Faleminderit që vizituat nature.com. Versioni i shfletuesit që po përdorni ka mbështetje të kufizuar CSS. Për përvojën më të mirë, ne ju rekomandojmë të përdorni versionin më të fundit të shfletuesit (ose të çaktivizoni modalitetin e përputhshmërisë në Internet Explorer). Përveç kësaj, për të siguruar mbështetje të vazhdueshme, kjo faqe nuk do të përfshijë stile ose JavaScript.
Stuhitë e pluhurit përbëjnë një kërcënim serioz për shumë vende në mbarë botën për shkak të ndikimit të tyre shkatërrues në bujqësi, shëndetin e njeriut, rrjetet e transportit dhe infrastrukturën. Si rezultat, erozioni nga era konsiderohet një problem global. Një nga qasjet miqësore me mjedisin për të frenuar erozionin nga era është përdorimi i reshjeve të karbonatit të induktuara nga mikrobet (MICP). Megjithatë, nënproduktet e MICP të bazuara në degradimin e uresë, siç është amoniaku, nuk janë ideale kur prodhohen në sasi të mëdha. Ky studim paraqet dy formulime të baktereve të formatit të kalciumit për degradimin e MICP pa prodhuar ure dhe krahason në mënyrë gjithëpërfshirëse performancën e tyre me dy formulime të baktereve të acetatit të kalciumit që nuk prodhojnë amoniak. Bakteret e konsideruara janë Bacillus subtilis dhe Bacillus amyloliquefaciens. Së pari, u përcaktuan vlerat e optimizuara të faktorëve që kontrollojnë formimin e CaCO3. Testet e tunelit të erës u kryen më pas në mostrat e dunave të rërës të trajtuara me formulimet e optimizuara dhe u matën rezistenca ndaj erozionit nga era, shpejtësia e pragut të zhveshjes dhe rezistenca ndaj bombardimit me rërë. Alomorfet e karbonatit të kalciumit (CaCO3) u vlerësuan duke përdorur mikroskopi optike, mikroskopi elektronike skanuese (SEM) dhe analizën e difraksionit me rreze X. Formulimet me bazë formati kalciumi performuan dukshëm më mirë se formulimet me bazë acetati për sa i përket formimit të karbonatit të kalciumit. Përveç kësaj, B. subtilis prodhoi më shumë karbonat kalciumi sesa B. amyloliquefaciens. Mikrografitë SEM treguan qartë lidhjen dhe shtypjen e baktereve aktive dhe joaktive në karbonatin e kalciumit të shkaktuar nga sedimentimi. Të gjitha formulimet ulën ndjeshëm erozionin nga era.
Erozioni nga era është njohur prej kohësh si një problem i madh me të cilin përballen rajonet e thata dhe gjysmë të thata, siç janë Shtetet e Bashkuara jugperëndimore, Kina perëndimore, Afrika Sahariane dhe pjesa më e madhe e Lindjes së Mesme1. Reshjet e pakta të shiut në klimat e thata dhe hiper të thata kanë transformuar pjesë të mëdha të këtyre rajoneve në shkretëtira, duna rëre dhe toka të pakultivuara. Erozioni i vazhdueshëm nga era paraqet kërcënime mjedisore për infrastrukturën, siç janë rrjetet e transportit, toka bujqësore dhe toka industriale, duke çuar në kushte të këqija jetese dhe kosto të larta të zhvillimit urban në këto rajone2,3,4. Është e rëndësishme të theksohet se erozioni nga era jo vetëm që ndikon në vendndodhjen ku ndodh, por gjithashtu shkakton probleme shëndetësore dhe ekonomike në komunitetet e largëta, pasi transporton grimca nga era në zona larg burimit5,6.
Kontrolli i erozionit nga era mbetet një problem global. Metoda të ndryshme të stabilizimit të tokës përdoren për të kontrolluar erozionin nga era. Këto metoda përfshijnë materiale të tilla si aplikimi i ujit7, mbulesat me vaj8, biopolimerët5, reshjet e karbonatit të induktuara nga mikrobet (MICP)9,10,11,12 dhe reshjet e karbonatit të induktuara nga enzimat (EICP)1. Lagia e tokës është një metodë standarde e shtypjes së pluhurit në fushë. Megjithatë, avullimi i shpejtë i saj e bën këtë metodë me efektivitet të kufizuar në rajonet e thata dhe gjysmë të thata1. Aplikimi i përbërjeve të mbulesës me vaj rrit kohezionin e rërës dhe fërkimin midis grimcave. Vetia e tyre kohezive lidh kokrrat e rërës së bashku; megjithatë, mbulesat me vaj paraqesin edhe probleme të tjera; ngjyra e tyre e errët rrit thithjen e nxehtësisë dhe çon në vdekjen e bimëve dhe mikroorganizmave. Era dhe tymi i tyre mund të shkaktojnë probleme të frymëmarrjes, dhe më e rëndësishmja, kostoja e tyre e lartë është një pengesë tjetër. Biopolimerët janë një nga metodat miqësore me mjedisin të propozuara së fundmi për zbutjen e erozionit nga era; ato nxirren nga burime natyrore si bimët, kafshët dhe bakteret. Goma ksantane, goma guar, kitozani dhe goma gellan janë biopolimerët më të përdorur në aplikimet inxhinierike5. Megjithatë, biopolimerët e tretshëm në ujë mund të humbasin forcën dhe të rrjedhin nga toka kur ekspozohen ndaj ujit13,14. EICP është treguar të jetë një metodë efektive e shtypjes së pluhurit për një sërë aplikimesh, duke përfshirë rrugët e pashtruara, pellgjet e mbeturinave dhe vendet e ndërtimit. Edhe pse rezultatet e saj janë inkurajuese, duhet të merren në konsideratë disa disavantazhe të mundshme, të tilla si kostoja dhe mungesa e vendeve të formimit të bërthamave (gjë që përshpejton formimin dhe reshjet e kristaleve të CaCO315,16).
