Tankewol foar jo besite oan nature.com. De browserferzje dy't jo brûke hat beheinde CSS-stipe. Foar de bêste ûnderfining riede wy oan dat jo de lêste browserferzje brûke (of de kompatibiliteitsmodus yn Internet Explorer útskeakelje). Derneist, om trochgeande stipe te garandearjen, sil dizze side gjin stilen of JavaScript befetsje.
Stofstoarmen foarmje in serieuze bedriging foar in protte lannen oer de hiele wrâld fanwegen har destruktive ynfloed op lânbou, minsklike sûnens, ferfiernetwurken en ynfrastruktuer. Dêrtroch wurdt wyneroazje beskôge as in wrâldwiid probleem. Ien fan 'e miljeufreonlike oanpakken om wyneroazje te beheinen is it brûken fan mikrobiële-induzearre karbonaatpresiпитаasje (MICP). De byprodukten fan MICP op basis fan ureumôfbraak, lykas ammoniak, binne lykwols net ideaal as se yn grutte hoemannichten produsearre wurde. Dizze stúdzje presintearret twa formulearringen fan kalsiumformaatbaktearjes foar de ôfbraak fan MICP sûnder ureum te produsearjen en fergeliket har prestaasjes wiidweidich mei twa formulearringen fan net-ammoniakprodusearjende kalsiumasetaatbaktearjes. De beskôge baktearjes binne Bacillus subtilis en Bacillus amyloliquefaciens. Earst waarden de optimalisearre wearden fan 'e faktoaren dy't CaCO3-foarming kontrolearje bepaald. Wyntunneltests waarden doe útfierd op sândunemonsters behannele mei de optimalisearre formulearringen, en wyneroazjeresistinsje, stripdrompelsnelheid en sânbombardemintresistinsje waarden metten. Kalsiumkarbonaat (CaCO3) allomorfen waarden evaluearre mei optyske mikroskopie, scanning-elektronenmikroskopie (SEM), en röntgendiffraksje-analyze. Formuleringen op basis fan kalsiumformaat prestearren signifikant better as formuleringen op basis fan asetaat yn termen fan kalsiumkarbonaatfoarming. Derneist produsearre B. subtilis mear kalsiumkarbonaat as B. amyloliquefaciens. SEM-mikrofoto's lieten dúdlik de binding en ynprinting fan aktive en ynaktive baktearjes op kalsiumkarbonaat feroarsake troch sedimintaasje sjen. Alle formuleringen ferminderen wyneroazje signifikant.
Wyneroazje is al lang erkend as in grut probleem foar droege en semi-aride regio's lykas it súdwesten fan 'e Feriene Steaten, westlik Sina, Saharaansk Afrika en in grut part fan it Midden-Easten1. Lege delslach yn droege en hyper-aride klimaten hat grutte dielen fan dizze regio's omfoarme ta woastinen, sânheuvels en ûnkultivearre lannen. Oanhâldende wyneroazje foarmet miljeubedrigingen foar ynfrastruktuer lykas ferfiernetwurken, lânbougrûn en yndustrygrûn, wat liedt ta minne libbensomstannichheden en hege kosten fan stedsûntwikkeling yn dizze regio's2,3,4. Wichtich is dat wyneroazje net allinich ynfloed hat op 'e lokaasje dêr't it foarkomt, mar ek sûnens- en ekonomyske problemen feroarsaket yn ôfgelegen mienskippen, om't it dieltsjes troch de wyn nei gebieten fier fan 'e boarne ferfiert5,6.
Wyneroazjekontrôle bliuwt in wrâldwiid probleem. Ferskate metoaden foar boaiemstabilisaasje wurde brûkt om wyneroazje te kontrolearjen. Dizze metoaden omfetsje materialen lykas wettertapassing7, oaljemulch8, biopolymeren5, mikrobiële ynducearre karbonaatpresiпитаasje (MICP)9,10,11,12 en enzyme-ynducearre karbonaatpresiпитаasje (EICP)1. Boaiembevochtiging is in standertmetoade foar stofûnderdrukking yn it fjild. De rappe ferdamping makket dizze metoade lykwols fan beheinde effektiviteit yn droege en semi-aride regio's1. De tapassing fan oaljemulchferbiningen fergruttet sânkohesje en wriuwing tusken dieltsjes. Harren kohesive eigenskip bindt sânkerrels byinoar; oaljemulch produseart lykwols ek oare problemen; har donkere kleur fergruttet waarmte-opname en liedt ta de dea fan planten en mikroorganismen. Harren geur en dampen kinne sykhelproblemen feroarsaakje, en it wichtichste is har hege kosten in oar obstakel. Biopolymeren binne ien fan 'e koartlyn foarstelde miljeufreonlike metoaden foar it ferminderjen fan wyneroazje; se wurde wûn út natuerlike boarnen lykas planten, bisten en baktearjes. Xanthaangom, guargom, chitosan en gellangom binne de meast brûkte biopolymeren yn technyske tapassingen5. Wetteroplosbere biopolymeren kinne lykwols sterkte ferlieze en út 'e boaiem lekke as se oan wetter bleatsteld wurde13,14. EICP is oantoand as in effektive metoade foar stofûnderdrukking foar in ferskaat oan tapassingen, ynklusyf ûnferhurde diken, ôffalplassen en bouplakken. Hoewol de resultaten bemoedigjend binne, moatte guon potinsjele neidielen yn oerweging nommen wurde, lykas kosten en it ûntbrekken fan kearnplakken (wat de foarming en delslach fan CaCO3-kristallen fersnelt15,16).
