Ви благодариме што ја посетивте страницата nature.com. Верзијата на прелистувачот што ја користите има ограничена поддршка за CSS. За најдобро искуство, препорачуваме да ја користите најновата верзија на прелистувачот (или да го исклучите режимот на компатибилност во Internet Explorer). Дополнително, за да се обезбеди континуирана поддршка, оваа страница нема да вклучува стилови или JavaScript.
Прашинските бури претставуваат сериозна закана за многу земји низ целиот свет поради нивното деструктивно влијание врз земјоделството, здравјето на луѓето, транспортните мрежи и инфраструктурата. Како резултат на тоа, ерозијата од ветер се смета за глобален проблем. Еден од еколошките пристапи за ограничување на ерозијата од ветер е употребата на микробно предизвикано таложење на карбонат (MICP). Сепак, нуспроизводите на MICP базиран на деградација на уреа, како што е амонијакот, не се идеални кога се произведуваат во големи количини. Оваа студија претставува две формулации на бактерии од калциум формат за деградација на MICP без производство на уреа и сеопфатно ги споредува нивните перформанси со две формулации на бактерии од калциум ацетат кои не произведуваат амонијак. Разгледуваните бактерии се Bacillus subtilis и Bacillus amyloliquefaciens. Прво, беа утврдени оптимизираните вредности на факторите што го контролираат формирањето на CaCO3. Потоа беа спроведени тестови во аеротунел на примероци од песочни дини третирани со оптимизираните формулации, а беа измерени отпорноста на ерозија од ветер, брзината на прагот на соголување и отпорноста на бомбардирање со песок. Аломорфите на калциум карбонат (CaCO3) беа оценети со употреба на оптичка микроскопија, скенирачка електронска микроскопија (SEM) и анализа на дифракција на Х-зраци. Формулациите базирани на калциум формат покажаа значително подобри резултати од формулациите базирани на ацетат во однос на формирањето на калциум карбонат. Покрај тоа, B. subtilis произведе повеќе калциум карбонат од B. amyloliquefaciens. SEM микрографиите јасно покажаа врзување и втиснување на активни и неактивни бактерии на калциум карбонат предизвикано од седиментација. Сите формулации значително ја намалија ерозијата од ветерот.
Ерозијата предизвикана од ветер долго време е препознаена како голем проблем со кој се соочуваат сушните и полусушните региони како што се југозападниот дел на САД, западна Кина, Сахарска Африка и поголемиот дел од Блискиот Исток1. Ниските врнежи од дожд во сушните и хиперсушните клими ги трансформираа големи делови од овие региони во пустини, песочни дини и необработено земјиште. Континуираната ерозија предизвикана од ветер претставува закана за животната средина за инфраструктурата како што се транспортните мрежи, земјоделското земјиште и индустриското земјиште, што доведува до лоши услови за живот и високи трошоци за урбан развој во овие региони2,3,4. Важно е да се напомене дека ерозијата предизвикана од ветер не само што влијае на локацијата каде што се јавува, туку предизвикува и здравствени и економски проблеми во оддалечените заедници бидејќи транспортира честички преку ветерот во области далеку од изворот5,6.
Контролата на ерозијата предизвикана од ветер останува глобален проблем. За контрола на ерозијата предизвикана од ветер се користат различни методи за стабилизација на почвата. Овие методи вклучуваат материјали како што се апликација на вода7, маслени прекривки8, биополимери5, микробно предизвикано таложење на карбонат (MICP)9,10,11,12 и ензимско предизвикано таложење на карбонат (EICP)1. Навлажнувањето на почвата е стандарден метод за сузбивање на прашината на терен. Сепак, неговото брзо испарување го прави овој метод ограничена ефикасност во сушни и полусуви региони1. Примената на соединенија за маслено прекривање ја зголемува кохезијата на песокот и триењето меѓу честичките. Нивното кохезивно својство ги врзува зрната песок заедно; сепак, маслените прекривки претставуваат и други проблеми; нивната темна боја ја зголемува апсорпцијата на топлина и доведува до смрт на растенијата и микроорганизмите. Нивниот мирис и испарувања можат да предизвикаат респираторни проблеми, а најважно, нивната висока цена е уште една пречка. Биополимерите се еден од неодамна предложените еколошки методи за ублажување на ерозијата предизвикана од ветер; тие се екстрахираат од природни извори како што се растенија, животни и бактерии. Ксантанова гума, гуар гума, хитозан и гелан гума се најчесто користените биополимери во инженерските апликации5. Сепак, биополимерите растворливи во вода можат да ја изгубат цврстината и да се исплакнат од почвата кога се изложени на вода13,14. EICP се покажа како ефикасен метод за сузбивање на прашина за различни апликации, вклучувајќи неасфалтирани патишта, јаловишта и градилишта. Иако неговите резултати се охрабрувачки, мора да се земат предвид некои потенцијални недостатоци, како што се цената и недостатокот на места за нуклеација (што го забрзува формирањето и таложењето на кристали на CaCO315,16).
