Dziykujōm za nawiydzynie nature.com. Wersja przeglōndarza, keryj używosz, mo ôgraniczōne wsparcie CSS. Coby mieć nojlepsze doświadczynie, radzimy użyć nojnowszyj wersyje przeglōndarza (abo wyłōnczyć tryb zgodliwości w Internet Explorere). Ôkrōm tego, coby zapewnić ciōngłe wsparcie, ta strōna niy zawiyro stylōw ani JavaScriptu.
Burze stawu stanowiōm powożne zagrożynie dlo mocy krajōw na cołkim świecie skuli jejich destrukcyjnego wpływu na bauerstwo, zdrowie ludzi, nece transportowe i infrastruktura. W rezultacie erozyjo wiatru je uwożano za globalny problym. Jednym z ekologicznych podejść do ôgraniczynio erozyje wiatru je użycie ôdpadōw wōnglowych indukowanych bez mikrobōw (MICP). Jednak produkty uboczne MICP ôparte na degradacyji mocznika, take jak amōniak, niy sōm idealne, kej sōm produkowane we srogich wielościach. W tym podszukowaniu prezyntuje sie dwie formulacyje bakteryji mrōnianu wapnia do degradacyje MICP bez produkcyje mocznika i wszechstrōnnie porōwnuje jejich wydajność z dwōma formulacyjami niyprodukujōncych amōniaku bakteryji octanu wapnia. Rozwożanymi bakteryjami to Bacillus subtilis i Bacillus amyloliquefaciens. Nojprzōd ôkryślōno zoptymalizowane wartości faktorōw kōntrolujōncych tworzynie sie CaCO3. Potym przekludzōno prōbki tunelu wiatrowego na prōbkach dyn pioskowych ôbsudzōnych zoptymalizowanymi formulacyjami, a zmierzōno ôdporność na erozyjo wiatru, wartkość progowo ôdrymbniyńcio i ôdporność na bōmbardyrowanie piosku. Allomorfy wōnglanu wapnia (CaCO3) były ôcyniane ze użyciym mikroskopije ôptycznyj, skaningowyj mikroskopije elektrōnowyj (SEM) i ryntgynowskij dyfrakcyjnyj analizy. Formuły ôparte na mrōnczanianu wapnia działały moc lepij aniżeli formuły ôparte na octanie pod wzglyndym tworzynio sie wōnglanu wapnia. Ôkrōm tego B. subtilis produkowoł wiyncyj wōnglanu wapnia aniżeli B. amyloliquefaciens. Mikrografy SEM klarownie pokozały wiōnzanie i ôdcisk aktywnych i niyaktywnych bakteryjōw na wōnglanie wapnia sprawiōne ôd ôsadnictwa. wszyske formulacyje znaczōnco zmyńszyły erozyjo wiatru.
Erozyjo wiatrowo je ôd downa widziano za poważny problym, z kerym trefiajōm sie regiōny jałowe i pōłjałowe, take jak połedniowo-zachodnie Stany Zjednoczōne, zachodnie Chiny, Afryka Saharyjsko i srogo tajla Bliskigo Weschodu1. Niske ôpady dyszcza w klimatach jałowych i hiperjałowych przekształciyły sroge czynści tych regiōnōw w pustynie, dyny i niyôbrōbiōne ziymie. Durch erozyjŏ wiatru stanowi zagrożynie strzodowiskowe dlŏ infrastruktury takij jak nece transportowe, ziymie bauerske i ziymie industryjalne, co kludzi do złych warōnkōw miyszkalnych i wysokich kosztōw rozrostu miast w tych regiōnach2,3,4. Co ważne, erozyjo wiatru niy ino wpływo na miyjsce, w kerym sie wystympuje, ale tyż powoduje problymy zdrowotne i ekōnōmiczne w ôddalōnych społecznościach, pōniywoż transportuje tajleczki bez wiatr do ôbszarōw dalekich ôd zdrzōdła5,6.
Kōntrola erozyje wiatru ôstowo globalnym problymym. Do kōntrole erozyje ôd wiatru stosuje sie roztōmajte metody stabilizacyje gleby. Te metody ôbyjmujōm materyje take jak nałożynie wody7, mulcze ôlejowe8, biopolimery5, ôdpad wōnglany indukowany ôd mikrobōw (MICP)9,10,11,12 i ôdpad wōnglany indukowany ôd ynzymōw (EICP)1. Wilżanie ziymie je sztandardowōm metodōm tłumiynio pyłu na polu. Jednak jeji gibke parowanie sprawio, iże ta metoda mo ôgraniczōno skuteczność w jałowych i pōłjałowych regiōnach1. Zastosowanie zwiōnzkōw mulczowych ôlejowych zwiynkszo spōjność piosku i trynie miyndzytajleczkowe. Jejich spōjno włosność wiōnże ze sobōm zerna piosku; jednak mulcze ôlejowe stanowiōm tyż inksze problymy; jejich ćmawo farba zwiynkszo pochłōnianie ciepła i prowadzi do śmierci roślin i mikroorganizmōw. Jejich zapach i dymy mogōm prziniyś problymy z dychaniym, a przede wszyskim jejich wysoki koszt je inkszōm przeszkōdōm. Biopolimery to jedna z niydowno propōnowanych ekologicznych metod łagodzynio erozyje wiatru; sōm pozyskiwane ze naturalnych zdrzōdeł, takich jak rośliny, zwiyrzynta i bakteryje. Guma ksantanowo, guma guarowo, chitozan i guma gellanowe to nojczyńścij używane biopolimery we zastosowaniach inżynierskich5. Jednak biopolimery rozpuszczalne we wodzie mogōm stracić siyła i wylugować sie z ziymie, kej sōm narażōne na woda13,14. Wykozało sie, iże EICP je skutecznōm metodōm tłumiynio pyłu do roztōmajtych zastosowań, w tym niyasfaltowanych drōg, stawōw ôdpadōw i placōw budowy. Chocioż jego wyniki sōm ôbchynczajōnce, noleży rozwożać pewne potyncjalne wady, take jak koszt i brak miyjsc zarodkowanio (co przispiyszo tworzynie sie i ôdpad kryształōw CaCO315,16).
