Tak for dit besøg på nature.com. Den browserversion, du bruger, har begrænset CSS-understøttelse. For at få den bedste oplevelse anbefaler vi, at du bruger den nyeste browserversion (eller slår kompatibilitetstilstand fra i Internet Explorer). Derudover vil dette websted ikke indeholde stilarter eller JavaScript for at sikre fortsat understøttelse.
Støvstorme udgør en alvorlig trussel mod mange lande verden over på grund af deres destruktive indvirkning på landbrug, menneskers sundhed, transportnetværk og infrastruktur. Som følge heraf betragtes vinderosion som et globalt problem. En af de miljøvenlige tilgange til at begrænse vinderosion er brugen af ​​mikrobiel induceret karbonatudfældning (MICP). Biprodukterne fra urinstof-nedbrydningsbaseret MICP, såsom ammoniak, er imidlertid ikke ideelle, når de produceres i store mængder. Denne undersøgelse præsenterer to formuleringer af calciumformiatbakterier til nedbrydning af MICP uden at producere urinstof og sammenligner omfattende deres ydeevne med to formuleringer af ikke-ammoniakproducerende calciumacetatbakterier. De betragtede bakterier er Bacillus subtilis og Bacillus amyloliquefaciens. Først blev de optimerede værdier af de faktorer, der kontrollerer CaCO3-dannelse, bestemt. Vindtunneltest blev derefter udført på klitprøver behandlet med de optimerede formuleringer, og vinderosionsmodstand, stripningstærskelhastighed og sandbombardementmodstand blev målt. Calciumcarbonat (CaCO3) allomorfer blev evalueret ved hjælp af optisk mikroskopi, scanningselektronmikroskopi (SEM) og røntgendiffraktionsanalyse. Calciumformiatbaserede formuleringer klarede sig signifikant bedre end acetatbaserede formuleringer med hensyn til dannelse af calciumcarbonat. Derudover producerede B. subtilis mere calciumcarbonat end B. amyloliquefaciens. SEM-mikrografer viste tydeligt binding og prægning af aktive og inaktive bakterier på calciumcarbonat forårsaget af sedimentation. Alle formuleringer reducerede vinderosion signifikant.
Vinderosion har længe været anerkendt som et stort problem for tørre og semi-tørre regioner som det sydvestlige USA, det vestlige Kina, Sahara-Afrika og store dele af Mellemøsten1. Lav nedbør i tørre og hyper-tørre klimaer har forvandlet store dele af disse regioner til ørkener, klitter og udyrkede arealer. Fortsat vinderosion udgør en miljømæssig trussel mod infrastruktur såsom transportnetværk, landbrugsjord og industrijord, hvilket fører til dårlige levevilkår og høje omkostninger til byudvikling i disse regioner2,3,4. Det er vigtigt at bemærke, at vinderosion ikke kun påvirker det sted, hvor den forekommer, men også forårsager sundhedsmæssige og økonomiske problemer i fjerntliggende samfund, da den transporterer partikler med vinden til områder langt fra kilden5,6.
Bekæmpelse af vinderosion er fortsat et globalt problem. Forskellige metoder til jordstabilisering anvendes til at kontrollere vinderosion. Disse metoder omfatter materialer som vandpåføring7, oliedækningsmaterialer8, biopolymerer5, mikrobiel induceret karbonatudfældning (MICP)9,10,11,12 og enzyminduceret karbonatudfældning (EICP)1. Jordfugtning er en standardmetode til støvundertrykkelse i marken. Den hurtige fordampning gør dog denne metode begrænset effektiv i tørre og halvtørre områder1. Påføring af oliedækningsmidler øger sandkohæsion og friktion mellem partikler. Deres kohæsive egenskaber binder sandkorn sammen; oliedækningsmaterialer udgør dog også andre problemer; deres mørke farve øger varmeabsorptionen og fører til planters og mikroorganismers død. Deres lugt og dampe kan forårsage luftvejsproblemer, og især deres høje pris er en anden hindring. Biopolymerer er en af ​​de nyligt foreslåede miljøvenlige metoder til at afbøde vinderosion; de udvindes fra naturlige kilder såsom planter, dyr og bakterier. Xanthangummi, guargummi, chitosan og gellangummi er de mest almindeligt anvendte biopolymerer i tekniske applikationer5. Vandopløselige biopolymerer kan dog miste styrke og udvaskes fra jorden, når de udsættes for vand13,14. EICP har vist sig at være en effektiv støvundertrykkelsesmetode til en række forskellige anvendelser, herunder uasfalterede veje, tailingsdamme og byggepladser. Selvom resultaterne er opmuntrende, skal nogle potentielle ulemper overvejes, såsom omkostninger og manglen på kimdannelsessteder (hvilket fremskynder dannelsen og udfældningen af ​​CaCO3-krystaller15,16).