MICP waard foar it earst beskreaun yn 'e lette 19e iuw troch Murray en Irwin (1890) en Steinmann (1901) yn harren stúdzje fan ureumôfbraak troch marine mikro-organismen17. MICP is in natuerlik foarkommend biologysk proses mei in ferskaat oan mikrobiële aktiviteiten en gemyske prosessen wêrby't kalsiumkarbonaat wurdt delslach troch de reaksje fan karbonaatioanen fan mikrobiële metaboliten mei kalsiumionen yn 'e omjouwing18,19. MICP mei de ureum-ôfbrekkende stikstofsyklus (ureum-ôfbrekkende MICP) is it meast foarkommende type mikrobiële-induzearre karbonaatdelslach, wêrby't urease produsearre troch baktearjes de hydrolyse fan ureum katalysearret20,21,22,23,24,25,26,27 as folget:
Yn MICP wêrby't de koalstofsyklus fan organyske sâltoksidaasje (MICP sûnder ureumdegradaasjetype) belutsen is, brûke heterotrofe baktearjes organyske sâlt lykas asetaat, laktaat, sitraat, succinaat, oksalaat, malaat en glyoxylaat as enerzjyboarnen om karbonaatmineralen te produsearjen28. Yn 'e oanwêzigens fan kalsiumlaktaat as koalstofboarne en kalsiumionen wurdt de gemyske reaksje fan kalsiumkarbonaatfoarming werjûn yn fergeliking (5).
Yn it MICP-proses leverje baktearjele sellen nukleaasjeplakken dy't benammen wichtich binne foar de delslach fan kalsiumkarbonaat; it oerflak fan 'e baktearjele sellen is negatyf laden en kin fungearje as in adsorbens foar divalente kationen lykas kalsiumionen. Troch it adsorbearjen fan kalsiumionen op baktearjele sellen, as de karbonaationkonsintraasje genôch is, reagearje kalsiumkationen en karbonaantanionen en wurdt kalsiumkarbonaat delslach op it baktearjele oerflak29,30. It proses kin as folget gearfette wurde31,32:
Biogenerearre kalsiumkarbonaatkristallen kinne wurde ferdield yn trije soarten: kalsyt, vateryt en aragonyt. Dêrûnder binne kalsyt en vateryt de meast foarkommende baktearjeel ynducearre kalsiumkarbonaat-allomorfen33,34. Kalsyt is de meast termodynamysk stabile kalsiumkarbonaat-allomorf35. Hoewol vateryt rapportearre is as metastabiel, transformearret it úteinlik yn kalsyt36,37. Vateryt is de tichtste fan dizze kristallen. It is in hexagonale kristal dy't better poarjefoljend fermogen hat as oare kalsiumkarbonaatkristallen fanwegen syn gruttere grutte38. Sawol ureum-ôfbrutsen as ureum-ûnôfbrutsen MICP kinne liede ta de delslach fan vateryt13,39,40,41.
Hoewol MICP in beloftefol potinsjeel sjen litten hat yn it stabilisearjen fan problematyske boaiems en boaiems dy't gefoelich binne foar wyneroazje42,43,44,45,46,47,48, is ien fan 'e byprodukten fan ureumhydrolyse ammoniak, dat milde oant swiere sûnensproblemen feroarsaakje kin, ôfhinklik fan it nivo fan bleatstelling49. Dit side-effekt makket it gebrûk fan dizze bepaalde technology kontroversjeel, foaral as grutte gebieten behannele wurde moatte, lykas foar stofûnderdrukking. Derneist is de rook fan ammoniak ûndraachlik as it proses wurdt útfierd mei hege tapassingssnelheden en grutte folumes, wat de praktyske tapassing kin beynfloedzje. Hoewol resinte stúdzjes hawwe oantoand dat ammoniumionen kinne wurde fermindere troch se om te setten yn oare produkten lykas struviet, ferwiderje dizze metoaden ammoniumionen net folslein50. Dêrom is d'r noch in needsaak om alternative oplossingen te ûndersiikjen dy't gjin ammoniumionen generearje. It gebrûk fan net-ureumôfbraakpaden foar MICP kin in potinsjele oplossing biede dy't min ûndersocht is yn 'e kontekst fan wyneroazjemitigaasje. Fattahi et al. ûndersochten ureumfrije MICP-ôfbraak mei kalsiumasetaat en Bacillus megaterium41, wylst Mohebbi et al. kalsiumasetaat en Bacillus amyloliquefaciens9 brûkten. Harren stúdzje waard lykwols net fergelike mei oare kalsiumboarnen en heterotrofe baktearjes dy't úteinlik de wjerstân tsjin wyneroazje ferbetterje koene. Der is ek in gebrek oan literatuer dy't ureumfrije ôfbraakpaden fergeliket mei ureumôfbraakpaden yn it ferminderjen fan wyneroazje.
Derneist binne de measte ûndersiken nei wyneroazje en stofkontrôle útfierd op boaiemmonsters mei platte oerflakken.1,51,52,53 Platte oerflakken komme lykwols minder faak foar yn 'e natuer as heuvels en depresjes. Dêrom binne sânheuvels it meast foarkommende lânskipsfunksje yn woastynregio's.
Om de hjirboppe neamde tekoartkommingen te oerwinnen, hie dizze stúdzje as doel in nije set net-ammoniak-produsearjende baktearjele aginten yn te fieren. Foar dit doel hawwe wy net-ureum-ôfbrekkende MICP-paden beskôge. De effisjinsje fan twa kalsiumboarnen (kalsiumformaat en kalsiumasetaat) waard ûndersocht. Foar safier't de auteurs witte, is karbonaatpresiпитаasje mei twa kalsiumboarne- en baktearjekombinaasjes (d.w.s. kalsiumformaat-Bacillus subtilis en kalsiumformaat-Bacillus amyloliquefaciens) net ûndersocht yn eardere stúdzjes. De kar fan dizze baktearjes wie basearre op 'e enzymen dy't se produsearje dy't de oksidaasje fan kalsiumformaat en kalsiumasetaat katalysearje om mikrobiële karbonaatpresiпитаasje te foarmjen. Wy hawwe in yngeande eksperimintele stúdzje ûntwurpen om de optimale faktoaren te finen lykas pH, soarten baktearjes en kalsiumboarnen en har konsintraasjes, de ferhâlding fan baktearjes ta kalsiumboarneoplossing en úthardingstiid. Uteinlik waard de effektiviteit fan dizze set baktearjele aginten yn it ûnderdrukken fan wyneroazje troch kalsiumkarbonaatdelslach ûndersocht troch in searje wyntunneltests út te fieren op sânheuvels om de grutte fan wyneroazje, drompelôfbraaksnelheid en wynbombardemintwjerstân fan it sân te bepalen, en penetrometermjittingen en mikrostrukturele stúdzjes (bygelyks röntgendiffraksje (XRD) analyze en scanning elektronenmikroskopie (SEM)) waarden ek útfierd.