MICP u përshkrua për herë të parë në fund të shekullit të 19-të nga Murray dhe Irwin (1890) dhe Steinmann (1901) në studimin e tyre mbi degradimin e uresë nga mikroorganizmat detarë17. MICP është një proces biologjik që ndodh natyrshëm dhe përfshin një sërë aktivitetesh mikrobike dhe procesesh kimike në të cilat karbonati i kalciumit precipitohet nga reagimi i joneve karbonat nga metabolitët mikrobikë me jonet e kalciumit në mjedis18,19. MICP që përfshin ciklin e azotit që degradon urenë (MICP që degradon urenë) është lloji më i zakonshëm i reshjeve të karbonatit të shkaktuara nga mikrobet, në të cilën ureaza e prodhuar nga bakteret katalizon hidrolizën e uresë20,21,22,23,24,25,26,27 si më poshtë:
Në MICP që përfshin ciklin e karbonit të oksidimit të kripës organike (MICP pa llojin e degradimit të uresë), bakteret heterotrofe përdorin kripëra organike si acetat, laktat, citrat, sukcinat, oksalat, malat dhe glioksilat si burime energjie për të prodhuar minerale karbonatike28. Në prani të laktatit të kalciumit si burim karboni dhe joneve të kalciumit, reaksioni kimik i formimit të karbonatit të kalciumit tregohet në ekuacionin (5).
Në procesin MICP, qelizat bakteriale sigurojnë vende të formimit të bërthamave që janë veçanërisht të rëndësishme për precipitimin e karbonatit të kalciumit; sipërfaqja e qelizës bakteriale është e ngarkuar negativisht dhe mund të veprojë si një adsorbent për katione dyvalente siç janë jonet e kalciumit. Duke adsorbuar jonet e kalciumit në qelizat bakteriale, kur përqendrimi i jonit karbonat është i mjaftueshëm, kationet e kalciumit dhe anionet e karbonatit reagojnë dhe karbonati i kalciumit precipitohet në sipërfaqen bakteriale29,30. Procesi mund të përmblidhet si më poshtë31,32:
Kristalet e karbonatit të kalciumit të biogjeneruara mund të ndahen në tre lloje: kalcit, vateriti dhe aragoniti. Midis tyre, kalciti dhe vateriti janë alomorfet më të zakonshme të karbonatit të kalciumit të induktuara nga bakteret33,34. Kalciti është alomorfi i karbonatit të kalciumit më termodinamikisht i qëndrueshëm35. Edhe pse vateriti është raportuar të jetë metastabil, ai përfundimisht transformohet në kalcit36,37. Vateriti është më i denduri nga këto kristale. Është një kristal gjashtëkëndor që ka aftësi më të mirë për mbushjen e poreve sesa kristalet e tjera të karbonatit të kalciumit për shkak të madhësisë së tij më të madhe38. Si MICP i degraduar nga ureja ashtu edhe i padegraduar nga ureja mund të çojë në reshjen e vateritit13,39,40,41.
Edhe pse MICP ka treguar potencial premtues në stabilizimin e tokave problematike dhe tokave të ndjeshme ndaj erozionit nga era42,43,44,45,46,47,48, një nga nënproduktet e hidrolizës së uresë është amoniaku, i cili mund të shkaktojë probleme të lehta deri të rënda shëndetësore në varësi të nivelit të ekspozimit49. Ky efekt anësor e bën përdorimin e kësaj teknologjie të veçantë të diskutueshëm, veçanërisht kur duhet të trajtohen zona të mëdha, siç është për shtypjen e pluhurit. Përveç kësaj, aroma e amoniakut është e patolerueshme kur procesi kryhet me shkallë të lartë aplikimi dhe vëllime të mëdha, gjë që mund të ndikojë në zbatueshmërinë e tij praktike. Edhe pse studimet e fundit kanë treguar se jonet e amonit mund të reduktohen duke i shndërruar ato në produkte të tjera si struviti, këto metoda nuk i heqin plotësisht jonet e amonit50. Prandaj, ende ekziston nevoja për të eksploruar zgjidhje alternative që nuk gjenerojnë jone amoniumi. Përdorimi i rrugëve të degradimit jo-ure për MICP mund të ofrojë një zgjidhje të mundshme që është eksploruar dobët në kontekstin e zbutjes së erozionit nga era. Fattahi et al. hetuan degradimin e MICP pa ure duke përdorur acetat kalciumi dhe Bacillus megaterium41, ndërsa Mohebbi et al. përdorën acetat kalciumi dhe Bacillus amyloliquefaciens9. Megjithatë, studimi i tyre nuk u krahasua me burime të tjera të kalciumit dhe baktere heterotrofe që në fund të fundit mund të përmirësonin rezistencën ndaj erozionit nga era. Gjithashtu, mungon literatura që krahason rrugët e degradimit pa ure me rrugët e degradimit të uresë në zbutjen e erozionit nga era.
Përveç kësaj, shumica e studimeve mbi erozionin nga era dhe kontrollin e pluhurit janë kryer në mostra toke me sipërfaqe të sheshta.1,51,52,53 Megjithatë, sipërfaqet e sheshta janë më pak të zakonshme në natyrë sesa kodrat dhe depresionet. Kjo është arsyeja pse dunat e rërës janë tipari më i zakonshëm i peizazhit në rajonet e shkretëtirës.