MICP bōł po roz piyrszy ôpisany pod kōniec XIX stolecio bez Murray'a i Irwina (1890) jak tyż Steinmanna (1901) we jejich badaniu degradacyje mocznika bez morske mikroorganizmy17. MICP je naturalnie wystympujōncym procesym biologicznym, kery ôbyjmuje roztōmajte aktywności mikrobōw i procesy chymiczne, w kerych wōnglan wapnia je ôsadzany bez ryakcyjo jōnōw wōnglanu z metabolitōw mikrobōw z jōnami wapnia we strzodowisku18,19. MICP, kery ôbyjmuje cykl azotu rozkłodajōncego mocznik (MICP rozkłodajōncy mocznik) je nojczyńścij wystympujōncōm zortōm ôdpadōw wōnglowych indukowanego bez mikrobōw, w kerym ureaza produkowano bez bakteryje katalizuje hydroliza mocznika20,21,22,23,24,27,26,
W MICP, kery ôbyjmuje cykl wōnglowy utlyniynio ôrganicznyj sole (MICP bez zorty degradacyje mocznika), bakteryje heterotroficzne używajōm sol ôrganicznych, takich jak octan, mlyczan, citran, sukcynian, ôksalan, mlyczan i glioksylan za zdrzōdła ynergije do produkcyje minerałōw wōnglowych28. W ôbecności mlyczanu wapnia jako zdrzōdła wōngla i jōnōw wapnia chymiczno ryakcyjo tworzynio sie wōnglanu wapnia je pokozano w rōwnaniu (5).
W procesie MICP kōmōrki bakteryjne stanowiōm miyjsca nukleacyje, kere sōm ôsobliwie wożne do ôdpadniyńcio wōnglanu wapnia; powiyrchnia kōmōrek bakteryjnych je nafolowano ujymnie i może działać za adsorbynt dlo dwuwartościowych katyōnōw, takich jak jōny wapnia. Bez adsorbowanie jōnōw wapnia na kōmōrki bakteryjne, kej stynżynie jōnōw wōnglowych je stykajōnce, katyōny i aniōny wōnglowe reagujōm, a wōnglan wapnia ôsadza sie na powiyrchni bakteryje29,30. Proces idzie podsumowoć w nastympujōncy spōsōb31,32:
Biogynerowane kryształki wōnglanu wapnia idzie potajlować na trzi zorty: kalcyt, wateryt i aragōnit. Postrzōd nich kalcyt i wateryt sōm nojczyńścij wystympujōncymi bakteryjnie indukowanymi allomorfami wōnglanu wapnia33,34. Kalcyt je nojbarzij termodynamicznie sztabilnym allomorfym wōnglanu wapnia35. Chocioż ôdnotowano, iże wateryt je metastabilny, antlich przekształco sie we kalcyt36,37. Wateryt je nojgynstszy z tych kryształōw. Je to kryształ sześciokōntny, kery mo lepszo zdolność do wypołnianio porōw aniżeli inksze kryształki wōnglanu wapnia skuli jego srogszych miar38. Tak MICP rozkłodane bez mocznik, jak i niyrozkłodane bez mocznik mogōm kludzić do ôdpadniyńcio wateritu13,39,40,41.
Chocioż MICP wykozoł ôbiecujōncy potyncjoł we stabilizacyji problymatycznych gleb i gleb podatnych na erozyjo wiatru42,43,44,45,46,47,48, jednym z produktōw ubocznych hydrolizy mocznika je amōniak, kery może powodować łagodne do ciynżkich problymōw zdrowotnych w zoleżności ôd poziōmu narażynio49. Tyn efekt uboczny sprawio, iże użycie tyj kōnkretnyj technologije je kōntrowersyjne, nojbarzij kej trza ôbsugać sroge przestrzyństwa, bp. do tłumiynio pyłu. Ôkrōm tego zapach amōniaku je nietolerowany, kej proces je przekludzany przi wysokich tympach stosowanio i srogich ôbjyntościach, co może wpłynōńć na jego praktyczne zastosowanie. Chocioż ôstatnie badania wykozały, iże jōny amōniu mogōm być zredukowane bez przekształcynie jejich w inksze produkty, take jak struwit, te metody niy usuwajōm do kōńca jōnōw amōniu50. Bez to durch je potrzeba podszukowanio alternatywnych rozwiōnzań, co niy gynerujōm jōnōw amōniu. Użycie sztrek degradacyje niymocznika do MICP może stanowić potyncjalne rozwiōnzanie, kere było słabo zbadane w kōntekście łagodzynio erozyje wiatru. Fattahi i inksi. podszukowali degradacyjo MICP bez mocznika ze użyciym octanu wapnia i Bacillus megaterium41, w czasie kej Mohebbi et al. używane octanu wapnia i Bacillus amyloliquefaciens9. Jednak jejich podszukowania niy były porōwnowane z inkszymi zdrzōdłami kalcju i heterotroficznymi bakteryjami, co mogłyby antlich poprawić ôdporność na erozyjo wiatru. Brakuje tyż literatury, kero porōwnuje szlaki degradacyje bez mocznika ze szlakami degradacyje mocznika w łagodzyniu erozyje wiatru.
Ôkrōm tego wiynkszość podszukowań nad erozjōm wiatru i kōntrolōm pyłu była przekludzōno na prōbkach gleby z plaskatymi powiyrchniami.1,51,52,53 Jednak plaskate powiyrchnie sōm mynij wszeôbecne w naturze aniżeli wzgōrza i wgłymbiynia. Beztōż dyny pioskowe sōm nojczyńścij wystympujōncym elymyntym landszaftu w pustynnych regiōnach.