Kalsiumkarbonaatproduksje fereasket kalsiumioanen en karbonaatioanen. Kalsiumioanen kinne wurde krigen út ferskate kalsiumboarnen lykas kalsiumchloride, kalsiumhydrokside en skimme molkepoeier54,55. Karbonaatioanen kinne wurde produsearre troch ferskate mikrobiële metoaden lykas ureumhydrolyse en aerobe of anaerobe oksidaasje fan organyske matearje56. Yn dizze stúdzje waarden karbonaatioanen krigen út 'e oksidaasjereaksje fan formiaat en asetaat. Derneist hawwe wy kalsiumsâlt fan formiaat en asetaat brûkt om suver kalsiumkarbonaat te produsearjen, sadat allinich CO2 en H2O as byprodukten waarden krigen. Yn dit proses tsjinnet mar ien stof as in kalsiumboarne en in karbonaatboarne, en wurdt gjin ammoniak produsearre. Dizze skaaimerken meitsje de kalsiumboarne en karbonaatproduksjemetoade dy't wy tige beloftefol achte.
De oerienkommende reaksjes fan kalsiumformiaat en kalsiumasetaat om kalsiumkarbonaat te foarmjen wurde werjûn yn formules (7)-(14). Formules (7)-(11) litte sjen dat kalsiumformiaat oplost yn wetter om mieresûr of formiaat te foarmjen. De oplossing is dus in boarne fan frije kalsium- en hydrokside-ionen (formules 8 en 9). As gefolch fan 'e oksidaasje fan mieresûr wurde de koalstofatomen yn mieresûr omset yn koalstofdiokside (formule 10). Uteinlik wurdt kalsiumkarbonaat foarme (formules 11 en 12).
Op deselde wize wurdt kalsiumkarbonaat foarme út kalsiumasetaat (fergelikingen 13–15), útsein dat jittiksoer of asetaat foarme wurdt ynstee fan mierensoer.
Sûnder de oanwêzigens fan enzymen kinne asetaat en formaat net oksidearre wurde by keamertemperatuer. FDH (formaatdehydrogenase) en CoA (koënzym A) katalysearje de oksidaasje fan formaat en asetaat om respektivelik koalstofdiokside te foarmjen (Eqs. 16, 17) 57, 58, 59. Ferskate baktearjes binne by steat om dizze enzymen te produsearjen, en heterotrofe baktearjes, nammentlik Bacillus subtilis (PTCC #1204 (Persian Type Culture Collection), ek wol bekend as NCIMB #13061 (International Collection of Bacteria, Yeast, Phage, Plasmids, Plant Seeds and Plant Cell Tissue Cultures)) en Bacillus amyloliquefaciens (PTCC #1732, NCIMB #12077), waarden brûkt yn dizze stúdzje. Dizze baktearjes waarden kultivearre yn in medium mei fleispepton (5 g/L) en fleisekstrakt (3 g/L), neamd fiedingsbouillon (NBR) (105443 Merck).
Sa waarden fjouwer formulearringen taret om kalsiumkarbonaatpresiпитаasje te indusearjen mei twa kalsiumboarnen en twa baktearjes: kalsiumformaat en Bacillus subtilis (FS), kalsiumformaat en Bacillus amyloliquefaciens (FA), kalsiumasetaat en Bacillus subtilis (AS), en kalsiumasetaat en Bacillus amyloliquefaciens (AA).
Yn it earste diel fan it eksperimintele ûntwerp waarden testen útfierd om de optimale kombinaasje te bepalen dy't maksimale kalsiumkarbonaatproduksje soe berikke. Om't de boaiemmonsters kalsiumkarbonaat befette, waard in set foarriedige evaluaasjetests ûntworpen om de CaCO3 produsearre troch de ferskate kombinaasjes sekuer te mjitten, en waarden mingsels fan kultuermedium en kalsiumboarneoplossingen evaluearre. Foar elke kombinaasje fan kalsiumboarne en baktearjeoplossing dy't hjirboppe definieare is (FS, FA, AS, en AA), waarden optimalisaasjefaktoaren (kalsiumboarnekonsintraasje, úthardingstiid, baktearjeoplossingkonsintraasje mjitten troch optyske tichtheid fan 'e oplossing (OD), kalsiumboarne oant baktearjeoplossingferhâlding, en pH) ôflaat en brûkt yn 'e wyntunneltests foar sândúnbehanneling dy't beskreaun wurde yn 'e folgjende seksjes.
Foar elke kombinaasje waarden 150 eksperiminten útfierd om it effekt fan CaCO3-delslach te bestudearjen en ferskate faktoaren te evaluearjen, nammentlik kalsiumboarnekonsintraasje, úthardingstiid, baktearjele OD-wearde, kalsiumboarne-ta-baktearjele oplossingferhâlding en pH tidens aerobe oksidaasje fan organyske matearje (Tabel 1). It pH-berik foar it optimalisearre proses waard keazen op basis fan 'e groeikurven fan Bacillus subtilis en Bacillus amyloliquefaciens om fluggere groei te krijen. Dit wurdt yn mear detail útlein yn 'e seksje Resultaten.