Për të kapërcyer mangësitë e përmendura më sipër, ky studim synonte të prezantonte një grup të ri agjentësh bakterialë që nuk prodhojnë amoniak. Për këtë qëllim, ne morëm në konsideratë rrugët MICP që nuk degradojnë urenë. U hetua efikasiteti i dy burimeve të kalciumit (formati i kalciumit dhe acetati i kalciumit). Sipas njohurive më të mira të autorëve, precipitimi i karbonatit duke përdorur dy kombinime burimesh kalciumi dhe bakteresh (domethënë format kalciumi-Bacillus subtilis dhe format kalciumi-Bacillus amyloliquefaciens) nuk është hetuar në studimet e mëparshme. Zgjedhja e këtyre baktereve u bazua në enzimat që ato prodhojnë që katalizojnë oksidimin e formatit të kalciumit dhe acetatit të kalciumit për të formuar precipitim mikrobial të karbonatit. Ne hartuam një studim të plotë eksperimental për të gjetur faktorët optimalë si pH, llojet e baktereve dhe burimet e kalciumit dhe përqendrimet e tyre, raporti i baktereve me tretësirën e burimit të kalciumit dhe koha e tharjes. Së fundmi, efektiviteti i këtij grupi agjentësh bakterialë në shtypjen e erozionit nga era përmes reshjeve të karbonatit të kalciumit u hetua duke kryer një seri testesh në tunelet e erës në dunat e rërës për të përcaktuar madhësinë e erozionit nga era, shpejtësinë e pragut të shkëputjes dhe rezistencën e rërës ndaj bombardimeve nga era, si dhe u kryen matje me penetrometr dhe studime mikrostrukturore (p.sh., analiza e difraksionit të rrezeve X (XRD) dhe mikroskopia elektronike skanuese (SEM)).
Prodhimi i karbonatit të kalciumit kërkon jone kalciumi dhe jone karbonati. Jonet e kalciumit mund të merren nga burime të ndryshme kalciumi, siç janë kloruri i kalciumit, hidroksidi i kalciumit dhe pluhuri i qumështit të skremuar54,55. Jonet karbonate mund të prodhohen me metoda të ndryshme mikrobike, siç është hidroliza e uresë dhe oksidimi aerob ose anaerob i lëndës organike56. Në këtë studim, jonet karbonate u morën nga reaksioni i oksidimit të formatit dhe acetatit. Përveç kësaj, ne përdorëm kripëra kalciumi të formatit dhe acetatit për të prodhuar karbonat kalciumi të pastër, kështu që vetëm CO2 dhe H2O u morën si nënprodukte. Në këtë proces, vetëm një substancë shërben si burim kalciumi dhe një burim karbonati, dhe nuk prodhohet amoniak. Këto karakteristika e bëjnë metodën e prodhimit të burimit të kalciumit dhe karbonatit që ne e konsideruam shumë premtuese.
Reaksionet përkatëse të formatit të kalciumit dhe acetatit të kalciumit për të formuar karbonat kalciumi tregohen në formulat (7)-(14). Formulat (7)-(11) tregojnë se formati i kalciumit tretet në ujë për të formuar acid formik ose format. Tretësira është kështu një burim i joneve të lira të kalciumit dhe hidroksidit (formula 8 dhe 9). Si rezultat i oksidimit të acidit formik, atomet e karbonit në acidin formik shndërrohen në dioksid karboni (formula 10). Në fund të fundit formohet karbonati i kalciumit (formula 11 dhe 12).
Në mënyrë të ngjashme, karbonati i kalciumit formohet nga acetati i kalciumit (ekuacionet 13-15), përveç se në vend të acidit formik formohet acid acetik ose acetat.
Pa praninë e enzimave, acetati dhe formati nuk mund të oksidohen në temperaturën e dhomës. FDH (format dehidrogjenaza) dhe CoA (koenzima A) katalizojnë oksidimin e formatit dhe acetatit për të formuar përkatësisht dioksid karboni (Ekuacionet 16, 17) 57, 58, 59. Baktere të ndryshme janë të afta të prodhojnë këto enzima, dhe në këtë studim u përdorën bakteret heterotrofe, përkatësisht Bacillus subtilis (PTCC #1204 (Koleksioni i Kulturave të Tipit Persik), i njohur gjithashtu si NCIMB #13061 (Koleksioni Ndërkombëtar i Baktereve, Majave, Fagëve, Plazmideve, Farrave të Bimëve dhe Kulturave të Indeve të Qelizave të Bimëve)) dhe Bacillus amyloliquefaciens (PTCC #1732, NCIMB #12077). Këto baktere u kultivuan në një medium që përmbante pepton mishi (5 g/L) dhe ekstrakt mishi (3 g/L), të quajtur lëng ushqyes (NBR) (105443 Merck).
Kështu, u përgatitën katër formulime për të nxitur reshjet e karbonatit të kalciumit duke përdorur dy burime kalciumi dhe dy baktere: format kalciumi dhe Bacillus subtilis (FS), format kalciumi dhe Bacillus amyloliquefaciens (FA), acetat kalciumi dhe Bacillus subtilis (AS), dhe acetat kalciumi dhe Bacillus amyloliquefaciens (AA).
Në pjesën e parë të dizajnit eksperimental, u kryen teste për të përcaktuar kombinimin optimal që do të arrinte prodhimin maksimal të karbonatit të kalciumit. Meqenëse mostrat e tokës përmbanin karbonat kalciumi, u hartua një sërë testesh paraprake vlerësimi për të matur me saktësi CaCO3 të prodhuar nga kombinimet e ndryshme, dhe u vlerësuan përzierjet e mediumit të kulturës dhe tretësirave të burimit të kalciumit. Për secilin kombinim të burimit të kalciumit dhe tretësirës së baktereve të përcaktuara më sipër (FS, FA, AS dhe AA), faktorët e optimizimit (përqendrimi i burimit të kalciumit dhe tretësirës së baktereve të përcaktuara më sipër (FS, FA, AS dhe AA), u nxorën faktorët e optimizimit (përqendrimi i burimit të kalciumit, koha e tharjes, përqendrimi i tretësirës së baktereve i matur nga dendësia optike e tretësirës (OD), raporti i burimit të kalciumit me tretësirën e baktereve dhe pH) dhe u përdorën në testet e tunelit të erës për trajtimin e dunave të rërës të përshkruara në seksionet vijuese.