Coby przezwyciynżyć wyżyj spōmniane niydociōngniyncia, to podszukowanie cylowało we wkludzynie nowego zestawu bakteryjnych czynnikōw, co niy produkujōm amōniak. W tym cylu rozwożali my szlaki MICP, kere niy rozkłodajōm mocznik. Podszukowano posiywność dwōch zdrzōdeł wapnia (mrzian wapnia i octanu wapnia). Podle wiedze autorōw, ôdpad wōnglany przi użyciu dwōch kōmbinacyjōw zdrzōdła wapnia i bakteryjōw (to znaczy mrzian wapnia-Bacillus subtilis i mrzian wapnia-Bacillus amyloliquefaciens) niy bōł badany w piyrwyjszych badaniach. Ôbiōr tych bakteryjōw ôpiyroł sie na ynzymach, kere produkujōm, kere katalizujōm utlyniynie mrzynianu wapnia i octanu wapnia, tworzōnc ôdpad mikrobiologiczny wōnglanowy. Ôpracowali my głymboke eksperymyntalne podszukowanie, coby znojś optymalne faktory, take jak pH, zorty bakteryji i zdrzōdeł wapnia jak tyż jejich stynżynia, stosunek bakteryji do roztworu zdrzōdła wapnia i czas utwardzanio. Yntlich, skuteczność tego zestawu bakteryjnych czynnikōw w sniżaniu erozyje wiatru bez ôpad wōnglanu wapnia była podszukowano bez przekludzynie seryje testōw wiatrowych tunelu na dynach pioskowych, coby ôkryślić srogość erozyje wiatru, wartkość przerywanio prōngowo i ôdporność na bōmbardyrowanie wiatru piosku i podszukowania mikrostrukturalne. przekludzōno tyż dyfrakcyjno analiza (XRD) i skaningowo mikroskopijo elektrōnowo (SEM)).
Produkcyjo wōnglanu wapnia wymogo jōnōw wapnia i jōnōw wōnglanu. Jōny wapnia mogōm być dostympne z roztōmajtych zdrzōdeł wapnia, takich jak chlōr wapnia, wodorotlyn wapnia i ôdtłuszczōne mlyko w proszku54,55. Jōny wōnglowe mogōm być produkowane roztōmajtymi metodami mikrobiologicznymi, takimi jak hydroliza mocznika i tlynowe abo beztlynowe utlyniynie materyje ôrganicznyj56. W tym badaniu jōny wōnglowe były ôsiōngane z ryakcyje utlyniynio mrynianu i octanu. Ôkrōm tego użyliśmy sol wapnia z mrynianu i octanu do produkcyje czystego wōnglanu wapnia, tōż za produkty uboczne ôdniosłyśmy ino CO2 i H2O. W tym procesie ino jedna substancyjo suży za zdrzōdło wapnia i zdrzōdło wōnglanu, a niy wytworzo sie amōniaku. Te cychy sprawiajōm, iże zdrzōdło wapnia i metoda produkcyje wōnglanu, co uwożali my, je barzo ôbiecujōnco.
Ôdpednie reakcyje mrzynianu wapnia i octanu wapnia do tworzynio wōnglanu wapnia sōm pokozane we wzorach (7)-(14). Wzory (7)-(11) pokozujōm, iże mrōnczan wapnia rozpuszczo sie we wodzie, tworzōnc kwas mrōnczny abo mrōnczan. Roztwōr je tōż zdrzōdłym wolnych jōnōw wapnia i wodorotlynku (formuły 8 i 9). W wyniku utlyniynio kwasu mrziwnego atōmy wōnglo we kwasie mrziwnym sōm przekształcane we dwutlynek wōnglo (formula 10). W kōńcu tworzi sie wōnglan wapnia (formuły 11 i 12).
Podanie, z octanu wapnia tworzi sie wōnglan wapnia (rōwnania 13-15), z tym że zamiast kwasu mrziwiowego tworzi sie kwas octowy abo octan.
Bez ôbecności ynzymōw octan i mryniany niy mogōm być utlyniōne w tymperaturze pokojowyj. FDH (dehydrogenaza mrōnczanowo) i CoA (koynzym A) katalizujōm ôdpednio utlyniynie mrōnczanu i octanu, tworzōnc dwutlynek wōnglo (rōwn. 16, 17) 57, 58, 59. Roztōmajte bakteryje sōm zdolne do produkcyje tych ynzymōw, a heterotrotroficzne bakteryje, #1204 (Kolekcyjo Kultur Perskich Typōw), znano tyż za NCIMB #13061 (Miyndzynorodowo Kolekcyjo Bakteryjōw, Drōżdży, Fagōw, Plazmidōw, Nasiyni Roślin i Kultur Tkanek Kōmōrkowych Roślin)) i Bacillus amyloliquefaciens (PTCC #1732, Te bakteryje były chowane we ôstrzodku zawiyrajōncym peptōn miynsowy (5 g/l) i ekstrakt miynsowy (3 g/l), zwany ôdżywczym buliōnym (NBR) (105443 Merck).
Tak tōż sztyry formulacyje były stworzōne do wywoływanio ôdpadniyńcio wōnglanu wapnia ze użyciym dwōch zdrzōdeł wapnia i dwōch bakteryji: wapnia i Bacillus subtilis (FS), wapnia i Bacillus amyloliquefaciens (FA), octan wapnia i Bacillus subtilis (AS), i amilolikwowoczny (AA).
W piyrszyj czynści eksperymyntalnego projektu przekludzōno testy, coby ôkryślić ôptymalno kōmbinacyjo, co by ôsiōngła maksymalno produkcyjo wōnglanu wapnia. Pōniywoż prōbki gleby zawiyrały wōnglan wapnia, zestow wstympnych testōw ôcynowych bōł stworzōny, coby akuratnie zmierzić CaCO3 produkowany bez roztōmajte kōmbinacyje, a tyż ôcyniōno miszōngi ôstrzodka chowanio i roztworōw zdrzōdła wapnia. Dlo kożdyj kōmbinacyje zdrzōdła wapnia i roztworu bakteryjnego zdefiniowanego powyżyj (FS, FA, AS i AA) czynniki ôptymalizacyje (stynżynie zdrzōdła wapnia, czas utwardzanio, stynżynie roztworu bakteryjnego mierzōne bez tyngość ôptyczno roztworu (OD), stosunek zdrzōdła wapnia do roztworu bakteryjnego descriptowanio i pH) były wykludzane i używane w czasie ôbsugi. sekcyjōw.
Dlo kożdyj kōmbinacyje przekludzōno 150 eksperymyntōw, coby podszukować wpływ ôdpadniyńcio CaCO3 i ôcynić roztōmajte faktory, mianowicie stynżynie zdrzōdła wapnia, czas utwardzanio, wert OD bakteryjny, stosunek zdrzōdła wapnia do roztworu bakteryjnego i pH w czasie tlynowego utlyniynio materyje ôrganicznyj (T). Zakres pH do zoptymalizowanego procesu bōł ôbrany podle krziwych wzrōstu Bacillus subtilis i Bacillus amyloliquefaciens dlo uzyskanio gibszego wzrōstu. Je to szczegōłowo wyklarowane w sekcyji Wyniki.