MICP blev først beskrevet i slutningen af ​​det 19. århundrede af Murray og Irwin (1890) og Steinmann (1901) i deres undersøgelse af urinstofnedbrydning af marine mikroorganismer17. MICP er en naturligt forekommende biologisk proces, der involverer en række mikrobielle aktiviteter og kemiske processer, hvor calciumcarbonat udfældes ved reaktion af carbonationer fra mikrobielle metabolitter med calciumioner i miljøet18,19. MICP, der involverer den urinstofnedbrydende nitrogencyklus (urinstofnedbrydende MICP), er den mest almindelige type mikrobiel-induceret carbonatudfældning, hvor urease produceret af bakterier katalyserer hydrolysen af ​​urinstof20,21,22,23,24,25,26,27 som følger:
I MICP, der involverer kulstofcyklussen i organisk saltoxidation (MICP uden urinstofnedbrydningstype), bruger heterotrofe bakterier organiske salte såsom acetat, laktat, citrat, succinat, oxalat, malat og glyoxylat som energikilder til at producere karbonatmineraler28. I nærvær af calciumlaktat som kulstofkilde og calciumioner er den kemiske reaktion ved dannelse af calciumkarbonat vist i ligning (5).
I MICP-processen tilvejebringer bakterieceller kimdannelsessteder, der er særligt vigtige for udfældning af calciumcarbonat; bakteriecelleoverfladen er negativt ladet og kan fungere som et adsorbent for divalente kationer såsom calciumioner. Ved at adsorbere calciumioner på bakterieceller, når karbonationkoncentrationen er tilstrækkelig, reagerer calciumkationer og karbonatanioner, og calciumcarbonat udfældes på bakterieoverfladen29,30. Processen kan opsummeres som følger31,32:
Biogenererede calciumcarbonatkrystaller kan opdeles i tre typer: calcit, vaterit og aragonit. Blandt dem er calcit og vaterit de mest almindelige bakterielt inducerede calciumcarbonat-allomorfer33,34. Calcit er den mest termodynamisk stabile calciumcarbonat-allomorf35. Selvom vaterit er blevet rapporteret at være metastabil, omdannes den til sidst til calcit36,37. Vaterit er den tætteste af disse krystaller. Det er en hexagonal krystal, der har bedre porefyldningsevne end andre calciumcarbonatkrystaller på grund af dens større størrelse38. Både urinstof-nedbrudt og urinstof-ikke-nedbrudt MICP kan føre til udfældning af vaterit13,39,40,41.
Selvom MICP har vist lovende potentiale i at stabilisere problematiske jorde og jorde, der er modtagelige for vinderosion42,43,44,45,46,47,48, er et af biprodukterne fra urinstofhydrolyse ammoniak, som kan forårsage milde til alvorlige helbredsproblemer afhængigt af eksponeringsniveauet49. Denne bivirkning gør brugen af ​​denne særlige teknologi kontroversiel, især når store områder skal behandles, f.eks. til støvbekæmpelse. Derudover er lugten af ​​ammoniak uacceptabel, når processen udføres ved høje påføringsmængder og store mængder, hvilket kan påvirke dens praktiske anvendelighed. Selvom nyere undersøgelser har vist, at ammoniumioner kan reduceres ved at omdanne dem til andre produkter såsom struvit, fjerner disse metoder ikke ammoniumioner fuldstændigt50. Derfor er der stadig behov for at undersøge alternative løsninger, der ikke genererer ammoniumioner. Brugen af ​​ikke-urinstof-nedbrydningsveje til MICP kan give en potentiel løsning, der er blevet dårligt udforsket i forbindelse med afbødning af vinderosion. Fattahi et al. undersøgte urinstoffri MICP-nedbrydning ved hjælp af calciumacetat og Bacillus megaterium41, mens Mohebbi et al. brugte calciumacetat og Bacillus amyloliquefaciens9. Deres undersøgelse blev dog ikke sammenlignet med andre calciumkilder og heterotrofe bakterier, der i sidste ende kunne forbedre modstandsdygtigheden over for vinderosion. Der mangler også litteratur, der sammenligner urinstoffri nedbrydningsveje med urinstofnedbrydningsveje i forbindelse med afbødning af vinderosion.
Derudover er de fleste undersøgelser af vinderosion og støvkontrol blevet udført på jordprøver med flade overflader.1,51,52,53 Flade overflader er dog mindre almindelige i naturen end bakker og lavninger. Derfor er klitter det mest almindelige landskabstræk i ørkenregioner.
For at overvinde ovennævnte mangler havde dette studie til formål at introducere et nyt sæt ikke-ammoniakproducerende bakterielle stoffer. Til dette formål overvejede vi ikke-urea-nedbrydende MICP-veje. Effektiviteten af ​​to calciumkilder (calciumformiat og calciumacetat) blev undersøgt. Så vidt forfatterne ved, er karbonatudfældning ved hjælp af to kombinationer af calciumkilder og bakterie (dvs. calciumformiat-Bacillus subtilis og calciumformiat-Bacillus amyloliquefaciens) ikke blevet undersøgt i tidligere undersøgelser. Valget af disse bakterier var baseret på de enzymer, de producerer, der katalyserer oxidationen af ​​calciumformiat og calciumacetat for at danne mikrobiel karbonatudfældning. Vi designede et grundigt eksperimentelt studie for at finde de optimale faktorer såsom pH, bakterietyper og calciumkilder og deres koncentrationer, forholdet mellem bakterier og calciumkildeopløsning og hærdningstid. Endelig blev effektiviteten af ​​dette sæt bakterielle stoffer i undertrykkelsen af ​​vinderosion gennem calciumcarbonatudfældning undersøgt ved at udføre en række vindtunnelforsøg på klitter for at bestemme vinderosionens størrelse, tærskelværdien for brudhastighed og sandets modstand mod vindbombardement, og der blev også udført penetrometermålinger og mikrostrukturelle undersøgelser (f.eks. røntgendiffraktion (XRD) analyse og scanningelektronmikroskopi (SEM)).
