Tack för att du besöker nature.com. Webbläsarversionen du använder har begränsat CSS-stöd. För bästa upplevelse rekommenderar vi att du använder den senaste webbläsarversionen (eller stänger av kompatibilitetsläget i Internet Explorer). För att säkerställa fortsatt stöd kommer den här webbplatsen dessutom inte att innehålla stilar eller JavaScript.
Dammstormar utgör ett allvarligt hot mot många länder runt om i världen på grund av deras destruktiva inverkan på jordbruk, människors hälsa, transportnätverk och infrastruktur. Som ett resultat anses vinderosion vara ett globalt problem. En av de miljövänliga metoderna för att begränsa vinderosion är användningen av mikrobiell inducerad karbonatfällning (MICP). Biprodukterna från urea-nedbrytningsbaserad MICP, såsom ammoniak, är dock inte idealiska när de produceras i stora mängder. Denna studie presenterar två formuleringar av kalciumformiatbakterier för nedbrytning av MICP utan att producera urea och jämför omfattande deras prestanda med två formuleringar av icke-ammoniakproducerande kalciumacetatbakterier. De bakterier som beaktas är Bacillus subtilis och Bacillus amyloliquefaciens. Först bestämdes de optimerade värdena för de faktorer som kontrollerar CaCO3-bildning. Vindtunneltester utfördes sedan på sanddynprover behandlade med de optimerade formuleringarna, och vinderosionsbeständighet, avdrivningströskelhastighet och sandbombardemangsbeständighet mättes. Kalciumkarbonat (CaCO3)-allomorfer utvärderades med hjälp av optisk mikroskopi, svepelektronmikroskopi (SEM) och röntgendiffraktionsanalys. Kalciumformiatbaserade formuleringar presterade signifikant bättre än acetatbaserade formuleringar vad gäller kalciumkarbonatbildning. Dessutom producerade B. subtilis mer kalciumkarbonat än B. amyloliquefaciens. SEM-mikrofotografier visade tydligt bindning och prägling av aktiva och inaktiva bakterier på kalciumkarbonat orsakad av sedimentation. Alla formuleringar minskade vinderosion signifikant.
Vinderosion har länge varit erkänt som ett stort problem för torra och halvtorra regioner som sydvästra USA, västra Kina, Sahara-Afrika och stora delar av Mellanöstern1. Låg nederbörd i torra och hypertorra klimat har förvandlat stora delar av dessa regioner till öknar, sanddyner och oodlad mark. Fortsatt vinderosion utgör miljöhot mot infrastruktur som transportnät, jordbruksmark och industrimark, vilket leder till dåliga levnadsförhållanden och höga kostnader för stadsutveckling i dessa regioner2,3,4. Viktigt är att vinderosion inte bara påverkar platsen där den uppstår, utan också orsakar hälso- och ekonomiska problem i avlägsna samhällen eftersom den transporterar partiklar med vinden till områden långt från källan5,6.
Vinderosionskontroll är fortfarande ett globalt problem. Olika metoder för jordstabilisering används för att kontrollera vinderosion. Dessa metoder inkluderar material som vattenapplicering7, oljetäckningsmaterial8, biopolymerer5, mikrobiell inducerad karbonatfällning (MICP)9,10,11,12 och enzyminducerad karbonatfällning (EICP)1. Jordvätning är en standardmetod för dammdämpning i fält. Dess snabba avdunstning gör dock denna metod begränsad effektiv i torra och halvtorra regioner1. Applicering av oljetäckningsmedel ökar sandkohesionen och friktionen mellan partiklarna. Deras kohesiva egenskap binder samman sandkorn; oljetäckningsmaterial medför dock också andra problem; deras mörka färg ökar värmeabsorptionen och leder till att växter och mikroorganismer dör. Deras lukt och ångor kan orsaka andningsproblem, och framför allt är deras höga kostnad ett annat hinder. Biopolymerer är en av de nyligen föreslagna miljövänliga metoderna för att mildra vinderosion; de utvinns från naturliga källor som växter, djur och bakterier. Xantangummi, guargummi, kitosan och gellangummi är de vanligaste biopolymererna inom tekniska tillämpningar5. Vattenlösliga biopolymerer kan dock förlora styrka och läcka ut ur jorden när de utsätts för vatten13,14. EICP har visat sig vara en effektiv metod för dammreducering för en mängd olika tillämpningar, inklusive oasfalterade vägar, avfallsdammar och byggarbetsplatser. Även om resultaten är uppmuntrande måste vissa potentiella nackdelar beaktas, såsom kostnad och avsaknaden av kärnbildningsplatser (vilket accelererar bildandet och utfällningen av CaCO3-kristaller15,16).