Do narychtowanio prōbek do fazy ôptymalizacyje użyto dalszych krokōw. Roztwōr MICP bōł nojprzōd przigotowany bez regulowanie poczōntkowego pH ôstrzodka chowanio, a potym autoklavowany w tymperaturze 121 °C bez 15 minut. Szczyp bōł potym zaszczypiōny we laminarnym przepływie luftu i utrzimowany we inkubatorze w trōsniyniu przi 30 °C i 180 ôbr/min. Kej OD bakteryje ôsiōngnōł pragniōny poziōm, ôna była miynszano z roztworym zdrzōdła wapnia w pragniōnyj proporcyji (Figura 1a). Roztwōr MICP pozwolōno ryakcjować i krzepnōńć we inkubatorze w trzimaniu przi 220 ôbr/min i 30 °C bez czas, co ôsiōngnōł docylowo werta. Ôsadniynte CaCO3 było ôddzielane po ôdwirowaniu przi 6000 g bez 5 minut, a potym suszōne przi 40 °C, coby przigotować prōbki do testu kalcymetra (Figura 1b). Ôdpad CaCO3 bōł potym mierzōny ze pōmocōm kalcymetra Bernarda, kaj proszek CaCO3 reaguje z 1,0 N HCl (ASTM-D4373-02), coby wytworzić CO2, a ôbjyntość tego gazu je miarōm zawartości CaCO3 (Figura 1c). Coby przekształcić ôbjyntość CO2 na zawartość CaCO3, krzywo kalibracyjno była wygynerowano bez mycie czystego proszku CaCO3 ze 1 N HCl i wykreślynie go przeciwko wyewoluowanemu CO2. Morfologijo i czystość ôsadnego proszku CaCO3 były podszukowane ze pōmocōm ôbrazowanio SEM i analizy XRD. Mikroskop ôptyczny ze powiynkszyniym 1000 bōł użyty do badanio tworzynio sie wōnglanu wapnia naôbkoło bakteryje, fazy utworzōnego wōnglanu wapnia i aktywności bakteryje.
Dorzecze Dejegh je dobrze znanym barzo erodowanym regiōnym w połedniowo-zachodnij prowincyji Fars w Iranie, a badocze zebrali z tego ôbszaru prōbki ziymie erodowane bez wiatr. Prōbki były pobrane z powiyrchnie gleby do podszukowanio. Testy wskoźnikowe na prōbkach gleby wykozały, iże gleba była słabo zortowano pioskowo gleba z mułym i była sklasyfikowano za SP-SM zgodnie z Zunifikowanym Systymem Klasyfikacyje Gleb (USC) (Figura 2a). Analiza XRD pokozała, iże ziymia Dejegh skłodała sie głōwnie z kalcytu i kwarcu (Figura 2b). Ôkrōm tego analiza EDX wykozała, iże inksze elymynta, take jak Al, K i Fe, były tyż ôbecne w myńszych proporcyjach.
Coby przigotować laboratoryjne dyny do podszukowań erozyje wiatrowyj, ziymia była rozgnieśniynto ze wysokości 170 mm bez lejc ô strzednicy 10 mm na sztywno powiyrchnia, co skutkowało typowōm dynōm ô wysokości 60 mm i strzednicy 210 mm. W naturze dyny pioskowe ô nojmyńszyj tyngości tworzōm sie w wyniku procesōw eolicznych. Podanie, prōbka przigotowano ze użyciym powyższyj procedury miała nojmyńszo zglyndno tyngość, γ = 14,14 kN/m3, tworzōnc stożek pioskowy ôsadzōny na poziōmyj powiyrchni ô kōncie ôdpoczynku kole 29,7°.
Optymalny roztwōr MICP uzyskany w piyrwyjszyj sekcyji bōł rozpylany na nachylynie dyny przi tympach stosowanio 1, 2 i 3 lm-2, a potym prōbki były przechowowane w inkubatorze w tymperaturze 30 °C (ryc. 3) bez 9 dni (to znaczy optymalny czas utwardzanio w tunelu), a potym wyjōnte bez te wind.
Do kożdego ôbsugi przigotowano sztyry prōbki, jedna do pōmiary zawartości wōnglanu wapnia i wytrzymałości powiyrchnie ze pōmocōm penetrōmetra, a pozostałe trzi prōbki były użyte do testōw erozyje przi trzech roztōmajtych wartkościach. W testach wiatrowych tunelu ôkryślōno wielość erozyje przi roztōmajtych wartkościach wiatru, a potym wartkość progowo ôdłōnczynio dlo kożdego prōbki ôbsużōnyj była ôkryślōno ze pōmocōm wykresu wielości erozyje w porownaniu z wartkościōm wiatru. Ôkrōm testōw erozyje wiatru, ôbsudzōne prōbki poddano było bōmbardyrowaniu piosku (to znaczy eksperymyntōm ze skokami). Do tego cylu przigotowano dwa ekstra prōbki przi tympach stosowanio 2 i 3 L m-2. Test bōmbardyrowanio piosku trwoł 15 minut ze strumiyniym 120 gm-1, co je w zakresie wertōw ôbranych w piyrwyjszych podszukowaniach60,61,62. Poziōmo ôdległość miyndzy dyszōm ściyrnōm a podstawōm dyny wyniosła 800 mm, położōno 100 mm nad dnym tunelu. Ta pozycyjo ôstała ustawiōno tak, coby bezma wszyske skoczōnce tajleczki piosku spadły na dyna.
Test wiatrowego tunelu przekludzōno w ôdewrzōnym tunelu wiatrowym ô dugości 8 m, szyrokości 0,4 m i wysokości 1 m (Figura 4a). Tunel wiatrowy je wykōnany ze ôcynkowanych blach stalowych i może gynerować wartkość wiatru do 25 m/s. Ôkrōm tego przekształtnik frekwyncyje je używany do regulowanio frekwyncyje wentylatora i stopniowo zwiynkszanio frekwyncyje, coby uzyskać docylowo wartkość wiatru. Figura 4b pokozuje schymatyczny diagram dyun erodowanych bez wiatr jak tyż profil wartkości wiatru mierzōny w tunelu wiatrowym.
