Ďakujeme za návštevu stránky nature.com. Verzia prehliadača, ktorú používate, má obmedzenú podporu CSS. Pre dosiahnutie čo najlepšieho zážitku odporúčame používať najnovšiu verziu prehliadača (alebo vypnúť režim kompatibility v prehliadači Internet Explorer). Okrem toho, aby sme zabezpečili nepretržitú podporu, táto stránka nebude obsahovať štýly ani JavaScript.
Prašné búrky predstavujú vážnu hrozbu pre mnohé krajiny sveta kvôli ich deštruktívnemu vplyvu na poľnohospodárstvo, ľudské zdravie, dopravné siete a infraštruktúru. V dôsledku toho sa veterná erózia považuje za globálny problém. Jedným z environmentálne šetrných prístupov k obmedzeniu veternej erózie je použitie mikrobiálne indukovanej uhličitanovej precipitácie (MICP). Vedľajšie produkty MICP na báze degradácie močoviny, ako je amoniak, však nie sú ideálne, keď sa vyrábajú vo veľkých množstvách. Táto štúdia predstavuje dve formulácie baktérií mravčanu vápenatého na degradáciu MICP bez produkcie močoviny a komplexne porovnáva ich výkon s dvoma formuláciami baktérií octanu vápenatého, ktoré neprodukujú amoniak. Uvažované baktérie sú Bacillus subtilis a Bacillus amyloliquefaciens. Najprv boli stanovené optimalizované hodnoty faktorov riadiacich tvorbu CaCO3. Následne boli vykonané testy v aerodynamickom tuneli na vzorkách piesočných dún ošetrených optimalizovanými formuláciami a bola meraná odolnosť voči veternej erózii, prahová rýchlosť odlupovania a odolnosť voči bombardovaniu pieskom. Alomorfy uhličitanu vápenatého (CaCO3) boli hodnotené pomocou optickej mikroskopie, skenovacej elektrónovej mikroskopie (SEM) a röntgenovej difrakčnej analýzy. Formulácie na báze mravčanu vápenatého dosiahli výrazne lepšie výsledky ako formulácie na báze octanu, pokiaľ ide o tvorbu uhličitanu vápenatého. Okrem toho B. subtilis produkoval viac uhličitanu vápenatého ako B. amyloliquefaciens. SEM mikrofotografie jasne ukázali väzbu a usadzovanie aktívnych a neaktívnych baktérií na uhličitane vápenatom spôsobené sedimentáciou. Všetky formulácie významne znížili veternú eróziu.
Veterná erózia je už dlho uznávaná ako hlavný problém, ktorému čelia suché a polosuché oblasti, ako je juhozápad Spojených štátov, západná Čína, saharská Afrika a veľká časť Blízkeho východu1. Nízke zrážky v suchom a hypersuchom podnebí premenili veľké časti týchto oblastí na púšte, piesočné duny a neobrábané pozemky. Pokračujúca veterná erózia predstavuje environmentálne hrozby pre infraštruktúru, ako sú dopravné siete, poľnohospodárska pôda a priemyselné pozemky, čo vedie k zlým životným podmienkam a vysokým nákladom na rozvoj miest v týchto regiónoch2,3,4. Dôležité je, že veterná erózia nielen ovplyvňuje miesto, kde sa vyskytuje, ale spôsobuje aj zdravotné a ekonomické problémy v odľahlých komunitách, pretože prenáša častice vetrom do oblastí ďaleko od zdroja5,6.
Kontrola veternej erózie zostáva globálnym problémom. Na kontrolu veternej erózie sa používajú rôzne metódy stabilizácie pôdy. Medzi tieto metódy patria materiály ako aplikácia vody7, olejové mulče8, biopolyméry5, mikrobiálne indukované zrážanie uhličitanov (MICP)9,10,11,12 a enzýmami indukované zrážanie uhličitanov (EICP)1. Zvlhčovanie pôdy je štandardnou metódou potlačenia prašnosti v teréne. Jeho rýchle odparovanie však robí túto metódu obmedzenou účinnosťou v suchých a polosuchých oblastiach1. Aplikácia olejových mulčovacích zlúčenín zvyšuje súdržnosť piesku a trenie medzi časticami. Ich súdržná vlastnosť viaže zrná piesku k sebe; olejové mulče však predstavujú aj ďalšie problémy; ich tmavá farba zvyšuje absorpciu tepla a vedie k úhynu rastlín a mikroorganizmov. Ich zápach a výpary môžu spôsobiť respiračné problémy a predovšetkým ich vysoká cena je ďalšou prekážkou. Biopolyméry sú jednou z nedávno navrhnutých ekologických metód na zmiernenie veternej erózie; extrahujú sa z prírodných zdrojov, ako sú rastliny, zvieratá a baktérie. Xantánová guma, guarová guma, chitosan a gelánová guma sú najčastejšie používané biopolyméry v technických aplikáciách5. Avšak vo vode rozpustné biopolyméry môžu stratiť pevnosť a vylúhovať sa z pôdy, keď sú vystavené vode13,14. Ukázalo sa, že EICP je účinná metóda potlačenia prašnosti pre rôzne aplikácie vrátane nespevnených ciest, odkaliská a stavenísk. Hoci sú jej výsledky povzbudivé, treba zvážiť aj niektoré potenciálne nevýhody, ako sú náklady a nedostatok nukleačných miest (čo urýchľuje tvorbu a zrážanie kryštálov CaCO315,16).
