Dankon pro via vizito al nature.com. La retumilversio, kiun vi uzas, havas limigitan subtenon por CSS. Por la plej bona sperto, ni rekomendas, ke vi uzu la plej novan retumilversion (aŭ malŝaltu kongruecan reĝimon en Internet Explorer). Plie, por certigi daŭran subtenon, ĉi tiu retejo ne inkluzivos stilojn aŭ JavaScript.
Polvoŝtormoj prezentas gravan minacon al multaj landoj tra la mondo pro sia detrua efiko sur agrikulturon, homan sanon, transportretojn kaj infrastrukturon. Rezulte, venta erozio estas konsiderata tutmonda problemo. Unu el la ekologie amikaj aliroj por limigi ventan erozion estas la uzo de mikrobe induktita karbonata precipitaĵo (MICP). Tamen, la kromproduktoj de ureo-degradado-bazita MICP, kiel ekzemple amoniako, ne estas idealaj kiam produktitaj en grandaj kvantoj. Ĉi tiu studo prezentas du formuliĝojn de kalciaj formiataj bakterioj por la degradiĝo de MICP sen produktado de ureo kaj amplekse komparas ilian efikecon kun du formuloj de ne-amoniako-produktantaj kalciacetataj bakterioj. La konsiderataj bakterioj estas Bacillus subtilis kaj Bacillus amyloliquefaciens. Unue, la optimumigitaj valoroj de la faktoroj kontrolantaj CaCO3-formadon estis determinitaj. Ventotunelaj testoj estis poste faritaj sur sablodunaj specimenoj traktitaj per la optimumigitaj formuloj, kaj venta eroziorezisto, nudsojla rapido kaj sablobombada rezisto estis mezuritaj. Kalcia karbonato (CaCO3) alomorfoj estis taksitaj per optika mikroskopio, skana elektrona mikroskopio (SEM), kaj rentgen-difrakta analizo. Kalcia formiato-bazitaj formuloj funkciis signife pli bone ol acetato-bazitaj formuloj rilate al kalcia karbonata formado. Krome, B. subtilis produktis pli da kalcia karbonato ol B. amyloliquefaciens. SEM-mikrografoj klare montris la ligadon kaj premsignon de aktivaj kaj neaktivaj bakterioj sur kalcia karbonato kaŭzitan de sedimentado. Ĉiuj formuloj signife reduktis ventan erozion.
Venta erozio delonge estas agnoskita kiel grava problemo, kiu alfrontas aridajn kaj duonaridajn regionojn kiel sudokcidenta Usono, okcidenta Ĉinio, sahara Afriko kaj granda parto de la Proksima Oriento1. Malalta pluvokvanto en aridaj kaj hiperaridaj klimatoj transformis grandajn partojn de ĉi tiuj regionoj en dezertojn, sablodunojn kaj nekultivatajn terojn. Daŭra venta erozio prezentas mediajn minacojn al infrastrukturo kiel transportretoj, agrikultura tero kaj industria tero, kondukante al malbonaj vivkondiĉoj kaj altaj kostoj de urba disvolviĝo en ĉi tiuj regionoj2,3,4. Grave, venta erozio ne nur efikas la lokon, kie ĝi okazas, sed ankaŭ kaŭzas sanajn kaj ekonomiajn problemojn en malproksimaj komunumoj, ĉar ĝi transportas partiklojn per vento al areoj malproksimaj de la fonto5,6.
Kontrolo de venta erozio restas tutmonda problemo. Diversaj metodoj de grundostabiligo estas uzataj por kontroli ventan erozion. Ĉi tiuj metodoj inkluzivas materialojn kiel akvapliko7, oleaj humoj8, biopolimeroj5, mikrobe induktita karbonata precipitaĵo (MICP)9,10,11,12 kaj enzime induktita karbonata precipitaĵo (EICP)1. Grundmalsekigo estas norma metodo de polvosubpremado en la kampo. Tamen, ĝia rapida vaporiĝo faras ĉi tiun metodon de limigita efikeco en aridaj kaj duonaridaj regionoj1. La apliko de oleaj humaj komponaĵoj pliigas sablokohezion kaj interpartiklan frotadon. Ilia kohezia eco ligas sablokrenojn kune; tamen, oleaj humoj ankaŭ prezentas aliajn problemojn; ilia malhela koloro pliigas varmosorbadon kaj kondukas al la morto de plantoj kaj mikroorganismoj. Ilia odoro kaj vaporoj povas kaŭzi spirajn problemojn, kaj plej rimarkinde, ilia alta kosto estas alia obstaklo. Biopolimeroj estas unu el la ĵus proponitaj ekologiemaj metodoj por mildigi ventan erozion; ili estas ekstraktitaj el naturaj fontoj kiel plantoj, bestoj kaj bakterioj. Ksantana gumo, guara gumo, kitosano kaj gellana gumo estas la plej ofte uzataj biopolimeroj en inĝenieraj aplikoj5. Tamen, akvosolveblaj biopolimeroj povas perdi forton kaj lesivi el grundo kiam eksponitaj al akvo13,14. EICP montriĝis efika metodo por subpremi polvon por diversaj aplikoj, inkluzive de nepavimentaj vojoj, minrestaĵlagetoj kaj konstruejoj. Kvankam ĝiaj rezultoj estas kuraĝigaj, kelkaj eblaj malavantaĝoj devas esti konsiderataj, kiel ekzemple kosto kaj la manko de nukleaj lokoj (kiu akcelas la formadon kaj precipitaĵon de CaCO3-kristaloj15,16).