Produktion af calciumcarbonat kræver calciumioner og carbonationer. Calciumioner kan udvindes fra forskellige calciumkilder såsom calciumchlorid, calciumhydroxid og skummetmælkspulver54,55. Carbonationer kan produceres ved forskellige mikrobielle metoder såsom urinstofhydrolyse og aerob eller anaerob oxidation af organisk materiale56. I denne undersøgelse blev carbonationer udvundet fra oxidationsreaktionen af ​​formiat og acetat. Derudover brugte vi calciumsalte af formiat og acetat til at producere rent calciumcarbonat, således at kun CO2 og H2O blev udvundet som biprodukter. I denne proces tjener kun ét stof som calciumkilde og carbonatkilde, og der produceres ingen ammoniak. Disse egenskaber gør den calciumkilde- og carbonatproduktionsmetode, som vi anså for meget lovende.
De tilsvarende reaktioner mellem calciumformiat og calciumacetat til dannelse af calciumcarbonat er vist i formlerne (7)-(14). Formlerne (7)-(11) viser, at calciumformiat opløses i vand til dannelse af myresyre eller formiat. Opløsningen er således en kilde til frie calcium- og hydroxidioner (formlerne 8 og 9). Som følge af oxidationen af ​​myresyre omdannes kulstofatomerne i myresyre til kuldioxid (formel 10). Til sidst dannes calciumcarbonat (formlerne 11 og 12).
Tilsvarende dannes calciumcarbonat ud fra calciumacetat (ligningerne 13-15), bortset fra at eddikesyre eller acetat dannes i stedet for myresyre.
Uden tilstedeværelsen af ​​enzymer kan acetat og formiat ikke oxideres ved stuetemperatur. FDH (formiatdehydrogenase) og CoA (coenzym A) katalyserer oxidationen af ​​formiat og acetat til dannelse af henholdsvis kuldioxid (ligning 16, 17) 57, 58, 59. Forskellige bakterier er i stand til at producere disse enzymer, og heterotrofe bakterier, nemlig Bacillus subtilis (PTCC #1204 (Persian Type Culture Collection), også kendt som NCIMB #13061 (International Collection of Bacteria, Yeast, Phage, Plasmids, Plant Seeds and Plant Cell Tissue Cultures)) og Bacillus amyloliquefaciens (PTCC #1732, NCIMB #12077), blev anvendt i denne undersøgelse. Disse bakterier blev dyrket i et medium indeholdende kødpepton (5 g/L) og kødekstrakt (3 g/L), kaldet næringsbouillon (NBR) (105443 Merck).
Således blev fire formuleringer fremstillet til at inducere calciumcarbonatudfældning ved hjælp af to calciumkilder og to bakterier: calciumformiat og Bacillus subtilis (FS), calciumformiat og Bacillus amyloliquefaciens (FA), calciumacetat og Bacillus subtilis (AS) og calciumacetat og Bacillus amyloliquefaciens (AA).
I den første del af det eksperimentelle design blev der udført tests for at bestemme den optimale kombination, der ville opnå maksimal calciumcarbonatproduktion. Da jordprøverne indeholdt calciumcarbonat, blev der designet et sæt indledende evalueringstests til nøjagtigt at måle CaCO3 produceret af de forskellige kombinationer, og blandinger af dyrkningsmedium og calciumkildeopløsninger blev evalueret. For hver kombination af calciumkilde og bakterieopløsning defineret ovenfor (FS, FA, AS og AA) blev optimeringsfaktorer (calciumkildekoncentration, hærdningstid, bakterieopløsningskoncentration målt ved opløsningens optiske densitet (OD), forholdet mellem calciumkilde og bakterieopløsning og pH) udledt og anvendt i vindtunneltestene for sandklitbehandling, der er beskrevet i de følgende afsnit.
For hver kombination blev der udført 150 eksperimenter for at undersøge effekten af ​​CaCO3-udfældning og evaluere forskellige faktorer, nemlig calciumkildekoncentration, hærdningstid, bakteriel OD-værdi, forholdet mellem calciumkilde og bakterieopløsning og pH under aerob oxidation af organisk materiale (Tabel 1). pH-området for den optimerede proces blev valgt baseret på vækstkurverne for Bacillus subtilis og Bacillus amyloliquefaciens for at opnå hurtigere vækst. Dette forklares mere detaljeret i afsnittet om resultater.