MICP за прв пат е опишан кон крајот на 19 век од Мареј и Ирвин (1890) и Штајнман (1901) во нивната студија за разградување на уреа од страна на морски микроорганизми17. MICP е природен биолошки процес кој вклучува различни микробни активности и хемиски процеси во кои калциум карбонатот се таложи со реакција на карбонатни јони од микробни метаболити со калциумови јони во животната средина18,19. MICP кој го вклучува циклусот на азот кој ја разградува уреата (MICP кој ја разградува уреата) е најчестиот тип на микробно-индуцирано таложење на карбонат, во кое уреазата произведена од бактерии катализира хидролиза на уреа20,21,22,23,24,25,26,27 на следниов начин:
Во MICP што вклучува јаглероден циклус на оксидација на органски соли (MICP без тип на деградација на уреа), хетеротрофните бактерии користат органски соли како што се ацетат, лактат, цитрат, сукцинат, оксалат, малат и глиоксилат како извори на енергија за производство на карбонатни минерали28. Во присуство на калциум лактат како извор на јаглерод и калциумови јони, хемиската реакција на формирање на калциум карбонат е прикажана во равенката (5).
Во MICP процесот, бактериските клетки обезбедуваат места за нуклеација кои се особено важни за таложење на калциум карбонат; површината на бактериската клетка е негативно наелектризирана и може да дејствува како адсорбент за двовалентни катјони како што се калциумовите јони. Со адсорпција на калциумови јони врз бактериските клетки, кога концентрацијата на карбонатни јони е доволна, калциумовите катјони и карбонатни анјони реагираат и калциум карбонатот се таложи на бактериската површина29,30. Процесот може да се сумира на следниов начин31,32:
Биогенерираните кристали на калциум карбонат можат да се поделат на три вида: калцит, ватерит и арагонит. Меѓу нив, калцитот и ватеритот се најчестите бактериски индуцирани аломорфи на калциум карбонат33,34. Калцитот е најтермодинамички стабилниот аломорф на калциум карбонат35. Иако е објавено дека ватеритот е метастабилен, тој на крајот се трансформира во калцит36,37. Ватеритот е најгустиот од овие кристали. Тоа е хексагонален кристал кој има подобра способност за полнење на порите од другите кристали на калциум карбонат поради неговата поголема големина38. И MICP деградиран со уреа и недеградиран со уреа може да доведе до таложење на ватерит13,39,40,41.
Иако MICP покажа ветувачки потенцијал во стабилизирањето на проблематичните почви и почвите подложни на ерозија од ветер42,43,44,45,46,47,48, еден од нуспроизводите на хидролизата на уреа е амонијакот, кој може да предизвика благи до тешки здравствени проблеми во зависност од нивото на изложеност49. Овој несакан ефект ја прави употребата на оваа конкретна технологија контроверзна, особено кога треба да се третираат големи површини, како на пример за сузбивање на прашина. Покрај тоа, мирисот на амонијакот е неподнослив кога процесот се спроведува со високи стапки на примена и големи количини, што може да влијае на неговата практична применливост. Иако неодамнешните студии покажаа дека јоните на амониум можат да се намалат со нивно претворање во други производи како што е струвит, овие методи не ги отстрануваат целосно јоните на амониум50. Затоа, сè уште постои потреба да се истражат алтернативни решенија кои не генерираат јони на амониум. Употребата на патишта за деградација кои не се од уреа за MICP може да обезбеди потенцијално решение кое е слабо истражено во контекст на ублажување на ерозијата од ветер. Фатахи и сор. ја истражувале деградацијата на MICP без уреа користејќи калциум ацетат и Bacillus megaterium41, додека Мохеби и сор. користеле калциум ацетат и Bacillus amyloliquefaciens9. Сепак, нивната студија не била споредена со други извори на калциум и хетеротрофни бактерии кои на крајот би можеле да ја подобрат отпорноста на ерозијата предизвикана од ветер. Исто така, недостасува литература што ги споредува патиштата на деградација без уреа со патиштата на деградација на уреа во ублажувањето на ерозијата предизвикана од ветер.
Покрај тоа, повеќето студии за ерозија од ветер и контрола на прашина се спроведени на примероци од почва со рамни површини.1,51,52,53 Сепак, рамните површини се поретки во природата од ридовите и вдлабнатините. Затоа песочните дини се најчестата карактеристика на пејзажот во пустинските региони.