MICP unue estis priskribita fine de la 19-a jarcento fare de Murray kaj Irwin (1890) kaj Steinmann (1901) en ilia studo pri ureodegradado fare de maraj mikroorganismoj17. MICP estas nature okazanta biologia procezo implikanta diversajn mikrobajn agadojn kaj kemiajn procezojn, en kiuj kalcia karbonato estas precipitigita per la reakcio de karbonataj jonoj de mikrobaj metabolitoj kun kalciaj jonoj en la medio18,19. MICP implikanta la ureo-degradantan nitrogenan ciklon (ureo-degradanta MICP) estas la plej ofta tipo de mikrob-induktita karbonata precipitado, en kiu ureo produktita de bakterioj katalizas la hidrolizon de ureo20,21,22,23,24,25,26,27 jene:
En MICP implikanta la karbonan ciklon de organika saloksidado (MICP sen ureodegrada tipo), heterotrofaj bakterioj uzas organikajn salojn kiel acetato, laktato, citrato, sukcinato, oksalato, malato kaj glioksilato kiel energifontojn por produkti karbonatajn mineralojn28. Ĉeestante kalcian laktaton kiel karbonan fonton kaj kalciajn jonojn, la kemia reakcio de kalcia karbonata formado estas montrita en ekvacio (5).
En la MICP-procezo, bakteriaj ĉeloj provizas nukleajn lokojn, kiuj estas aparte gravaj por la precipitaĵo de kalcia karbonato; la bakteria ĉelsurfaco estas negative ŝargita kaj povas agi kiel adsorbanto por duvalentaj katjonoj kiel ekzemple kalciaj jonoj. Adsorbante kalciajn jonojn sur bakteriajn ĉelojn, kiam la karbonata jona koncentriĝo estas sufiĉa, kalciaj katjonoj kaj karbonataj anjonoj reagas kaj kalcia karbonato precipitas sur la bakteria surfaco29,30. La procezo povas esti resumita jene31,32:
Biogeneritaj kalciaj karbonataj kristaloj povas esti dividitaj en tri tipojn: kalcito, vaterito, kaj aragonito. Inter ili, kalcito kaj vaterito estas la plej oftaj bakterie induktitaj kalciaj karbonataj alomorfoj33,34. Kalcito estas la plej termodinamike stabila kalcia karbonata alomorfo35. Kvankam vaterito estas raportita kiel metastabila, ĝi poste transformiĝas en kalciton36,37. Vaterito estas la plej densa el ĉi tiuj kristaloj. Ĝi estas seslatera kristalo, kiu havas pli bonan porplenigan kapablon ol aliaj kalciaj karbonataj kristaloj pro sia pli granda grandeco38. Kaj ureo-degradita kaj ureo-nedegradita MICP povas konduki al la precipitaĵo de vaterito13,39,40,41.
Kvankam MICP montris promesplenan potencialon en stabiligado de problemaj grundoj kaj grundoj sentemaj al venta erozio42,43,44,45,46,47,48, unu el la kromproduktoj de ureohidrolizo estas amoniako, kiu povas kaŭzi mildajn ĝis severajn sanproblemojn depende de la nivelo de eksponiĝo49. Ĉi tiu kromefiko igas la uzon de ĉi tiu aparta teknologio kontestata, precipe kiam grandaj areoj bezonas esti traktitaj, ekzemple por polvosubpremado. Krome, la odoro de amoniako estas netolerebla kiam la procezo estas efektivigita je altaj aplikaj rapidecoj kaj grandaj volumoj, kio povas influi ĝian praktikan aplikeblecon. Kvankam lastatempaj studoj montris, ke amoniaj jonoj povas esti reduktitaj per konvertado en aliajn produktojn kiel ekzemple struvito, ĉi tiuj metodoj ne tute forigas amoniajn jonojn50. Tial, ankoraŭ necesas esplori alternativajn solvojn, kiuj ne generas amoniajn jonojn. La uzo de ne-ureaj degradaj vojoj por MICP povas provizi eblan solvon, kiu estis malbone esplorita en la kunteksto de venta erozio-mildigo. Fattahi et al. esploris ure-liberan MICP-degradadon uzante kalcian acetaton kaj Bacillus megaterium41, dum Mohebbi et al. uzis kalcian acetaton kaj Bacillus amyloliquefaciens9. Tamen, ilia studo ne estis komparita kun aliaj kalciaj fontoj kaj heterotrofaj bakterioj, kiuj povus finfine plibonigi la reziston al venta erozio. Ankaŭ mankas literaturo komparanta ure-liberajn degradiĝajn vojojn kun ureaj degradiĝaj vojoj en mildigo de venta erozio.
Krome, la plej multaj studoj pri venta erozio kaj polvokontrolo estis faritaj sur grundospecimenoj kun ebenaj surfacoj.1,51,52,53 Tamen, ebenaj surfacoj estas malpli oftaj en la naturo ol montetoj kaj depresioj. Tial sablodunoj estas la plej ofta pejzaĝa trajto en dezertaj regionoj.