Følgende trin blev anvendt til at forberede prøverne til optimeringsfasen. MICP-opløsningen blev først fremstillet ved at justere dyrkningsmediets initiale pH-værdi og derefter autoklaveret ved 121 °C i 15 minutter. Stammen blev derefter inokuleret i en laminar luftstrøm og opbevaret i en rysteinkubator ved 30 °C og 180 rpm. Når bakteriens OD nåede det ønskede niveau, blev den blandet med calciumkildeopløsningen i den ønskede mængde (figur 1a). MICP-opløsningen fik lov til at reagere og størkne i en rysteinkubator ved 220 rpm og 30 °C i et tidsrum, der nåede målværdien. Det udfældede CaCO3 blev separeret efter centrifugering ved 6000 g i 5 minutter og derefter tørret ved 40 °C for at forberede prøverne til calcimetertesten (figur 1b). Udfældningen af ​​CaCO3 blev derefter målt ved hjælp af et Bernard calcimeter, hvor CaCO3-pulver reagerer med 1,0 N HCl (ASTM-D4373-02) for at producere CO2, og volumenet af denne gas er et mål for CaCO3-indholdet (Figur 1c). For at omregne volumenet af CO2 til CaCO3-indhold blev en kalibreringskurve genereret ved at vaske rent CaCO3-pulver med 1 N HCl og plotte det mod den udviklede CO2. Morfologien og renheden af ​​det udfældede CaCO3-pulver blev undersøgt ved hjælp af SEM-billeddannelse og XRD-analyse. Et optisk mikroskop med en forstørrelse på 1000 blev brugt til at studere dannelsen af ​​calciumcarbonat omkring bakterierne, fasen af ​​det dannede calciumcarbonat og bakteriernes aktivitet.
Dejegh-bassinet er et velkendt, stærkt eroderet område i den sydvestlige Fars-provins i Iran, og forskerne indsamlede vind-eroderede jordprøver fra området. Prøverne blev taget fra jordoverfladen til undersøgelsen. Indikatortest på jordprøverne viste, at jorden var dårligt sorteret sandjord med silt og var klassificeret som SP-SM i henhold til Unified Soil Classification System (USC) (Figur 2a). XRD-analyse viste, at Dejegh-jorden hovedsageligt bestod af calcit og kvarts (Figur 2b). Derudover viste EDX-analyse, at andre elementer såsom Al, K og Fe også var til stede i mindre mængder.
For at forberede laboratorieklitterne til vinderosionstestning blev jorden knust fra en højde på 170 mm gennem en tragt med en diameter på 10 mm til en fast overflade, hvilket resulterede i en typisk klit på 60 mm i højden og 210 mm i diameter. I naturen dannes de klitter med den laveste tæthed ved æoliske processer. Tilsvarende havde prøven, der blev fremstillet ved hjælp af ovenstående procedure, den laveste relative tæthed, γ = 14,14 kN/m³, hvilket dannede en sandkegle aflejret på en vandret overflade med en hvilevinkel på cirka 29,7°.
Den optimale MICP-opløsning, der blev opnået i det foregående afsnit, blev sprøjtet på klitskrænten med påføringsmængder på 1, 2 og 3 lm-2, og derefter blev prøverne opbevaret i en inkubator ved 30 °C (fig. 3) i 9 dage (dvs. den optimale hærdningstid) og derefter taget ud til vindtunneltestning.
For hver behandling blev der fremstillet fire prøver, én til måling af calciumcarbonatindhold og overfladestyrke ved hjælp af et penetrometer, og de resterende tre prøver blev brugt til erosionstest ved tre forskellige hastigheder. I vindtunneltestene blev erosionsmængden bestemt ved forskellige vindhastigheder, og derefter blev tærskelværdien for brudhastigheden for hver behandlingsprøve bestemt ved hjælp af et plot af erosionsmængde versus vindhastighed. Ud over vinderosionstestene blev de behandlede prøver udsat for sandbombardement (dvs. springforsøg). To yderligere prøver blev fremstillet til dette formål med påføringsmængder på 2 og 3 L m−2. Sandbombardementstesten varede 15 minutter med en flux på 120 gm−1, hvilket er inden for det værdiområde, der blev valgt i tidligere undersøgelser60,61,62. Den vandrette afstand mellem slibedysen og klittens bund var 800 mm, placeret 100 mm over tunnelbunden. Denne position blev indstillet således, at næsten alle de springende sandpartikler faldt på klitten.
Vindtunnellesten blev udført i en åben vindtunnel med en længde på 8 m, en bredde på 0,4 m og en højde på 1 m (Figur 4a). Vindtunnelen er lavet af galvaniserede stålplader og kan generere en vindhastighed på op til 25 m/s. Derudover bruges en frekvensomformer til at justere ventilatorfrekvensen og gradvist øge frekvensen for at opnå den ønskede vindhastighed. Figur 4b viser det skematiske diagram over de vinderoderede klitter og vindhastighedsprofilen målt i vindtunnelen.