Për secilin kombinim, u kryen 150 eksperimente për të studiuar efektin e reshjeve të CaCO3 dhe për të vlerësuar faktorë të ndryshëm, përkatësisht përqendrimin e burimit të kalciumit, kohën e tharjes, vlerën OD bakteriale, raportin burim kalciumi me tretësirën bakteriale dhe pH gjatë oksidimit aerob të lëndës organike (Tabela 1). Diapazoni i pH për procesin e optimizuar u zgjodh bazuar në kurbat e rritjes së Bacillus subtilis dhe Bacillus amyloliquefaciens në mënyrë që të arrihet një rritje më e shpejtë. Kjo shpjegohet më hollësisht në seksionin e Rezultateve.
Hapat e mëposhtëm u përdorën për të përgatitur mostrat për fazën e optimizimit. Tretësira MICP u përgatit fillimisht duke rregulluar pH-in fillestar të mjedisit të kulturës dhe më pas u autoklavua në 121 °C për 15 minuta. Lloji u inokulua më pas në një rrjedhë ajri laminare dhe u mbajt në një inkubator tundës në 30 °C dhe 180 rpm. Pasi OD e baktereve arriti nivelin e dëshiruar, ajo u përzie me tretësirën e burimit të kalciumit në proporcionin e dëshiruar (Figura 1a). Tretësira MICP u la të reagonte dhe të ngurtësohej në një inkubator tundës në 220 rpm dhe 30 °C për një kohë që arriti vlerën e synuar. CaCO3 i precipituar u nda pas centrifugimit në 6000 g për 5 minuta dhe më pas u tha në 40 °C për të përgatitur mostrat për testin e kalcimetrit (Figura 1b). Reshjet e CaCO3 u matën më pas duke përdorur një kalcimetri Bernard, ku pluhuri i CaCO3 reagon me 1.0 N HCl (ASTM-D4373-02) për të prodhuar CO2, dhe vëllimi i këtij gazi është një masë e përmbajtjes së CaCO3 (Figura 1c). Për të kthyer vëllimin e CO2 në përmbajtjen e CaCO3, u gjenerua një kurbë kalibrimi duke larë pluhurin e pastër CaCO3 me 1 N HCl dhe duke e paraqitur atë në grafik kundrejt CO2 të evoluar. Morfologjia dhe pastërtia e pluhurit të precipituar CaCO3 u hetuan duke përdorur imazhe SEM dhe analizë XRD. Një mikroskop optik me një zmadhim prej 1000 u përdor për të studiuar formimin e karbonatit të kalciumit rreth baktereve, fazën e karbonatit të kalciumit të formuar dhe aktivitetin e baktereve.
Pellgu i Dejeghut është një rajon i njohur me erozion të lartë në Provincën Fars jugperëndimore të Iranit, dhe studiuesit mblodhën mostra toke të gërryera nga era nga zona. Mostrat u morën nga sipërfaqja e tokës për studimin. Testet treguese në mostrat e tokës treguan se toka ishte tokë ranore e renditur dobët me llum dhe ishte klasifikuar si SP-SM sipas Sistemit të Unifikuar të Klasifikimit të Tokave (USC) (Figura 2a). Analiza XRD tregoi se toka e Dejeghut përbëhej kryesisht nga kalciti dhe kuarci (Figura 2b). Përveç kësaj, analiza EDX tregoi se elementë të tjerë si Al, K dhe Fe ishin gjithashtu të pranishëm në përmasa më të vogla.
Për të përgatitur dunat laboratorike për testimin e erozionit nga era, toka u shtyp nga një lartësi prej 170 mm përmes një hinke me diametër 10 mm në një sipërfaqe të fortë, duke rezultuar në një dunë tipike me lartësi 60 mm dhe diametër 210 mm. Në natyrë, dunat e rërës me dendësinë më të ulët formohen nga proceset eoliane. Në mënyrë të ngjashme, mostra e përgatitur duke përdorur procedurën e mësipërme kishte dendësinë relative më të ulët, γ = 14.14 kN/m³, duke formuar një kon rëre të depozituar në një sipërfaqe horizontale me një kënd qetësie prej afërsisht 29.7°.
Tretësira optimale MICP e marrë në seksionin e mëparshëm u spërkat në shpatin e dunave me shkallë aplikimi prej 1, 2 dhe 3 lm-2 dhe më pas mostrat u ruajtën në një inkubator në 30 °C (Fig. 3) për 9 ditë (domethënë koha optimale e tharjes) dhe më pas u nxorën për testim në tunelin e erës.
Për secilin trajtim, u përgatitën katër mostra, një për matjen e përmbajtjes së karbonatit të kalciumit dhe fortësisë sipërfaqësore duke përdorur një penetrometër, dhe tre mostrat e mbetura u përdorën për testet e erozionit në tre shpejtësi të ndryshme. Në testet e tunelit të erës, sasia e erozionit u përcaktua në shpejtësi të ndryshme të erës, dhe më pas shpejtësia prag e shkëputjes për secilin mostër trajtimi u përcaktua duke përdorur një grafik të sasisë së erozionit kundrejt shpejtësisë së erës. Përveç testeve të erozionit nga era, mostrat e trajtuara iu nënshtruan bombardimit me rërë (domethënë, eksperimenteve me kërcim). Dy mostra shtesë u përgatitën për këtë qëllim me shpejtësi aplikimi prej 2 dhe 3 L m−2. Testi i bombardimit me rërë zgjati 15 minuta me një fluks prej 120 gm−1, i cili është brenda diapazonit të vlerave të përzgjedhura në studimet e mëparshme60,61,62. Distanca horizontale midis grykës gërryese dhe bazës së dunës ishte 800 mm, e vendosur 100 mm mbi fundin e tunelit. Ky pozicion u vendos në mënyrë që pothuajse të gjitha grimcat e rërës që kërcenin të binin mbi dunë.
Testi i tunelit të erës u krye në një tunel ere të hapur me një gjatësi prej 8 m, një gjerësi prej 0.4 m dhe një lartësi prej 1 m (Figura 4a). Tuneli i erës është bërë nga fletë çeliku të galvanizuara dhe mund të gjenerojë një shpejtësi ere deri në 25 m/s. Përveç kësaj, një konvertues frekuence përdoret për të rregulluar frekuencën e ventilatorit dhe për të rritur gradualisht frekuencën për të marrë shpejtësinë e synuar të erës. Figura 4b tregon diagramin skematik të dunave të rërës të gërryera nga era dhe profilin e shpejtësisë së erës të matur në tunelin e erës.