За да се надминат горенаведените недостатоци, оваа студија имаше за цел да воведе нов сет на бактериски агенси кои не произведуваат амонијак. За таа цел, ги разгледавме патеките на MICP кои не ја разградуваат уреата. Беше испитана ефикасноста на два извори на калциум (калциум формат и калциум ацетат). Според најдоброто знаење на авторите, таложењето на карбонат со користење на две комбинации на извори на калциум и бактерии (т.е. калциум формат-Bacillus subtilis и калциум формат-Bacillus amyloliquefaciens) не е испитано во претходните студии. Изборот на овие бактерии се базираше на ензимите што ги произведуваат, кои катализираат оксидацијата на калциум формат и калциум ацетат за да формираат микробно таложење на карбонат. Дизајниравме темелна експериментална студија за да ги пронајдеме оптималните фактори како што се pH вредноста, видовите бактерии и извори на калциум и нивните концентрации, односот на бактериите кон растворот на извор на калциум и времето на стврднување. Конечно, ефикасноста на овој сет на бактериски агенси во сузбивањето на ерозијата од ветер преку таложење на калциум карбонат беше испитана со спроведување на серија тестови во аеротунел на песочни дини за да се утврди големината на ерозијата од ветер, прагот на брзина на отцепување и отпорноста на песокот од бомбардирање од ветер, а беа извршени и мерења со пенетрометар и микроструктурни студии (на пр. анализа на дифракција на Х-зраци (XRD) и скенирачка електронска микроскопија (SEM)).
За производство на калциум карбонат се потребни калциумови јони и карбонатни јони. Калциумовите јони може да се добијат од различни извори на калциум, како што се калциум хлорид, калциум хидроксид и обезмаслено млеко во прав54,55. Карбонатните јони може да се произведат со различни микробни методи, како што се хидролиза на уреа и аеробна или анаеробна оксидација на органска материја56. Во оваа студија, карбонатни јони се добиени од реакцијата на оксидација на формат и ацетат. Покрај тоа, користевме калциумови соли на формат и ацетат за да произведеме чист калциум карбонат, со што како нуспроизводи се добиени само CO2 и H2O. Во овој процес, само една супстанција служи како извор на калциум и извор на карбонат, а не се произведува амонијак. Овие карактеристики го прават методот на производство на извор на калциум и карбонат што го сметавме за многу ветувачки.
Соодветните реакции на калциум формат и калциум ацетат за формирање на калциум карбонат се прикажани во формулите (7)-(14). Формулите (7)-(11) покажуваат дека калциум форматот се раствора во вода за да формира мравја киселина или формат. Растворот е затоа извор на слободни јони на калциум и хидроксид (формули 8 и 9). Како резултат на оксидацијата на мравјата киселина, јаглеродните атоми во мравјата киселина се претвораат во јаглерод диоксид (формула 10). На крајот се формира калциум карбонат (формули 11 и 12).
Слично на тоа, калциум карбонат се формира од калциум ацетат (равенки 13-15), освен што наместо мравја киселина се формира оцетна киселина или ацетат.
Без присуство на ензими, ацетатот и форматот не можат да се оксидираат на собна температура. FDH (формат дехидрогеназа) и CoA (коензим А) катализираат оксидација на формат и ацетат за да се формира јаглерод диоксид, соодветно (равенки 16, 17) 57, 58, 59. Различни бактерии се способни да ги произведуваат овие ензими, а во оваа студија беа користени хетеротрофни бактерии, имено Bacillus subtilis (PTCC #1204 (Персиска колекција на типски култури), познат и како NCIMB #13061 (Меѓународна колекција на бактерии, квасец, фаг, плазмиди, растителни семиња и култури на растителни клетки)) и Bacillus amyloliquefaciens (PTCC #1732, NCIMB #12077). Овие бактерии беа култивирани во медиум што содржи месен пептон (5 g/L) и екстракт од месо (3 g/L), наречен хранлива супа (NBR) (105443 Merck).
Така, беа подготвени четири формулации за индуцирање на таложење на калциум карбонат со користење на два извори на калциум и две бактерии: калциум формат и Bacillus subtilis (FS), калциум формат и Bacillus amyloliquefaciens (FA), калциум ацетат и Bacillus subtilis (AS) и калциум ацетат и Bacillus amyloliquefaciens (AA).
Во првиот дел од експерименталниот дизајн, беа спроведени тестови за да се утврди оптималната комбинација што би постигнала максимално производство на калциум карбонат. Бидејќи примероците од почвата содржеа калциум карбонат, беше дизајниран сет на прелиминарни тестови за евалуација за прецизно мерење на CaCO3 произведен од различните комбинации, а беа евалуирани и смеси од медиум за култура и раствори од извор на калциум. За секоја комбинација од извор на калциум и раствор на бактерии дефинирана погоре (FS, FA, AS и AA), беа изведени фактори за оптимизација (концентрација на извор на калциум, време на стврднување, концентрација на раствор на бактерии мерена со оптичка густина на растворот (OD), однос на извор на калциум и раствор на бактерии и pH) и користени во тестовите за третман на песочни дини во аеротунел опишани во следните делови.