MICP prvýkrát opísali koncom 19. storočia Murray a Irwin (1890) a Steinmann (1901) vo svojej štúdii degradácie močoviny morskými mikroorganizmami17. MICP je prirodzene sa vyskytujúci biologický proces zahŕňajúci rôzne mikrobiálne aktivity a chemické procesy, pri ktorých sa uhličitan vápenatý zráža reakciou uhličitanových iónov z mikrobiálnych metabolitov s vápenatými iónmi v prostredí18,19. MICP zahŕňajúci cyklus dusíka degradujúceho močovinu (MICP degradujúci močovinu) je najbežnejším typom mikrobiálne indukovaného zrážania uhličitanu, pri ktorom ureáza produkovaná baktériami katalyzuje hydrolýzu močoviny20,21,22,23,24,25,26,27 nasledovne:
V MICP zahŕňajúcom uhlíkový cyklus oxidácie organických solí (typ MICP bez degradácie močoviny) používajú heterotrofné baktérie organické soli, ako je acetát, laktát, citrát, sukcinát, oxalát, malát a glyoxylát, ako zdroje energie na produkciu uhličitanových minerálov28. V prítomnosti laktátu vápenatého ako zdroja uhlíka a iónov vápnika je chemická reakcia tvorby uhličitanu vápenatého znázornená v rovnici (5).
V procese MICP poskytujú bakteriálne bunky nukleačné miesta, ktoré sú obzvlášť dôležité pre zrážanie uhličitanu vápenatého; povrch bakteriálnej bunky je negatívne nabitý a môže pôsobiť ako adsorbent pre dvojmocné katióny, ako sú napríklad ióny vápnika. Adsorpciou iónov vápnika na bakteriálne bunky, keď je koncentrácia uhličitanových iónov dostatočná, katióny vápnika a uhličitanové anióny reagujú a uhličitan vápenatý sa vyzráža na povrchu baktérií29,30. Proces možno zhrnúť nasledovne31,32:
Biogenerované kryštály uhličitanu vápenatého možno rozdeliť na tri typy: kalcit, vaterit a aragonit. Spomedzi nich sú kalcit a vaterit najbežnejšími bakteriálne indukovanými alomorfmi uhličitanu vápenatého33,34. Kalcit je termodynamicky najstabilnejší alomorf uhličitanu vápenatého35. Hoci sa uvádza, že vaterit je metastabilný, nakoniec sa transformuje na kalcit36,37. Vaterit je z týchto kryštálov najhustejší. Je to hexagonálny kryštál, ktorý má vďaka svojej väčšej veľkosti lepšiu schopnosť vypĺňať póry ako iné kryštály uhličitanu vápenatého38. MICP degradovaný močovinou aj nedegradovaný močovinou môže viesť k vyzrážaniu vateritu13,39,40,41.
Hoci MICP preukázal sľubný potenciál pri stabilizácii problematických pôd a pôd náchylných na veternú eróziu42,43,44,45,46,47,48, jedným z vedľajších produktov hydrolýzy močoviny je amoniak, ktorý môže spôsobiť mierne až závažné zdravotné problémy v závislosti od úrovne expozície49. Tento vedľajší účinok robí použitie tejto konkrétnej technológie kontroverzným, najmä ak je potrebné ošetriť veľké plochy, napríklad na potlačenie prašnosti. Okrem toho je zápach amoniaku neznesiteľný, keď sa proces vykonáva pri vysokých aplikačných dávkach a veľkých objemoch, čo môže ovplyvniť jeho praktickú použiteľnosť. Hoci nedávne štúdie ukázali, že amónne ióny je možné znížiť ich premenou na iné produkty, ako je struvit, tieto metódy úplne neodstraňujú amónne ióny50. Preto je stále potrebné preskúmať alternatívne riešenia, ktoré negenerujú amónne ióny. Použitie nemočovinových degradačných dráh pre MICP môže poskytnúť potenciálne riešenie, ktoré bolo v kontexte zmierňovania veternej erózie málo preskúmané. Fattahi a kol. skúmali degradáciu MICP bez močoviny pomocou octanu vápenatého a Bacillus megaterium41, zatiaľ čo Mohebbi a kol. použili octan vápenatý a Bacillus amyloliquefaciens9. Ich štúdia však nebola porovnávaná s inými zdrojmi vápnika a heterotrofnými baktériami, ktoré by mohli v konečnom dôsledku zlepšiť odolnosť voči veternej erózii. Chýba tiež literatúra porovnávajúca dráhy degradácie bez močoviny s dráhami degradácie močoviny pri zmierňovaní veternej erózie.
Okrem toho sa väčšina štúdií veternej erózie a kontroly prachu uskutočnila na vzorkách pôdy s rovnými povrchmi.1,51,52,53 Rovné povrchy sú však v prírode menej bežné ako kopce a priehlbiny. Preto sú piesočné duny najbežnejším krajinným prvkom v púštnych oblastiach.
Aby sa prekonali vyššie uvedené nedostatky, cieľom tejto štúdie bolo zaviesť novú sadu bakteriálnych činidiel neprodukujúcich amoniak. Na tento účel sme zvážili dráhy MICP nedegradujúce močovinu. Bola skúmaná účinnosť dvoch zdrojov vápnika (mravčan vápenatý a octan vápenatý). Podľa vedomostí autorov nebola v predchádzajúcich štúdiách skúmaná uhličitanová precipitácia s použitím dvoch kombinácií zdrojov vápnika a baktérií (t. j. mravčan vápenatý-Bacillus subtilis a mravčan vápenatý-Bacillus amyloliquefaciens). Výber týchto baktérií bol založený na enzýmoch, ktoré produkujú a ktoré katalyzujú oxidáciu mravčanu vápenatého a octanu vápenatého za vzniku mikrobiálnej uhličitanovej precipitácie. Navrhli sme dôkladnú experimentálnu štúdiu s cieľom nájsť optimálne faktory, ako je pH, typy baktérií a zdrojov vápnika a ich koncentrácie, pomer baktérií k roztoku zdroja vápnika a čas vytvrdzovania. Účinnosť tejto sady bakteriálnych činidiel pri potláčaní veternej erózie spôsobenej zrážaním uhličitanu vápenatého bola nakoniec skúmaná vykonaním série testov v aerodynamickom tuneli na piesočných dunách s cieľom určiť veľkosť veternej erózie, prahovú rýchlosť odtrhnutia a odolnosť piesku voči bombardovaniu vetrom, a boli vykonané aj penetrometrické merania a mikroštrukturálne štúdie (napr. röntgenová difrakčná (XRD) analýza a skenovacia elektrónová mikroskopia (SEM)).
