH на културалната среда и след това автоклавиран при 121 °C за 15 минути. След това щамът беше инокулиран в ламинарен въздушен поток и поддържан в разклащащ се инкубатор при 30 °C и 180 rpm. След като оптичната плътност (OD) на бактериите достигна желаното ниво, той беше смесен с разтвора на източника на калций в желаното съотношение (Фигура 1a). Разтворът на MICP беше оставен да реагира и да се втвърди в разклащащ се инкубатор при 220 rpm и 30 °C за време, достигащо целевата стойност. Утаеният CaCO3 беше отделен след центрофугиране при 6000 g за 5 минути и след това изсушен при 40 °C, за да се подготвят пробите за калциметричния тест (Фигура 1b). Утаяването на CaCO3 след това беше измерено с помощта на калциметър на Bernard, където прахът CaCO3 реагира с 1.0 N HCl (ASTM-D4373-02), за да се получи CO2, а обемът на този газ е мярка за съдържанието на CaCO3 (Фигура 1в). За да се преобразува обемът на CO2 в съдържание на CaCO3, беше генерирана калибрационна крива чрез промиване на чист прах CaCO3 с 1 N HCl и нанасянето му спрямо отделения CO2. Морфологията и чистотата на утаения прах CaCO3 бяха изследвани с помощта на SEM изображения и XRD анализ. Оптичен микроскоп с увеличение 1000 беше използван за изследване на образуването на калциев карбонат около бактериите, фазата на образувания калциев карбонат и активността на бактериите.
Басейнът Дежег е добре познат силно ерозиран регион в югозападната провинция Фарс в Иран и изследователите са събрали проби от ерозия на вятъра от района. Пробите са взети от повърхността на почвата за изследването. Индикаторните тестове на почвените проби показват, че почвата е слабо сортирана песъчлива почва с тиня и е класифицирана като SP-SM според Унифицираната система за класификация на почвите (USC) (Фигура 2а). XRD анализът показва, че почвата Дежег е съставена главно от калцит и кварц (Фигура 2б). Освен това, EDX анализът показва, че други елементи като Al, K и Fe също присъстват в по-малки пропорции.
За да се подготвят лабораторните дюни за изпитване на ветрова ерозия, почвата е била раздробена от височина 170 мм през фуния с диаметър 10 мм до твърда повърхност, което е довело до типична дюна с височина 60 мм и диаметър 210 мм. В природата пясъчните дюни с най-ниска плътност се образуват от еолични процеси. По подобен начин пробата, приготвена по горната процедура, е имала най-ниска относителна плътност, γ = 14,14 kN/m³, образувайки пясъчен конус, отложен върху хоризонтална повърхност с ъгъл на естествен покой от приблизително 29,7°.
Оптималният разтвор на MICP, получен в предишния раздел, е напръскан върху склона на дюната при скорости на приложение от 1, 2 и 3 lm-2, след което пробите са съхранявани в инкубатор при 30°C (фиг. 3) в продължение на 9 дни (т.е. оптималното време за втвърдяване) и след това са изнесени за изпитване в аеродинамичен тунел.
За всяка обработка бяха приготвени четири образци, един за измерване на съдържанието на калциев карбонат и повърхностната якост с помощта на пенетрометър, а останалите три образци бяха използвани за ерозионни тестове при три различни скорости. При тестовете в аеродинамичен тунел количеството ерозия беше определено при различни скорости на вятъра, след което праговата скорост на откъсване за всеки обработен образец беше определена с помощта на графика на количеството ерозия спрямо скоростта на вятъра. В допълнение към тестовете за ветрова ерозия, обработените образци бяха подложени на бомбардиране с пясък (т.е. експерименти със скачане). За тази цел бяха приготвени два допълнителни образци с дебит от 2 и 3 L m−2. Тестът за бомбардиране с пясък продължи 15 минути с поток от 120 gm−1, което е в диапазона от стойности, избрани в предишни изследвания60,61,62. Хоризонталното разстояние между абразивната дюза и основата на дюната беше 800 mm, разположено на 100 mm над дъното на тунела. Тази позиция беше зададена така, че почти всички скачащи пясъчни частици да паднат върху дюната.