MICP beskrevs först i slutet av 1800-talet av Murray och Irwin (1890) och Steinmann (1901) i deras studie av ureabsorption av marina mikroorganismer17. MICP är en naturligt förekommande biologisk process som involverar en mängd olika mikrobiella aktiviteter och kemiska processer där kalciumkarbonat fälls ut genom reaktion av karbonatjoner från mikrobiella metaboliter med kalciumjoner i miljön18,19. MICP som involverar den ureabedbrytande kvävecykeln (ureabedbrytande MICP) är den vanligaste typen av mikrobiellt inducerad karbonatfällning, där ureas producerat av bakterier katalyserar hydrolysen av urea20,21,22,23,24,25,26,27 enligt följande:
I MICP som involverar kolcykeln för organisk saltoxidation (MICP utan ureanedbrytningstyp) använder heterotrofa bakterier organiska salter såsom acetat, laktat, citrat, succinat, oxalat, malat och glyoxylat som energikällor för att producera karbonatmineraler28. I närvaro av kalciumlaktat som kolkälla och kalciumjoner visas den kemiska reaktionen för kalciumkarbonatbildning i ekvation (5).
I MICP-processen tillhandahåller bakterieceller kärnbildningsställen som är särskilt viktiga för utfällning av kalciumkarbonat; bakteriecellytan är negativt laddad och kan fungera som ett adsorbent för tvåvärda katjoner såsom kalciumjoner. Genom att adsorbera kalciumjoner på bakterieceller, när karbonatjonkoncentrationen är tillräcklig, reagerar kalciumkatjoner och karbonatanjoner och kalciumkarbonat utfälls på bakterieytan29,30. Processen kan sammanfattas enligt följande31,32:
Biogenererade kalciumkarbonatkristaller kan delas in i tre typer: kalcit, vaterit och aragonit. Bland dem är kalcit och vaterit de vanligaste bakteriellt inducerade kalciumkarbonat-allomorferna33,34. Kalcit är den mest termodynamiskt stabila kalciumkarbonat-allomorfen35. Även om vaterit har rapporterats vara metastabil, omvandlas den så småningom till kalcit36,37. Vaterit är den tätaste av dessa kristaller. Det är en hexagonal kristall som har bättre porfyllningsförmåga än andra kalciumkarbonatkristaller på grund av sin större storlek38. Både urea-nedbruten och urea-o-nedbruten MICP kan leda till utfällning av vaterit13,39,40,41.
Även om MICP har visat lovande potential för att stabilisera problematiska jordar och jordar som är känsliga för vinderosion42,43,44,45,46,47,48, är en av biprodukterna från ureahydrolys ammoniak, vilket kan orsaka milda till allvarliga hälsoproblem beroende på exponeringsnivån49. Denna bieffekt gör användningen av just denna teknik kontroversiell, särskilt när stora områden behöver behandlas, till exempel för dammbekämpning. Dessutom är lukten av ammoniak oacceptabel när processen utförs med höga appliceringsmängder och stora volymer, vilket kan påverka dess praktiska tillämpning. Även om nya studier har visat att ammoniumjoner kan reduceras genom att omvandla dem till andra produkter såsom struvit, tar dessa metoder inte bort ammoniumjoner helt50. Därför finns det fortfarande ett behov av att utforska alternativa lösningar som inte genererar ammoniumjoner. Användningen av icke-urea-nedbrytningsvägar för MICP kan ge en potentiell lösning som har utforskats dåligt i samband med begränsning av vinderosion. Fattahi et al. undersökte ureafri MICP-nedbrytning med kalciumacetat och Bacillus megaterium41, medan Mohebbi et al. använde kalciumacetat och Bacillus amyloliquefaciens9. Deras studie jämfördes dock inte med andra kalciumkällor och heterotrofa bakterier som i slutändan skulle kunna förbättra motståndskraften mot vinderosion. Det saknas också litteratur som jämför ureafria nedbrytningsvägar med urea-nedbrytningsvägar för att mildra vinderosion.
Dessutom har de flesta studier av vinderosion och dammkontroll utförts på jordprover med plana ytor.1,51,52,53 Plana ytor är dock mindre vanliga i naturen än kullar och fördjupningar. Det är därför sanddyner är det vanligaste landskapselementet i ökenregioner.
För att övervinna ovan nämnda brister syftade denna studie till att introducera en ny uppsättning icke-ammoniakproducerande bakteriella agens. För detta ändamål beaktade vi icke-urea-nedbrytande MICP-vägar. Effektiviteten hos två kalciumkällor (kalciumformiat och kalciumacetat) undersöktes. Så vitt författarna vet har karbonatfällning med två kombinationer av kalciumkällor och bakterie (dvs. kalciumformiat-Bacillus subtilis och kalciumformiat-Bacillus amyloliquefaciens) inte undersökts i tidigare studier. Valet av dessa bakterier baserades på de enzymer de producerar som katalyserar oxidationen av kalciumformiat och kalciumacetat för att bilda mikrobiell karbonatfällning. Vi utformade en grundlig experimentell studie för att hitta de optimala faktorerna såsom pH, bakterietyper och kalciumkällor och deras koncentrationer, förhållandet mellan bakterier och kalciumkälla i lösning och härdningstid. Slutligen undersöktes effektiviteten hos denna uppsättning bakteriella agens för att undertrycka vinderosion genom kalciumkarbonatutfällning genom att utföra en serie vindtunneltester på sanddyner för att bestämma vinderosionens magnitud, tröskelhastighet för brytning och vindbombardemangsmotstånd hos sanden, och penetrometermätningar och mikrostrukturstudier (t.ex. röntgendiffraktionsanalys (XRD) och svepelektronmikroskopi (SEM)) utfördes också.