Výroba uhličitanu vápenatého vyžaduje ióny vápnika a uhličitanové ióny. Ióny vápnika možno získať z rôznych zdrojov vápnika, ako je chlorid vápenatý, hydroxid vápenatý a sušené odstredené mlieko54,55. Uhličitanové ióny možno vyrobiť rôznymi mikrobiálnymi metódami, ako je hydrolýza močoviny a aeróbna alebo anaeróbna oxidácia organickej hmoty56. V tejto štúdii boli uhličitanové ióny získané oxidačnou reakciou mravčanu a octanu. Okrem toho sme na výrobu čistého uhličitanu vápenatého použili vápenaté soli mravčanu a octanu, takže ako vedľajšie produkty sa získali iba CO2 a H2O. V tomto procese slúži iba jedna látka ako zdroj vápnika a zdroj uhličitanu a nevznikajú žiadne amoniaky. Vďaka týmto vlastnostiam je metóda výroby zdroja vápnika a uhličitanu veľmi sľubná.
Zodpovedajúce reakcie mravčanu vápenatého a octanu vápenatého za vzniku uhličitanu vápenatého sú znázornené vo vzorcoch (7)-(14). Vzorce (7)-(11) ukazujú, že mravčan vápenatý sa rozpúšťa vo vode za vzniku kyseliny mravčej alebo mravčanu. Roztok je teda zdrojom voľných vápenatých a hydroxidových iónov (vzorce 8 a 9). V dôsledku oxidácie kyseliny mravčej sa atómy uhlíka v kyseline mravčej premieňajú na oxid uhličitý (vzorec 10). Nakoniec sa vytvorí uhličitan vápenatý (vzorce 11 a 12).
Podobne sa uhličitan vápenatý tvorí z octanu vápenatého (rovnice 13–15), s tým rozdielom, že namiesto kyseliny mravčej sa tvorí kyselina octová alebo octan.
Bez prítomnosti enzýmov nie je možné acetát a mravčan oxidovať pri izbovej teplote. FDH (mravčandehydrogenáza) a CoA (koenzým A) katalyzujú oxidáciu mravčanu a acetátu za vzniku oxidu uhličitého (rovnice 16, 17) 57, 58, 59. Rôzne baktérie sú schopné produkovať tieto enzýmy a v tejto štúdii boli použité heterotrofné baktérie, konkrétne Bacillus subtilis (PTCC #1204 (Persian Type Culture Collection), známa aj ako NCIMB #13061 (International Collection of Bacteria, Yeast, Phage, Plasmids, Plant Seeds and Plant Cell Tissue Cultures)) a Bacillus amyloliquefaciens (PTCC #1732, NCIMB #12077). Tieto baktérie boli kultivované v médiu obsahujúcom mäsový peptón (5 g/l) a mäsový extrakt (3 g/l), nazývanom živný vývar (NBR) (105443 Merck).
Preto boli pripravené štyri formulácie na vyvolanie precipitácie uhličitanu vápenatého s použitím dvoch zdrojov vápnika a dvoch baktérií: mravčan vápenatý a Bacillus subtilis (FS), mravčan vápenatý a Bacillus amyloliquefaciens (FA), octan vápenatý a Bacillus subtilis (AS) a octan vápenatý a Bacillus amyloliquefaciens (AA).
V prvej časti experimentálneho návrhu sa vykonali testy na určenie optimálnej kombinácie, ktorá by dosiahla maximálnu produkciu uhličitanu vápenatého. Keďže vzorky pôdy obsahovali uhličitan vápenatý, bola navrhnutá sada predbežných hodnotiacich testov na presné meranie CaCO3 produkovaného rôznymi kombináciami a boli vyhodnotené zmesi kultivačného média a roztokov zdroja vápnika. Pre každú kombináciu zdroja vápnika a bakteriálneho roztoku definovanú vyššie (FS, FA, AS a AA) boli odvodené optimalizačné faktory (koncentrácia zdroja vápnika, čas vytvrdzovania, koncentrácia bakteriálneho roztoku meraná optickou hustotou roztoku (OD), pomer zdroja vápnika k bakteriálnemu roztoku a pH) a použité v testoch v aerodynamickom tuneli na úpravu pieskových dún opísaných v nasledujúcich častiach.
Pre každú kombináciu sa uskutočnilo 150 experimentov na štúdium vplyvu zrážania CaCO3 a vyhodnotenie rôznych faktorov, a to koncentrácie zdroja vápnika, času vytvrdzovania, hodnoty optickej hustoty baktérií, pomeru zdroja vápnika k bakteriálnemu roztoku a pH počas aeróbnej oxidácie organickej hmoty (Tabuľka 1). Rozsah pH pre optimalizovaný proces bol zvolený na základe rastových kriviek Bacillus subtilis a Bacillus amyloliquefaciens, aby sa dosiahol rýchlejší rast. Toto je podrobnejšie vysvetlené v časti Výsledky.