Por superi la supre menciitajn mankojn, ĉi tiu studo celis enkonduki novan aron de ne-amoniaj produktantaj bakteriaj agentoj. Por ĉi tiu celo, ni konsideris ne-ureo-degradantajn MICP-vojojn. La efikeco de du kalciaj fontoj (kalcia formiato kaj kalcia acetato) estis esplorita. Laŭ la scio de la aŭtoroj, karbonata precipitaĵo uzante du kalciajn fontojn kaj bakteriajn kombinaĵojn (t.e., kalcia formiato-Bacillus subtilis kaj kalcia formiato-Bacillus amyloliquefaciens) ne estis esplorita en antaŭaj studoj. La elekto de ĉi tiuj bakterioj baziĝis sur la enzimoj, kiujn ili produktas kaj kiuj katalizas la oksidadon de kalcia formiato kaj kalcia acetato por formi mikroban karbonatan precipitaĵon. Ni desegnis detalan eksperimentan studon por trovi la optimumajn faktorojn kiel pH, specojn de bakterioj kaj kalciaj fontoj kaj iliajn koncentriĝojn, la rilatumon de bakterioj al kalcia fonta solvaĵo kaj la kuradtempon. Fine, la efikeco de ĉi tiu aro de bakteriaj agentoj en subpremado de venta erozio per kalcia karbonata precipitaĵo estis esplorita per serio de ventotunelaj testoj sur sablodunoj por determini la magnitudon de venta erozio, sojlan disrompiĝan rapidon kaj ventobombadan reziston de la sablo, kaj penetrometraj mezuradoj kaj mikrostrukturaj studoj (ekz. rentgen-difrakta (XRD) analizo kaj skana elektrona mikroskopio (SEM)) ankaŭ estis faritaj.
Kalcia karbonato-produktado postulas kalciajn jonojn kaj karbonatajn jonojn. Kalciaj jonoj povas esti akiritaj el diversaj kalciaj fontoj kiel kalcia klorido, kalcia hidroksido kaj senkremigita laktopulvoro54,55. Karbonataj jonoj povas esti produktitaj per diversaj mikrobaj metodoj kiel ureohidrolizo kaj aeroba aŭ malaeroba oksidado de organika materio56. En ĉi tiu studo, karbonataj jonoj estis akiritaj el la oksida reakcio de formiato kaj acetato. Krome, ni uzis kalciajn salojn de formiato kaj acetato por produkti puran kalcian karbonaton, tiel nur CO2 kaj H2O estis akiritaj kiel kromproduktoj. En ĉi tiu procezo, nur unu substanco servas kiel kalcia fonto kaj karbonata fonto, kaj neniu amoniako estas produktita. Ĉi tiuj karakterizaĵoj igas la kalcian fonton kaj karbonatan produktadmetodon, kiun ni konsideris tre promesplena.
La respondaj reakcioj de kalcia formiato kaj kalcia acetato por formi kalcian karbonaton estas montritaj en formuloj (7)-(14). Formuloj (7)-(11) montras, ke kalcia formiato dissolviĝas en akvo por formi formikan acidon aŭ formiaton. La solvaĵo estas do fonto de liberaj kalciaj kaj hidroksidaj jonoj (formuloj 8 kaj 9). Kiel rezulto de la oksidiĝo de formika acido, la karbonatomoj en formika acido konvertiĝas al karbondioksido (formulo 10). Kalcia karbonato finfine formiĝas (formuloj 11 kaj 12).
Simile, kalcia karbonato formiĝas el kalcia acetato (ekvacioj 13–15), escepte ke acetata acido aŭ acetato formiĝas anstataŭ formika acido.
Sen la ĉeesto de enzimoj, acetato kaj formiato ne povas esti oksidigitaj je ĉambra temperaturo. FDH (formata dehidrogenazo) kaj CoA (koenzimo A) katalizas la oksidiĝon de formiato kaj acetato por formi karbondioksidon, respektive (Ekvacioj 16, 17) 57, 58, 59. Diversaj bakterioj kapablas produkti ĉi tiujn enzimojn, kaj heterotrofaj bakterioj, nome Bacillus subtilis (PTCC #1204 (Persa Tipa Kulturkolekto), ankaŭ konata kiel NCIMB #13061 (Internacia Kolekto de Bakterioj, Gisto, Fago, Plasmidoj, Plantsemoj kaj Plantĉelaj Histokulturoj)) kaj Bacillus amyloliquefaciens (PTCC #1732, NCIMB #12077), estis uzitaj en ĉi tiu studo. Ĉi tiuj bakterioj estis kultivitaj en medio enhavanta viandan peptonon (5 g/L) kaj viandan ekstrakton (3 g/L), nomata nutra buljono (NBR) (105443 Merck).
Tiel, kvar formuliĝoj estis preparitaj por indukti kalcian karbonatan precipitaĵon uzante du kalciajn fontojn kaj du bakteriojn: kalcia formiato kaj Bacillus subtilis (FS), kalcia formiato kaj Bacillus amyloliquefaciens (FA), kalcia acetato kaj Bacillus subtilis (AS), kaj kalcia acetato kaj Bacillus amyloliquefaciens (AA).
En la unua parto de la eksperimenta dezajno, testoj estis faritaj por determini la optimuman kombinaĵon, kiu atingus maksimuman produktadon de kalcia karbonato. Ĉar la grundospecimenoj enhavis kalcian karbonaton, aro da preparaj taksadotestoj estis desegnita por precize mezuri la CaCO3 produktitan de la malsamaj kombinaĵoj, kaj miksaĵoj de kulturmedio kaj kalciaj fontsolvaĵoj estis taksitaj. Por ĉiu kombinaĵo de kalcia fonto kaj bakteria solvaĵo difinita supre (FS, FA, AS, kaj AA), optimumigaj faktoroj (kalcia fontkoncentriĝo, hardadotempo, bakteria solvaĵokoncentriĝo mezurita per optika denseco de la solvaĵo (OD), rilatumo inter kalcia fonto kaj bakteria solvaĵo, kaj pH) estis derivitaj kaj uzitaj en la ventotuneltestoj pri sabloduna traktado priskribitaj en la sekvaj sekcioj.