Kalciumkarbonatproduktion kräver kalciumjoner och karbonatjoner. Kalciumjoner kan erhållas från olika kalciumkällor såsom kalciumklorid, kalciumhydroxid och skummjölkspulver54,55. Karbonatjoner kan produceras genom olika mikrobiella metoder såsom ureahydrolys och aerob eller anaerob oxidation av organiskt material56. I denna studie erhölls karbonatjoner från oxidationsreaktionen mellan formiat och acetat. Dessutom använde vi kalciumsalter av formiat och acetat för att producera rent kalciumkarbonat, vilket innebär att endast CO2 och H2O erhölls som biprodukter. I denna process fungerar endast ett ämne som kalciumkälla och karbonatkälla, och ingen ammoniak produceras. Dessa egenskaper gör den metod för kalciumkälla och karbonatproduktion som vi ansåg vara mycket lovande.
Motsvarande reaktioner mellan kalciumformiat och kalciumacetat för att bilda kalciumkarbonat visas i formlerna (7)-(14). Formlerna (7)-(11) visar att kalciumformiat löses upp i vatten för att bilda myrsyra eller formiat. Lösningen är således en källa till fria kalcium- och hydroxidjoner (formlerna 8 och 9). Som ett resultat av oxidationen av myrsyra omvandlas kolatomerna i myrsyran till koldioxid (formel 10). Kalciumkarbonat bildas slutligen (formlerna 11 och 12).
På liknande sätt bildas kalciumkarbonat från kalciumacetat (ekvationerna 13–15), förutom att ättiksyra eller acetat bildas istället för myrsyra.
Utan närvaro av enzymer kan inte acetat och formiat oxideras vid rumstemperatur. FDH (formiatdehydrogenas) och CoA (koenzym A) katalyserar oxidationen av formiat respektive acetat för att bilda koldioxid (ekv. 16, 17) 57, 58, 59. Olika bakterier kan producera dessa enzymer, och heterotrofa bakterier, nämligen Bacillus subtilis (PTCC #1204 (Persian Type Culture Collection), även känd som NCIMB #13061 (International Collection of Bacteria, Yeast, Phage, Plasmids, Plant Seeds and Plant Cell Tissue Cultures)) och Bacillus amyloliquefaciens (PTCC #1732, NCIMB #12077), användes i denna studie. Dessa bakterier odlades i ett medium innehållande köttpepton (5 g/L) och köttextrakt (3 g/L), kallat näringsbuljong (NBR) (105443 Merck).
Således framställdes fyra formuleringar för att inducera kalciumkarbonatutfällning med användning av två kalciumkällor och två bakterier: kalciumformiat och Bacillus subtilis (FS), kalciumformiat och Bacillus amyloliquefaciens (FA), kalciumacetat och Bacillus subtilis (AS), och kalciumacetat och Bacillus amyloliquefaciens (AA).
I den första delen av den experimentella designen utfördes tester för att bestämma den optimala kombinationen som skulle uppnå maximal kalciumkarbonatproduktion. Eftersom jordproverna innehöll kalciumkarbonat utformades en uppsättning preliminära utvärderingstester för att noggrant mäta CaCO3 som producerades av de olika kombinationerna, och blandningar av odlingsmedium och kalciumkälllösningar utvärderades. För varje kombination av kalciumkälla och bakterielösning som definierats ovan (FS, FA, AS och AA) härleddes optimeringsfaktorer (kalciumkällakoncentration, härdningstid, bakterielösningskoncentration mätt med lösningens optiska densitet (OD), förhållandet mellan kalciumkälla och bakterielösning och pH) och användes i vindtunneltesterna för sanddynsbehandling som beskrivs i följande avsnitt.
För varje kombination utfördes 150 experiment för att studera effekten av CaCO3-utfällning och utvärdera olika faktorer, nämligen kalciumkällans koncentration, härdningstid, bakteriellt OD-värde, förhållandet mellan kalciumkälla och bakterielösning och pH under aerob oxidation av organiskt material (tabell 1). PH-intervallet för den optimerade processen valdes baserat på tillväxtkurvorna för Bacillus subtilis och Bacillus amyloliquefaciens för att uppnå snabbare tillväxt. Detta förklaras mer detaljerat i resultatavsnittet.