Тестът в аеродинамичен тунел е проведен в отворен аеродинамичен тунел с дължина 8 м, ширина 0,4 м и височина 1 м (Фигура 4а). Аеродинамичният тунел е изработен от поцинковани стоманени листове и може да генерира скорост на вятъра до 25 м/с. Освен това се използва честотен преобразувател за регулиране на честотата на вентилатора и постепенно увеличаване на честотата, за да се получи целевата скорост на вятъра. Фигура 4б показва схематична диаграма на пясъчните дюни, еродирани от вятъра, и профила на скоростта на вятъра, измерен в аеродинамичния тунел.
Накрая, за да се сравнят резултатите от не-уреалитична MICP формулировка, предложена в това проучване, с резултатите от уреалитичния MICP контролен тест, бяха приготвени и проби от дюни и третирани с биологичен разтвор, съдържащ урея, калциев хлорид и Sporosarcina pasteurii (тъй като Sporosarcina pasteurii има значителна способност да произвежда уреаза63). Оптичната плътност на бактериалния разтвор беше 1,5, а концентрациите на урея и калциев хлорид бяха 1 M (избрани въз основа на стойностите, препоръчани в предишни проучвания36,64,65). Културалната среда се състоеше от хранителен бульон (8 g/L) и урея (20 g/L). Бактериалният разтвор беше напръскан върху повърхността на дюната и оставен за 24 часа за прикрепване на бактериите. След 24 часа прикрепване беше напръскан циментиращ разтвор (калциев хлорид и урея). Уреалитичният MICP контролен тест е наричан по-долу UMC. Съдържанието на калциев карбонат в уреалитично и неуреалитично третирани почвени проби е получено чрез промиване съгласно процедурата, предложена от Choi et al.66
Фигура 5 показва кривите на растеж на Bacillus amyloliquefaciens и Bacillus subtilis в хранителна среда (хранителен разтвор) с начален диапазон на pH от 5 до 10. Както е показано на фигурата, Bacillus amyloliquefaciens и Bacillus subtilis растат по-бързо при pH съответно 6-8 и 7-9. Следователно, този диапазон на pH е възприет в етапа на оптимизация.
Криви на растеж на (а) Bacillus amyloliquefaciens и (б) Bacillus subtilis при различни начални стойности на pH на хранителната среда.
Фигура 6 показва количеството въглероден диоксид, произведено във варометъра на Бернард, което представлява утаен калциев карбонат (CaCO3). Тъй като един фактор е фиксиран във всяка комбинация, а другите фактори са варирани, всяка точка на тези графики съответства на максималния обем въглероден диоксид в този набор от експерименти. Както е показано на фигурата, с увеличаване на концентрацията на източника на калций, производството на калциев карбонат се увеличава. Следователно, концентрацията на източника на калций влияе пряко върху производството на калциев карбонат. Тъй като източникът на калций и източникът на въглерод са едни и същи (т.е. калциев формиат и калциев ацетат), колкото повече калциеви йони се освобождават, толкова повече калциев карбонат се образува (Фигура 6а). При формулировките AS и AA производството на калциев карбонат продължава да се увеличава с увеличаване на времето за втвърдяване, докато количеството на утайката остава почти непроменено след 9 дни. При формулировката FA скоростта на образуване на калциев карбонат намалява, когато времето за втвърдяване надвишава 6 дни. В сравнение с други формулировки, формулировка FS показва относително ниска скорост на образуване на калциев карбонат след 3 дни (Фигура 6б). Във формулировки FA и FS, 70% и 87% от общото производство на калциев карбонат е получено след три дни, докато във формулировки AA и AS, този дял е съответно само около 46% и 45%. Това показва, че формулировката на базата на мравчена киселина има по-висока скорост на образуване на CaCO3 в началния етап в сравнение с формулировката на базата на ацетат. Скоростта на образуване обаче се забавя с увеличаване на времето на втвърдяване. От Фигура 6в може да се заключи, че дори при концентрации на бактерии над OD1, няма значителен принос за образуването на калциев карбонат.