Por ĉiu kombinaĵo, 150 eksperimentoj estis faritaj por studi la efikon de CaCO3-precipitaĵo kaj taksi diversajn faktorojn, nome koncentriĝon de kalcia fonto, kuradtempon, bakterian OD-valoron, proporcion de kalcia fonto al bakteria solvaĵo kaj pH dum aeroba oksidado de organika materio (Tabelo 1). La pH-intervalo por la optimumigita procezo estis elektita surbaze de la kreskokurboj de Bacillus subtilis kaj Bacillus amyloliquefaciens por atingi pli rapidan kreskon. Ĉi tio estas klarigita pli detale en la sekcio Rezultoj.
La jenaj paŝoj estis uzitaj por prepari la specimenojn por la optimumiga fazo. La MICP-solvaĵo unue estis preparita per alĝustigo de la komenca pH de la kulturmedio kaj poste aŭtoklavita je 121 °C dum 15 minutoj. La trostreĉo estis poste inokulita en lamena aerfluo kaj konservita en skuanta inkubatoro je 30 °C kaj 180 rpm. Post kiam la OD de la bakterioj atingis la deziratan nivelon, ĝi estis miksita kun la kalcia fontsolvaĵo en la dezirata proporcio (Figuro 1a). La MICP-solvaĵo estis permesita reagi kaj solidiĝi en skuanta inkubatoro je 220 rpm kaj 30 °C dum tempo kiu atingis la celan valoron. La precipitita CaCO3 estis apartigita post centrifugado je 6000 g dum 5 minutoj kaj poste sekigita je 40 °C por prepari la specimenojn por la kalcimetra testo (Figuro 1b). La precipitaĵo de CaCO3 estis poste mezurita per Bernard-kalcimetro, kie CaCO3-pulvoro reagas kun 1.0 N HCl (ASTM-D4373-02) por produkti CO2, kaj la volumeno de ĉi tiu gaso estas mezuro de la CaCO3-enhavo (Figuro 1c). Por konverti la volumenon de CO2 al CaCO3-enhavo, kalibra kurbo estis generita per lavado de pura CaCO3-pulvoro per 1 N HCl kaj grafikaĵo kontraŭ la evoluinta CO2. La morfologio kaj pureco de la precipitaĵita CaCO3-pulvoro estis esploritaj per SEM-bildigo kaj XRD-analizo. Optika mikroskopo kun pligrandigo de 1000 estis uzata por studi la formiĝon de kalcia karbonato ĉirkaŭ la bakterioj, la fazon de la formita kalcia karbonato, kaj la aktivecon de la bakterioj.
La Dejegh-baseno estas konata tre eroziita regiono en la sudokcidenta provinco Fars de Irano, kaj la esploristoj kolektis vento-eroziitajn grundospecimenojn de la areo. La specimenoj estis prenitaj de la grundsurfaco por la studo. Indikiloj sur la grundospecimenoj montris, ke la grundo estis malbone ordigita sabla grundo kun silto kaj estis klasifikita kiel SP-SM laŭ la Unuigita Grundklasifika Sistemo (USC) (Figuro 2a). XRD-analizo montris, ke la Dejegh-grundo konsistis ĉefe el kalcito kaj kvarco (Figuro 2b). Krome, EDX-analizo montris, ke aliaj elementoj kiel Al, K kaj Fe ankaŭ ĉeestis en pli malgrandaj proporcioj.
Por prepari la laboratoriajn dunojn por testado pri venta erozio, la grundo estis dispremita de alto de 170 mm tra funelo kun diametro de 10 mm al firma surfaco, rezultante en tipa duno de 60 mm alta kaj 210 mm en diametro. En la naturo, la plej maldensaj sablodunoj formiĝas per eoliaj procezoj. Simile, la specimeno preparita per la supra proceduro havis la plej malaltan relativan densecon, γ = 14.14 kN/m³, formante sablokonuson deponitan sur horizontala surfaco kun ripozangulo de proksimume 29.7°.
La optimuma MICP-solvaĵo akirita en la antaŭa sekcio estis ŝprucita sur la dundeklivon je aplikaj kvantoj de 1, 2 kaj 3 lm-2 kaj poste la specimenoj estis konservitaj en inkubatoro je 30 °C (Fig. 3) dum 9 tagoj (t.e., la optimuma hardadotempo) kaj poste prenitaj por ventotunela testado.
Por ĉiu traktado, kvar specimenoj estis preparitaj, unu por mezuri la enhavon de kalcia karbonato kaj surfacan forton uzante penetrometron, kaj la ceteraj tri specimenoj estis uzitaj por eroziaj testoj je tri malsamaj rapidoj. En la ventotunelaj testoj, la kvanto de erozio estis determinita je malsamaj ventrapidoj, kaj poste la sojla disrompiĝa rapido por ĉiu traktata specimeno estis determinita uzante grafikaĵon de erozia kvanto kontraŭ ventrapido. Aldone al la ventaj eroziaj testoj, la traktitaj specimenoj estis submetitaj al sablobombardado (t.e., saltaj eksperimentoj). Du pliaj specimenoj estis preparitaj por ĉi tiu celo je aplikaj rapidoj de 2 kaj 3 L m−2. La sablobombarda testo daŭris 15 minutojn kun fluo de 120 gm−1, kiu estas ene de la intervalo de valoroj elektitaj en antaŭaj studoj60,61,62. La horizontala distanco inter la abrazia ajuto kaj la duna bazo estis 800 mm, situanta 100 mm super la tunelfundo. Ĉi tiu pozicio estis agordita tiel, ke preskaŭ ĉiuj saltaj sablopartikloj falis sur la dunon.