Följande steg användes för att förbereda proverna för optimeringsfasen. MICP-lösningen framställdes först genom att justera odlingsmediets initiala pH-värde och autoklaverades sedan vid 121 °C i 15 minuter. Stammen inokulerades sedan i ett laminärt luftflöde och hölls i en skakinkubator vid 30 °C och 180 rpm. När bakteriens OD nådde önskad nivå blandades den med kalciumkälllösningen i önskad proportion (Figur 1a). MICP-lösningen fick reagera och stelna i en skakinkubator vid 220 rpm och 30 °C under en tid som nådde målvärdet. Den utfällda CaCO3 separerades efter centrifugering vid 6000 g i 5 minuter och torkades sedan vid 40 °C för att förbereda proverna för kalcimetertestet (Figur 1b). Utfällningen av CaCO3 mättes sedan med en Bernard-kalcimeter, där CaCO3-pulver reagerar med 1,0 N HCl (ASTM-D4373-02) för att producera CO2, och volymen av denna gas är ett mått på CaCO3-halten (Figur 1c). För att omvandla volymen CO2 till CaCO3-halt genererades en kalibreringskurva genom att tvätta rent CaCO3-pulver med 1 N HCl och plotta det mot den frigjorda CO2. Morfologin och renheten hos det utfällda CaCO3-pulvret undersöktes med hjälp av SEM-avbildning och XRD-analys. Ett optiskt mikroskop med en förstoringsgrad på 1000 användes för att studera bildandet av kalciumkarbonat runt bakterierna, fasen hos det bildade kalciumkarbonatet och bakteriens aktivitet.
Dejegh-bäckenet är en välkänd, kraftigt eroderad region i den sydvästra provinsen Fars i Iran, och forskarna samlade in vinderoderade jordprover från området. Proverna togs från jordytan för studien. Indikatortester på jordproverna visade att jorden var dåligt sorterad sandjord med silt och klassificerades som SP-SM enligt Unified Soil Classification System (USC) (Figur 2a). XRD-analys visade att Dejegh-jorden huvudsakligen bestod av kalcit och kvarts (Figur 2b). Dessutom visade EDX-analys att andra element som Al, K och Fe också fanns i mindre proportioner.
För att förbereda laboratoriedynerna för vinderosionstestning krossades jorden från en höjd av 170 mm genom en tratt med 10 mm diameter till en fast yta, vilket resulterade i en typisk dyn med en höjd på 60 mm och en diameter på 210 mm. I naturen bildas sanddynerna med lägst densitet genom eoliska processer. På liknande sätt hade provet som framställts med ovanstående procedur den lägsta relativa densiteten, γ = 14,14 kN/m³, vilket bildade en sandkon avsatt på en horisontell yta med en rasvinkel på cirka 29,7°.
Den optimala MICP-lösningen som erhölls i föregående avsnitt sprayades på sanddynens sluttning med appliceringshastigheter på 1, 2 och 3 lm-2 och sedan förvarades proverna i en inkubator vid 30 °C (Fig. 3) i 9 dagar (dvs. den optimala härdningstiden) och togs sedan ut för vindtunneltestning.
För varje behandling framställdes fyra prover, ett för mätning av kalciumkarbonathalt och ytstyrka med hjälp av en penetrometer, och de återstående tre proverna användes för erosionstester vid tre olika hastigheter. I vindtunneltesterna bestämdes erosionsmängden vid olika vindhastigheter, och sedan bestämdes tröskelhastigheten för brytning för varje behandlingsprov med hjälp av ett diagram över erosionsmängd kontra vindhastighet. Utöver vinderosionstesterna utsattes de behandlade proverna för sandbombardemang (dvs. hoppexperiment). Ytterligare två prover framställdes för detta ändamål med appliceringsmängder på 2 och 3 L m−2. Sandbombardemangstestet varade i 15 minuter med ett flöde på 120 gm−1, vilket ligger inom det värdeintervall som valts i tidigare studier60,61,62. Det horisontella avståndet mellan slipmunstycket och dynens bas var 800 mm, beläget 100 mm ovanför tunnelns botten. Denna position ställdes in så att nästan alla hoppande sandpartiklar föll på dynen.
Vindtunneltestet utfördes i en öppen vindtunnel med en längd på 8 m, en bredd på 0,4 m och en höjd på 1 m (Figur 4a). Vindtunneln är tillverkad av galvaniserad stålplåt och kan generera en vindhastighet på upp till 25 m/s. Dessutom används en frekvensomvandlare för att justera fläktfrekvensen och gradvis öka frekvensen för att uppnå önskad vindhastighet. Figur 4b visar ett schema över de sanddyner som eroderats av vinden och vindhastighetsprofilen som mätts i vindtunneln.