For at sammenligne resultaterne af den ikke-urealytiske MICP-formulering, der er foreslået i denne undersøgelse, med resultaterne af den urealytiske MICP-kontroltest, blev klitprøver også fremstillet og behandlet med en biologisk opløsning indeholdende urinstof, calciumchlorid og Sporosarcina pasteurii (da Sporosarcina pasteurii har en betydelig evne til at producere urease63). Den optiske densitet af bakterieopløsningen var 1,5, og koncentrationerne af urinstof og calciumchlorid var 1 M (valgt baseret på de værdier, der er anbefalet i tidligere undersøgelser36,64,65). Dyrkningsmediet bestod af næringsbouillon (8 g/L) og urinstof (20 g/L). Bakterieopløsningen blev sprøjtet på klitoverfladen og henstod i 24 timer for bakteriel binding. Efter 24 timers binding blev en cementeringsopløsning (calciumchlorid og urinstof) sprøjtet. Den urealytiske MICP-kontroltest betegnes i det følgende som UMC. Calciumcarbonatindholdet i urealytisk og ikke-urealytisk behandlede jordprøver blev bestemt ved vask i henhold til den procedure, der er foreslået af Choi et al.66
Figur 5 viser vækstkurverne for Bacillus amyloliquefaciens og Bacillus subtilis i dyrkningsmediet (næringsopløsning) med et initialt pH-interval på 5 til 10. Som vist i figuren voksede Bacillus amyloliquefaciens og Bacillus subtilis hurtigere ved henholdsvis pH 6-8 og 7-9. Derfor blev dette pH-interval anvendt i optimeringsfasen.
Vækstkurver for (a) Bacillus amyloliquefaciens og (b) Bacillus subtilis ved forskellige indledende pH-værdier i næringsmediet.
Figur 6 viser mængden af ​​kuldioxid produceret i Bernard-kalkmåleren, hvilket repræsenterer udfældet calciumcarbonat (CaCO3). Da én faktor var fastsat i hver kombination, og de andre faktorer blev varieret, svarer hvert punkt på disse grafer til det maksimale volumen af ​​kuldioxid i det pågældende sæt af eksperimenter. Som vist i figuren steg produktionen af ​​calciumcarbonat, efterhånden som koncentrationen af ​​calciumkilden steg. Derfor påvirker koncentrationen af ​​calciumkilden direkte produktionen af ​​calciumcarbonat. Da calciumkilden og kulkilden er den samme (dvs. calciumformiat og calciumacetat), jo flere calciumioner der frigives, desto mere calciumcarbonat dannes der (figur 6a). I AS- og AA-formuleringerne fortsatte calciumcarbonatproduktionen med at stige med stigende hærdningstid, indtil mængden af ​​udfældning var næsten uændret efter 9 dage. I FA-formuleringen faldt dannelseshastigheden af ​​calciumcarbonat, når hærdningstiden oversteg 6 dage. Sammenlignet med andre formuleringer viste formulering FS en relativt lav dannelseshastighed for calciumcarbonat efter 3 dage (figur 6b). I formuleringerne FA og FS blev 70 % og 87 % af den samlede calciumcarbonatproduktion opnået efter tre dage, mens denne andel i formuleringerne AA og AS kun var henholdsvis omkring 46 % og 45 %. Dette indikerer, at den myresyrebaserede formulering har en højere CaCO3-dannelseshastighed i den indledende fase sammenlignet med den acetatbaserede formulering. Dannelseshastigheden aftager dog med stigende hærdningstid. Det kan konkluderes ud fra figur 6c, at selv ved bakteriekoncentrationer over OD1 er der ikke noget signifikant bidrag til calciumcarbonatdannelse.
Ændring i CO2-volumen (og tilsvarende CaCO3-indhold) målt med Bernard-calcimeteret som funktion af (a) calciumkildekoncentration, (b) hærdningstid, (c) OD, (d) initial pH, (e) forholdet mellem calciumkilde og bakterieopløsning (for hver formulering); og (f) maksimal mængde calciumcarbonat produceret for hver kombination af calciumkilde og bakterier.