La ventotunela testo estis farita en malferma ventotunelo kun longo de 8 m, larĝo de 0.4 m kaj alto de 1 m (Figuro 4a). La ventotunelo estas farita el galvanizitaj ŝtalaj platoj kaj povas generi ventrapidecon ĝis 25 m/s. Krome, frekvenckonvertilo estas uzata por ĝustigi la ventumilfrekvencon kaj iom post iom pliigi la frekvencon por atingi la celan ventrapidecon. Figuro 4b montras la skeman diagramon de la sablodunoj eroziitaj de vento kaj la ventrapidan profilon mezuritan en la ventotunelo.
Fine, por kompari la rezultojn de la ne-ureliza MICP-formulo proponita en ĉi tiu studo kun la rezultoj de la ureliza MICP-kontroltesto, dunaj specimenoj ankaŭ estis preparitaj kaj traktitaj per biologia solvaĵo enhavanta ureon, kalcian kloridon kaj Sporosarcina pasteurii (ĉar Sporosarcina pasteurii havas signifan kapablon produkti ureazon63). La optika denseco de la bakteria solvaĵo estis 1.5, kaj la koncentriĝoj de ureo kaj kalcia klorido estis 1 M (elektitaj surbaze de la valoroj rekomenditaj en antaŭaj studoj36,64,65). La kulturmedio konsistis el nutra buljono (8 g/L) kaj ureo (20 g/L). La bakteria solvaĵo estis ŝprucita sur la dunan surfacon kaj lasita dum 24 horoj por bakteria alligo. Post 24 horoj da alligo, cementa solvaĵo (kalcia klorido kaj ureo) estis ŝprucita. La ureliza MICP-kontroltesto estas ĉi-poste nomata UMC. La enhavo de kalcia karbonato de ureanalize kaj neureanalize traktitaj grundoprovaĵoj estis akirita per lavado laŭ la proceduro proponita de Choi et al.66
Figuro 5 montras la kreskokurbojn de *Bacillus amyloliquefaciens* kaj *Bacillus subtilis* en la kulturmedio (nutra solvaĵo) kun komenca pH-intervalo de 5 ĝis 10. Kiel montrite en la figuro, *Bacillus amyloliquefaciens* kaj *Bacillus subtilis* kreskis pli rapide je pH 6-8 kaj 7-9, respektive. Tial, ĉi tiu pH-intervalo estis adoptita en la optimumiga stadio.
Kreskokurboj de (a) Bacillus amyloliquefaciens kaj (b) Bacillus subtilis ĉe malsamaj komencaj pH-valoroj de la nutra medio.
Figuro 6 montras la kvanton de karbondioksido produktita en la kalkmezurilo Bernard, kiu reprezentas precipititan kalcian karbonaton (CaCO3). Ĉar unu faktoro estis fiksita en ĉiu kombinaĵo kaj la aliaj faktoroj estis variigitaj, ĉiu punkto sur ĉi tiuj grafikaĵoj respondas al la maksimuma volumeno de karbondioksido en tiu aro da eksperimentoj. Kiel montrite en la figuro, kiam la koncentriĝo de la kalcia fonto pliiĝis, la produktado de kalcia karbonato pliiĝis. Tial, la koncentriĝo de la kalcia fonto rekte influas la produktadon de kalcia karbonato. Ĉar la kalcia fonto kaj la karbonfonto estas la samaj (t.e., kalcia formiato kaj kalcia acetato), ju pli da kalciaj jonoj estas liberigitaj, des pli da kalcia karbonato formiĝas (Figuro 6a). En la AS kaj AA formuloj, la produktado de kalcia karbonato daŭre pliiĝis kun kreskanta hardadotempo ĝis la kvanto de precipitaĵo estis preskaŭ senŝanĝa post 9 tagoj. En la FA formulo, la rapido de kalcia karbonata formiĝo malpliiĝis kiam la hardadotempo superis 6 tagojn. Kompare kun aliaj formuloj, la formulo FS montris relative malaltan rapidon de kalcia karbonata formiĝopost 3 tagoj (Figuro 6b). En la formuloj FA kaj FS, 70% kaj 87% de la tuta produktado de kalcia karbonato estis atingita post tri tagoj, dum en la formuloj AA kaj AS, ĉi tiu proporcio estis nur ĉirkaŭ 46% kaj 45%, respektive. Ĉi tio indikas, ke la formulo bazita sur formika acido havas pli altan formiĝrapidecon de CaCO3 en la komenca stadio kompare kun la formulo bazita sur acetato. Tamen, la formiĝrapideco malrapidiĝas kun kreskanta hardadotempo. El Figuro 6c oni povas konkludi, ke eĉ ĉe bakteriaj koncentriĝoj super OD1, ne estas signifa kontribuo al la formado de kalcia karbonato.
Ŝanĝo en CO2-volumeno (kaj koresponda CaCO3-enhavo) mezurita per la Bernard-kalcimetro kiel funkcio de (a) koncentriĝo de kalcia fonto, (b) solidiĝotempo, (c) densigtempo, (d) komenca pH, (e) rilatumo de kalcia fonto al bakteria solvaĵo (por ĉiu formulo); kaj (f) maksimuma kvanto de kalcia karbonato produktita por ĉiu kombinaĵo de kalcia fonto kaj bakterioj.