Slutligen, för att jämföra resultaten av den icke-urealytiska MICP-formuleringen som föreslagits i denna studie med resultaten av det urealytiska MICP-kontrolltestet, framställdes även sanddynprover och behandlades med en biologisk lösning innehållande urea, kalciumklorid och Sporosarcina pasteurii (eftersom Sporosarcina pasteurii har en betydande förmåga att producera ureas63). Den optiska densiteten hos bakterielösningen var 1,5, och koncentrationerna av urea och kalciumklorid var 1 M (valda baserat på de värden som rekommenderats i tidigare studier36,64,65). Odlingsmediet bestod av näringsbuljong (8 g/L) och urea (20 g/L). Bakterielösningen sprayades på sanddynytan och lämnades i 24 timmar för bakteriell vidhäftning. Efter 24 timmars vidhäftning sprayades en cementeringslösning (kalciumklorid och urea). Det urealytiska MICP-kontrolltestet kallas hädanefter UMC. Kalciumkarbonathalten i urealytiskt och icke-urealytiskt behandlade jordprover erhölls genom tvättning enligt den procedur som föreslagits av Choi et al.66
Figur 5 visar tillväxtkurvorna för Bacillus amyloliquefaciens och Bacillus subtilis i odlingsmediet (näringslösning) med ett initialt pH-intervall på 5 till 10. Som visas i figuren växte Bacillus amyloliquefaciens och Bacillus subtilis snabbare vid pH 6–8 respektive 7–9. Därför användes detta pH-intervall i optimeringssteget.
Tillväxtkurvor för (a) Bacillus amyloliquefaciens och (b) Bacillus subtilis vid olika initiala pH-värden i näringsmediet.
Figur 6 visar mängden koldioxid som produceras i Bernard-kalkmätaren, vilket representerar utfällt kalciumkarbonat (CaCO3). Eftersom en faktor var fixerad i varje kombination och de andra faktorerna varierades, motsvarar varje punkt på dessa grafer den maximala volymen koldioxid i den uppsättningen experiment. Som visas i figuren ökade produktionen av kalciumkarbonat när kalciumkällans koncentration ökade. Därför påverkar koncentrationen av kalciumkällan direkt produktionen av kalciumkarbonat. Eftersom kalciumkällan och kolkällan är desamma (dvs. kalciumformiat och kalciumacetat), bildas mer kalciumkarbonat ju fler kalciumjoner som frigörs (Figur 6a). I AS- och AA-formuleringarna fortsatte kalciumkarbonatproduktionen att öka med ökande härdningstid tills mängden fällning var nästan oförändrad efter 9 dagar. I FA-formuleringen minskade hastigheten för kalciumkarbonatbildning när härdningstiden översteg 6 dagar. Jämfört med andra formuleringar visade formulering FS en relativt låg kalciumkarbonatbildningshastighet efter 3 dagar (Figur 6b). I formuleringarna FA och FS erhölls 70 % respektive 87 % av den totala kalciumkarbonatproduktionen efter tre dagar, medan i formuleringarna AA och AS var denna andel endast cirka 46 % respektive 45 %. Detta indikerar att den myrsyrabaserade formuleringen har en högre CaCO3-bildningshastighet i initialskedet jämfört med den acetatbaserade formuleringen. Bildningshastigheten minskar dock med ökande härdningstid. Man kan dra slutsatsen från figur 6c att även vid bakteriekoncentrationer över OD1 finns det inget signifikant bidrag till kalciumkarbonatbildning.
Förändring i CO2-volym (och motsvarande CaCO3-halt) mätt med Bernard-kalcimetern som funktion av (a) kalciumkällans koncentration, (b) stelningstid, (c) OD, (d) initialt pH, (e) förhållandet mellan kalciumkälla och bakterielösning (för varje formulering); och (f) maximal mängd kalciumkarbonat som produceras för varje kombination av kalciumkälla och bakterier.
Beträffande effekten av mediets initiala pH-värde visar figur 6d att för FA och FS nådde CaCO3-produktionen ett maximalt värde vid pH 7. Denna observation överensstämmer med tidigare studier som visar att FDH-enzymer är mest stabila vid pH 7–6,7. För AA och AS ökade dock CaCO3-utfällningen när pH-värdet översteg 7. Tidigare studier visade också att det optimala pH-intervallet för CoA-enzymaktivitet är från 8 till 9,2–6,8. Med tanke på att de optimala pH-intervallen för CoA-enzymaktivitet och tillväxt av B. amyloliquefaciens är (8–9,2) respektive (6–8) (figur 5a), förväntas det optimala pH-värdet för AA-formuleringen vara 8, och de två pH-intervallen överlappar varandra. Detta faktum bekräftades genom experiment, såsom visas i figur 6d. Eftersom det optimala pH-värdet för B. subtilis-tillväxt är 7-9 (Figur 5b) och det optimala pH-värdet för CoA-enzymaktivitet är 8-9,2, förväntas det maximala CaCO3-utfällningsutbytet ligga i pH-intervallet 8-9, vilket bekräftas av Figur 6d (dvs. det optimala utfällnings-pH-värdet är 9). Resultaten som visas i Figur 6e indikerar att det optimala förhållandet mellan kalciumkällalösning och bakterielösning är 1 för både acetat- och formiatlösningar. Som jämförelse utvärderades prestandan för olika formuleringar (dvs. AA, AS, FA och FS) baserat på den maximala CaCO3-produktionen under olika förhållanden (dvs. kalciumkällakoncentration, härdningstid, OD, förhållandet mellan kalciumkälla och bakterielösning och initialt pH). Bland de studerade formuleringarna hade formulering FS den högsta CaCO3-produktionen, vilken var ungefär tre gånger högre än formulering AA (Figur 6f). Fyra bakteriefria kontrollexperiment utfördes för båda kalciumkällorna och ingen CaCO3-utfällning observerades efter 30 dagar.