За секоја комбинација, беа спроведени 150 експерименти за да се проучи ефектот од таложењето на CaCO3 и да се евалуираат различни фактори, имено концентрацијата на изворот на калциум, времето на стврднување, вредноста на OD на бактериите, односот на изворот на калциум и бактерискиот раствор и pH вредноста за време на аеробната оксидација на органската материја (Табела 1). Опсегот на pH вредност за оптимизираниот процес беше избран врз основа на кривите на раст на Bacillus subtilis и Bacillus amyloliquefaciens со цел да се добие побрз раст. Ова е подетално објаснето во делот Резултати.
Следните чекори беа користени за подготовка на примероците за фазата на оптимизација. Растворот MICP прво беше подготвен со прилагодување на почетната pH вредност на медиумот за култура, а потоа автоклавиран на 121 °C во тек на 15 минути. Потоа сојот беше инокулиран во ламинарен проток на воздух и одржуван во инкубатор со тресење на 30 °C и 180 вртежи во минута. Откако OD на бактеријата го достигна посакуваното ниво, таа беше измешана со растворот на извор на калциум во посакуваниот сооднос (Слика 1а). На растворот MICP му беше дозволено да реагира и да се зацврсти во инкубатор со тресење на 220 вртежи во минута и 30 °C во тек на време кое ја достигна целната вредност. Таложениот CaCO3 беше одвоен по центрифугирање на 6000 g во тек на 5 минути, а потоа сушен на 40 °C за да се подготват примероците за тестот со калциметар (Слика 1б). Потоа, таложењето на CaCO3 беше измерено со помош на Бернард калциметар, каде што прашокот CaCO3 реагира со 1,0 N HCl (ASTM-D4373-02) за да се произведе CO2, а волуменот на овој гас е мерка за содржината на CaCO3 (Слика 1в). За да се конвертира волуменот на CO2 во содржина на CaCO3, беше генерирана калибрациска крива со миење на чист прашок CaCO3 со 1 N HCl и негово прикажување во однос на еволуираниот CO2. Морфологијата и чистотата на таложениот прашок CaCO3 беа испитани со помош на SEM снимање и XRD анализа. Оптички микроскоп со зголемување од 1000 беше користен за проучување на формирањето на калциум карбонат околу бактериите, фазата на формираниот калциум карбонат и активноста на бактериите.
Басенот Деџег е добро познат високо еродиран регион во југозападната покраина Фарс во Иран, а истражувачите собрале примероци од почва еродирана од ветерот од областа. Примероците биле земени од површината на почвата за студијата. Индикаторските тестови на примероците од почвата покажале дека почвата била слабо сортирана песоклива почва со тиња и била класифицирана како SP-SM според Унифициран систем за класификација на почви (USC) (Слика 2а). XRD анализата покажала дека почвата Деџег главно била составена од калцит и кварц (Слика 2б). Покрај тоа, EDX анализата покажала дека и други елементи како што се Al, K и Fe биле присутни во помали пропорции.
За да се подготват лабораториските дини за тестирање на ерозија од ветер, почвата беше згмечена од висина од 170 mm низ инка со дијаметар од 10 mm до цврста површина, што резултираше со типична дина со висина од 60 mm и дијаметар од 210 mm. Во природата, песочните дини со најмала густина се формираат со еолски процеси. Слично на тоа, примерокот подготвен со користење на горенаведената постапка имаше најниска релативна густина, γ = 14,14 kN/m³, формирајќи песочен конус нанесен на хоризонтална површина со агол на одмор од приближно 29,7°.
Оптималниот MICP раствор добиен во претходниот дел беше испрскан врз наклонот на дината со брзини на апликација од 1, 2 и 3 lm-2, а потоа примероците беа складирани во инкубатор на 30 °C (сл. 3) 9 дена (т.е. оптималното време на стврднување), а потоа беа извадени за тестирање во аеротунел.
За секој третман, беа подготвени четири примероци, еден за мерење на содржината на калциум карбонат и површинската цврстина со помош на пенетрометар, а преостанатите три примероци беа користени за тестови на ерозија со три различни брзини. Во тестовите во аеротунел, количината на ерозија беше одредена при различни брзини на ветерот, а потоа граничната брзина на одвојување за секој примерок за третман беше одредена со помош на графикон на количината на ерозија во однос на брзината на ветерот. Покрај тестовите за ерозија со ветер, третираните примероци беа подложени на бомбардирање со песок (т.е. експерименти со скокање). За оваа цел беа подготвени два дополнителни примероци со брзини на апликација од 2 и 3 L m−2. Тестот за бомбардирање со песок траеше 15 минути со флукс од 120 gm−1, што е во опсегот на вредности избрани во претходните студии60,61,62. Хоризонталното растојание помеѓу абразивната млазница и основата на дината беше 800 mm, сместено 100 mm над дното на тунелот. Оваа позиција беше поставена така што речиси сите честички песок што скокаа паднаа на дината.
Тестот во аеротунел беше спроведен во отворен аеротунел со должина од 8 m, ширина од 0,4 m и висина од 1 m (Слика 4a). Аеротунелот е направен од поцинкувани челични лимови и може да генерира брзина на ветер до 25 m/s. Дополнително, се користи фреквентен конвертор за прилагодување на фреквенцијата на вентилаторот и постепено зголемување на фреквенцијата за да се добие целната брзина на ветерот. Слика 4b го прикажува шематскиот дијаграм на песочните дини еродирани од ветерот и профилот на брзината на ветерот измерен во аеротунелот.