Yntlich, coby porōwnać wyniki niyurealitycznyj formulacyje MICP propōnowanyj w tym badaniu z wynikami urealitycznego kōntrolnego testu MICP, prōbki ôd dyn były tyż przigotowane i ôbsużōne roztworym biologicznym zawiyrajōncym mocznik, chlōr wapnia i Sporosarcina pasteurii (pōniywoż produkcyjność Sporosarcina pasteurii). Tyngość ôptyczno roztworu bakteryjnego wyniosła 1,5, a stynżynia mocznika i chloru wapnia wyniosły 1 M (ôbrane podle wartości zalecanych w piyrwyjszych badaniach36,64,65). Ôstrzodek chowanio skłodoł sie z ôdżywczego bulionu (8 g/l) i mocznika (20 g/l). Roztwōr bakteryjny bōł ôtryskowany na powiyrchni dyny i ôstawiōny bez 24 godziny do prziłōnczynio bakteryjōw. Po 24 godzinach prziłōnczynio ôtryskowano roztwōr cymyntujōncy (chlōr wapnia i mocznik). Urealityczny test kōntrolny MICP je dalij ôkryślany za UMC. Zawartość wōnglanu wapnia w urealitycznie i niyurealitycznie ôbsudzōnych prōbkach gleby była uzyskano bez mycie zgodnie z procedurōm propōnowanōm bez Choi et al.66.
Figura 5 pokozuje krzywe wzrōstu Bacillus amyloliquefaciens i Bacillus subtilis we ôstrzodku chowanio (roztwōr ôdżywczy) z poczōntkowym zakresym pH ôd 5 do 10. Jak pokozano na figurze, Bacillus amyloliquefaciens i Bacillus subtilis rosły warcij przi pH 7-6. Bez to tyn zasiyng pH bōł przijynty na etapie ôptymalizacyje.
Krzywe wzrōstu (a) Bacillus amyloliquefaciens i (b) Bacillus subtilis przi roztōmajtych poczōntkowych wartościach pH ôstrzodka ôdżywczego.
Figura 6 pokozuje wielość dwutlynku wōnglo produkowanego we wapniecierze Bernarda, kery reprezyntuje ôsadniōny wōnglan wapnia (CaCO3). Pōniywoż jedyn faktōr bōł utrwalōny we kożdyj kōmbinacyji, a inksze faktory były zmiyniane, kożdy pōnkt na tych wykresach ôdpado maksymalnyj ôbjyntości dwutlynku wōnglo we tym zestawie eksperymyntōw. Jak pokozano na ôbrozku, społym ze wzrōstym kōncyntracyje zdrzōdła wapnia, wzrosła produkcyjo wōnglanu wapnia. Beztōż stynżynie zdrzōdła wapnia wpływo bezpostrzednio na produkcyjo wōnglanu wapnia. Pōniywoż zdrzōdło wapnia i zdrzōdło wōnglo sōm take same (to znaczy mrzian wapnia i octan wapnia), im wiyncyj jōnōw wapnia je uwolnianych, tym wiyncyj wōnglanu wapnia tworzi sie (Figura 6a). W formulacyjach AS i AA produkcyjo wōnglanu wapnia durch wzrosła ze wzrōstym czasu utwardzanio, aże wielość ôsadu ôstała bezma niyzmiynno po 9 dniach. W formulacyji FA tympo tworzynio sie wōnglanu wapnia spodniyło sie, kej czas utwardzanio przekroczōł 6 dni. W porōwnaniu z inkszymi formulacyjami, formulacyjo FS wykozała stosōnkowo nisko tympo tworzynio sie wōnglanu wapnia po 3 dniach (Figura 6b). W formulacyjach FA i FS 70% i 87% cołkowityj produkcyje wōnglanu wapnia było uzyskane po trzech dniach, w czasie kej we formulacyjach AA i AS tyn ôdsetek wyniōs ino ôdpednio kole 46% i 45%. To wskazuje, iże formulacyjo ôparto na kwasie mrōnczyk mo srogszo tympo tworzynio sie CaCO3 na poczōntkowym etapie w porōwnaniu ze formulacyjōm ôpartōm na octanie. Jednak tympo tworzynio sie spowolnio społym ze wzrōstym czasu utwardzanio. Z figury 6c idzie stwiyrdzić, iże nawet przi stynżyniach bakteryjnych powyżyj OD1 niy ma znaczōncygo wkładu we tworzynie sie wōnglanu wapnia.
Zmiana ôbjyntości CO2 (i ôdpednij zawartości CaCO3) mierzōno ze pōmocōm kalcymetra Bernarda jako funkcyjo (a) stynżynio zdrzōdła wapnia, (b) czasu ustawiynio, (c) OD, (d) poczōntkowego pH, (e) stosunku zdrzōdła wapnia do roztworu bakteryjnego (dlo kożdyj formulacyje); i (f) maksymalno wielość wōnglanu wapnia produkowanyj dlo kożdyj kōmbinacyje zdrzōdła wapnia i bakteryjōw.