De optiska mikroskopibilderna av alla formuleringar visade att vaterit var den huvudsakliga fasen i vilken kalciumkarbonat bildades (Figur 7). Vateritkristallerna var sfäriska till formen69,70,71. Det visade sig att kalciumkarbonat fälldes ut på bakteriecellerna eftersom bakteriecellernas yta var negativt laddad och kunde fungera som ett adsorbent för tvåvärda katjoner. Med formulering FS som exempel i denna studie började kalciumkarbonat bildas på vissa bakterieceller efter 24 timmar (Figur 7a), och efter 48 timmar ökade antalet bakterieceller belagda med kalciumkarbonat avsevärt. Dessutom, som visas i Figur 7b, kunde vateritpartiklar också detekteras. Slutligen, efter 72 timmar, verkade ett stort antal bakterier vara bundna av vateritkristallerna, och antalet vateritpartiklar ökade avsevärt (Figur 7c).
Optiska mikroskopiobservationer av CaCO3-utfällning i FS-kompositioner över tid: (a) 24, (b) 48 och (c) 72 timmar.
För att ytterligare undersöka morfologin hos den utfällda fasen utfördes röntgendiffraktion (XRD) och SEM-analyser av pulvren. XRD-spektra (Fig. 8a) och SEM-mikrofotografier (Fig. 8b, c) bekräftade närvaron av vateritkristaller, eftersom de hade en salladsliknande form och en överensstämmelse mellan vaterittopparna och utfällningstopparna observerades.
(a) Jämförelse av röntgendiffraktionsspektra för bildad CaCO3 och vaterit. SEM-mikrografer av vaterit vid (b) 1 kHz respektive (c) 5,27 kHz förstoring.
Resultaten av vindtunneltesterna visas i figur 9a, b. Det framgår av figur 9a att tröskelvärdet för erosionshastigheten (TDV) för den obehandlade sanden är cirka 4,32 m/s. Vid appliceringshastigheten 1 l/m² (figur 9a) är lutningarna för jordförlustlinjerna för fraktionerna FA, FS, AA och UMC ungefär desamma som för den obehandlade dynen. Detta indikerar att behandlingen vid denna appliceringshastighet är ineffektiv och så snart vindhastigheten överstiger TDV försvinner den tunna jordskorpan och dynerosionshastigheten är densamma som för den obehandlade dynen. Erosionslutningen för fraktion AS är också lägre än för de andra fraktionerna med lägre abscissor (dvs. TDV) (figur 9a). Pilarna i figur 9b indikerar att vid maximal vindhastighet på 25 m/s inträffade ingen erosion i de behandlade dynerna vid appliceringshastigheterna 2 och 3 l/m². Med andra ord, för FS, FA, AS och UMC, var sanddynerna mer motståndskraftiga mot vinderosion orsakad av CaCO³-avsättning vid appliceringsmängder på 2 och 3 l/m² än vid maximal vindhastighet (dvs. 25 m/s). TDV-värdet på 25 m/s som erhålls i dessa tester är således den nedre gränsen för appliceringsmängderna som visas i figur 9b, förutom i fallet med AA, där TDV är nästan lika med den maximala vindtunnelhastigheten.
Vinderosionstest (a) Viktförlust kontra vindhastighet (appliceringsmängd 1 l/m2), (b) Tröskelvärde för avrivningshastighet kontra appliceringsmängd och formulering (CA för kalciumacetat, CF för kalciumformiat).