Конечно, за да се споредат резултатите од неуреалитичката MICP формулација предложена во оваа студија со резултатите од уреалитичкиот MICP контролен тест, примероците од дини беа исто така подготвени и третирани со биолошки раствор што содржи уреа, калциум хлорид и Sporosarcina pasteurii (бидејќи Sporosarcina pasteurii има значајна способност да произведува уреаза63). Оптичката густина на бактерискиот раствор беше 1,5, а концентрациите на уреа и калциум хлорид беа 1 M (избрани врз основа на вредностите препорачани во претходните студии36,64,65). Медиумот за култура се состоеше од хранлива супа (8 g/L) и уреа (20 g/L). Бактерискиот раствор беше испрскан на површината на дината и оставен 24 часа за прицврстување на бактериите. По 24 часа прицврстување, беше испрскан раствор за цементирање (калциум хлорид и уреа). Контролниот тест на уреалитичкиот MICP во понатамошниот текст се нарекува UMC. Содржината на калциум карбонат во уреалитички и неуреалитички третираните примероци од почва беше добиена со миење според постапката предложена од Choi et al.66
Слика 5 ги прикажува кривите на раст на Bacillus amyloliquefaciens и Bacillus subtilis во медиумот за култура (хранлив раствор) со почетен pH опсег од 5 до 10. Како што е прикажано на сликата, Bacillus amyloliquefaciens и Bacillus subtilis растат побрзо на pH 6-8 и 7-9, соодветно. Затоа, овој pH опсег е усвоен во фазата на оптимизација.
Криви на раст на (а) Bacillus amyloliquefaciens и (б) Bacillus subtilis при различни почетни pH вредности на хранливиот медиум.
Слика 6 ја прикажува количината на јаглерод диоксид произведена во Бернард лимеметарот, што претставува таложен калциум карбонат (CaCO3). Бидејќи еден фактор беше фиксиран во секоја комбинација, а другите фактори беа променливи, секоја точка на овие графикони одговара на максималниот волумен на јаглерод диоксид во тој сет на експерименти. Како што е прикажано на сликата, како што се зголемуваше концентрацијата на изворот на калциум, се зголемуваше и производството на калциум карбонат. Затоа, концентрацијата на изворот на калциум директно влијае на производството на калциум карбонат. Бидејќи изворот на калциум и изворот на јаглерод се исти (т.е. калциум формат и калциум ацетат), колку повеќе јони на калциум се ослободуваат, толку повеќе калциум карбонат се формира (Слика 6а). Во формулациите AS и AA, производството на калциум карбонат продолжи да се зголемува со зголемување на времето на стврднување сè додека количината на талог не остана речиси непроменета по 9 дена. Во формулацијата FA, стапката на формирање на калциум карбонат се намали кога времето на стврднување надмина 6 дена. Во споредба со другите формулации, формулацијата FS покажа релативно ниска стапка на формирање на калциум карбонат по 3 дена (Слика 6б). Во формулациите FA и FS, 70% и 87% од вкупното производство на калциум карбонат е добиено по три дена, додека во формулациите AA и AS, овој процент бил само околу 46% и 45%, соодветно. Ова укажува дека формулацијата базирана на мравја киселина има поголема стапка на формирање на CaCO3 во почетната фаза во споредба со формулацијата базирана на ацетат. Сепак, стапката на формирање се забавува со зголемување на времето на стврднување. Од Слика 6в може да се заклучи дека дури и при бактериски концентрации над OD1, нема значаен придонес во формирањето на калциум карбонат.
Промена на волуменот на CO2 (и соодветната содржина на CaCO3) измерена со Бернард калциметарот како функција од (а) концентрација на извор на калциум, (б) време на стврднување, (в) OD, (г) почетна pH вредност, (д) ​​однос на извор на калциум и бактериски раствор (за секоја формулација); и (ѓ) максимална количина на калциум карбонат произведен за секоја комбинација од извор на калциум и бактерии.