Med hensyn til effekten af ​​mediets initiale pH-værdi viser figur 6d, at CaCO3-produktionen for FA og FS nåede en maksimal værdi ved pH 7. Denne observation er i overensstemmelse med tidligere undersøgelser, der viser, at FDH-enzymer er mest stabile ved pH 7-6,7. For AA og AS steg CaCO3-udfældningen dog, når pH-værdien oversteg 7. Tidligere undersøgelser viste også, at det optimale pH-område for CoA-enzymaktivitet er fra 8 til 9,2-6,8. I betragtning af at de optimale pH-områder for CoA-enzymaktivitet og B. amyloliquefaciens-vækst er henholdsvis (8-9,2) og (6-8) (figur 5a), forventes den optimale pH for AA-formuleringen at være 8, og de to pH-områder overlapper hinanden. Dette blev bekræftet af eksperimenter, som vist i figur 6d. Da den optimale pH for B. subtilis-vækst er 7-9 (figur 5b), og den optimale pH for CoA-enzymaktivitet er 8-9,2, forventes det maksimale CaCO3-udfældningsudbytte at ligge i pH-området 8-9, hvilket bekræftes af figur 6d (dvs. den optimale udfældnings-pH er 9). Resultaterne vist i figur 6e indikerer, at det optimale forhold mellem calciumkildeopløsning og bakterieopløsning er 1 for både acetat- og formiatopløsninger. Til sammenligning blev ydeevnen af ​​forskellige formuleringer (dvs. AA, AS, FA og FS) evalueret baseret på den maksimale CaCO3-produktion under forskellige forhold (dvs. calciumkildekoncentration, hærdningstid, OD, forhold mellem calciumkilde og bakterieopløsning og initial pH). Blandt de undersøgte formuleringer havde formulering FS den højeste CaCO3-produktion, som var cirka tre gange så stor som formulering AA (figur 6f). Fire bakteriefri kontrolforsøg blev udført for begge calciumkilder, og der blev ikke observeret nogen CaCO3-udfældning efter 30 dage.
De optiske mikroskopibilleder af alle formuleringerne viste, at vaterit var den primære fase, hvori calciumcarbonat blev dannet (Figur 7). Vateritkrystallerne var sfæriske i form69,70,71. Det blev konstateret, at calciumcarbonat udfældedes på bakteriecellerne, fordi overfladen af ​​bakteriecellerne var negativt ladet og kunne fungere som et adsorbent for divalente kationer. Med formulering FS som eksempel i denne undersøgelse begyndte calciumcarbonat at blive dannet på nogle bakterieceller efter 24 timer (Figur 7a), og efter 48 timer steg antallet af bakterieceller overtrukket med calciumcarbonat betydeligt. Derudover, som vist i Figur 7b, kunne vateritpartikler også detekteres. Endelig, efter 72 timer, syntes et stort antal bakterier at være bundet af vateritkrystallerne, og antallet af vateritpartikler steg betydeligt (Figur 7c).
Optiske mikroskopiobservationer af CaCO3-udfældning i FS-sammensætninger over tid: (a) 24, (b) 48 og (c) 72 timer.
For yderligere at undersøge morfologien af ​​den udfældede fase blev der udført røntgendiffraktion (XRD) og SEM-analyser af pulverne. XRD-spektrene (fig. 8a) og SEM-mikrograferne (fig. 8b, c) bekræftede tilstedeværelsen af ​​vateritkrystaller, da de havde en salatlignende form, og der blev observeret en overensstemmelse mellem vaterittoppene og udfældningstoppene.
(a) Sammenligning af røntgendiffraktionsspektre af dannet CaCO3 og vaterit. SEM-mikrografer af vaterit ved henholdsvis (b) 1 kHz og (c) 5,27 kHz forstørrelse.
Resultaterne af vindtunneltestene er vist i figur 9a, b. Det fremgår af figur 9a, at tærskelværdien for erosion (TDV) for det ubehandlede sand er omkring 4,32 m/s. Ved en påføringsmængde på 1 l/m² (figur 9a) er hældningerne for jordtabshastighedslinjerne for fraktionerne FA, FS, AA og UMC omtrent de samme som for den ubehandlede klit. Dette indikerer, at behandlingen ved denne påføringsmængde er ineffektiv, og så snart vindhastigheden overstiger TDV, forsvinder den tynde jordskorpe, og klit-erosionshastigheden er den samme som for den ubehandlede klit. Erosionshældningen for fraktion AS er også lavere end for de andre fraktioner med lavere abscisser (dvs. TDV) (figur 9a). Pilene i figur 9b indikerer, at der ved den maksimale vindhastighed på 25 m/s ikke forekom erosion i de behandlede klitter ved påføringsmængderne på 2 og 3 l/m². Med andre ord var klitterne for FS, FA, AS og UMC mere modstandsdygtige over for vinderosion forårsaget af CaCO³-aflejring ved påføringsmængder på 2 og 3 l/m² end ved den maksimale vindhastighed (dvs. 25 m/s). TDV-værdien på 25 m/s opnået i disse tests er således den nedre grænse for påføringsmængderne vist i figur 9b, bortset fra i tilfældet med AA, hvor TDV'en næsten er lig med den maksimale vindtunnelhastighed.
Vinderosionstest (a) Vægttab versus vindhastighed (påføringsmængde 1 l/m2), (b) Tærskelværdi for afrivningshastighed versus påføringsmængde og formulering (CA for calciumacetat, CF for calciumformiat).
Figur 10 viser overfladeerosionen af ​​klitter behandlet med forskellige formuleringer og påføringsmængder efter sandbombardementstesten, og de kvantitative resultater er vist i figur 11. Det ubehandlede tilfælde er ikke vist, fordi det ikke viste nogen modstand og blev fuldstændig eroderet (totalt massetab) under sandbombardementstesten. Det fremgår tydeligt af figur 11, at prøven behandlet med biosammensætning AA mistede 83,5% af sin vægt ved en påføringsmængde på 2 l/m2, mens alle andre prøver viste mindre end 30% erosion under sandbombardementsprocessen. Da påføringsmængden blev øget til 3 l/m2, mistede alle behandlede prøver mindre end 25% af deres vægt. Ved begge påføringsmængder viste forbindelse FS den bedste modstand mod sandbombardement. Den maksimale og minimale bombardementsmodstand i de FS- og AA-behandlede prøver kan tilskrives deres maksimale og minimale CaCO3-udfældning (figur 6f).