Co sie tyczy wpływu poczōntkowego pH ôstrzodka, figura 6d pokozuje, iże w przipadku FA i FS produkcyjo CaCO3 ôsiōngła maksymalno wartość przi pH 7. Ta ôbserwacyjo je zgodliwo z piyrwyjszymi badaniami, iże ynzymy FDH sōm nojbarzij sztabilne przi pH 7-6,7. Jednak w przipadku AA i AS ôdpady CaCO3 wzrosły, kej pH przekroczyło 7. Piyrwyjsze badania wykozały tyż, iże optymalny zasiyng pH dlo aktywności ynzymu CoA wynosi ôd 8 do 9,2-6,8. Bierōnc pod uwoga, iże optymalne zakresy pH dlo aktywności ynzymu CoA i wzrōstu B. amyloliquefaciens sōm ôdpednio (8-9,2) i (6-8) (Figura 5a), ôczekuje sie, iże optymalne pH formulacyje AA wynosi 8, a ôba zakresy pH nakłodajōm sie na siebie. Tyn fakt bōł potwierdzōny bez eksperymynta, jak pokozano na figurze 6d. Pōniywoż optymalne pH do wzrōstu B. subtilis wynosi 7-9 (Figura 5b), a optymalne pH do aktywności ynzymu CoA wynosi 8-9,2, ôczekuje sie, iże maksymalno wydajność ôdpadōw CaCO3 bydzie w zakresie pH 8-9, co potwierdzo figura 6d (to znaczy ôptymalne pH ôdpadōw je 9). Wyniki pokozane na figurze 6e wskazujōm, iże ôptymalny stosunek roztworu zdrzōdła wapnia do roztworu bakteryjnego wynosi 1 tak do roztworōw octanu, jak i mrynianu. Dlo porōwnanio, wydajność roztōmajtych formulacyji (tj. AA, AS, FA i FS) była ôcyniano podle maksymalnyj produkcyje CaCO3 w roztōmajtych warōnkach (tj. stynżynie zdrzōdła wapnia, czas utwardzanio, OD, stosunek zdrzōdła wapnia do roztworu bakteryjnego i poczōntkowe pH). Postrzōd podszukowanych formulacyji formulacyjo FS miała nojwyższo produkcyjo CaCO3, co była kole trzi razy srogszo ôd formulacyje AA (Figura 6f). Przekludzōno sztyry kōntrolne eksperymynta bez bakteryjōw dlo ôbōch zdrzōdeł kalcju i po 30 dniach niy zaôbserwowano ôdpadōw CaCO3.
Ôbrazy mikroskopije ôptycznyj wszyskich formulacyji pokozały, iże wateryt bōł głōwnōm fazōm, w keryj powstoł wōnglan wapnia (Figura 7). Kryształki wateritu miały forma kulisto69,70,71. Wykozało sie, iże wōnglan wapnia ôsadzał sie na kōmōrkach bakteryjnych, skuli tego, co powiyrchnia kōmōrek bakteryjnych była nafolowano ujymnie i mogła działać za adsorbynt do dwuwartościowych katyōnōw. Bierōnc formulacyjo FS za przikłod w tym badaniu, po 24 godzinach na niykerych kōmōrkach bakteryjnych zaczōn sie formować wōnglan wapnia (Figura 7a), a po 48 godzinach liczba kōmōrek pokrytych wōnglanym wapnia znaczōnco wzrosła. Ôkrōm tego, jak pokozano na figurze 7b, idzie tyż wykryć tajleczki wateritu. Yntlich, po 72 godzinach, srogo liczba bakteryjōw wydowała sie być zwiōnzano ze kryształami wateritu, a liczba tajleczek wateritu znaczōnco wzrosła (Figura 7c).
Ôbserwacyje mikroskopije ôptycznyj ôdpadōw CaCO3 w kōmpozycyjach FS w czasie: (a) 24, (b) 48 i (c) 72 h.
Coby dalij podszukować morfologijo ôsadnyj fazy, przekludzōno dyfrakcyjo ryntgynowsko (XRD) i analiza SEM proszkōw. Widma XRD (ryc. 8a) i mikrografy SEM (ryc. 8b, c) potwierdziyły ôbecność kryształōw wateritu, pōniywoż miały ône kształt podobny do salaty i zaôbserwowano zgodliwość miyndzy szpicami wateritu a szpicami ôsadōw.
(a) Porōwnanie widmōw dyfrakcyje ryntgynowskigo utworzōnego CaCO3 i wateritu. Mikrografyje SEM wateritu przi (b) zbarwiyniu ôdpednio 1 kHz i (c) 5,27 kHz.
Wyniki testōw wiatrowych tunelu sōm pokozane na figurze 9a, b. Z figury 9a widać, iże wartkość erozyje progowo (TDV) niyôbsużōnego piosku wynosi kole 4,32 m/s. Przi tympie stosowanio 1 l/m2 (Figura 9a) nachylynia linijōw tympa straty gleby dlo frakcyjōw FA, FS, AA i UMC sōm w przibliżyniu take same jak dlo niyôbsużōnyj dyny. Wskazuje to, iże ôbsuga przi tym tympie stosowanio je nieskuteczno i ​​jak ino wartkość wiatru przekroczo TDV, cienko szkorupa glebowo zniko, a tympo erozyje dyn je take samo jak w przipadku niyôbsużōnyj dyn. Nachylynie erozyje ułōmka AS je tyż niższe aniżeli nachylynie inkszych ułōmkōw ô spodnich abscysach (tj. TDV) (Figura 9a). Strzałki na figurze 9b wskazujōm, iże przi maksymalnyj wartkości wiatru 25 m/s niy wystōmpiyła erozyjo w ôbsudzōnych dynach przi tympach stosowanio 2 i 3 l/m2. Inkszymi słowami, w przipadku FS, FA, AS i UMC dyny były barzij ôdporne na erozyjo wiatru sprawiōno bez ôsadzanie CaCO3 przi tympach stosowanio 2 i 3 l/m2 aniżeli przi maksymalnyj wartkości wiatru (tj. 25 m/s). Tak tōż wert TDV 25 m/s uzyskany w tych testach je spodniōm granicōm dlo tympow zastosowanio pokozanych na figurze 9b, z wyjōntkym przipadku AA, kaj TDV je bezma rōwno maksymalnyj wartkości tunelu wiatru.
Test erozyje wiatru (a) Utrata wogi w porownaniu z wartkościōm wiatru (szybkość zastosowanio 1 l/m2), (b) Prōgowo wartkość rozrywanio w porownaniu z szybkościōm zastosowanio i formulacyjōm (CA dlo octanu wapnia, CF dlo mrynianu wapnia).