De folgjende stappen waarden brûkt om de samples ta te rieden foar de optimalisaasjefaze. De MICP-oplossing waard earst taret troch de inisjele pH fan it kweekmedium oan te passen en doe 15 minuten autoklavearre by 121 °C. De stam waard doe ynokulearre yn in laminêre loftstream en hâlden yn in skodde-ynkubator by 30 °C en 180 rpm. Sadree't de OD fan 'e baktearjes it winske nivo berikte, waard it mingd mei de kalsiumboarneoplossing yn 'e winske ferhâlding (Ofbylding 1a). De MICP-oplossing waard reagearre en stollen yn in skodde-ynkubator by 220 rpm en 30 °C foar in tiid dy't de doelwearde berikte. De delslach CaCO3 waard skieden nei sintrifugaasje by 6000 g foar 5 minuten en doe droege by 40 °C om de samples ta te rieden foar de kalsimetertest (Ofbylding 1b). De delslach fan CaCO3 waard doe metten mei in Bernard-kalsimeter, wêrby't CaCO3-poeier reagearret mei 1,0 N HCl (ASTM-D4373-02) om CO2 te produsearjen, en it folume fan dit gas is in mjitte fan it CaCO3-gehalte (figuer 1c). Om it folume fan CO2 nei CaCO3-gehalte om te setten, waard in kalibraasjekromme generearre troch suver CaCO3-poeier te waskjen mei 1 N HCl en it te plotten tsjin de ûntwikkelde CO2. De morfology en suverens fan it delslachte CaCO3-poeier waarden ûndersocht mei SEM-ôfbylding en XRD-analyze. In optyske mikroskoop mei in fergrutting fan 1000 waard brûkt om de foarming fan kalsiumkarbonaat om 'e baktearjes hinne, de faze fan it foarme kalsiumkarbonaat en de aktiviteit fan 'e baktearjes te bestudearjen.
It Dejegh-bekken is in bekende sterk erodearre regio yn 'e súdwestlike provinsje Fars fan Iran, en de ûndersikers hawwe troch wyn erodearre boaiemmonsters sammele út it gebiet. De monsters waarden nommen fan it boaiemoerflak foar it ûndersyk. Yndikatortests op 'e boaiemmonsters lieten sjen dat de boaiem min sortearre sângrûn mei slyk wie en klassifisearre waard as SP-SM neffens it Unified Soil Classification System (USC) (figuer 2a). XRD-analyze liet sjen dat de Dejegh-boaiem benammen bestie út kalsyt en kwarts (figuer 2b). Derneist liet EDX-analyze sjen dat oare eleminten lykas Al, K en Fe ek yn lytsere proporsjes oanwêzich wiene.
Om de laboratoariumdunen ta te rieden op wyneroazjetests, waard de boaiem fan in hichte fan 170 mm troch in trechter mei in diameter fan 10 mm nei in stevich oerflak ferpletterd, wat resultearre yn in typyske dún fan 60 mm yn hichte en 210 mm yn diameter. Yn 'e natuer wurde de sândunen mei de leechste tichtheid foarme troch eolyske prosessen. Op deselde wize hie it stekproef dat mei de boppesteande proseduere taret waard de leechste relative tichtheid, γ = 14,14 kN/m³, wêrtroch't in sânkegel foarme waard dy't ôfset wie op in horizontaal oerflak mei in rêsthoeke fan sawat 29,7°.
De optimale MICP-oplossing dy't yn 'e foarige seksje krigen is, waard op 'e dúnhelling spuite mei tapassingssnelheden fan 1, 2 en 3 lm-2 en doe waarden de samples 9 dagen (dus de optimale úthardingstiid) yn in ynkubator by 30 °C (Fig. 3) opslein en doe meinommen foar wyntunneltesten.
Foar elke behanneling waarden fjouwer eksimplaren taret, ien foar it mjitten fan it kalsiumkarbonaatgehalte en de oerflaksterkte mei in penetrometer, en de oerbleaune trije eksimplaren waarden brûkt foar eroazjetests by trije ferskillende snelheden. Yn 'e wyntunneltests waard de hoemannichte eroazje bepaald by ferskillende wynsnelheden, en doe waard de drompelôfbraaksnelheid foar elk behannelingeksimplaar bepaald mei in plot fan eroazjehoemannichte tsjin wynsnelheid. Neist de wyneroazjetests waarden de behannele eksimplaren ûnderwurpen oan sânbombardemint (d.w.s. springeksperiminten). Twa ekstra eksimplaren waarden foar dit doel taret mei tapassingshoeveelheden fan 2 en 3 L m−2. De sânbombardeminttest duorre 15 minuten mei in flux fan 120 gm−1, wat binnen it berik fan wearden leit dy't selektearre binne yn eardere stúdzjes60,61,62. De horizontale ôfstân tusken de skuorjende nozzle en de dúnbasis wie 800 mm, 100 mm boppe de tunnelboaiem. Dizze posysje waard ynsteld sadat hast alle springende sânpartikels op 'e dún foelen.
De wyntunneltest waard útfierd yn in iepen wyntunnel mei in lingte fan 8 m, in breedte fan 0,4 m en in hichte fan 1 m (Ofbylding 4a). De wyntunnel is makke fan galvanisearre stielen platen en kin in wynsnelheid generearje oant 25 m/s. Derneist wurdt in frekwinsjeomvormer brûkt om de fentilatorfrekwinsje oan te passen en de frekwinsje stadichoan te ferheegjen om de doelwynsnelheid te krijen. Ofbylding 4b lit it skematyske diagram sjen fan 'e sânheuvels dy't troch wyn erodearre binne en it wynsnelheidsprofyl dat yn 'e wyntunnel metten is.