Rilate al la efiko de la komenca pH de la medio, Figuro 6d montras, ke por FA kaj FS, la CaCO3-produktado atingis maksimuman valoron je pH 7. Ĉi tiu observado kongruas kun antaŭaj studoj, ke FDH-enzimoj estas plej stabilaj je pH 7-6.7. Tamen, por AA kaj AS, la CaCO3-precipitaĵo pliiĝis kiam la pH superis 7. Antaŭaj studoj ankaŭ montris, ke la optimuma pH-intervalo por CoA-enzima aktiveco estas de 8 ĝis 9.2-6.8. Konsiderante, ke la optimumaj pH-intervaloj por CoA-enzima aktiveco kaj B. amyloliquefaciens-kresko estas (8-9.2) kaj (6-8), respektive (Figuro 5a), la optimuma pH de AA-formulo estas atendata esti 8, kaj la du pH-intervaloj interkovriĝas. Ĉi tiu fakto estis konfirmita per eksperimentoj, kiel montrite en Figuro 6d. Ĉar la optimuma pH por kresko de B. subtilis estas 7-9 (Figuro 5b) kaj la optimuma pH por CoA-enzima aktiveco estas 8-9.2, la maksimuma CaCO3-precipitaĵa rendimento estas atendata esti en la pH-intervalo de 8-9, kion konfirmas Figuro 6d (t.e., la optimuma precipitaĵa pH estas 9). La rezultoj montritaj en Figuro 6e indikas, ke la optimuma proporcio de kalcia fonta solvaĵo al bakteria solvaĵo estas 1 por kaj acetataj kaj formiataj solvaĵoj. Por komparo, la agado de malsamaj formuloj (t.e., AA, AS, FA, kaj FS) estis taksita surbaze de la maksimuma CaCO3-produktado sub malsamaj kondiĉoj (t.e., kalcia fonta koncentriĝo, hardadotempo, OD, proporcio de kalcia fonto al bakteria solvaĵo, kaj komenca pH). Inter la studitaj formuloj, formulo FS havis la plej altan CaCO3-produktadon, kiu estis proksimume trioble pli alta ol formulo AA (Figuro 6f). Kvar bakteri-liberaj kontroleksperimentoj estis faritaj por ambaŭ kalciaj fontoj kaj neniu CaCO3-precipitaĵo estis observita post 30 tagoj.
La bildoj per optika mikroskopio de ĉiuj formuloj montris, ke vaterito estis la ĉefa fazo en kiu kalcia karbonato formiĝis (Figuro 7). La vateritaj kristaloj estis sferaj laŭ formo69,70,71. Oni trovis, ke kalcia karbonato precipitis sur la bakteriaj ĉeloj, ĉar la surfaco de la bakteriaj ĉeloj estis negative ŝargita kaj povis agi kiel adsorbilo por duvalentaj katjonoj. Prenante formulon FS kiel ekzemplon en ĉi tiu studo, post 24 horoj, kalcia karbonato komencis formiĝi sur iuj bakteriaj ĉeloj (Figuro 7a), kaj post 48 horoj, la nombro da bakteriaj ĉeloj kovritaj per kalcia karbonato signife pliiĝis. Krome, kiel montrite en Figuro 7b, vateritaj partikloj ankaŭ povus esti detektitaj. Fine, post 72 horoj, granda nombro da bakterioj ŝajnis esti ligitaj de la vateritaj kristaloj, kaj la nombro da vateritaj partikloj signife pliiĝis (Figuro 7c).
Observaĵoj per optika mikroskopio de CaCO3-precipitaĵo en FS-konsistoj laŭlonge de la tempo: (a) 24, (b) 48 kaj (c) 72 h.
Por plue esplori la morfologion de la precipitita fazo, oni faris rentgen-difraktajn (XRD) kaj SEM-analizojn de la pulvoroj. La XRD-spektroj (Fig. 8a) kaj SEM-mikrografoj (Fig. 8b, c) konfirmis la ĉeeston de vateritaj kristaloj, ĉar ili havis laktuko-similan formon kaj oni observis korespondon inter la vateritaj pintoj kaj la precipititaj pintoj.
(a) Komparo de rentgen-difraktaj spektroj de formita CaCO3 kaj vaterito. SEM-mikrografoj de vaterito je (b) 1 kHz kaj (c) 5,27 kHz-pligrandigo, respektive.
La rezultoj de la ventotunelaj testoj estas montritaj en Figuro 9a, b. Oni povas vidi el Figuro 9a, ke la sojla erozia rapido (TDV) de la netraktita sablo estas ĉirkaŭ 4.32 m/s. Ĉe la aplika rapideco de 1 l/m² (Figuro 9a), la deklivoj de la grundperdaj rapidlinioj por frakcioj FA, FS, AA kaj UMC estas proksimume la samaj kiel por la netraktita duno. Ĉi tio indikas, ke la traktado ĉe ĉi tiu aplika rapideco estas neefika kaj tuj kiam la ventrapido superas la TDV, la maldika grundokrusto malaperas kaj la dunerozia rapido estas la sama kiel por la netraktita duno. La erozia deklivo de frakcio AS estas ankaŭ pli malalta ol tiu de la aliaj frakcioj kun pli malaltaj abscisoj (t.e. TDV) (Figuro 9a). La sagoj en Figuro 9b indikas, ke ĉe la maksimuma ventrapido de 25 m/s, neniu erozio okazis en la traktitaj dunoj ĉe la aplikaj rapidecoj de 2 kaj 3 l/m². Alivorte, por FS, FA, AS kaj UMC, la dunoj estis pli rezistemaj al venta erozio kaŭzita de CaCO³-demetado ĉe la aplikaj rapidecoj de 2 kaj 3 l/m² ol ĉe la maksimuma ventrapideco (t.e., 25 m/s). Tiel, la TDV-valoro de 25 m/s akirita en ĉi tiuj testoj estas la malsupra limo por la aplikaj rapidecoj montritaj en Figuro 9b, escepte de la kazo de AA, kie la TDV estas preskaŭ egala al la maksimuma ventotunela rapideco.
Testo pri venta erozio (a) Pezperdo kontraŭ ventrapido (aplikkvanto 1 l/m2), (b) Sojla deŝirrapido kontraŭ aplikakkvanto kaj formulo (CA por kalcia acetato, CF por kalcia formiato).