Na prípravu vzoriek pre optimalizačnú fázu boli použité nasledujúce kroky. Roztok MICP bol najprv pripravený úpravou počiatočného pH kultivačného média a potom autoklávovaný pri teplote 121 °C počas 15 minút. Kmeň bol potom naočkovaný v laminárnom prúde vzduchu a udržiavaný v trepacom inkubátore pri teplote 30 °C a 180 ot./min. Keď optická hustota (OD) baktérií dosiahla požadovanú úroveň, bol zmiešaný s roztokom zdroja vápnika v požadovanom pomere (obrázok 1a). Roztok MICP sa nechal reagovať a stuhnúť v trepacom inkubátore pri 220 ot./min. a teplote 30 °C počas doby, ktorá dosiahla cieľovú hodnotu. Vyzrážaný CaCO3 bol oddelený po centrifugácii pri 6000 g počas 5 minút a potom vysušený pri teplote 40 °C, aby sa pripravili vzorky na kalcimetrický test (obrázok 1b). Zrážanie CaCO3 sa potom meralo pomocou Bernardovho kalcimetra, kde prášok CaCO3 reaguje s 1,0 N HCl (ASTM-D4373-02) za vzniku CO2 a objem tohto plynu je mierou obsahu CaCO3 (obrázok 1c). Na prevod objemu CO2 na obsah CaCO3 sa vytvorila kalibračná krivka premytím čistého prášku CaCO3 1 N HCl a jeho vynesením do grafu oproti uvoľnenému CO2. Morfológia a čistota vyzrážaného prášku CaCO3 sa skúmali pomocou SEM zobrazovania a XRD analýzy. Na štúdium tvorby uhličitanu vápenatého okolo baktérií, fázy vytvoreného uhličitanu vápenatého a aktivity baktérií sa použil optický mikroskop s 1000-násobným zväčšením.
Dejeghská panva je známa vysoko erodovaná oblasť v juhozápadnej iránskej provincii Fars a výskumníci z tejto oblasti odobrali vzorky pôdy erodovanej vetrom. Vzorky boli pre túto štúdiu odobraté z povrchu pôdy. Indikátorové testy vzoriek pôdy ukázali, že pôda bola slabo triedená piesočnatá pôda s bahnom a bola klasifikovaná ako SP-SM podľa Unified Soil Classification System (USC) (obrázok 2a). XRD analýza ukázala, že pôda Dejegh bola zložená prevažne z kalcitu a kremeňa (obrázok 2b). Okrem toho EDX analýza ukázala, že ďalšie prvky, ako napríklad Al, K a Fe, boli prítomné v menších podieloch.
Na prípravu laboratórnych dún na testovanie veternej erózie bola pôda drvená z výšky 170 mm cez lievik s priemerom 10 mm na pevný povrch, čo viedlo k typickej dune s výškou 60 mm a priemerom 210 mm. V prírode sú piesočné duny s najnižšou hustotou tvorené eolickými procesmi. Podobne vzorka pripravená podľa vyššie uvedeného postupu mala najnižšiu relatívnu hustotu, γ = 14,14 kN/m³, a vytvorila pieskový kužeľ usadený na vodorovnom povrchu s uhlom spánku približne 29,7°.
Optimálny roztok MICP získaný v predchádzajúcej časti bol nastriekaný na svah duny v aplikačných dávkach 1, 2 a 3 lm-2 a potom boli vzorky uskladnené v inkubátore pri teplote 30 °C (obr. 3) počas 9 dní (t. j. optimálny čas vytvrdzovania) a následne boli odvezené na testovanie v aerodynamickom tuneli.
Pre každé ošetrenie boli pripravené štyri vzorky, jedna na meranie obsahu uhličitanu vápenatého a povrchovej pevnosti pomocou penetrometra a zvyšné tri vzorky boli použité na erózne testy pri troch rôznych rýchlostiach. V testoch v aerodynamickom tuneli bolo množstvo erózie stanovené pri rôznych rýchlostiach vetra a potom bola prahová rýchlosť odtrhnutia pre každú ošetrenú vzorku určená pomocou grafu množstva erózie v závislosti od rýchlosti vetra. Okrem testov veternej erózie boli ošetrené vzorky podrobené bombardovaniu pieskom (t. j. skokovým experimentom). Na tento účel boli pripravené dve ďalšie vzorky s aplikačnými dávkami 2 a 3 L m−2. Test bombardovania pieskom trval 15 minút s tokom 120 gm−1, čo je v rozsahu hodnôt zvolených v predchádzajúcich štúdiách60,61,62. Horizontálna vzdialenosť medzi abrazívnou tryskou a základňou duny bola 800 mm, umiestnená 100 mm nad dnom tunela. Táto poloha bola nastavená tak, aby takmer všetky skokové častice piesku dopadali na dunu.
Test v aerodynamickom tuneli sa uskutočnil v otvorenom aerodynamickom tuneli s dĺžkou 8 m, šírkou 0,4 m a výškou 1 m (obrázok 4a). Aerodynamický tunel je vyrobený z pozinkovaných oceľových plechov a dokáže generovať rýchlosť vetra až do 25 m/s. Okrem toho sa používa frekvenčný menič na nastavenie frekvencie ventilátora a postupné zvyšovanie frekvencie, aby sa dosiahla cieľová rýchlosť vetra. Obrázok 4b znázorňuje schematický diagram piesočných dún erodovaných vetrom a profil rýchlosti vetra nameraný v aerodynamickom tuneli.