As lêste, om de resultaten fan 'e net-urealytyske MICP-formulering dy't yn dizze stúdzje foarsteld is te fergelykjen mei de resultaten fan 'e urealytyske MICP-kontrôletest, waarden dúnmonsters ek taret en behannele mei in biologyske oplossing dy't urea, kalsiumchloride en Sporosarcina pasteurii befettet (om't Sporosarcina pasteurii in wichtige mooglikheid hat om urease te produsearjen63). De optyske tichtheid fan 'e baktearjele oplossing wie 1,5, en de konsintraasjes fan urea en kalsiumchloride wiene 1 M (selektearre op basis fan 'e wearden oanrikkemandearre yn eardere stúdzjes36,64,65). It kweekmedium bestie út fiedingsbouillon (8 g/L) en urea (20 g/L). De baktearjele oplossing waard op it dúnoerflak spuite en 24 oeren litten foar baktearjele oanhechting. Nei 24 oeren oanhechting waard in sementearjende oplossing (kalsiumchloride en urea) spuite. De urealytyske MICP-kontrôletest wurdt hjirnei oantsjut as UMC. It kalsiumkarbonaatgehalte fan urealytysk en net-urealytysk behannele boaiemmonsters waard krigen troch waskjen neffens de proseduere foarsteld troch Choi et al.66
Figuer 5 lit de groeikurven sjen fan Bacillus amyloliquefaciens en Bacillus subtilis yn it kweekmedium (fiedingsoplossing) mei in earste pH-berik fan 5 oant 10. Lykas te sjen is yn 'e figuer, groeiden Bacillus amyloliquefaciens en Bacillus subtilis rapper by pH 6-8 en 7-9, respektivelik. Dêrom waard dit pH-berik oannaam yn 'e optimalisaasjefaze.
Groeikurven fan (a) Bacillus amyloliquefaciens en (b) Bacillus subtilis by ferskillende begjin-pH-wearden fan it fiedingsmedium.
Figuer 6 lit de hoemannichte koalstofdiokside sjen dy't produsearre is yn 'e Bernard-kalkmeter, wat it delslach kalsiumkarbonaat (CaCO3) fertsjintwurdiget. Om't ien faktor yn elke kombinaasje fêst wie en de oare faktoaren farieare waarden, komt elk punt op dizze grafyk oerien mei it maksimale folume koalstofdiokside yn dy set eksperiminten. Lykas te sjen is yn 'e figuer, naam de produksje fan kalsiumkarbonaat ta doe't de konsintraasje fan 'e kalsiumboarne tanommen. Dêrom beynfloedet de konsintraasje fan 'e kalsiumboarne direkt de produksje fan kalsiumkarbonaat. Om't de kalsiumboarne en de koalstofboarne itselde binne (d.w.s. kalsiumformaat en kalsiumasetaat), hoe mear kalsiumionen frijkomme, hoe mear kalsiumkarbonaat der foarme wurdt (figuer 6a). Yn 'e AS- en AA-formuleringen bleau de produksje fan kalsiumkarbonaat tanimme mei tanimmende úthardingstiid oant de hoemannichte delslach nei 9 dagen hast net feroare wie. Yn 'e FA-formulering naam de taryf fan kalsiumkarbonaatfoarming ôf doe't de úthardingstiid mear as 6 dagen wie. Yn ferliking mei oare formuleringen liet formulearring FS in relatyf lege taryf fan kalsiumkarbonaatfoarming sjen nei 3 dagen (figuer 6b). Yn formulearrings FA en FS waard 70% en 87% fan 'e totale kalsiumkarbonaatproduksje nei trije dagen helle, wylst yn formulearrings AA en AS dit oandiel mar sawat 46% en 45% wie, respektivelik. Dit jout oan dat de formulearring op basis fan mieresûr in hegere CaCO3-foarmingssnelheid hat yn 'e earste faze yn ferliking mei de formulearring op basis fan asetaat. De foarmingssnelheid fertraget lykwols mei tanimmende úthardingstiid. Ut figuer 6c kin konkludearre wurde dat sels by baktearjele konsintraasjes boppe OD1, der gjin wichtige bydrage is oan 'e foarming fan kalsiumkarbonaat.
Feroaring yn CO2-folume (en oerienkommende CaCO3-ynhâld) metten troch de Bernard-kalsimeter as funksje fan (a) konsintraasje fan 'e kalsiumboarne, (b) úthardingstiid, (c) OD, (d) begjin-pH, (e) ferhâlding fan kalsiumboarne ta baktearjele oplossing (foar elke formulearring); en (f) maksimale hoemannichte kalsiumkarbonaat produsearre foar elke kombinaasje fan kalsiumboarne en baktearjes.