Промяна в обема на CO2 (и съответното съдържание на CaCO3), измерена с калциметъра на Бернард, като функция на (а) концентрацията на източника на калций, (б) времето на втвърдяване, (в) оптичната плътност (OD), (г) началното pH, (д) ​​съотношението на източника на калций към бактериалния разтвор (за всяка формулировка); и (е) максималното количество калциев карбонат, произведен за всяка комбинация от източник на калций и бактерии.
Що се отнася до ефекта на началното pH на средата, Фигура 6d показва, че за FA и FS, производството на CaCO3 достига максимална стойност при pH 7. Това наблюдение е в съответствие с предишни проучвания, че FDH ензимите са най-стабилни при pH 7-6.7. Въпреки това, за AA и AS, утаяването на CaCO3 се увеличава, когато pH надвишава 7. Предишни проучвания също така показват, че оптималният диапазон на pH за активността на CoA ензима е от 8 до 9.2-6.8. Като се има предвид, че оптималните диапазони на pH за активността на CoA ензима и растежа на B. amyloliquefaciens са съответно (8-9.2) и (6-8) (Фигура 5a), се очаква оптималното pH на формулировката на AA да бъде 8 и двата диапазона на pH се припокриват. Този факт е потвърден чрез експерименти, както е показано на Фигура 6d. Тъй като оптималното pH за растеж на B. subtilis е 7-9 (Фигура 5b), а оптималното pH за активността на CoA ензима е 8-9,2, се очаква максималният добив на утайка от CaCO3 да бъде в диапазона на pH от 8-9, което се потвърждава от Фигура 6d (т.е. оптималното pH на утайка е 9). Резултатите, показани на Фигура 6e, показват, че оптималното съотношение на разтвор от източник на калций към бактериален разтвор е 1 както за ацетатни, така и за формиатни разтвори. За сравнение, производителността на различните формулировки (т.е. AA, AS, FA и FS) беше оценена въз основа на максималното производство на CaCO3 при различни условия (т.е. концентрация на източник на калций, време на втвърдяване, оптична плътност (OD), съотношение източник на калций към бактериален разтвор и начално pH). Сред изследваните формулировки, формулировка FS имаше най-високо производство на CaCO3, което беше приблизително три пъти по-голямо от това на формулировка AA (Фигура 6f). Проведени бяха четири контролни експеримента без бактерии и за двата източника на калций и не се наблюдава утайка от CaCO3 след 30 дни.
Изображенията от оптична микроскопия на всички формулировки показват, че ватеритът е основната фаза, в която се образува калциев карбонат (Фигура 7). Кристалите на ватерит са сферични по форма69,70,71. Установено е, че калциевият карбонат се утаява върху бактериалните клетки, тъй като повърхността на бактериалните клетки е отрицателно заредена и може да действа като адсорбент за двувалентни катиони. Вземайки формулировка FS като пример в това проучване, след 24 часа калциевият карбонат започва да се образува върху някои бактериални клетки (Фигура 7а), а след 48 часа броят на бактериалните клетки, покрити с калциев карбонат, се увеличава значително. Освен това, както е показано на Фигура 7b, могат да бъдат открити и частици ватерит. Накрая, след 72 часа, голям брой бактерии изглежда са свързани с кристалите на ватерит, а броят на частиците на ватерит се увеличава значително (Фигура 7в).
Наблюдения с оптична микроскопия на утаяването на CaCO3 в съставите на FS във времето: (a) 24, (b) 48 и (c) 72 часа.
За по-нататъшно изследване на морфологията на утаената фаза бяха извършени рентгеноструктурен (XRD) и SEM анализи на праховете. XRD спектрите (фиг. 8a) и SEM микрографиите (фиг. 8b, c) потвърдиха наличието на кристали ватерит, тъй като те имаха форма, подобна на маруля, и се наблюдаваше съответствие между пиковете на ватерит и пиковете на утайката.