Së fundmi, për të krahasuar rezultatet e formulës MICP jo-urealitike të propozuar në këtë studim me rezultatet e testit të kontrollit MICP urealitik, mostrat e dunave u përgatitën gjithashtu dhe u trajtuan me një tretësirë ​​biologjike që përmbante ure, klorur kalciumi dhe Sporosarcina pasteurii (meqenëse Sporosarcina pasteurii ka një aftësi të konsiderueshme për të prodhuar ureazë63). Dendësia optike e tretësirës bakteriale ishte 1.5, dhe përqendrimet e uresë dhe klorurit të kalciumit ishin 1 M (të zgjedhura bazuar në vlerat e rekomanduara në studimet e mëparshme36,64,65). Mjedisi i kulturës përbëhej nga lëng ushqyes (8 g/L) dhe ure (20 g/L). Tretësira bakteriale u spërkat në sipërfaqen e dunave dhe u la për 24 orë për ngjitjen e baktereve. Pas 24 orësh ngjitjeje, u spërkat një tretësirë ​​çimentuese (klorur kalciumi dhe ure). Testi i kontrollit MICP urealitik më poshtë quhet UMC. Përmbajtja e karbonatit të kalciumit në mostrat e tokës të trajtuara në mënyrë urealitike dhe jo-urealitike u mor duke u larë sipas procedurës së propozuar nga Choi et al.66
Figura 5 tregon kurbat e rritjes së Bacillus amyloliquefaciens dhe Bacillus subtilis në mjedisin e kulturës (tretësirë ​​ushqyese) me një diapazon fillestar të pH-it nga 5 deri në 10. Siç tregohet në figurë, Bacillus amyloliquefaciens dhe Bacillus subtilis u rritën më shpejt në pH 6-8 dhe 7-9, përkatësisht. Prandaj, ky diapazon pH u përvetësua në fazën e optimizimit.
Kurbat e rritjes së (a) Bacillus amyloliquefaciens dhe (b) Bacillus subtilis në vlera të ndryshme fillestare të pH-it të mjedisit ushqyes.
Figura 6 tregon sasinë e dioksidit të karbonit të prodhuar në gëlqeremetrin Bernard, i cili përfaqëson karbonatin e kalciumit të precipituar (CaCO3). Meqenëse një faktor ishte i fiksuar në secilin kombinim dhe faktorët e tjerë ishin të ndryshëm, çdo pikë në këto grafikë korrespondon me vëllimin maksimal të dioksidit të karbonit në atë grup eksperimentesh. Siç tregohet në figurë, ndërsa përqendrimi i burimit të kalciumit rritej, prodhimi i karbonatit të kalciumit rritej. Prandaj, përqendrimi i burimit të kalciumit ndikon drejtpërdrejt në prodhimin e karbonatit të kalciumit. Meqenëse burimi i kalciumit dhe burimi i karbonit janë të njëjtë (domethënë, formati i kalciumit dhe acetat kalciumi), sa më shumë jone kalciumi çlirohen, aq më shumë karbonat kalciumi formohet (Figura 6a). Në formulimet AS dhe AA, prodhimi i karbonatit të kalciumit vazhdoi të rritej me rritjen e kohës së tharjes derisa sasia e precipitatit ishte pothuajse e pandryshuar pas 9 ditësh. Në formulimin FA, shkalla e formimit të karbonatit të kalciumit u ul kur koha e tharjes tejkaloi 6 ditë. Krahasuar me formulimet e tjera, formulimi FS tregoi një shkallë relativisht të ulët të formimit të karbonatit të kalciumit pas 3 ditësh (Figura 6b). Në formulimet FA dhe FS, 70% dhe 87% e prodhimit total të karbonatit të kalciumit u arrit pas tre ditësh, ndërsa në formulimet AA dhe AS, ky përqindje ishte vetëm rreth 46% dhe 45%, përkatësisht. Kjo tregon se formulimi me bazë acidi formik ka një shkallë më të lartë të formimit të CaCO3 në fazën fillestare krahasuar me formulimin me bazë acetati. Megjithatë, shkalla e formimit ngadalësohet me rritjen e kohës së tharjes. Nga Figura 6c mund të konkludohet se edhe në përqendrime bakteriale mbi OD1, nuk ka kontribut të rëndësishëm në formimin e karbonatit të kalciumit.
Ndryshimi në vëllimin e CO2 (dhe përmbajtjen përkatëse të CaCO3) të matur nga kalcimetri Bernard si një funksion i (a) përqendrimit të burimit të kalciumit, (b) kohës së ngurtësimit, (c) OD, (d) pH fillestar, (e) raportit të burimit të kalciumit me tretësirën bakteriale (për secilën formulë); dhe (f) sasisë maksimale të karbonatit të kalciumit të prodhuar për secilën kombinim të burimit të kalciumit dhe baktereve.