Figuro 10 montras la surfacan erozion de sablodunoj traktitaj per malsamaj formuliĝoj kaj aplikaj rapidecoj post la sablobombada testo, kaj la kvantaj rezultoj estas montritaj en Figuro 11. La netraktita kazo ne estas montrita ĉar ĝi montris neniun reziston kaj estis tute eroziita (totala masoperdo) dum la sablobombada testo. Estas klare el Figuro 11, ke la specimeno traktita per biokompozitaĵo AA perdis 83.5% de sia pezo ĉe la aplika rapideco de 2 l/m2, dum ĉiuj aliaj specimenoj montris malpli ol 30% erozion dum la sablobombada procezo. Kiam la aplika rapideco estis pliigita al 3 l/m2, ĉiuj traktitaj specimenoj perdis malpli ol 25% de sia pezo. Ĉe ambaŭ aplikaj rapidecoj, la kombinaĵo FS montris la plej bonan reziston al sablobombado. La maksimuma kaj minimuma bombadrezisto en la FS kaj AA traktitaj specimenoj povas esti atribuitaj al ilia maksimuma kaj minimuma CaCO3-precipitaĵo (Figuro 6f).
Rezultoj de bombado de sablodunoj de malsamaj konsistoj je flukvantoj de 2 kaj 3 l/m² (sagoj indikas ventdirekton, krucoj indikas ventdirekton perpendikularan al la ebeno de la desegnaĵo).
Kiel montrite en Figuro 12, la enhavo de kalcia karbonato de ĉiuj formuloj pliiĝis kiam la aplika kvanto pliiĝis de 1 L/m² al 3 L/m². Krome, ĉe ĉiuj aplika kvantoj, la formulo kun la plej alta enhavo de kalcia karbonato estis FS, sekvata de FA kaj UMC. Ĉi tio sugestas, ke ĉi tiuj formuloj eble havas pli altan surfacan reziston.
Figuro 13a montras la ŝanĝon en surfaca rezisto de netraktitaj, kontrolaj kaj traktitaj grundoprovaĵoj mezuritaj per permeametra testo. El ĉi tiu figuro, evidentiĝas, ke la surfaca rezisto de UMC, AS, FA kaj FS-formuloj signife pliiĝis kun la pliiĝo de la aplika ofteco. Tamen, la pliiĝo de surfaca forto estis relative malgranda en AA-formulo. Kiel montrite en la figuro, FA kaj FS-formuloj de ne-ureo-degradita MICP havas pli bonan surfacan permeablon kompare kun ureo-degradita MICP. Figuro 13b montras la ŝanĝon en TDV kun grundsurfaca rezisto. El ĉi tiu figuro, klare evidentiĝas, ke por dunoj kun surfaca rezisto pli granda ol 100 kPa, la sojla foriĝa rapido superos 25 m/s. Ĉar surloka surfaca rezisto povas esti facile mezurata per permeametro, ĉi tiu scio povas helpi taksi TDV en la foresto de ventotunela testado, tiel servante kiel kvalitkontrola indikilo por kampaj aplikoj.
La SEM-rezultoj estas montritaj en Figuro 14. Figuroj 14a-b montras la pligrandigitajn partiklojn de la netraktita grundospecimeno, kio klare indikas, ke ĝi estas kohezia kaj ne havas naturajn ligadojn aŭ cementadon. Figuro 14c montras la SEM-mikrografon de la kontrolspecimeno traktita per ureo-degradita MICP. Ĉi tiu bildo montras la ĉeeston de CaCO3-precipitaĵoj kiel kalcitaj polimorfoj. Kiel montrite en Figuroj 14d-o, la precipitita CaCO3 ligas la partiklojn kune; sferaj vateritaj kristaloj ankaŭ povas esti identigitaj en la SEM-mikrografoj. La rezultoj de ĉi tiu studo kaj antaŭaj studoj indikas, ke la CaCO3-ligoj formitaj kiel vateritaj polimorfoj ankaŭ povas provizi akcepteblan mekanikan forton; niaj rezultoj montras, ke la surfaca rezisto pliiĝas ĝis 350 kPa kaj la sojla apartigrapideco pliiĝas de 4,32 ĝis pli ol 25 m/s. Ĉi tiu rezulto kongruas kun la rezultoj de antaŭaj studoj, ke la matrico de MICP-precipitita CaCO3 estas vaterito, kiu havas akcepteblan mekanikan forton kaj reziston al venta erozio13,40 kaj povas konservi akcepteblan reziston al venta erozio eĉ post 180 tagoj da eksponiĝo al kampaj mediaj kondiĉoj13.
(a, b) SEM-mikrografoj de netraktita grundo, (c) MICP-ureo-degradiĝkontrolo, (df) AA-traktitaj specimenoj, (gi) AS-traktitaj specimenoj, (jl) FA-traktitaj specimenoj, kaj (mo) FS-traktitaj specimenoj je aplika rapideco de 3 L/m² ĉe malsamaj pligrandigoj.
Figuro 14d-f montras, ke post traktado per AA-komponaĵoj, kalcia karbonato precipitiĝis sur la surfaco kaj inter la sablogrenoj, dum ankaŭ kelkaj nekovritaj sablogrenoj estis observitaj. Por AS-komponantoj, kvankam la kvanto de formita CaCO3 ne signife pliiĝis (Fig. 6f), la kvanto de kontaktoj inter sablogrenoj kaŭzitaj de CaCO3 signife pliiĝis kompare kun AA-komponaĵoj (Fig. 14g-i).