Oangeande it effekt fan 'e earste pH fan it medium, lit figuer 6d sjen dat foar FA en FS de CaCO3-produksje in maksimale wearde berikte by pH 7. Dizze observaasje is yn oerienstimming mei eardere stúdzjes dy't oanjaan dat FDH-enzymen it meast stabyl binne by pH 7-6,7. Foar AA en AS naam de CaCO3-presiпитаasje lykwols ta doe't de pH boppe de 7 kaam. Eardere stúdzjes lieten ek sjen dat it optimale pH-berik foar CoA-enzymaktiviteit fan 8 oant 9,2-6,8 leit. Mei it each op it feit dat de optimale pH-beriken foar CoA-enzymaktiviteit en groei fan B. amyloliquefaciens respektivelik (8-9,2) en (6-8) binne (figuer 5a), wurdt ferwachte dat de optimale pH fan AA-formulering 8 is, en de twa pH-beriken oerlaapje inoar. Dit feit waard befêstige troch eksperiminten, lykas te sjen is yn figuer 6d. Omdat de optimale pH foar B. subtilis-groei 7-9 is (figuer 5b) en de optimale pH foar CoA-enzymaktiviteit 8-9.2 is, wurdt ferwachte dat de maksimale CaCO3-presiпитаasjeopbringst yn it pH-berik fan 8-9 leit, wat befêstige wurdt troch figuer 6d (d.w.s. de optimale presiпитаasje-pH is 9). De resultaten werjûn yn figuer 6e jouwe oan dat de optimale ferhâlding fan kalsiumboarneoplossing ta baktearjele oplossing 1 is foar sawol asetaat- as formiaatoplossingen. Ter ferliking waarden de prestaasjes fan ferskate formulearringen (d.w.s. AA, AS, FA en FS) evaluearre op basis fan 'e maksimale CaCO3-produksje ûnder ferskate omstannichheden (d.w.s. kalsiumboarnekonsintraasje, úthardingstiid, OD, ferhâlding kalsiumboarne ta baktearjele oplossing en inisjele pH). Under de bestudearre formulearringen hie formulearring FS de heechste CaCO3-produksje, dy't sawat trije kear dy fan formulearring AA wie (figuer 6f). Fjouwer baktearjefrije kontrôle-eksperiminten waarden útfierd foar beide kalsiumboarnen en der waard gjin CaCO3-presiпитаasje waarnommen nei 30 dagen.
De optyske mikroskopyôfbyldings fan alle formulearringen lieten sjen dat vaterite de wichtichste faze wie wêryn kalsiumkarbonaat foarme waard (figuer 7). De vateritekristallen wiene sferysk fan foarm69,70,71. It waard fûn dat kalsiumkarbonaat delslach op 'e baktearjesellen, om't it oerflak fan 'e baktearjesellen negatyf laden wie en koe fungearje as in adsorbens foar divalente kationen. As wy formulearring FS as foarbyld nimme yn dizze stúdzje, begon nei 24 oeren kalsiumkarbonaat te foarmjen op guon baktearjesellen (figuer 7a), en nei 48 oeren naam it oantal baktearjesellen bedekt mei kalsiumkarbonaat signifikant ta. Derneist, lykas te sjen is yn figuer 7b, koene ek vateritepartikels wurde ûntdutsen. Uteinlik, nei 72 oeren, like in grut oantal baktearjes bûn te wêzen troch de vateritekristallen, en it oantal vateritepartikels naam signifikant ta (figuer 7c).
Optyske mikroskopyske waarnimmings fan CaCO3-presiпитаasje yn FS-komposysjes oer tiid: (a) 24, (b) 48 en (c) 72 oeren.
Om de morfology fan 'e delslachfaze fierder te ûndersykjen, waarden röntgendiffraksje (XRD) en SEM-analyses fan 'e poeiers útfierd. De XRD-spektra (Fig. 8a) en SEM-mikrografen (Fig. 8b, c) befêstigen de oanwêzigens fan vaterytkristallen, om't se in sla-eftige foarm hienen en in oerienkomst tusken de vaterytpiken en de delslachpiken waarnommen waard.
(a) Ferliking fan röntgendiffraksjespektra fan foarme CaCO3 en vateryt. SEM-mikrografen fan vateryt by (b) 1 kHz en (c) 5.27 kHz fergrutting, respektivelik.
De resultaten fan 'e wyntunneltests wurde werjûn yn figuer 9a, b. Ut figuer 9a is te sjen dat de drompel-eroazjesnelheid (TDV) fan it ûnbehannele sân sawat 4,32 m/s is. By de tapassingssnelheid fan 1 l/m² (figuer 9a) binne de hellingen fan 'e boaiemferliessnelheidslinen foar fraksjes FA, FS, AA en UMC sawat itselde as foar it ûnbehannele dún. Dit jout oan dat de behanneling by dizze tapassingssnelheid ineffektyf is en sa gau as de wynsnelheid de TDV oerskriuwt, ferdwynt de tinne boaiemkoarste en is de dún-eroazjesnelheid itselde as foar it ûnbehannele dún. De eroazjehelling fan fraksje AS is ek leger as dy fan 'e oare fraksjes mei legere abscissen (d.w.s. TDV) (figuer 9a). De pylken yn figuer 9b jouwe oan dat by de maksimale wynsnelheid fan 25 m/s gjin eroazje foarkaam yn 'e behannele dúnen by de tapassingsraten fan 2 en 3 l/m². Mei oare wurden, foar FS, FA, AS en UMC wiene de dunen mear resistint tsjin wyneroazje feroarsake troch CaCO³-ôfsetting by de tapassingssnelheden fan 2 en 3 l/m² as by de maksimale wynsnelheid (d.w.s. 25 m/s). Sa is de TDV-wearde fan 25 m/s dy't yn dizze testen krigen is de ûnderste limyt foar de tapassingssnelheden werjûn yn figuer 9b, útsein yn it gefal fan AA, dêr't de TDV hast gelyk is oan de maksimale wyntunnelsnelheid.
Wyneroazjetest (a) Gewichtsferlies tsjin wynsnelheid (tapassingshoeveelheid 1 l/m2), (b) Drompelsnelheid foar ôfskieding tsjin tapassingshoeveelheid en formulearring (CA foar kalsiumasetaat, CF foar kalsiumformaat).
Figuer 10 lit de oerflakte-eroazje sjen fan sânheuvels behannele mei ferskate formulearringen en tapassingssnelheden nei de sânbombardeminttest en de kwantitative resultaten wurde werjûn yn Figuer 11. It net-behannele gefal wurdt net werjûn, om't it gjin wjerstân sjen liet en folslein erodearre wie (totaal massaferlies) tidens de sânbombardeminttest. It is dúdlik út Figuer 11 dat it monster behannele mei biokomposysje AA 83,5% fan syn gewicht ferlear by de tapassingssnelheid fan 2 l/m2, wylst alle oare monsters minder as 30% eroazje sjen lieten tidens it sânbombardemintproses. Doe't de tapassingssnelheid ferhege waard nei 3 l/m2, ferlearen alle behannele monsters minder as 25% fan har gewicht. By beide tapassingssnelheden liet ferbining FS de bêste wjerstân tsjin sânbombardemint sjen. De maksimale en minimale bombardemintwjerstân yn 'e FS- en AA-behannele monsters kinne taskreaun wurde oan har maksimale en minimale CaCO3-presiпитаasje (Figuer 6f).