Lidhur me efektin e pH-it fillestar të mjedisit, Figura 6d tregon se për FA dhe FS, prodhimi i CaCO3 arriti një vlerë maksimale në pH 7. Ky vëzhgim është në përputhje me studimet e mëparshme që enzimat FDH janë më të qëndrueshme në pH 7-6.7. Megjithatë, për AA dhe AS, reshjet e CaCO3 u rritën kur pH tejkaloi 7. Studimet e mëparshme treguan gjithashtu se diapazoni optimal i pH-it për aktivitetin e enzimës CoA është nga 8 në 9.2-6.8. Duke marrë parasysh se diapazonet optimale të pH-it për aktivitetin e enzimës CoA dhe rritjen e B. amyloliquefaciens janë përkatësisht (8-9.2) dhe (6-8) (Figura 5a), pH optimal i formulës AA pritet të jetë 8, dhe dy diapazonet e pH-it mbivendosen. Ky fakt u konfirmua nga eksperimentet, siç tregohet në Figurën 6d. Meqenëse pH optimal për rritjen e B. subtilis është 7-9 (Figura 5b) dhe pH optimal për aktivitetin enzimatik CoA është 8-9.2, rendimenti maksimal i reshjeve të CaCO3 pritet të jetë në diapazonin e pH 8-9, gjë që konfirmohet nga Figura 6d (domethënë, pH optimal i reshjeve është 9). Rezultatet e treguara në Figurën 6e tregojnë se raporti optimal i tretësirës së burimit të kalciumit me tretësirën bakteriale është 1 për të dyja tretësirat e acetatit dhe formatit. Për krahasim, performanca e formulimeve të ndryshme (domethënë, AA, AS, FA dhe FS) u vlerësua bazuar në prodhimin maksimal të CaCO3 në kushte të ndryshme (domethënë, përqendrimi i burimit të kalciumit, koha e tharjes, OD, raporti i burimit të kalciumit me tretësirën bakteriale dhe pH fillestar). Ndër formulimet e studiuara, formula FS kishte prodhimin më të lartë të CaCO3, i cili ishte afërsisht tre herë më i lartë se formula AA (Figura 6f). U kryen katër eksperimente kontrolli pa baktere për të dy burimet e kalciumit dhe nuk u vu re reshje CaCO3 pas 30 ditësh.
Imazhet e mikroskopisë optike të të gjitha formulimeve treguan se vateriti ishte faza kryesore në të cilën formohej karbonati i kalciumit (Figura 7). Kristalet e vateritit kishin formë sferike69,70,71. U zbulua se karbonati i kalciumit precipitonte në qelizat bakteriale sepse sipërfaqja e qelizave bakteriale ishte e ngarkuar negativisht dhe mund të vepronte si një adsorbent për kationet dyvalente. Duke marrë formulën FS si shembull në këtë studim, pas 24 orësh, karbonati i kalciumit filloi të formohej në disa qeliza bakteriale (Figura 7a), dhe pas 48 orësh, numri i qelizave bakteriale të veshura me karbonat kalciumi u rrit ndjeshëm. Përveç kësaj, siç tregohet në Figurën 7b, mund të zbuloheshin edhe grimca vateriti. Së fundmi, pas 72 orësh, një numër i madh bakteresh dukej se ishin të lidhura nga kristalet e vateritit, dhe numri i grimcave të vateritit u rrit ndjeshëm (Figura 7c).
Vëzhgime me mikroskop optik të reshjeve të CaCO3 në përbërjet FS me kalimin e kohës: (a) 24, (b) 48 dhe (c) 72 orë.
Për të hetuar më tej morfologjinë e fazës së precipituar, u kryen analizat e difraksionit me rreze X (XRD) dhe SEM të pluhurave. Spektrat XRD (Fig. 8a) dhe mikrografitë SEM (Fig. 8b, c) konfirmuan praninë e kristaleve të vateritit, pasi ato kishin një formë të ngjashme me marule dhe u vu re një korrespondencë midis majave të vateritit dhe majave të precipitimit.
(a) Krahasimi i spektrave të difraksionit me rreze X të CaCO3 të formuar dhe vateritit. Mikrografi SEM të vateritit në (b) zmadhim 1 kHz dhe (c) 5.27 kHz, përkatësisht.
Rezultatet e testeve në tunelin e erës tregohen në Figurën 9a, b. Nga Figura 9a mund të shihet se shpejtësia e pragut të erozionit (TDV) e rërës së patrajtuar është rreth 4.32 m/s. Me shkallën e aplikimit prej 1 l/m² (Figura 9a), pjerrësitë e vijave të shkallës së humbjes së tokës për fraksionet FA, FS, AA dhe UMC janë afërsisht të njëjta me ato për dunën e patrajtuar. Kjo tregon se trajtimi me këtë shkallë aplikimi është joefektiv dhe sapo shpejtësia e erës tejkalon TDV-në, korja e hollë e tokës zhduket dhe shkalla e erozionit të dunës është e njëjtë me atë të dunës së patrajtuar. Pjerrësia e erozionit të fraksionit AS është gjithashtu më e ulët se ajo e fraksioneve të tjera me abshisa më të ulëta (domethënë TDV) (Figura 9a). Shigjetat në Figurën 9b tregojnë se me shpejtësinë maksimale të erës prej 25 m/s, nuk ka ndodhur erozion në dunat e trajtuara me shkallët e aplikimit prej 2 dhe 3 l/m². Me fjalë të tjera, për FS, FA, AS dhe UMC, dunat ishin më rezistente ndaj erozionit nga era të shkaktuar nga depozitimi i CaCO³ në shkallët e aplikimit prej 2 dhe 3 l/m² sesa në shpejtësinë maksimale të erës (domethënë 25 m/s). Kështu, vlera TDV prej 25 m/s e marrë në këto teste është kufiri i poshtëm për shkallët e aplikimit të treguara në Figurën 9b, përveç rastit të AA, ku TDV është pothuajse e barabartë me shpejtësinë maksimale të tunelit të erës.
Testi i erozionit nga era (a) Humbja e peshës kundrejt shpejtësisë së erës (shkalla e aplikimit 1 l/m2), (b) Shpejtësia prag e shkëputjes kundrejt shkallës së aplikimit dhe formulimit (CA për acetatin e kalciumit, CF për formatin e kalciumit).