Resultater af bombardement af klitter med forskellig sammensætning ved strømningshastigheder på 2 og 3 l/m2 (pile angiver vindretning, krydser angiver vindretning vinkelret på tegningens plan).
Som vist i figur 12 steg calciumcarbonatindholdet i alle formlerne, efterhånden som påføringsmængden steg fra 1 L/m² til 3 L/m². Derudover var formlen med det højeste calciumcarbonatindhold ved alle påføringsmængder, efterfulgt af FA og UMC. Dette tyder på, at disse formler kan have højere overfladeresistens.
Figur 13a viser ændringen i overflademodstanden for ubehandlede, kontrol- og behandlede jordprøver målt ved permeametertest. Ud fra denne figur er det tydeligt, at overflademodstanden for UMC-, AS-, FA- og FS-formuleringer steg signifikant med stigende påføringsmængde. Stigningen i overfladestyrke var dog relativt lille i AA-formuleringen. Som vist i figuren har FA- og FS-formuleringer af ikke-urea-nedbrudt MICP bedre overfladepermeabilitet sammenlignet med urinstof-nedbrudt MICP. Figur 13b viser ændringen i TDV med jordoverflademodstand. Ud fra denne figur er det tydeligt, at for klitter med en overflademodstand større end 100 kPa vil tærskelhastigheden for stripning overstige 25 m/s. Da in situ-overflademodstand let kan måles ved hjælp af permeameter, kan denne viden hjælpe med at estimere TDV i fravær af vindtunneltestning og derved tjene som en kvalitetskontrolindikator for feltanvendelser.
SEM-resultaterne er vist i figur 14. Figur 14a-b viser de forstørrede partikler af den ubehandlede jordprøve, hvilket tydeligt indikerer, at den er kohæsiv og ikke har nogen naturlig binding eller cementering. Figur 14c viser SEM-mikrografen af ​​kontrolprøven behandlet med urinstof-nedbrudt MICP. Dette billede viser tilstedeværelsen af ​​CaCO3-udfældninger som calcitpolymorfer. Som vist i figur 14d-o binder den udfældede CaCO3 partiklerne sammen; sfæriske vateritkrystaller kan også identificeres i SEM-mikrograferne. Resultaterne af denne undersøgelse og tidligere undersøgelser indikerer, at CaCO3-bindingerne dannet som vateritpolymorfer også kan give en rimelig mekanisk styrke; vores resultater viser, at overflademodstanden stiger til 350 kPa, og tærskelværdien for separationshastigheden stiger fra 4,32 til mere end 25 m/s. Dette resultat er i overensstemmelse med resultaterne fra tidligere undersøgelser, der viser, at matrixen af ​​MICP-udfældet CaCO3 er vaterit, som har en rimelig mekanisk styrke og vinderosionsbestandighed13,40 og kan opretholde en rimelig vinderosionsbestandighed selv efter 180 dages eksponering for feltmiljøforhold13.
(a, b) SEM-mikrografer af ubehandlet jord, (c) MICP urinstofnedbrydningskontrol, (df) AA-behandlede prøver, (gi) AS-behandlede prøver, (jl) FA-behandlede prøver og (mo) FS-behandlede prøver ved en påføringsmængde på 3 L/m2 ved forskellige forstørrelser.
Figur 14d-f viser, at der efter behandling med AA-forbindelser blev udfældet calciumcarbonat på overfladen og mellem sandkornene, mens der også blev observeret nogle ubelagte sandkorn. For AS-komponenter steg mængden af ​​dannet CaCO3 ikke signifikant (fig. 6f), men mængden af ​​kontakter mellem sandkorn forårsaget af CaCO3 steg signifikant sammenlignet med AA-forbindelser (fig. 14g-i).
Fra figur 14j-l og 14m-o fremgår det tydeligt, at brugen af ​​calciumformiat som calciumkilde fører til en yderligere stigning i CaCO3-udfældning sammenlignet med AS-forbindelsen, hvilket stemmer overens med calciummålermålingerne i figur 6f. Denne ekstra CaCO3 synes primært at være aflejret på sandpartiklerne og forbedrer ikke nødvendigvis kontaktkvaliteten. Dette bekræfter den tidligere observerede adfærd: på trods af forskellene i mængden af ​​CaCO3-udfældning (figur 6f) adskiller de tre formuleringer (AS, FA og FS) sig ikke signifikant med hensyn til anti-eolisk (vind) ydeevne (figur 11) og overflademodstand (figur 13a).