Resultaten fan it bombardearjen fan sânheuvels fan ferskillende gearstallingen by streamsnelheden fan 2 en 3 l/m2 (pylken jouwe wynrjochting oan, krússen jouwe wynrjochting loodrecht op it flak fan 'e tekening oan).
Lykas te sjen is yn figuer 12, naam it kalsiumkarbonaatgehalte fan alle formules ta doe't de tapassingshoeveelheid tanommen fan 1 L/m² nei 3 L/m². Derneist wie by alle tapassingshoeveelheden de formule mei it heechste kalsiumkarbonaatgehalte FS, folge troch FA en UMC. Dit suggerearret dat dizze formules in hegere oerflakresistinsje hawwe kinne.
Figuer 13a lit de feroaring yn oerflakweerstand fan ûnbehannele, kontrôle- en behannele boaiemmonsters sjen, metten mei permeametertest. Ut dizze figuer is dúdlik dat de oerflakweerstand fan UMC-, AS-, FA- en FS-formuleringen signifikant tanommen is mei de tanimming fan de tapassingshoeveelheid. De tanimming fan oerflaksterkte wie lykwols relatyf lyts yn AA-formulering. Lykas te sjen is yn 'e figuer, hawwe FA- en FS-formuleringen fan net-ureum-ôfbrutsen MICP in bettere oerflakpermeabiliteit yn ferliking mei ureum-ôfbrutsen MICP. Figuer 13b lit de feroaring yn TDV sjen mei boaiemoerflakweerstand. Ut dizze figuer is dúdlik dat foar dunen mei in oerflakweerstand grutter as 100 kPa, de drompelstripsnelheid mear as 25 m/s sil wêze. Om't in situ oerflakweerstand maklik metten wurde kin mei in permeameter, kin dizze kennis helpe om de TDV te skatten yn 'e ôfwêzigens fan wyntunneltesten, en dêrmei tsjinje as in kwaliteitskontrôle-yndikator foar fjildtapassingen.
De SEM-resultaten wurde werjûn yn figuer 14. Figuren 14a-b litte de fergrutte dieltsjes fan it ûnbehannele boaiemmonster sjen, wat dúdlik oanjout dat it kohesyf is en gjin natuerlike binding of sementaasje hat. Figuer 14c lit de SEM-mikrograaf sjen fan it kontrôlemonster behannele mei ureum-ôfbrutsen MICP. Dizze ôfbylding lit de oanwêzigens sjen fan CaCO3-presipitaten as kalsytpolymorfen. Lykas te sjen is yn figuren 14d-o, bindt de presipitearre CaCO3 de dieltsjes oaninoar; sferyske vateritekristallen kinne ek identifisearre wurde yn 'e SEM-mikrofoto's. De resultaten fan dizze stúdzje en eardere stúdzjes jouwe oan dat de CaCO3-biningen dy't foarme wurde as vateritepolymorfen ek ridlike meganyske sterkte kinne leverje; ús resultaten litte sjen dat de oerflaktewjerstân tanimt nei 350 kPa en de drompelskiedingssnelheid tanimt fan 4,32 nei mear as 25 m/s. Dit resultaat is yn oerienstimming mei de resultaten fan eardere stúdzjes dy't oanjaan dat de matrix fan MICP-presipitearre CaCO3 vateriet is, dat ridlike meganyske sterkte en wyneroazjebestriding hat13,40 en ridlike wyneroazjebestriding kin behâlde, sels nei 180 dagen bleatstelling oan fjildmiljeu-omstannichheden13.
(a, b) SEM-mikrografen fan ûnbehannele boaiem, (c) MICP-ureumdegradaasjekontrôle, (df) AA-behannele samples, (gi) AS-behannele samples, (jl) FA-behannele samples, en (mo) FS-behannele samples mei in tapassingshoeveelheid fan 3 L/m2 by ferskillende fergruttings.
Figuer 14d-f lit sjen dat nei behanneling mei AA-ferbiningen kalsiumkarbonaat op it oerflak en tusken de sânkerrels delslach waard, wylst ek guon ûnbedekte sânkerrels waarnommen waarden. Foar AS-komponinten, hoewol de hoemannichte CaCO3 dy't foarme waard net signifikant tanommen (Fig. 6f), naam de hoemannichte kontakten tusken sânkerrels feroarsake troch CaCO3 signifikant ta yn ferliking mei AA-ferbiningen (Fig. 14g-i).
Ut figueren 14j-l en 14m-o is dúdlik dat it gebrûk fan kalsiumformiaat as kalsiumboarne liedt ta in fierdere tanimming fan CaCO3-delslach yn ferliking mei de AS-ferbining, wat oerienkomt mei de kalsiummetermjittingen yn figuer 6f. Dizze ekstra CaCO3 liket benammen ôfset te wurden op 'e sândieltsjes en ferbetteret net needsaaklik de kontaktkwaliteit. Dit befêstiget it earder waarnommen gedrach: nettsjinsteande de ferskillen yn 'e hoemannichte CaCO3-delslach (figuer 6f), ferskille de trije formulearringen (AS, FA en FS) net signifikant yn termen fan anty-eolyske (wyn) prestaasjes (figuer 11) en oerflakresistinsje (figuer 13a).