(a) Сравнение на рентгеноструктурния анализ на образувания CaCO3 и ватерит. SEM микрографии на ватерит при (b) увеличение от 1 kHz и (c) съответно от 5,27 kHz.
Резултатите от тестовете в аеродинамичен тунел са показани на Фигура 9a, b. От Фигура 9a може да се види, че праговата скорост на ерозия (TDV) на необработения пясък е около 4,32 m/s. При разход от 1 l/m² (Фигура 9a), наклоните на линиите на скоростта на загуба на почва за фракции FA, FS, AA и UMC са приблизително същите, както за нетретираната дюна. Това показва, че третирането при тази разход е неефективно и веднага щом скоростта на вятъра надвиши TDV, тънката почвена кора изчезва и скоростта на ерозия на дюната е същата, както за нетретираната дюна. Наклонът на ерозията на фракция AS също е по-нисък от този на другите фракции с по-ниски абсциса (т.е. TDV) (Фигура 9a). Стрелките на Фигура 9b показват, че при максимална скорост на вятъра от 25 m/s, не е настъпила ерозия в третираните дюни при разход от 2 и 3 l/m². С други думи, за FS, FA, AS и UMC, дюните са по-устойчиви на ветрова ерозия, причинена от отлагането на CaCO³ при норми на приложение от 2 и 3 l/m², отколкото при максималната скорост на вятъра (т.е. 25 m/s). По този начин, стойността на TDV от 25 m/s, получена в тези тестове, е долната граница за нормите на приложение, показани на Фигура 9b, с изключение на случая AA, където TDV е почти равна на максималната скорост в аеродинамичния тунел.
Тест за ветрова ерозия (а) Загуба на тегло спрямо скоростта на вятъра (разходна норма 1 л/м2), (б) Прагова скорост на откъсване спрямо разходната норма и формулировката (CA за калциев ацетат, CF за калциев формиат).
Фигура 10 показва повърхностната ерозия на пясъчни дюни, третирани с различни формулировки и норми на приложение след теста за пясъчно бомбардиране, а количествените резултати са показани на Фигура 11. Нетретираният случай не е показан, защото не е показал устойчивост и е бил напълно ерозиран (обща загуба на маса) по време на теста за пясъчно бомбардиране. От Фигура 11 е ясно, че пробата, третирана с биосъстав AA, е загубила 83,5% от теглото си при норма на приложение от 2 л/м2, докато всички останали проби са показали ерозия по-малко от 30% по време на процеса на пясъчно бомбардиране. Когато нормата на приложение е била увеличена до 3 л/м2, всички третирани проби са загубили по-малко от 25% от теглото си. И при двете норми на приложение, съединението FS е показало най-добра устойчивост на пясъчно бомбардиране. Максималната и минималната устойчивост на бомбардиране в пробите, третирани с FS и AA, може да се отдаде на максималното и минималното им утаяване на CaCO3 (Фигура 6f).
Резултати от бомбардиране на пясъчни дюни с различен състав при дебит 2 и 3 л/м2 (стрелките показват посоката на вятъра, кръстчетата показват посоката на вятъра, перпендикулярна на равнината на чертежа).
Както е показано на Фигура 12, съдържанието на калциев карбонат във всички формули се е увеличило с увеличаване на разходната норма от 1 л/м² до 3 л/м². Освен това, при всички разходни норми, формулата с най-високо съдържание на калциев карбонат е била FS, следвана от FA и UMC. Това предполага, че тези формули може да имат по-висока повърхностна устойчивост.