Во однос на ефектот на почетната pH вредност на медиумот, Слика 6d покажува дека за FA и FS, производството на CaCO3 достигна максимална вредност при pH 7. Ова набљудување е во согласност со претходните студии дека FDH ензимите се најстабилни при pH 7-6,7. Сепак, за AA и AS, таложењето на CaCO3 се зголеми кога pH вредноста надмина 7. Претходните студии, исто така, покажаа дека оптималниот опсег на pH за активноста на ензимот CoA е од 8 до 9,2-6,8. Со оглед на тоа што оптималните опсези на pH за активноста на ензимот CoA и растот на B. amyloliquefaciens се (8-9,2) и (6-8), соодветно (Слика 5a), се очекува оптималната pH вредност на формулацијата на AA да биде 8, а двата pH опсези се преклопуваат. Овој факт беше потврден со експерименти, како што е прикажано на Слика 6d. Бидејќи оптималната pH вредност за раст на B. subtilis е 7-9 (Слика 5б), а оптималната pH вредност за активноста на ензимот CoA е 8-9,2, се очекува максималниот принос на таложење на CaCO3 да биде во pH опсегот од 8-9, што е потврдено со Слика 6д (т.е. оптималната pH вредност на таложење е 9). Резултатите прикажани на Слика 6д покажуваат дека оптималниот сооднос на растворот од извор на калциум и бактерискиот раствор е 1 и за растворите на ацетат и за формат. За споредба, перформансите на различните формулации (т.е. AA, AS, FA и FS) беа оценети врз основа на максималното производство на CaCO3 под различни услови (т.е. концентрација на извор на калциум, време на стврднување, OD, сооднос на извор на калциум и бактериски раствор и почетна pH вредност). Меѓу проучените формулации, формулацијата FS имаше највисоко производство на CaCO3, што беше приближно три пати поголемо од формулацијата AA (Слика 6ф). Беа спроведени четири контролни експерименти без бактерии за двата извори на калциум и не беше забележано таложење на CaCO3 по 30 дена.
Сликите од оптичката микроскопија на сите формулации покажаа дека ватеритот е главната фаза во која се формира калциум карбонат (Слика 7). Кристалите на ватеритот беа сферични по форма69,70,71. Утврдено е дека калциум карбонатот се таложи на бактериските клетки бидејќи површината на бактериските клетки е негативно наелектризирана и може да дејствува како адсорбент за двовалентни катјони. Земајќи ја формулацијата FS како пример во оваа студија, по 24 часа, калциум карбонат почнал да се формира на некои бактериски клетки (Слика 7а), а по 48 часа, бројот на бактериски клетки обложени со калциум карбонат значително се зголемил. Покрај тоа, како што е прикажано на Слика 7б, можеа да се детектираат и честички од ватерит. Конечно, по 72 часа, голем број бактерии се чинеше дека се врзани за кристалите на ватеритот, а бројот на честички од ватерит значително се зголемил (Слика 7в).
Оптички микроскопски набљудувања на таложење на CaCO3 во FS состави со текот на времето: (а) 24, (б) 48 и (в) 72 часа.
За понатамошно истражување на морфологијата на таложената фаза, беа извршени анализи на прашоците со Х-зрачна дифракција (XRD) и SEM. XRD спектрите (сл. 8a) и SEM микрографиите (сл. 8b, c) го потврдија присуството на кристали на ватерит, бидејќи тие имаа облик сличен на зелена салата и беше забележана кореспонденција помеѓу врвовите на ватерит и врвовите на талогот.
(a) Споредба на спектрите на дифракција на Х-зраци на формиран CaCO3 и ватерит. SEM микрографии на ватерит при (b) зголемување од 1 kHz и (c) зголемување од 5,27 kHz, соодветно.
Резултатите од тестовите во аеродинамичен тунел се прикажани на Слика 9a, b. Од Слика 9a може да се види дека прагот на брзина на ерозија (TDV) на нетретираниот песок е околу 4,32 m/s. При брзина на нанесување од 1 l/m² (Слика 9a), наклоните на линиите за стапка на губење на почвата за фракциите FA, FS, AA и UMC се приближно исти како и за нетретираната дина. Ова укажува дека третманот со оваа брзина на нанесување е неефикасен и штом брзината на ветерот ја надмине TDV, тенката кора на почвата исчезнува и брзината на ерозија на дината е иста како и за нетретираната дина. Наклонот на ерозијата на фракцијата AS е исто така помал од оној на другите фракции со пониски апсциси (т.е. TDV) (Слика 9a). Стрелките на Слика 9b покажуваат дека при максимална брзина на ветерот од 25 m/s, не се појавила ерозија во третираните дини при брзини на нанесување од 2 и 3 l/m². Со други зборови, за FS, FA, AS и UMC, дините беа поотпорни на ерозија од ветер предизвикана од таложење на CaCO³ при брзини на апликација од 2 и 3 l/m² отколку при максимална брзина на ветерот (т.е. 25 m/s). Така, вредноста на TDV од 25 m/s добиена во овие тестови е долната граница за брзините на апликација прикажани на Слика 9б, освен во случајот на AA, каде што TDV е речиси еднаква на максималната брзина во аеротунелот.
Тест на ерозија од ветер (а) Губење на тежина во однос на брзината на ветерот (стапка на нанесување 1 l/m2), (б) Праг на брзина на кинење во однос на стапката на нанесување и формулацијата (CA за калциум ацетат, CF за калциум формат).