Figura 10 tregon erozionin sipërfaqësor të dunave të rërës të trajtuara me formulime dhe shkallë aplikimi të ndryshme pas testit të bombardimit me rërë dhe rezultatet sasiore tregohen në Figurën 11. Rasti i patrajtuar nuk tregohet sepse nuk tregoi rezistencë dhe u gërrye plotësisht (humbje totale e masës) gjatë testit të bombardimit me rërë. Nga Figura 11 është e qartë se mostra e trajtuar me biokompozim AA humbi 83.5% të peshës së saj në shkallën e aplikimit prej 2 l/m2, ndërsa të gjitha mostrat e tjera treguan më pak se 30% erozion gjatë procesit të bombardimit me rërë. Kur shkalla e aplikimit u rrit në 3 l/m2, të gjitha mostrat e trajtuara humbën më pak se 25% të peshës së tyre. Në të dy shkallët e aplikimit, përbërësi FS tregoi rezistencën më të mirë ndaj bombardimit me rërë. Rezistenca maksimale dhe minimale e bombardimit në mostrat e trajtuara me FS dhe AA mund t'i atribuohet reshjeve të tyre maksimale dhe minimale të CaCO3 (Figura 6f).
Rezultatet e bombardimit të dunave të rërës me përbërje të ndryshme me shpejtësi rrjedhjeje prej 2 dhe 3 l/m2 (shigjetat tregojnë drejtimin e erës, kryqet tregojnë drejtimin e erës pingul me planin e vizatimit).
Siç tregohet në Figurën 12, përmbajtja e karbonatit të kalciumit në të gjitha formulat u rrit me rritjen e shkallës së aplikimit nga 1 L/m² në 3 L/m². Përveç kësaj, në të gjitha shkallët e aplikimit, formula me përmbajtjen më të lartë të karbonatit të kalciumit ishte FS, e ndjekur nga FA dhe UMC. Kjo sugjeron që këto formula mund të kenë rezistencë më të lartë sipërfaqësore.
Figura 13a tregon ndryshimin në rezistencën sipërfaqësore të mostrave të tokës së patrajtuar, të kontrollit dhe të trajtuar, të matura me anë të testit të permeametrit. Nga kjo figurë, është e qartë se rezistenca sipërfaqësore e formulimeve UMC, AS, FA dhe FS është rritur ndjeshëm me rritjen e shkallës së aplikimit. Megjithatë, rritja e rezistencës sipërfaqësore ishte relativisht e vogël në formulimin AA. Siç tregohet në figurë, formulimet FA dhe FS të MICP jo të degraduar nga ureja kanë përshkueshmëri më të mirë sipërfaqësore krahasuar me MICP të degraduar nga ureja. Figura 13b tregon ndryshimin në TDV me rezistencën sipërfaqësore të tokës. Nga kjo figurë, është qartë e qartë se për dunat me rezistencë sipërfaqësore më të madhe se 100 kPa, shpejtësia e pragut të zhveshjes do të kalojë 25 m/s. Meqenëse rezistenca sipërfaqësore in situ mund të matet lehtësisht me permeametër, kjo njohuri mund të ndihmojë në vlerësimin e TDV në mungesë të testimit në tunelin e erës, duke shërbyer kështu si një tregues i kontrollit të cilësisë për aplikimet në terren.
Rezultatet e SEM tregohen në Figurën 14. Figurat 14a-b tregojnë grimcat e zmadhuara të mostrës së tokës së patrajtuar, gjë që tregon qartë se ajo është kohezive dhe nuk ka lidhje ose çimentim natyror. Figura 14c tregon mikrografinë SEM të mostrës së kontrollit të trajtuar me MICP të degraduar nga ureja. Ky imazh tregon praninë e precipitateve të CaCO3 si polimorfe kalciti. Siç tregohet në Figurat 14d-o, CaCO3 i precipituar i lidh grimcat së bashku; kristalet sferike të vateritit mund të identifikohen gjithashtu në mikrografitë SEM. Rezultatet e këtij studimi dhe studimeve të mëparshme tregojnë se lidhjet CaCO3 të formuara si polimorfe vateriti mund të ofrojnë gjithashtu forcë mekanike të arsyeshme; rezultatet tona tregojnë se rezistenca sipërfaqësore rritet në 350 kPa dhe shpejtësia e pragut të ndarjes rritet nga 4.32 në më shumë se 25 m/s. Ky rezultat është në përputhje me rezultatet e studimeve të mëparshme që matrica e CaCO3 të precipituar nga MICP është vateriti, i cili ka forcë mekanike dhe rezistencë të arsyeshme ndaj erozionit nga era13,40 dhe mund të ruajë rezistencë të arsyeshme ndaj erozionit nga era edhe pas 180 ditësh ekspozimi ndaj kushteve mjedisore në terren13.
(a, b) Mikrografi SEM të tokës së patrajtuar, (c) Kontroll i degradimit të uresë MICP, (df) Mostra të trajtuara me AA, (gi) Mostra të trajtuara me AS, (jl) Mostra të trajtuara me FA dhe (mo) Mostra të trajtuara me FS me një shkallë aplikimi prej 3 L/m2 në zmadhime të ndryshme.
Figura 14d-f tregon se pas trajtimit me komponimet AA, karbonati i kalciumit u precipitua në sipërfaqe dhe midis kokrrizave të rërës, ndërsa u vunë re edhe disa kokrriza rëre të paveshura. Për përbërësit AS, megjithëse sasia e CaCO3 e formuar nuk u rrit ndjeshëm (Fig. 6f), sasia e kontakteve midis kokrrizave të rërës të shkaktuara nga CaCO3 u rrit ndjeshëm krahasuar me komponimet AA (Fig. 14g-i).
Nga Figurat 14j-l dhe 14m-o është e qartë se përdorimi i formatit të kalciumit si burim kalciumi çon në një rritje të mëtejshme të reshjeve të CaCO3 krahasuar me përbërjen AS, gjë që është në përputhje me matjet e matësit të kalciumit në Figurën 6f. Ky CaCO3 shtesë duket se depozitohet kryesisht në grimcat e rërës dhe nuk përmirëson domosdoshmërisht cilësinë e kontaktit. Kjo konfirmon sjelljen e vëzhguar më parë: pavarësisht ndryshimeve në sasinë e reshjeve të CaCO3 (Figura 6f), të tre formulimet (AS, FA dhe FS) nuk ndryshojnë ndjeshëm në aspektin e performancës anti-eoliane (ndaj erës) (Figura 11) dhe rezistencës sipërfaqësore (Figura 13a).