Figura 10 pokozuje erozyjo powiyrchniowo dyn ôbsudzōnych roztōmajtymi formulacyjami i tympami stosowanio po teście bōmbardyrowanio piosku, a wyniki wielościowe sōm pokozane na figurze 11. Niyôbtoczōny przipadek niy ma pokozany, pōniywoż niy wykozoł ôdporności i bōł doimyntnie erodowany (cołkowito utrata masy) w czasie testu bōmbardyrowanio piosku. Z figury 11 je jasne, iże prōbka ôbsudzōno biokōmpozycyjōm AA straciyła 83,5% swojij wogi przi tympie stosowanio 2 l/m2, w czasie kej wszyske inksze prōbki wykozały mynij jak 30% erozyje w czasie procesu bōmbardyrowanio piosku. Kej tympo stosowanio było zwiynkszōne do 3 l/m2, wszyske ôbsudzōne prōbki straciyły mynij jak 25% swojij wogi. Przi ôbōch tympach zastosowanio zwiōnzek FS wykozoł nojlepszo ôdporność na bōmbardyrowanie piosku. Maksymalno i minimalno ôdporność na bōmbardyrowanie we prōbkach ôbsudzōnych FS i AA idzie przipisać jejich maksymalnymu i minimalnymu ôdpadniyńciu CaCO3 (Figura 6f).
Wyniki bōmbardyrowanio pioskowych dyun ô roztōmajtych składach przi przepływie 2 i 3 l/m2 (strzałki skazujōm na kerōnek wiatru, krziżōwki skazujōm na kerōnek wiatru prostopadły do ​​płaszczyzny rysunku).
Jak pokozano na figurze 12, zawartość wōnglanu wapnia we wszyskich wzorach wzrosła społym ze wzrōstym tympo stosowanio ôd 1 L/m2 do 3 L/m2. Ôkrōm tego, przi wszyskich tympach zastosowań, wzōr ô nojwyższyj zawartości wōnglanu wapnia bōł FS, po nim FA i UMC. To sugeruje, iże te wzory mogōm mieć srogszy ôdporność powiyrchniowo.
Figura 13a pokozuje pōmiana ôdporności powiyrchniowyj niyôbsużōnych, kōntrolnych i ôbsudzōnych prōbek gleby mierzōnych ze pōmocōm testu przepuszczalnego. Z tego figury je widzialne, iże powiyrchniowo ôdporność formulacyji UMC, AS, FA i FS wzrosła znaczōnco społym ze wzrōstym tympo stosowanio. Jednak wzrōst wytrzymałości powiyrchniowyj bōł doś niywielki we formulacyji AA. Jak pokozano na figurze, formulacyje FA i FS niydegradowanego mocznikym MICP majōm lepszo przepuszczalność powiyrchniowo w porōwnaniu z MICP degradowanym mocznikym. Figura 13b pokozuje pōmiana TDV z ôdpornościōm powiyrchnie gleby. Z tego figury je klarownie widzialne, iże w przipadku dyun ô ôporności powiyrchniowyj srogszyj aniżeli 100 kPa wartkość ôdrymbniyńcio progu przekroczy 25 m/s. Pōniywoż ôdporność powiyrchnie in situ może być łacno zmierzōno ze pōmocōm permeameter, ta wiedza może pōmōc w ôszacowaniu TDV przi braku testōw wiatrowych tunelu, sużōnc w tyn spōsōb za wskoźnik kōntrole jakości do zastosowań w terenie.
Wyniki SEM sōm pokozane na figurze 14. Figury 14a-b pokozujōm powiynkszōne tajleczki niyôbsużōnyj prōbki gleby, co klarownie wskozuje na to, iże je ôna spōjno i niy mo naturalnego wiōnzanio ani cymyntacyje. Figura 14c pokozuje mikrograf SEM kōntrolnyj prōbki ôbsudzōnyj MICP rozkłodanym mocznikym. Tyn ôbraz pokozuje ôbecność ôsadkōw CaCO3 jako polimorfōw kalcytu. Jak pokozano na figurach 14d-o, ôsadni CaCO3 łōnczy tajleczki ze sobōm; sferyczne kryształki wateritu idzie tyż zidyntyfikować na mikrografach SEM. Wyniki tego badanio i piyrwyjszych badań wskazujōm, iże wiōnzania CaCO3 utworzōne jako polimorfy wateritōw mogōm tyż zapewniać rozsōndno siyła mechaniczno; nasze wyniki pokozujōm, iże ôdporność powiyrchniowo wzrosto do 350 kPa, a wartkość rozdzielanio progu wzrosto ôd 4,32 do wiyncyj jak 25 m/s. Tyn wynik je zgodliwy z wynikami piyrwyjszych badań, iże maciyrzōm CaCO3 ôsadniōnego bez MICP je waterytym, kery mo rozsōndno wytrzymałość mechaniczno i ​​ôdporność na erozyjo wiatru13,40 i może utrzimać rozsōndno ôdporność na erozyjo wiatru nawet po 180 dniach narażynio na warōnki strzodowiskowe w polu13.
(a, b) Mikrografy SEM niyôbsużōnyj ziymie, (c) Kōntrola degradacyje mocznika MICP, (df) prōbki ôbsużōne AA, (gi) prōbki ôbsużōne AS, (jl) prōbki ôbsużōne FA i (mo) prōbki ôbsużōne FS przi tympie zastosowanio 3 L/m2 przi roztōmajtym powiynkszyniu.
Figura 14d-f pokozuje, iże po ôbrōbiyniu zwiōnzkami AA wōnglan wapnia ôsadniōł sie na powiyrchni i miyndzy ziarnami piosku, w czasie kej zaôbserwowano tyż niykere niypokryte ziarna piosku. W przipadku skłodnikōw AS, chocioż wielość utworzōnego CaCO3 niy wzrosła znaczōnco (ryc. 6f), wielość kōntaktōw miyndzy ziarnami piosku sprawiōnymi bez CaCO3 wzrosła znaczōnco w porōwnaniu ze zwiōnzkami AA (ryc. 14g-i).
Z figur 14j-l i 14m-o je jasne, iże użycie mrynianu wapnia za zdrzōdło wapnia prowadzi do dalszego wzrōstu ôdpadōw CaCO3 w porōwnaniu ze zwiōnzkym AS, co je zgodliwe z pōmiarami wapniamierza na figurze 6f. Tyn ekstra CaCO3 zdowo sie być głownie ôsadzany na tajleczkach piosku i niekōniecznie poprawio jakość kōntaktu. To potwierdzo wczasnij zaôbserwowane zachowanie: mimo rōżnic w wielości ôdpadōw CaCO3 (Figura 6f), trzi formulacyje (AS, FA i FS) niy rōżniōm sie znaczōnco pod wzglyndym wydajności antyeolowyj (wiatru) (Figura 11) i ôdporności powiyrchniowyj (Figura 13a).