Слика 10 ја прикажува површинската ерозија на песочни дини третирани со различни формулации и стапки на нанесување по тестот за бомбардирање со песок, а квантитативните резултати се прикажани на Слика 11. Нетретираниот случај не е прикажан бидејќи не покажал отпор и бил целосно еродиран (вкупна загуба на маса) за време на тестот за бомбардирање со песок. Од Слика 11 е јасно дека примерокот третиран со биокомпозиција AA изгубил 83,5% од својата тежина при стапка на нанесување од 2 l/m2, додека сите други примероци покажале помалку од 30% ерозија за време на процесот на бомбардирање со песок. Кога стапката на нанесување се зголемила на 3 l/m2, сите третирани примероци изгубиле помалку од 25% од својата тежина. При обете стапки на нанесување, соединението FS покажало најдобра отпорност на бомбардирање со песок. Максималната и минималната отпорност на бомбардирање кај примероците третирани со FS и AA може да се припише на нивното максимално и минимално таложење на CaCO3 (Слика 6f).
Резултати од бомбардирање на песочни дини со различен состав при проток од 2 и 3 l/m2 (стрелките го означуваат правецот на ветерот, крстовите го означуваат правецот на ветерот нормален на рамнината на цртежот).
Како што е прикажано на Слика 12, содржината на калциум карбонат во сите формули се зголемила со зголемувањето на стапката на нанесување од 1 L/m² на 3 L/m². Покрај тоа, при сите стапки на нанесување, формулата со највисока содржина на калциум карбонат била FS, проследена со FA и UMC. Ова укажува дека овие формули може да имаат поголема површинска отпорност.
Слика 13а ја прикажува промената на површинскиот отпор на нетретирани, контролни и третирани примероци од почва мерени со тест на пермеаметар. Од оваа слика, очигледно е дека површинскиот отпор на формулациите UMC, AS, FA и FS значително се зголемил со зголемувањето на стапката на примена. Сепак, зголемувањето на површинската цврстина било релативно мало во формулацијата AA. Како што е прикажано на сликата, формулациите FA и FS на MICP без уреа деградација имаат подобра површинска пропустливост во споредба со MICP деградација на уреа. Слика 13б ја прикажува промената на TDV со површинскиот отпор на почвата. Од оваа слика, јасно е дека за дини со површински отпор поголем од 100 kPa, брзината на прагот на соголување ќе надмине 25 m/s. Бидејќи отпорот на површината in situ може лесно да се измери со пермеаметар, ова знаење може да помогне да се процени TDV во отсуство на тестирање во аеротунел, со што служи како индикатор за контрола на квалитетот за теренски апликации.
Резултатите од SEM се прикажани на Слика 14. Сликите 14a-b ги прикажуваат зголемените честички од нетретираниот примерок од почва, што јасно укажува дека е кохезивен и нема природно врзување или цементирање. Слика 14c ја прикажува SEM микрографијата на контролниот примерок третиран со MICP деградиран со уреа. Оваа слика го покажува присуството на CaCO3 преципитати како калцитни полиморфи. Како што е прикажано на сликите 14d-o, преципитираниот CaCO3 ги врзува честичките заедно; сферичните кристали на ватерит може да се идентификуваат и на SEM микрографиите. Резултатите од оваа студија и претходните студии покажуваат дека врските на CaCO3 формирани како ватеритни полиморфи, исто така, можат да обезбедат разумна механичка цврстина; нашите резултати покажуваат дека површинскиот отпор се зголемува на 350 kPa, а прагот на брзина на одвојување се зголемува од 4,32 на повеќе од 25 m/s. Овој резултат е во согласност со резултатите од претходните студии дека матрицата на CaCO3 преципитиран од MICP е ватерит, кој има разумна механичка цврстина и отпорност на ерозија од ветер13,40 и може да одржи разумна отпорност на ерозија од ветер дури и по 180 дена изложеност на услови на теренската средина13.
(a, b) SEM микрографии на нетретирана почва, (c) MICP контрола на деградација на уреа, (df) примероци третирани со AA, (gi) примероци третирани со AS, (jl) примероци третирани со FA и (mo) примероци третирани со FS со брзина на апликација од 3 L/m2 при различни зголемувања.
Слика 14d-f покажува дека по третманот со AA соединенија, калциум карбонат се таложил на површината и помеѓу зрната песок, додека биле забележани и некои необложени зрна песок. За AS компонентите, иако количината на формиран CaCO3 не се зголемила значително (сл. 6f), количината на контакти помеѓу зрната песок предизвикани од CaCO3 значително се зголемила во споредба со AA соединенијата (сл. 14g-i).
Од сликите 14j-l и 14m-o е јасно дека употребата на калциум формат како извор на калциум води до понатамошно зголемување на таложењето на CaCO3 во споредба со соединението AS, што е во согласност со мерењата на калциумметарот на Слика 6f. Овој дополнителен CaCO3 се чини дека главно се таложи на честичките песок и не мора нужно да го подобри квалитетот на контактот. Ова го потврдува претходно забележаното однесување: и покрај разликите во количината на таложење на CaCO3 (Слика 6f), трите формулации (AS, FA и FS) не се разликуваат значително во однос на антиеолските (ветерни) перформанси (Слика 11) и површинската отпорност (Слика 13a).