Për të vizualizuar më mirë qelizat bakteriale të veshura me CaCO3 dhe gjurmën bakteriale në kristalet e precipituara, u morën mikrografe SEM me zmadhim të lartë dhe rezultatet tregohen në Figurën 15. Siç tregohet, karbonati i kalciumit precipiton në qelizat bakteriale dhe siguron bërthamat e nevojshme për precipitimin atje. Figura gjithashtu përshkruan lidhjet aktive dhe joaktive të induktuara nga CaCO3. Mund të konkludohet se çdo rritje e lidhjeve joaktive nuk çon domosdoshmërisht në përmirësim të mëtejshëm të sjelljes mekanike. Prandaj, rritja e precipitimit të CaCO3 nuk çon domosdoshmërisht në forcë më të lartë mekanike dhe modeli i precipitimit luan një rol të rëndësishëm. Kjo pikë është studiuar edhe në punimet e Terzis dhe Laloui72 dhe Soghi dhe Al-Kabani45,73. Për të eksploruar më tej marrëdhënien midis modelit të precipitimit dhe forcës mekanike, rekomandohen studime MICP duke përdorur imazhe µCT, të cilat janë përtej fushëveprimit të këtij studimi (domethënë, futja e kombinimeve të ndryshme të burimit të kalciumit dhe baktereve për MICP pa amoniak).
CaCO3 shkaktoi lidhje aktive dhe joaktive në mostrat e trajtuara me (a) përbërjen AS dhe (b) përbërjen FS dhe la një gjurmë të qelizave bakteriale në sediment.
Siç tregohet në Figurat 14j-o dhe 15b, ekziston një film CaCO3 (sipas analizës EDX, përbërja përqindjeje e secilit element në film është karbon 11%, oksigjen 46.62% dhe kalcium 42.39%, që është shumë afër përqindjes së CaCO3 në Figurën 16). Ky film mbulon kristalet e vateritit dhe grimcat e tokës, duke ndihmuar në ruajtjen e integritetit të sistemit tokë-sediment. Prania e këtij filmi u vu re vetëm në mostrat e trajtuara me formulën me bazë formati.
Tabela 2 krahason forcën sipërfaqësore, shpejtësinë e shkëputjes së pragut dhe përmbajtjen e bioinduktuar të CaCO3 të tokave të trajtuara me shtigje MICP që degradojnë urenë dhe jo-urenë në studimet e mëparshme dhe në këtë studim. Studimet mbi rezistencën ndaj erozionit nga era e mostrave të dunave të trajtuara me MICP janë të kufizuara. Meng et al. hetuan rezistencën ndaj erozionit nga era të mostrave të dunave që degradojnë urenë të trajtuara me MICP duke përdorur një fryrës gjethesh,13 ndërsa në këtë studim, mostrat e dunave që nuk degradojnë urenë (si dhe kontrollet që degradojnë urenë) u testuan në një tunel aerodinamik dhe u trajtuan me katër kombinime të ndryshme të baktereve dhe substancave.
Siç mund të shihet, disa studime të mëparshme kanë marrë në konsideratë shkallë të larta aplikimi që tejkalojnë 4 L/m213,41,74. Vlen të përmendet se shkallët e larta të aplikimit mund të mos jenë lehtësisht të zbatueshme në terren nga një këndvështrim ekonomik për shkak të kostove që lidhen me furnizimin me ujë, transportin dhe aplikimin e vëllimeve të mëdha të ujit. Shkallë më të ulëta aplikimi si 1.62-2 L/m2 gjithashtu arritën rezistencë sipërfaqësore mjaft të mirë deri në 190 kPa dhe TDV që tejkalon 25 m/s. Në studimin e tanishëm, dunat e trajtuara me MICP me bazë formati pa degradim të uresë arritën rezistencë të lartë sipërfaqësore që ishin të krahasueshme me ato të marra me rrugën e degradimit të uresë në të njëjtin diapazon shkallësh aplikimi (d.m.th., mostrat e trajtuara me MICP me bazë formati pa degradim të uresë ishin gjithashtu në gjendje të arrinin të njëjtin diapazon vlerash të rezistencës sipërfaqësore siç raportohet nga Meng et al., 13, Figura 13a) në shkallë më të larta aplikimi. Gjithashtu mund të shihet se me shkallën e aplikimit prej 2 L/m2, rendimenti i karbonatit të kalciumit për zbutjen e erozionit nga era me një shpejtësi ere prej 25 m/s ishte 2.25% për MICP-në me bazë formati pa degradim të uresë, që është shumë afër sasisë së kërkuar të CaCO3 (domethënë 2.41%) krahasuar me dunat e trajtuara me MICP-në e kontrollit me degradim të uresë me të njëjtën shkallë aplikimi dhe të njëjtën shpejtësi ere (25 m/s).
Kështu, nga kjo tabelë mund të konkludohet se si rruga e degradimit të uresë ashtu edhe rruga e degradimit pa ure mund të ofrojnë performancë mjaft të pranueshme në aspektin e rezistencës sipërfaqësore dhe TDV-së. Dallimi kryesor është se rruga e degradimit pa ure nuk përmban amoniak dhe për këtë arsye ka një ndikim më të ulët mjedisor. Përveç kësaj, metoda MICP e bazuar në format pa degradim të uresë e propozuar në këtë studim duket se performon më mirë sesa metoda MICP e bazuar në acetat pa degradim të uresë. Megjithëse Mohebbi et al. studiuan metodën MICP të bazuar në acetat pa degradim të uresë, studimi i tyre përfshinte mostra në sipërfaqe të sheshta9. Për shkak të shkallës më të lartë të erozionit të shkaktuar nga formimi i vorbullës rreth mostrave të dunave dhe prerjes që rezulton, e cila rezulton në TDV më të ulët, erozioni nga era i mostrave të dunave pritet të jetë më i dukshëm se ai i sipërfaqeve të sheshta me të njëjtën shpejtësi.