Figur 10 visar yterosionen av sanddyner behandlade med olika formuleringar och appliceringshastigheter efter sandbombardemangstestet och de kvantitativa resultaten visas i figur 11. Det obehandlade fallet visas inte eftersom det inte visade någon resistens och eroderades fullständigt (total massförlust) under sandbombardemangstestet. Det framgår tydligt av figur 11 att provet som behandlades med biokomposition AA förlorade 83,5 % av sin vikt vid appliceringshastigheten 2 l/m2 medan alla andra prover visade mindre än 30 % erosion under sandbombardemangsprocessen. När appliceringshastigheten ökades till 3 l/m2 förlorade alla behandlade prover mindre än 25 % av sin vikt. Vid båda appliceringshastigheterna uppvisade föreningen FS bäst resistens mot sandbombardemang. Den maximala och minimala bombardemangsresistensen i de FS- och AA-behandlade proverna kan tillskrivas deras maximala och minimala CaCO3-utfällning (figur 6f).
Resultat av bombardemang av sanddyner med olika sammansättningar vid flödeshastigheter på 2 och 3 l/m2 (pilar anger vindriktning, kryss anger vindriktning vinkelrätt mot ritningens plan).
Som visas i figur 12 ökade kalciumkarbonathalten i alla formler när appliceringsmängden ökade från 1 L/m² till 3 L/m². Dessutom var formeln med den högsta kalciumkarbonathalten FS, följt av FA och UMC, vid alla appliceringsmängder. Detta tyder på att dessa formler kan ha högre ytresistens.
Figur 13a visar förändringen i ytresistans hos obehandlade, kontroll- och behandlade jordprover mätt med permeametertest. Av denna figur framgår det tydligt att ytresistansen för UMC-, AS-, FA- och FS-formuleringar ökade avsevärt med ökande appliceringsmängd. Ökningen i ytstyrka var dock relativt liten i AA-formuleringen. Som visas i figuren har FA- och FS-formuleringar av icke-urea-nedbruten MICP bättre ytpermeabilitet jämfört med urea-nedbruten MICP. Figur 13b visar förändringen i TDV med jordens ytresistans. Av denna figur framgår det tydligt att för sanddyner med ytresistans större än 100 kPa kommer tröskelhastigheten för strippning att överstiga 25 m/s. Eftersom in situ-ytresistans enkelt kan mätas med permeameter kan denna kunskap hjälpa till att uppskatta TDV i frånvaro av vindtunneltestning, och därigenom fungera som en kvalitetskontrollindikator för fälttillämpningar.
SEM-resultaten visas i figur 14. Figur 14a-b visar de förstorade partiklarna i det obehandlade jordprovet, vilket tydligt indikerar att det är kohesivt och inte har någon naturlig bindning eller cementering. Figur 14c visar SEM-mikrofotografiet av kontrollprovet behandlat med ureadegraderad MICP. Denna bild visar närvaron av CaCO3-utfällningar som kalcitpolymorfer. Som visas i figur 14d-o binder den utfällda CaCO3 partiklarna samman; sfäriska vateritkristaller kan också identifieras i SEM-mikrofotografierna. Resultaten av denna studie och tidigare studier indikerar att CaCO3-bindningarna som bildas som vateritpolymorfer också kan ge rimlig mekanisk hållfasthet; våra resultat visar att ytresistansen ökar till 350 kPa och tröskelhastigheten för separation ökar från 4,32 till mer än 25 m/s. Detta resultat överensstämmer med resultaten från tidigare studier att matrisen av MICP-utfälld CaCO3 är vaterit, som har rimlig mekanisk hållfasthet och vinderosionsbeständighet13,40 och kan bibehålla rimlig vinderosionsbeständighet även efter 180 dagars exponering för fältmiljöförhållanden13.
(a, b) SEM-mikrografer av obehandlad jord, (c) MICP-urea-nedbrytningskontroll, (df) AA-behandlade prover, (gi) AS-behandlade prover, (jl) FA-behandlade prover och (mo) FS-behandlade prover med en appliceringsmängd på 3 L/m2 vid olika förstoringsgrader.
Figur 14d-f visar att efter behandling med AA-föreningar utfälldes kalciumkarbonat på ytan och mellan sandkornen, medan även vissa obelagda sandkorn observerades. För AS-komponenter, även om mängden bildad CaCO3 inte ökade signifikant (Fig. 6f), ökade mängden kontakter mellan sandkorn orsakade av CaCO3 signifikant jämfört med AA-föreningar (Fig. 14g-i).
Från figurerna 14j-l och 14m-o framgår det tydligt att användningen av kalciumformiat som kalciumkälla leder till en ytterligare ökning av CaCO3-utfällning jämfört med AS-föreningen, vilket överensstämmer med kalciummätningarna i figur 6f. Denna ytterligare CaCO3 verkar huvudsakligen avsättas på sandpartiklarna och förbättrar inte nödvändigtvis kontaktkvaliteten. Detta bekräftar det tidigare observerade beteendet: trots skillnaderna i mängden CaCO3-utfällning (figur 6f) skiljer sig de tre formuleringarna (AS, FA och FS) inte signifikant vad gäller anti-eolisk (vind-) prestanda (figur 11) och ytresistens (figur 13a).