За подобро да се визуелизираат бактериските клетки обложени со CaCO3 и бактерискиот отпечаток на преципитираните кристали, направени се SEM микрографии со големо зголемување, а резултатите се прикажани на Слика 15. Како што е прикажано, калциум карбонатот се преципитира на бактериските клетки и ги обезбедува јадрата потребни за таложење таму. Сликата, исто така, ги прикажува активните и неактивните врски предизвикани од CaCO3. Може да се заклучи дека секое зголемување на неактивните врски не мора нужно да доведе до понатамошно подобрување на механичкото однесување. Затоа, зголемувањето на таложењето на CaCO3 не мора нужно да доведе до поголема механичка цврстина, а моделот на таложење игра важна улога. Оваа точка е проучена и во делата на Терзис и Лалуи72 и Соги и Ал-Кабани45,73. За понатамошно истражување на врската помеѓу моделот на таложење и механичката цврстина, се препорачуваат MICP студии со користење на µCT снимање, што е надвор од опсегот на оваа студија (т.е. воведување на различни комбинации на извор на калциум и бактерии за MICP без амонијак).
CaCO3 индуцираше активни и неактивни врски во примероци третирани со (а) состав на AS и (б) состав на FS и остави отпечаток од бактериски клетки на седиментот.
Како што е прикажано на сликите 14j-o и 15b, постои CaCO3 филм (според EDX анализата, процентуалниот состав на секој елемент во филмот е јаглерод 11%, кислород 46,62% и калциум 42,39%, што е многу блиску до процентот на CaCO3 на Слика 16). Овој филм ги покрива кристалите на ватерит и честичките од почвата, помагајќи да се одржи интегритетот на системот почва-седимент. Присуството на овој филм е забележано само во примероците третирани со формулацијата базирана на формат.
Табела 2 ги споредува површинската цврстина, брзината на прагот на одвојување и биоиндуцираната содржина на CaCO3 на почвите третирани со патеки на MICP што ја разградуваат уреата и оние што не ја разградуваат уреата во претходни студии и оваа студија. Студиите за отпорноста на ерозија од ветер на примероци од дини третирани со MICP се ограничени. Менг и сор. ја истражувале отпорноста на ерозија од ветер на примероци од дини што ја разградуваат уреата третирани со MICP користејќи дувалка за лисја,13 додека во оваа студија, примероци од дини што не ја разградуваат уреата (како и контролите што ја разградуваат уреата) биле тестирани во аеротунел и третирани со четири различни комбинации на бактерии и супстанции.
Како што може да се види, некои претходни студии земале предвид високи стапки на примена што надминуваат 4 L/m213,41,74. Вреди да се напомене дека високите стапки на примена можеби не се лесно применливи на терен од економска гледна точка поради трошоците поврзани со снабдувањето со вода, транспортот и примената на големи количини вода. Пониските стапки на примена, како што се 1,62-2 L/m2, исто така, постигнаа прилично добри површински јакости до 190 kPa и TDV што надминува 25 m/s. Во оваа студија, дините третирани со MICP базиран на формат без деградација на уреа постигнаа високи површински јакости што беа споредливи со оние добиени со патот на деградација на уреа во истиот опсег на стапки на примена (т.е. примероците третирани со MICP базиран на формат без деградација на уреа исто така беа во можност да постигнат ист опсег на вредности на површинска цврстина како што е објавено од Meng et al., 13, Слика 13a) при повисоки стапки на примена. Исто така, може да се види дека при стапка на примена од 2 L/m2, приносот на калциум карбонат за ублажување на ерозијата од ветер при брзина на ветерот од 25 m/s беше 2,25% за MICP базиран на формат без деградација на уреа, што е многу блиску до потребната количина на CaCO3 (т.е. 2,41%) во споредба со дините третирани со контролниот MICP со деградација на уреа при иста стапка на примена и иста брзина на ветерот (25 m/s).
Според тоа, од оваа табела може да се заклучи дека и патот на деградација на уреа и патот на деградација без уреа можат да обезбедат сосема прифатливи перформанси во однос на површинската отпорност и TDV. Главната разлика е во тоа што патот на деградација без уреа не содржи амонијак и затоа има помало влијание врз животната средина. Покрај тоа, методот MICP базиран на формат без деградација на уреа предложен во оваа студија се чини дека има подобри перформанси од методот MICP базиран на ацетат без деградација на уреа. Иако Мохеби и сор. го проучувале методот MICP базиран на ацетат без деградација на уреа, нивната студија вклучувала примероци на рамни површини9. Поради повисокиот степен на ерозија предизвикана од формирање на вртлози околу примероците од дините и добиеното смолкнување, што резултира со пониска TDV, се очекува ерозијата од ветер на примероците од дините да биде поочигледна отколку онаа на рамните површини со иста брзина.