Фигура 13а показва промяната в повърхностното съпротивление на нетретирани, контролни и третирани почвени проби, измерена чрез пермеаметър. От тази фигура е видно, че повърхностното съпротивление на формулировките UMC, AS, FA и FS се е увеличило значително с увеличаване на скоростта на приложение. Увеличението на повърхностната якост обаче е било относително малко при формулировката AA. Както е показано на фигурата, формулировките FA и FS на MICP, неразграден с урея, имат по-добра повърхностна пропускливост в сравнение с MICP, разграден с урея. Фигура 13б показва промяната в TDV с повърхностното съпротивление на почвата. От тази фигура е ясно видно, че за дюни с повърхностно съпротивление по-голямо от 100 kPa, праговата скорост на отлепване ще надвиши 25 m/s. Тъй като повърхностното съпротивление in situ може лесно да се измери чрез пермеаметър, това знание може да помогне за оценката на TDV при липса на изпитване в аеродинамичен тунел, като по този начин служи като индикатор за контрол на качеството при полеви приложения.
Резултатите от SEM са показани на Фигура 14. Фигури 14a-b показват уголемените частици от нетретираната почвена проба, което ясно показва, че тя е кохезивна и няма естествено свързване или циментация. Фигура 14c показва SEM микрофотография на контролната проба, третирана с MICP, разграден с урея. Това изображение показва наличието на CaCO3 утайки като калцитни полиморфи. Както е показано на Фигури 14d-o, утаеният CaCO3 свързва частиците заедно; сферични кристали ватерит също могат да бъдат идентифицирани в SEM микрографиите. Резултатите от това и предишни изследвания показват, че CaCO3 връзките, образувани като ватеритни полиморфи, също могат да осигурят разумна механична якост; нашите резултати показват, че повърхностното съпротивление се увеличава до 350 kPa, а праговата скорост на разделяне се увеличава от 4,32 до повече от 25 m/s. Този резултат е в съответствие с резултатите от предишни проучвания, според които матрицата на MICP-утаения CaCO3 е ватерит, който има разумна механична якост и устойчивост на вятърна ерозия13,40 и може да поддържа разумна устойчивост на вятърна ерозия дори след 180 дни излагане на полеви условия на околната среда13.
(a, b) SEM микрографии на нетретирана почва, (c) MICP контрол на разграждането на урея, (df) проби, третирани с AA, (gi) проби, третирани с AS, (jl) проби, третирани с FA, и (mo) проби, третирани с FS, при норма на приложение от 3 L/m2 при различни увеличения.
Фигура 14d-f показва, че след третиране с AA съединения, калциев карбонат се е утаил върху повърхността и между пясъчните зърна, като са наблюдавани и някои непокрити пясъчни зърна. За AS компонентите, въпреки че количеството на образувания CaCO3 не се е увеличило значително (фиг. 6f), количеството на контактите между пясъчните зърна, причинени от CaCO3, се е увеличило значително в сравнение с AA съединенията (фиг. 14g-i).
От фигури 14j-l и 14m-o е ясно, че използването на калциев формиат като източник на калций води до допълнително увеличение на утаяването на CaCO3 в сравнение със съединението AS, което е в съответствие с измерванията на калциемера на фигура 6f. Този допълнителен CaCO3 изглежда се отлага главно върху пясъчните частици и не е задължително да подобрява качеството на контакт. Това потвърждава наблюдаваното по-рано поведение: въпреки разликите в количеството на утаяването на CaCO3 (фигура 6f), трите формулировки (AS, FA и FS) не се различават съществено по отношение на противоеоличните (вятърните) характеристики (фигура 11) и повърхностното съпротивление (фигура 13a).
За да се визуализират по-добре покритите с CaCO3 бактериални клетки и бактериалният отпечатък върху утаените кристали, бяха направени SEM микрографии с голямо увеличение и резултатите са показани на Фигура 15. Както е показано, калциевият карбонат се утаява върху бактериалните клетки и осигурява ядрата, необходими за утаяването там. Фигурата също така изобразява активните и неактивните връзки, индуцирани от CaCO3. Може да се заключи, че всяко увеличение на неактивните връзки не води непременно до по-нататъшно подобрение на механичното поведение. Следователно, увеличаването на утаяването на CaCO3 не води непременно до по-висока механична якост и моделът на утаяване играе важна роля. Този момент е изследван и в трудовете на Terzis и Laloui72 и Soghi и Al-Kabani45,73. За да се проучи по-нататък връзката между модела на утаяване и механичната якост, се препоръчват MICP изследвания с използване на µCT изображения, което е извън обхвата на това изследване (т.е. въвеждане на различни комбинации от източник на калций и бактерии за MICP без амоняк).