Nakoniec, na porovnanie výsledkov neurealytickej formulácie MICP navrhnutej v tejto štúdii s výsledkami urealytického kontrolného testu MICP boli pripravené aj vzorky dún a ošetrené biologickým roztokom obsahujúcim močovinu, chlorid vápenatý a Sporosarcina pasteurii (keďže Sporosarcina pasteurii má významnú schopnosť produkovať ureázu63). Optická hustota bakteriálneho roztoku bola 1,5 a koncentrácie močoviny a chloridu vápenatého boli 1 M (zvolené na základe hodnôt odporúčaných v predchádzajúcich štúdiách36,64,65). Kultivačné médium pozostávalo z živného bujónu (8 g/l) a močoviny (20 g/l). Bakteriálny roztok bol nastriekaný na povrch duny a ponechaný 24 hodín na prichytenie baktérií. Po 24 hodinách prichytenia bol nastriekaný cementový roztok (chlorid vápenatý a močovina). Urealytický kontrolný test MICP sa ďalej označuje ako UMC. Obsah uhličitanu vápenatého vo vzorkách pôdy upravených urealyticky a neuralyticky sa získal premytím podľa postupu navrhnutého Choiom a kol.66
Obrázok 5 zobrazuje rastové krivky Bacillus amyloliquefaciens a Bacillus subtilis v kultivačnom médiu (živný roztok) s počiatočným rozsahom pH 5 až 10. Ako je znázornené na obrázku, Bacillus amyloliquefaciens a Bacillus subtilis rástli rýchlejšie pri pH 6 – 8, respektíve 7 – 9. Preto bol tento rozsah pH zvolený v optimalizačnej fáze.
Rastové krivky (a) Bacillus amyloliquefaciens a (b) Bacillus subtilis pri rôznych počiatočných hodnotách pH živného média.
Obrázok 6 zobrazuje množstvo oxidu uhličitého vyrobeného v Bernardovom vápennom prístroji, ktoré predstavuje vyzrážaný uhličitan vápenatý (CaCO3). Keďže v každej kombinácii bol jeden faktor fixný a ostatné faktory sa menili, každý bod na týchto grafoch zodpovedá maximálnemu objemu oxidu uhličitého v danej sade experimentov. Ako je znázornené na obrázku, so zvyšujúcou sa koncentráciou zdroja vápnika sa zvyšovala aj produkcia uhličitanu vápenatého. Preto koncentrácia zdroja vápnika priamo ovplyvňuje produkciu uhličitanu vápenatého. Keďže zdroj vápnika a zdroj uhlíka sú rovnaké (t. j. mravčan vápenatý a octan vápenatý), čím viac iónov vápnika sa uvoľňuje, tým viac uhličitanu vápenatého sa tvorí (obrázok 6a). V receptúrach AS a AA sa produkcia uhličitanu vápenatého naďalej zvyšovala so zvyšujúcim sa časom vytvrdzovania, až kým sa množstvo zrazeniny po 9 dňoch takmer nezmenilo. V receptúre FA sa rýchlosť tvorby uhličitanu vápenatého znížila, keď čas vytvrdzovania prekročil 6 dní. V porovnaní s inými receptúrami vykazovala receptúra ​​FS relatívne nízku rýchlosť tvorby uhličitanu vápenatého po 3 dňoch (obrázok 6b). V receptúrach FA a FS sa po troch dňoch dosiahlo 70 % a 87 % celkovej produkcie uhličitanu vápenatého, zatiaľ čo v receptúrach AA a AS bol tento podiel iba približne 46 % a 45 %. To naznačuje, že receptúra ​​na báze kyseliny mravčej má v počiatočnej fáze vyššiu rýchlosť tvorby CaCO3 v porovnaní s receptúrou na báze acetátu. Rýchlosť tvorby sa však so zvyšujúcim sa časom vytvrdzovania spomaľuje. Z obrázku 6c možno vyvodiť záver, že ani pri koncentráciách baktérií nad OD1 nedochádza k významnému prispievaniu k tvorbe uhličitanu vápenatého.
Zmena objemu CO2 (a zodpovedajúceho obsahu CaCO3) meraná Bernardovým kalcimetrom ako funkcia (a) koncentrácie zdroja vápnika, (b) času tuhnutia, (c) optickej hustoty (OD), (d) počiatočného pH, (e) pomeru zdroja vápnika k bakteriálnemu roztoku (pre každú formuláciu); a (f) maximálneho množstva uhličitanu vápenatého vyrobeného pre každú kombináciu zdroja vápnika a baktérií.