For bedre at visualisere de CaCO3-belagte bakterieceller og det bakterielle aftryk på de udfældede krystaller blev der taget SEM-mikrografer med høj forstørrelse, og resultaterne er vist i figur 15. Som vist udfældes calciumcarbonat på bakteriecellerne og leverer de kerner, der kræves til udfældningen der. Figuren viser også de aktive og inaktive bindinger induceret af CaCO3. Det kan konkluderes, at enhver stigning i inaktive bindinger ikke nødvendigvis fører til yderligere forbedring af den mekaniske adfærd. Derfor fører øget CaCO3-udfældning ikke nødvendigvis til højere mekanisk styrke, og udfældningsmønsteret spiller en vigtig rolle. Dette punkt er også blevet undersøgt i Terzis og Laloui72 og Soghi og Al-Kabani45,73. For yderligere at undersøge forholdet mellem udfældningsmønster og mekanisk styrke anbefales MICP-studier ved hjælp af µCT-billeddannelse, hvilket ligger uden for denne undersøgelses rammer (dvs. introduktion af forskellige kombinationer af calciumkilde og bakterier til ammoniakfri MICP).
CaCO3 inducerede aktive og inaktive bindinger i prøver behandlet med (a) AS-sammensætning og (b) FS-sammensætning og efterlod et aftryk af bakterieceller på sedimentet.
Som vist i figur 14j-o og 15b er der en CaCO₂-film (ifølge EDX-analyse er den procentvise sammensætning af hvert element i filmen kulstof 11%, ilt 46,62% og calcium 42,39%, hvilket er meget tæt på procentdelen af ​​CaCO₂ i figur 16). Denne film dækker vateritkrystallerne og jordpartiklerne og hjælper med at opretholde jord-sediment-systemets integritet. Tilstedeværelsen af ​​denne film blev kun observeret i de prøver, der blev behandlet med den formiatbaserede formulering.
Tabel 2 sammenligner overfladestyrken, tærskelværdien for løsrivelseshastighed og det bioinducerede CaCO3-indhold i jord behandlet med urinstofnedbrydende og ikke-urinstofnedbrydende MICP-veje i tidligere undersøgelser og denne undersøgelse. Undersøgelser af vinderosionsresistensen af ​​MICP-behandlede klitprøver er begrænsede. Meng et al. undersøgte vinderosionsresistensen af ​​MICP-behandlede urinstofnedbrydende klitprøver ved hjælp af en løvblæser,13 hvorimod ikke-urinstofnedbrydende klitprøver (samt urinstofnedbrydende kontroller) i denne undersøgelse blev testet i en vindtunnel og behandlet med fire forskellige kombinationer af bakterier og stoffer.
Som det kan ses, har nogle tidligere undersøgelser overvejet høje anvendelsesrater på over 4 L/m²13,41,74. Det er værd at bemærke, at høje anvendelsesrater muligvis ikke er let anvendelige i marken fra et økonomisk synspunkt på grund af omkostningerne forbundet med vandforsyning, transport og anvendelse af store mængder vand. Lavere anvendelsesrater, såsom 1,62-2 L/m², opnåede også ret gode overfladestyrker på op til 190 kPa og en TDV på over 25 m/s. I den foreliggende undersøgelse opnåede klitter behandlet med formiatbaseret MICP uden urinnedbrydning høje overfladestyrker, der var sammenlignelige med dem, der blev opnået med urinstofnedbrydningsvejen i samme interval af anvendelsesrater (dvs. prøver behandlet med formiatbaseret MICP uden urinnedbrydning var også i stand til at opnå det samme interval af overfladestyrkeværdier som rapporteret af Meng et al., 13, figur 13a) ved højere anvendelsesrater. Det kan også ses, at ved en påføringshastighed på 2 L/m2 var udbyttet af calciumcarbonat til afbødning af vinderosion ved en vindhastighed på 25 m/s 2,25% for den formiatbaserede MICP uden urinstofnedbrydning, hvilket er meget tæt på den nødvendige mængde CaCO3 (dvs. 2,41%) sammenlignet med klitter behandlet med kontrol-MICP med urinstofnedbrydning ved samme påføringshastighed og samme vindhastighed (25 m/s).
Det kan således konkluderes ud fra denne tabel, at både urinstofnedbrydningsvejen og den urinstoffri nedbrydningsvej kan give en ret acceptabel ydeevne med hensyn til overfladeresistens og TDV. Hovedforskellen er, at den urinstoffri nedbrydningsvej ikke indeholder ammoniak og derfor har en lavere miljøpåvirkning. Derudover synes den formiatbaserede MICP-metode uden urinnedbrydning, der foreslås i denne undersøgelse, at klare sig bedre end den acetatbaserede MICP-metode uden urinnedbrydning. Selvom Mohebbi et al. undersøgte den acetatbaserede MICP-metode uden urinnedbrydning, omfattede deres undersøgelse prøver på flade overflader9. På grund af den højere grad af erosion forårsaget af hvirveldannelse omkring klitprøverne og den resulterende forskydning, hvilket resulterer i en lavere TDV, forventes vinderosionen af ​​klitprøverne at være mere tydelig end på flade overflader ved samme hastighed.