CaCO3 индуцира активни и неактивни връзки в проби, третирани с (а) AS състав и (б) FS състав, и оставя отпечатък от бактериални клетки върху седимента.
Както е показано на фигури 14j-o и 15b, има CaCO₃ филм (според EDX анализа, процентният състав на всеки елемент във филма е въглерод 11%, кислород 46,62% и калций 42,39%, което е много близко до процента на CaCO₃ на фигура 16). Този филм покрива кристалите ватерит и почвените частици, като помага за поддържане на целостта на почвено-седиментната система. Наличието на този филм е наблюдавано само в пробите, третирани с формулировка на базата на формиат.
Таблица 2 сравнява повърхностната якост, праговата скорост на откъсване и биоиндуцираното съдържание на CaCO3 в почви, третирани с MICP пътища, разграждащи и неразграждащи урея, в предишни проучвания и това проучване. Проучванията върху устойчивостта на ветрова ерозия на проби от дюни, третирани с MICP, са ограничени. Meng et al. изследват устойчивостта на ветрова ерозия на проби от дюни, третирани с MICP, разграждащи урея, с помощта на вентилатор за листа,13 докато в това проучване проби от дюни, които не разграждат урея (както и контроли, разграждащи урея), са тествани в аеродинамичен тунел и третирани с четири различни комбинации от бактерии и вещества.
Както може да се види, някои предишни проучвания са разглеждали високи норми на приложение, надвишаващи 4 L/m213,41,74. Струва си да се отбележи, че високите норми на приложение може да не са лесно приложими на терен от икономическа гледна точка поради разходите, свързани с водоснабдяването, транспортирането и прилагането на големи обеми вода. По-ниските норми на приложение, като например 1,62-2 L/m2, също постигнаха сравнително добри повърхностни якости до 190 kPa и TDV над 25 m/s. В настоящото проучване, дюни, третирани с MICP на базата на формиат без разграждане на урея, постигнаха високи повърхностни якости, сравними с тези, получени с пътя на разграждане на урея в същия диапазон на нормите на приложение (т.е. пробите, третирани с MICP на базата на формиат без разграждане на урея, също успяха да постигнат същия диапазон от стойности на повърхностната якост, както е съобщено от Meng et al., 13, Фигура 13a) при по-високи норми на приложение. Вижда се също, че при разходна норма от 2 L/m2, добивът на калциев карбонат за смекчаване на ветровата ерозия при скорост на вятъра 25 m/s е 2,25% за MICP на базата на формиат без разграждане на урея, което е много близо до необходимото количество CaCO3 (т.е. 2,41%) в сравнение с дюни, третирани с контролния MICP с разграждане на урея при същата разходна норма и същата скорост на вятъра (25 m/s).
Следователно, от тази таблица може да се заключи, че както пътят на разграждане на урея, така и пътят на разграждане без урея могат да осигурят доста приемливи резултати по отношение на повърхностното съпротивление и TDV. Основната разлика е, че пътят на разграждане без урея не съдържа амоняк и следователно има по-малко въздействие върху околната среда. Освен това, методът MICP на базата на формиат без разграждане на урея, предложен в това проучване, изглежда се представя по-добре от метода MICP на базата на ацетат без разграждане на урея. Въпреки че Mohebbi et al. са изследвали метода MICP на базата на ацетат без разграждане на урея, тяхното проучване е включвало проби върху плоски повърхности9. Поради по-високата степен на ерозия, причинена от образуването на вихри около пробите от дюните и произтичащото от това срязване, което води до по-ниска TDV, се очаква ветровата ерозия на пробите от дюните да бъде по-очевидна от тази на плоските повърхности при същата скорост.