Pokiaľ ide o vplyv počiatočného pH média, obrázok 6d ukazuje, že pre FA a FS dosiahla produkcia CaCO3 maximálnu hodnotu pri pH 7. Toto pozorovanie je v súlade s predchádzajúcimi štúdiami, že enzýmy FDH sú najstabilnejšie pri pH 7 – 6,7. Avšak pre AA a AS sa zrážanie CaCO3 zvýšilo, keď pH prekročilo 7. Predchádzajúce štúdie tiež ukázali, že optimálny rozsah pH pre aktivitu enzýmu CoA je od 8 do 9,2 – 6,8. Vzhľadom na to, že optimálne rozsahy pH pre aktivitu enzýmu CoA a rast B. amyloliquefaciens sú (8 – 9,2) a (6 – 8) (obrázok 5a), očakáva sa, že optimálne pH formulácie AA bude 8 a tieto dva rozsahy pH sa prekrývajú. Táto skutočnosť bola potvrdená experimentmi, ako je znázornené na obrázku 6d. Keďže optimálne pH pre rast B. subtilis je 7 – 9 (obrázok 5b) a optimálne pH pre aktivitu enzýmu CoA je 8 – 9,2, očakáva sa, že maximálny výťažok zrážania CaCO3 bude v rozsahu pH 8 – 9, čo potvrdzuje obrázok 6d (t. j. optimálne pH zrážania je 9). Výsledky uvedené na obrázku 6e naznačujú, že optimálny pomer roztoku zdroja vápnika k bakteriálnemu roztoku je 1 pre acetátový aj mravčanový roztok. Pre porovnanie bola účinnosť rôznych formulácií (t. j. AA, AS, FA a FS) hodnotená na základe maximálnej produkcie CaCO3 za rôznych podmienok (t. j. koncentrácia zdroja vápnika, čas vytvrdzovania, optická hustota (OD), pomer zdroja vápnika k bakteriálnemu roztoku a počiatočné pH). Spomedzi študovaných formulácií mala formulácia FS najvyššiu produkciu CaCO3, ktorá bola približne trikrát vyššia ako u formulácie AA (obrázok 6f). Pre oba zdroje vápnika sa uskutočnili štyri kontrolné experimenty bez baktérií a po 30 dňoch sa nepozorovala žiadna zrážanka CaCO3.
Snímky z optickej mikroskopie všetkých formulácií ukázali, že vaterit bol hlavnou fázou, v ktorej sa tvoril uhličitan vápenatý (obrázok 7). Kryštály vateritu mali guľovitý tvar69,70,71. Zistilo sa, že uhličitan vápenatý sa vyzrážal na bakteriálnych bunkách, pretože povrch bakteriálnych buniek bol negatívne nabitý a mohol pôsobiť ako adsorbent pre dvojmocné katióny. Ak vezmeme ako príklad v tejto štúdii formuláciu FS, po 24 hodinách sa na niektorých bakteriálnych bunkách začal tvoriť uhličitan vápenatý (obrázok 7a) a po 48 hodinách sa počet bakteriálnych buniek potiahnutých uhličitanom vápenatým výrazne zvýšil. Okrem toho, ako je znázornené na obrázku 7b, bolo možné detegovať aj častice vateritu. Nakoniec, po 72 hodinách sa zdalo, že veľké množstvo baktérií sa naviazalo na kryštály vateritu a počet častíc vateritu sa výrazne zvýšil (obrázok 7c).
Pozorovania zrážania CaCO3 v zložení FS v priebehu času pomocou optickej mikroskopie: (a) 24, (b) 48 a (c) 72 hodín.
Na ďalšie skúmanie morfológie precipitovanej fázy sa vykonali röntgenová difrakcia (XRD) a SEM analýza práškov. XRD spektrá (obr. 8a) a SEM mikrofotografie (obr. 8b, c) potvrdili prítomnosť kryštálov vateritu, pretože mali tvar podobný šalátu a pozorovala sa zhoda medzi vrcholmi vateritu a vrcholmi precipitátu.
(a) Porovnanie röntgenových difrakčných spektier vytvoreného CaCO3 a vateritu. SEM mikrofotografie vateritu pri (b) zväčšení 1 kHz a (c) 5,27 kHz.
Výsledky testov v aerodynamickom tuneli sú znázornené na obrázku 9a, b. Z obrázku 9a je vidieť, že prahová rýchlosť erózie (TDV) neošetreného piesku je približne 4,32 m/s. Pri aplikačnom množstve 1 l/m² (obrázok 9a) sú sklony čiar rýchlosti úbytku pôdy pre frakcie FA, FS, AA a UMC približne rovnaké ako pre neošetrenú dunu. To naznačuje, že ošetrenie pri tomto aplikačnom množstve je neúčinné a akonáhle rýchlosť vetra prekročí TDV, tenká pôdna kôra mizne a rýchlosť erózie duny je rovnaká ako pre neošetrenú dunu. Sklon erózie frakcie AS je tiež nižší ako u ostatných frakcií s nižšími úsečkami (t. j. TDV) (obrázok 9a). Šípky na obrázku 9b naznačujú, že pri maximálnej rýchlosti vetra 25 m/s nedošlo v ošetrených dunách k žiadnej erózii pri aplikačných množstvách 2 a 3 l/m². Inými slovami, v prípade FS, FA, AS a UMC boli duny odolnejšie voči veternej erózii spôsobenej ukladaním CaCO³ pri aplikačných dávkach 2 a 3 l/m² ako pri maximálnej rýchlosti vetra (t. j. 25 m/s). Hodnota TDV 25 m/s získaná v týchto testoch je teda dolnou hranicou pre aplikačné dávky znázornené na obrázku 9b, s výnimkou prípadu AA, kde je TDV takmer rovnaká ako maximálna rýchlosť v aerodynamickom tuneli.
Test erózie vetrom (a) Strata hmotnosti v závislosti od rýchlosti vetra (aplikačné množstvo 1 l/m2), (b) Prahová rýchlosť odtrhnutia v závislosti od aplikačného množstva a formulácie (CA pre octan vápenatý, CF pre mravčan vápenatý).