El Figuroj 14j-l kaj 14m-o estas klare, ke la uzo de kalcia formiato kiel kalcia fonto kondukas al plia pliiĝo de CaCO3-precipitaĵo kompare kun la AS-komponaĵo, kio kongruas kun la mezuroj de la kalcia mezurilo en Figuro 6f. Ĉi tiu plia CaCO3 ŝajnas esti ĉefe deponita sur la sablopartikloj kaj ne nepre plibonigas la kontaktokvaliton. Ĉi tio konfirmas la antaŭe observitan konduton: malgraŭ la diferencoj en la kvanto de CaCO3-precipitaĵo (Figuro 6f), la tri formuloj (AS, FA kaj FS) ne diferencas signife rilate al kontraŭ-eola (venta) agado (Figuro 11) kaj surfaca rezisto (Figuro 13a).
Por pli bone bildigi la CaCO3-kovritajn bakteriajn ĉelojn kaj la bakterian premsignon sur la precipititaj kristaloj, oni prenis alt-pligrandigajn SEM-mikrofotojn, kaj la rezultoj estas montritaj en Figuro 15. Kiel montrite, kalcia karbonato precipitiĝas sur la bakteriaj ĉeloj kaj provizas la nukleojn necesajn por la precipitaĵo tie. La figuro ankaŭ prezentas la aktivajn kaj neaktivajn ligojn induktitajn de CaCO3. Oni povas konkludi, ke ajna pliiĝo de neaktivaj ligoj ne nepre kondukas al plia plibonigo de la mekanika konduto. Tial, pliigita CaCO3-precipitaĵo ne nepre kondukas al pli alta mekanika forto, kaj la precipitaĵa padrono ludas gravan rolon. Ĉi tiu punkto ankaŭ estis studita en la verkoj de Terzis kaj Laloui72 kaj Soghi kaj Al-Kabani45,73. Por plue esplori la rilaton inter precipitaĵa padrono kaj mekanika forto, oni rekomendas MICP-studojn uzantajn µCT-bildigon, kio estas preter la amplekso de ĉi tiu studo (t.e., enkonduki malsamajn kombinaĵojn de kalcia fonto kaj bakterioj por amoniaka-libera MICP).
CaCO3 induktis aktivajn kaj neaktivajn ligojn en specimenoj traktitaj per (a) AS-konsisto kaj (b) FS-konsisto kaj lasis premsignon de bakteriaj ĉeloj sur la sedimento.
Kiel montrite en Figuroj 14j-o kaj 15b, ekzistas CaCO3-filmo (laŭ EDX-analizo, la procenta konsisto de ĉiu elemento en la filmo estas karbono 11%, oksigeno 46,62% kaj kalcio 42,39%, kio estas tre proksima al la procento de CaCO3 en Figuro 16). Ĉi tiu filmo kovras la vateritajn kristalojn kaj grundpartiklojn, helpante konservi la integrecon de la grundo-sedimenta sistemo. La ĉeesto de ĉi tiu filmo estis observita nur en la specimenoj traktitaj per la formiato-bazita formulo.
Tabelo 2 komparas la surfacan forton, sojlan malligiĝrapidon, kaj bioinduktitan CaCO3-enhavon de grundoj traktitaj per ureo-degradantaj kaj ne-ureo-degradantaj MICP-padoj en antaŭaj studoj kaj ĉi tiu studo. Studoj pri la venta eroziorezisto de MICP-traktitaj dunprovaĵoj estas limigitaj. Meng et al. esploris la ventan erozioreziston de MICP-traktitaj ureo-degradantaj dunprovaĵoj uzante foliblovilon,13 dum en ĉi tiu studo, ne-ureo-degradantaj dunprovaĵoj (same kiel ureo-degradantaj kontroloj) estis testitaj en ventotunelo kaj traktitaj per kvar malsamaj kombinaĵoj de bakterioj kaj substancoj.
Kiel videblas, kelkaj antaŭaj studoj konsideris altajn aplikaĵkvantojn superantajn 4 L/m²⁸ ... Ankaŭ videblas, ke ĉe aplika rapideco de 2 L/m2, la rendimento de kalcia karbonato por mildigo de venta erozio ĉe ventrapido de 25 m/s estis 2,25% por la formiato-bazita MICP sen ureodegradiĝo, kio estas tre proksima al la bezonata kvanto de CaCO3 (t.e., 2,41%) kompare kun dunoj traktitaj per la kontrola MICP kun ureodegradiĝo ĉe la sama aplika rapideco kaj la sama ventrapido (25 m/s).
Tiel, oni povas konkludi el ĉi tiu tabelo, ke kaj la ureo-degrada vojo kaj la ureo-libera degrada vojo povas provizi sufiĉe akcepteblan rendimenton rilate al surfaca rezisto kaj TDV (Triple Voltage Value - Tempo de Vaporo). La ĉefa diferenco estas, ke la ureo-libera degrada vojo ne enhavas amoniakon kaj tial havas pli malaltan median efikon. Krome, la formiato-bazita MICP-metodo sen ureo-degradado proponita en ĉi tiu studo ŝajnas funkcii pli bone ol la acetato-bazita MICP-metodo sen ureo-degradado. Kvankam Mohebbi et al. studis la acetaton-bazitan MICP-metodon sen ureo-degradado, ilia studo inkluzivis provaĵojn sur ebenaj surfacoj9. Pro la pli alta grado de erozio kaŭzita de kirlo-formado ĉirkaŭ la dun-provaĵoj kaj la rezulta ŝiro, kiu rezultigas pli malaltan TDV, la venta erozio de la dun-provaĵoj estas atendata esti pli evidenta ol tiu de ebenaj surfacoj je la sama rapideco.