Om de mei CaCO3 bedekte baktearjesellen en de baktearjele ôfdruk op 'e delslachkristallen better te visualisearjen, waarden SEM-mikrofoto's mei hege fergrutting makke en de resultaten wurde werjûn yn figuer 15. Lykas te sjen is, delslach kalsiumkarbonaat op 'e baktearjesellen en leveret it de kearnen dy't nedich binne foar de delslach dêr. De figuer toant ek de aktive en ynaktive ferbiningen dy't feroarsake wurde troch CaCO3. Der kin konkludearre wurde dat elke tanimming fan ynaktive ferbiningen net needsaaklik liedt ta fierdere ferbettering fan meganysk gedrach. Dêrom liedt tanimmende CaCO3-delslach net needsaaklik ta hegere meganyske sterkte en spilet it delslachpatroan in wichtige rol. Dit punt is ek bestudearre yn 'e wurken fan Terzis en Laloui72 en Soghi en Al-Kabani45,73. Om de relaasje tusken delslachpatroan en meganyske sterkte fierder te ûndersiikjen, wurde MICP-stúdzjes mei µCT-ôfbylding oanrikkemandearre, wat bûten it berik fan dizze stúdzje falt (d.w.s. it yntrodusearjen fan ferskate kombinaasjes fan kalsiumboarne en baktearjes foar ammoniakfrije MICP).
CaCO3 ynducearre aktive en ynaktive biningen yn samples behannele mei (a) AS-komposysje en (b) FS-komposysje en liet in ôfdruk fan baktearjesellen op it sedimint efter.
Lykas te sjen is yn figueren 14j-o en 15b, is der in CaCO₂-film (neffens EDX-analyze is de persintaazje gearstalling fan elk elemint yn 'e film koalstof 11%, soerstof 46,62% en kalsium 42,39%, wat tige ticht by it persintaazje CaCO₂ yn figuer 16 leit). Dizze film bedekt de vaterytkristallen en boaiemdieltsjes, en helpt de yntegriteit fan it boaiem-sedimintsysteem te behâlden. De oanwêzigens fan dizze film waard allinich waarnommen yn 'e samples dy't behannele binne mei de formule op basis fan formiaat.
Tabel 2 fergeliket de oerflaksterkte, drompelsnelheid foar losmeitsjen, en bio-induzearre CaCO3-ynhâld fan boaiems behannele mei ureum-ôfbrekkende en net-ureum-ôfbrekkende MICP-paden yn eardere stúdzjes en dizze stúdzje. Stúdzjes oer de wyneroazjeresistinsje fan MICP-behannele dúnmonsters binne beheind. Meng et al. ûndersochten de wyneroazjeresistinsje fan MICP-behannele ureum-ôfbrekkende dúnmonsters mei in blêdblazer,13 wylst yn dizze stúdzje net-ureum-ôfbrekkende dúnmonsters (lykas ureum-ôfbrekkende kontrôles) waarden testen yn in wyntunnel en behannele mei fjouwer ferskillende kombinaasjes fan baktearjes en stoffen.
Lykas te sjen is, hawwe guon eardere stúdzjes hege tapassingssnelheden beskôge dy't mear as 4 L/m2 bedrage13,41,74. It is it neamen wurdich dat hege tapassingssnelheden miskien net maklik tapast wurde kinne yn it fjild út in ekonomysk eachpunt fanwegen de kosten dy't ferbûn binne mei wetterfoarsjenning, transport en tapassing fan grutte hoemannichten wetter. Legere tapassingssnelheden lykas 1,62-2 L/m2 berikten ek frij goede oerflaksterkten oant 190 kPa en in TDV fan mear as 25 m/s. Yn 'e hjoeddeiske stúdzje berikten duinen behannele mei op formaat basearre MICP sûnder ureumôfbraak hege oerflaksterkten dy't te fergelykjen wiene mei dy krigen mei it ureumôfbraakpaad yn itselde berik fan tapassingssnelheden (d.w.s. samples behannele mei op formaat basearre MICP sûnder ureumôfbraak wiene ek yn steat om itselde berik fan oerflaksterktewearden te berikken lykas rapportearre troch Meng et al., 13, Figuer 13a) by hegere tapassingssnelheden. It kin ek sjoen wurde dat by in tapassingshoeveelheid fan 2 L/m2, de opbringst fan kalsiumkarbonaat foar it ferminderjen fan wyneroazje by in wynsnelheid fan 25 m/s 2,25% wie foar de op formaat basearre MICP sûnder ureumôfbraak, wat tige ticht by de fereaske hoemannichte CaCO3 (d.w.s. 2,41%) leit yn ferliking mei duinen behannele mei de kontrôle MICP mei ureumôfbraak by deselde tapassingshoeveelheid en deselde wynsnelheid (25 m/s).
Sa kin út dizze tabel konkludearre wurde dat sawol it ureum-ôfbraakpaad as it ureumfrije ôfbraakpaad frij akseptabele prestaasjes kinne leverje op it mêd fan oerflakweerstand en TDV. It wichtichste ferskil is dat it ureumfrije ôfbraakpaad gjin ammoniak befettet en dêrom in legere miljeu-ynfloed hat. Derneist liket de op formaat basearre MICP-metoade sûnder ureum-ôfbraak dy't yn dizze stúdzje foarsteld wurdt, better te prestearjen as de op asetaat basearre MICP-metoade sûnder ureum-ôfbraak. Hoewol Mohebbi et al. de op asetaat basearre MICP-metoade sûnder ureum-ôfbraak bestudearren, omfette har stúdzje samples op platte oerflakken9. Fanwegen de hegere mjitte fan eroazje feroarsake troch draaikolkenfoarming om 'e dúnmonsters en de resultearjende skuorkrêft, wat resulteart yn in legere TDV, wurdt ferwachte dat de wyneroazje fan 'e dúnmonsters dúdliker sil wêze as dy fan platte oerflakken mei deselde snelheid.