Obrázok 10 znázorňuje povrchovú eróziu piesočných dún ošetrených rôznymi formuláciami a aplikačnými dávkami po teste bombardovania pieskom a kvantitatívne výsledky sú znázornené na obrázku 11. Neošetrený prípad nie je zobrazený, pretože nepreukázal žiadnu odolnosť a počas testu bombardovania pieskom bol úplne erodovaný (celková strata hmotnosti). Z obrázku 11 je zrejmé, že vzorka ošetrená biokompozíciou AA stratila 83,5 % svojej hmotnosti pri aplikačnej dávke 2 l/m2, zatiaľ čo všetky ostatné vzorky vykazovali počas procesu bombardovania pieskom eróziu menej ako 30 %. Keď sa aplikačná dávka zvýšila na 3 l/m2, všetky ošetrené vzorky stratili menej ako 25 % svojej hmotnosti. Pri oboch aplikačných dávkach vykazovala zlúčenina FS najlepšiu odolnosť voči bombardovaniu pieskom. Maximálnu a minimálnu odolnosť voči bombardovaniu vo vzorkách ošetrených FS a AA možno pripísať ich maximálnemu a minimálnemu zrážaniu CaCO3 (obrázok 6f).
Výsledky bombardovania piesočných dún rôzneho zloženia pri prietokoch 2 a 3 l/m2 (šípky označujú smer vetra, krížiky označujú smer vetra kolmý na rovinu výkresu).
Ako je znázornené na obrázku 12, obsah uhličitanu vápenatého vo všetkých prípravkoch sa zvyšoval so zvyšujúcou sa aplikačnou dávkou z 1 l/m² na 3 l/m². Okrem toho pri všetkých aplikačných dávkach mal najvyšší obsah uhličitanu vápenatého prípravok FS, nasledovaný FA a UMC. To naznačuje, že tieto prípravky môžu mať vyšší povrchový odpor.
Obrázok 13a znázorňuje zmenu povrchového odporu neošetrených, kontrolných a ošetrených vzoriek pôdy meranú permeametrickým testom. Z tohto obrázku je zrejmé, že povrchový odpor formulácií UMC, AS, FA a FS sa výrazne zvýšil so zvyšujúcim sa aplikačným množstvom. Zvýšenie povrchovej pevnosti však bolo pri formulácii AA relatívne malé. Ako je znázornené na obrázku, formulácie FA a FS s MICP nedegradovaným močovinou majú lepšiu povrchovú priepustnosť v porovnaní s MICP degradovaným močovinou. Obrázok 13b znázorňuje zmenu TDV s odporom povrchu pôdy. Z tohto obrázku je jasne zrejmé, že pre duny s povrchovým odporom väčším ako 100 kPa bude prahová rýchlosť odlupovania prekročiť 25 m/s. Keďže povrchový odpor in situ sa dá ľahko merať permeametrom, táto znalosť môže pomôcť odhadnúť TDV bez testovania v aerodynamickom tuneli, a tým slúžiť ako ukazovateľ kontroly kvality pre terénne aplikácie.
Výsledky SEM sú znázornené na obrázku 14. Obrázky 14a-b zobrazujú zväčšené častice neošetrenej vzorky pôdy, čo jasne naznačuje, že je súdržná a nemá žiadne prirodzené väzby ani cementáciu. Obrázok 14c zobrazuje SEM mikrofotografiu kontrolnej vzorky ošetrenej MICP degradovaným močovinou. Tento obrázok ukazuje prítomnosť precipitátov CaCO3 ako polymorfov kalcitu. Ako je znázornené na obrázkoch 14d-o, precipitovaný CaCO3 viaže častice dohromady; na SEM mikrofotografiách je možné identifikovať aj sférické kryštály vateritu. Výsledky tejto štúdie a predchádzajúcich štúdií naznačujú, že väzby CaCO3 vytvorené ako polymorfy vateritu môžu tiež poskytnúť primeranú mechanickú pevnosť; naše výsledky ukazujú, že povrchový odpor sa zvyšuje na 350 kPa a prahová rýchlosť separácie sa zvyšuje zo 4,32 na viac ako 25 m/s. Tento výsledok je v súlade s výsledkami predchádzajúcich štúdií, že matricou CaCO3 vyzrážaného MICP je vaterit, ktorý má primeranú mechanickú pevnosť a odolnosť voči veternej erózii13,40 a dokáže si udržať primeranú odolnosť voči veternej erózii aj po 180 dňoch vystavenia poľným podmienkam prostredia13.
(a, b) SEM mikrofotografie neošetrenej pôdy, (c) kontrola degradácie močoviny MICP, (df) vzorky ošetrené AA, (gi) vzorky ošetrené AS, (jl) vzorky ošetrené FA a (mo) vzorky ošetrené FS pri aplikačnej dávke 3 l/m2 pri rôznych zväčšeniach.
Obrázok 14d-f ukazuje, že po úprave zlúčeninami AA sa uhličitan vápenatý vyzrážal na povrchu a medzi zrnami piesku, pričom sa pozorovali aj niektoré nepotiahnuté zrná piesku. V prípade zložiek AS sa hoci množstvo vytvoreného CaCO3 významne nezvýšilo (obr. 6f), množstvo kontaktov medzi zrnami piesku spôsobených CaCO3 sa v porovnaní so zlúčeninami AA výrazne zvýšilo (obr. 14g-i).
Z obrázkov 14j-l a 14m-o je zrejmé, že použitie mravčanu vápenatého ako zdroja vápnika vedie k ďalšiemu zvýšeniu zrážania CaCO3 v porovnaní so zlúčeninou AS, čo je v súlade s meraniami vápnikom na obrázku 6f. Zdá sa, že tento dodatočný CaCO3 sa ukladá hlavne na časticiach piesku a nemusí nevyhnutne zlepšiť kvalitu kontaktu. To potvrdzuje predtým pozorované správanie: napriek rozdielom v množstve zrážania CaCO3 (obrázok 6f) sa tri zloženia (AS, FA a FS) významne nelíšia, pokiaľ ide o odolnosť voči vetru (obrázok 11) a povrchový odpor (obrázok 13a).