Coby lepij wizualizować kōmōrki bakteryjne pokryte CaCO3 i ôdcisk bakteryjny na ôsadzōnych kryształach, wykōnano mikrografy SEM ze wysokim powiynkszyniym, a wyniki sōm pokozane na figurze 15. Jak pokozano, wōnglan wapnia ôsadza sie na kōmōrkach bakteryjnych i zapewnio tam jōndra potrzebne do ôsadniynio. Na ôbrozku przedstawiōno tyż powiōnzania aktywne i niyaktywne indukowane bez CaCO3. Idzie stwiyrdzić, co kożdy wzrōst powiōnzań niyaktywnych niekōniecznie kludzi do dalszyj poprawy zachowanio mechanicznego. Beztōż wzrōst ôdpadōw CaCO3 niekōniecznie kludzi do srogszyj wytrzymałości mechanicznyj, a muster ôdpadōw ôdgrywo wożno rola. Tyn pōnkt bōł tyż podszukowany w robotach ôd Terzisa i Laloui72 jak tyż Soghi'ego i Al-Kabaniego45,73. Coby dalij podszukować zwiōnzek miyndzy mustrym ôpadōw a siyłōm mechanicznōm, zaleca sie podszukowania MICP ze użyciym ôbrazowanio μCT, co je poza zakresym tego podszukowanio (tj. wkludzynie roztōmajtych kōmbinacyji zdrzōdła wapnia i bakteryjōw do MICP bez amōniaku).
CaCO3 indukowoł wiōnzania aktywne i niyaktywne we prōbkach ôbsudzōnych (a) składym AS i (b) składym FS i ôstawioł ôdcisk kōmōrek bakteryjnych na ôsadniku.
Jak pokozano na figurach 14j-o i 15b, je film CaCO (podle analizy EDX procyntowy skłod kożdego elymyntu we filmie wynosi 11% wōngla, 46,62% tlyn i 42,39% wapnia, co je barzo bliske procyntowi CaCO na figurze 16). Film tyn pokrywo kryształki wateritu i tajleczki gleby, pōmogajōnc utrzimać integralność systymu glebowo-ôsadnictwa. Ôbecność tego filmu zaôbserwowano ino we prōbkach ôbsudzōnych formulacyjōm ôpartōm na mrōmiynianu.
Tabela 2 porōwnuje wytrzymałość powiyrchnie, wartkość ôdłōnczynio progu i bioindukowano zawartość CaCO3 gleb ôbsudzōnych szlakami MICP, kere rozkłodajōm mocz i niy rozkłodajōm mocz, w piyrwyjszych badaniach i tym badaniu. Badania nad ôdpornościōm na erozyjo wiatru prōbek dyn ôbsudzōnych MICP sōm ôgraniczōne. Meng i inksi. podszukowało ôdporność na erozyjo wiatru prōbek dyn rozkłodajōncych mocznik ôbsudzōnych MICP ze użyciym dmuchnika liściowego,13 w czasie kej w tym badaniu prōbki dyn niyrozkłodajōncych mocznik (jak tyż kōntrole rozkłodajōncych mocznik) były testowane w tunelu wiatrowym i ôbsużōne sztyryma roztōmajtymi substancyjami bakteryjōw i.
Jak widać, niykere piyrwyjsze podszukowania rozwożały wysoke wskoźniki zastosowanio przekroczajōnce 4 L/m213,41,74. Warto zauważyć, iże wysoke wskoźniki zastosowanio mogōm niy być łacno zastosowane w terynie z pōnktu widzynio ekōnōmicznego skuli kosztōw zwiōnzanych z lifrowaniym wody, transportym i zastosowaniym srogich ôbjyntości wody. Niższe tympo zastosowanio, take jak 1,62-2 L/m2, ôsiōngały tyż doś dobre wytrzymałości powiyrchnie do 190 kPa i TDV przekroczajōnce 25 m/s. W ôbecnym badaniu dyny ôbsudzōne MICP ôpartym na mrōczaniu bez degradacyje mocznika ôsiōngały wysoko wytrzymałość powiyrchniowo, kero była porōwnowalno do tych uzyskanych ze sztrekōm degradacyje mocznika w tym samym zakresie tympow zastosowań (tj. prōbki ôbsudzōne MICP ôpartym na mrōczaniu bez degradacyje mocznika mogły tyż ôsiōngnōńć wartość powiyrchniowo jak donosi Meng et al., 13, Figura 13a) przi wyższych wskoźnikach zastosowanio. Można tyż zoboczyć, iże przi tympie zastosowanio 2 L/m2 wydajność wōnglanu wapnia do łagodzynio erozyje wiatru przi wartkości wiatru 25 m/s wyniosła 2,25% dlo MICP ôpartego na mrōmiynianu bez degradacyje mocznika, co je barzo blisko wymoganyj wielości CaCO3 (to %) treed duCP4 z %). degradacyjo mocznika przi tym samym tympie stosowanio i tyj samyj wartkości wiatru (25 m/s).
Tak tōż z tyj tabule idzie stwiyrdzić, iże tak sztreka degradacyje mocznika, jak i sztreka degradacyje bez mocznika mogōm zapewnić doś dopuszczalne wyniki pod wzglyndym ôdporności powiyrchniowyj i TDV. Głōwnōm rōżnicōm je to, iże sztreka degradacyje bez mocznika niy zawiyro amōniaku, a bezto mo myńszy wpływ na strzodowisko. Ôkrōm tego, metoda MICP ôparto na mrōmiynianu bez degradacyje mocznika propōnowano w tym podszukowaniu zdowo sie funguć lepij aniżeli metoda MICP ôparto na octanie bez degradacyje mocznika. Chocioż Mohebbi i in. podszukowali metoda MICP ôparto na octanie bez degradacyje mocznika, jejich podszukowanie ôbyjmowało prōbki na plaskatych powiyrchniach9. Skuli srogszego stopnia erozyje sprawiōnego bez tworzynie sie wirōw naôbkoło prōbek dyn i wynikowego ściynku, co skutkuje niższym TDV, ôczekuje sie, iże erozyjo wiatrowo prōbek dyn bydzie barzij ôczywisto aniżeli erozyjo plaskatych powiyrchni przi tyj samyj wartkości.