För att bättre visualisera de CaCO3-belagda bakteriecellerna och det bakteriella avtrycket på de utfällda kristallerna togs SEM-mikrofotografier med hög förstoring och resultaten visas i figur 15. Som visas utfälls kalciumkarbonat på bakteriecellerna och tillhandahåller de kärnor som krävs för utfällningen där. Figuren visar också de aktiva och inaktiva bindningar som induceras av CaCO3. Man kan dra slutsatsen att en ökning av inaktiva bindningar inte nödvändigtvis leder till ytterligare förbättring av det mekaniska beteendet. Därför leder ökad CaCO3-utfällning inte nödvändigtvis till högre mekanisk hållfasthet och utfällningsmönstret spelar en viktig roll. Denna punkt har också studerats i arbetena av Terzis och Laloui72 och Soghi och Al-Kabani45,73. För att ytterligare undersöka sambandet mellan utfällningsmönster och mekanisk hållfasthet rekommenderas MICP-studier med µCT-avbildning, vilket ligger utanför denna studies omfattning (dvs. introduktion av olika kombinationer av kalciumkällor och bakterier för ammoniakfri MICP).
CaCO3 inducerade aktiva och inaktiva bindningar i prover behandlade med (a) AS-komposition och (b) FS-komposition och lämnade ett avtryck av bakterieceller på sedimentet.
Som visas i figurerna 14j-o och 15b finns det en CaCO₂-film (enligt EDX-analys är den procentuella sammansättningen av varje element i filmen kol 11 %, syre 46,62 % och kalcium 42,39 %, vilket är mycket nära andelen CaCO₂ i figur 16). Denna film täcker vateritkristallerna och jordpartiklarna, vilket bidrar till att bibehålla jord-sedimentsystemets integritet. Närvaron av denna film observerades endast i de prover som behandlats med den formiatbaserade formuleringen.
Tabell 2 jämför ytstyrkan, tröskelhastigheten för lösgöring och bioinducerat CaCO3-innehåll i jordar behandlade med ureadegraderande och icke-ureadegraderande MICP-vägar i tidigare studier och denna studie. Studier av vinderosionsbeständigheten hos MICP-behandlade dynprover är begränsade. Meng et al. undersökte vinderosionsbeständigheten hos MICP-behandlade ureadegraderande dynprover med hjälp av en lövblåsare,13 medan i denna studie testades icke-ureadegraderande dynprover (samt ureadegraderande kontroller) i en vindtunnel och behandlades med fyra olika kombinationer av bakterier och substanser.
Som framgår har vissa tidigare studier beaktat höga appliceringshastigheter som överstiger 4 L/m²13,41,74. Det är värt att notera att höga appliceringshastigheter kanske inte är lätta att tillämpa i fält ur ekonomisk synvinkel på grund av kostnaderna förknippade med vattenförsörjning, transport och applicering av stora volymer vatten. Lägre appliceringshastigheter, såsom 1,62-2 L/m², uppnådde också ganska goda ythållfastheter på upp till 190 kPa och ett TDV som överstiger 25 m/s. I den aktuella studien uppnådde sanddyner behandlade med formiatbaserad MICP utan ureanedbrytning höga ythållfastheter som var jämförbara med de som erhölls med ureanedbrytningsvägen i samma intervall av appliceringshastigheter (dvs. prover behandlade med formiatbaserad MICP utan ureanedbrytning kunde också uppnå samma intervall av ythållfasthetsvärden som rapporterats av Meng et al., 13, figur 13a) vid högre appliceringshastigheter. Det kan också ses att vid en appliceringshastighet på 2 L/m2 var utbytet av kalciumkarbonat för begränsning av vinderosion vid en vindhastighet på 25 m/s 2,25 % för den formiatbaserade MICP utan ureanedbrytning, vilket är mycket nära den erforderliga mängden CaCO3 (dvs. 2,41 %) jämfört med sanddyner behandlade med kontroll-MICP med ureanedbrytning vid samma appliceringshastighet och samma vindhastighet (25 m/s).
Således kan man från denna tabell dra slutsatsen att både ureanedbrytningsvägen och den ureasfria nedbrytningsvägen kan ge helt acceptabla prestanda vad gäller ytresistens och TDV. Den största skillnaden är att den ureasfria nedbrytningsvägen inte innehåller ammoniak och därför har en lägre miljöpåverkan. Dessutom verkar den formiatbaserade MICP-metoden utan ureanedbrytning som föreslås i denna studie prestera bättre än den acetatbaserade MICP-metoden utan ureanedbrytning. Även om Mohebbi et al. studerade den acetatbaserade MICP-metoden utan ureanedbrytning, inkluderade deras studie prover på plana ytor9. På grund av den högre graden av erosion orsakad av virvelbildning runt dynproverna och den resulterande skjuvningen, vilket resulterar i lägre TDV, förväntas vinderosionen av dynproverna vara mer uppenbar än den på plana ytor vid samma hastighet.