Aby sa lepšie vizualizovali bakteriálne bunky potiahnuté CaCO3 a bakteriálny odtlačok na vyzrážaných kryštáloch, boli zhotovené SEM mikrofotografie s vysokým zväčšením a výsledky sú znázornené na obrázku 15. Ako je znázornené, uhličitan vápenatý sa vyzráža na bakteriálnych bunkách a poskytuje jadrá potrebné na vyzrážanie. Obrázok tiež znázorňuje aktívne a neaktívne väzby indukované CaCO3. Možno konštatovať, že akékoľvek zvýšenie neaktívnych väzieb nemusí nevyhnutne viesť k ďalšiemu zlepšeniu mechanického správania. Preto zvýšenie vyzrážania CaCO3 nemusí nevyhnutne viesť k vyššej mechanickej pevnosti a dôležitú úlohu zohráva vzorec vyzrážania. Tento bod bol skúmaný aj v prácach Terzisa a Lalouiho72 a Soghiho a Al-Kabaniho45,73. Na ďalšie preskúmanie vzťahu medzi vzorom vyzrážania a mechanickou pevnosťou sa odporúčajú štúdie MICP s použitím µCT zobrazovania, čo presahuje rámec tejto štúdie (t. j. zavedenie rôznych kombinácií zdroja vápnika a baktérií pre MICP bez amoniaku).
CaCO3 indukoval aktívne a neaktívne väzby vo vzorkách ošetrených (a) zložením AS a (b) zložením FS a zanechal odtlačok bakteriálnych buniek na sedimente.
Ako je znázornené na obrázkoch 14j-o a 15b, je prítomný film CaCO3 (podľa EDX analýzy je percentuálne zloženie každého prvku vo filme uhlík 11 %, kyslík 46,62 % a vápnik 42,39 %, čo je veľmi blízke percentuálnemu zastúpeniu CaCO3 na obrázku 16). Tento film pokrýva kryštály vateritu a častice pôdy, čím pomáha udržiavať integritu systému pôda-sediment. Prítomnosť tohto filmu bola pozorovaná iba vo vzorkách ošetrených formuláciou na báze mravčanu.
Tabuľka 2 porovnáva povrchovú pevnosť, prahovú rýchlosť oddeľovania a bioindukovaný obsah CaCO3 v pôdach ošetrených dráhami MICP degradujúcimi a nedegradujúcimi močovinu v predchádzajúcich štúdiách a v tejto štúdii. Štúdie o odolnosti vzoriek z dún ošetrených MICP voči veternej erózii sú obmedzené. Meng a kol. skúmali odolnosť vzoriek z dún ošetrených MICP voči veternej erózii pomocou fúkača na lístie,13 zatiaľ čo v tejto štúdii boli vzorky z dún nedegradujúce močovinu (ako aj kontrolné vzorky degradujúce močovinu) testované v aerodynamickom tuneli a ošetrené štyrmi rôznymi kombináciami baktérií a látok.
Ako je vidieť, niektoré predchádzajúce štúdie zvažovali vysoké aplikačné dávky presahujúce 4 l/m213,41,74. Stojí za zmienku, že vysoké aplikačné dávky nemusia byť z ekonomického hľadiska ľahko aplikovateľné v teréne kvôli nákladom spojeným s dodávkou vody, dopravou a aplikáciou veľkých objemov vody. Nižšie aplikačné dávky, ako napríklad 1,62 – 2 l/m2, tiež dosiahli pomerne dobré povrchové pevnosti až do 190 kPa a TDV presahujúcu 25 m/s. V tejto štúdii dosiahli duny ošetrené MICP na báze mravčanu bez degradácie močoviny vysoké povrchové pevnosti, ktoré boli porovnateľné s pevnosťami získanými cestou degradácie močoviny v rovnakom rozsahu aplikačných dávok (t. j. vzorky ošetrené MICP na báze mravčanu bez degradácie močoviny boli tiež schopné dosiahnuť rovnaký rozsah hodnôt povrchovej pevnosti, ako uvádzajú Meng a kol., 13, obrázok 13a) pri vyšších aplikačných dávkach. Je tiež možné vidieť, že pri aplikačnom množstve 2 l/m2 bol výťažok uhličitanu vápenatého na zmiernenie veternej erózie pri rýchlosti vetra 25 m/s 2,25 % pre MICP na báze mravčanu bez degradácie močoviny, čo je veľmi blízko požadovanému množstvu CaCO3 (t. j. 2,41 %) v porovnaní s dunami ošetrenými kontrolným MICP s degradáciou močoviny pri rovnakom aplikačnom množstve a rovnakej rýchlosti vetra (25 m/s).
Z tejto tabuľky teda vyplýva, že tak cesta degradácie močoviny, ako aj cesta degradácie bez močoviny môžu poskytnúť celkom prijateľný výkon z hľadiska povrchového odporu a TDV. Hlavný rozdiel spočíva v tom, že cesta degradácie bez močoviny neobsahuje amoniak, a preto má menší vplyv na životné prostredie. Okrem toho sa zdá, že metóda MICP na báze mravčanu bez degradácie močoviny navrhnutá v tejto štúdii má lepšie výsledky ako metóda MICP na báze acetátu bez degradácie močoviny. Hoci Mohebbi a kol. študovali metódu MICP na báze acetátu bez degradácie močoviny, ich štúdia zahŕňala vzorky na plochých povrchoch9. Vzhľadom na vyšší stupeň erózie spôsobenej tvorbou vírov okolo vzoriek z dún a výsledným šmykom, ktorý vedie k nižšej TDV, sa očakáva, že veterná erózia vzoriek z dún bude pri rovnej rýchlosti zreteľnejšia ako erózia plochých povrchov.