Mèsi paske ou te vizite nature.com. Vèsyon navigatè w ap itilize a gen yon sipò CSS limite. Pou pi bon eksperyans lan, nou rekòmande pou w itilize dènye vèsyon navigatè a (oswa dezaktive mòd konpatibilite nan Internet Explorer). Anplis de sa, pou asire sipò kontinyèl, sit sa a p ap gen ladan estil oswa JavaScript.
Tanpèt pousyè yo poze yon menas grav pou anpil peyi atravè lemond akòz enpak destriktif yo sou agrikilti, sante moun, rezo transpò ak enfrastrikti. Kòm rezilta, ewozyon van an konsidere kòm yon pwoblèm mondyal. Youn nan apwòch ki respekte anviwònman an pou limite ewozyon van an se itilizasyon presipitasyon kabonat pwovoke pa mikwòb (MICP). Sepandan, sou-pwodwi MICP ki baze sou degradasyon ure, tankou amonyak, pa ideyal lè yo pwodui an gwo kantite. Etid sa a prezante de fòmilasyon bakteri fòmat kalsyòm pou degradasyon MICP san pwodui ure epi li konpare pèfòmans yo yon fason konplè ak de fòmilasyon bakteri asetat kalsyòm ki pa pwodui amonyak. Bakteri yo konsidere yo se Bacillus subtilis ak Bacillus amyloliquefaciens. Premyèman, yo te detèmine valè optimize faktè ki kontwole fòmasyon CaCO3 yo. Apre sa, yo te fè tès tinèl van sou echantiyon din sab ki trete ak fòmilasyon optimize yo, epi yo te mezire rezistans ewozyon van, vitès papòt retire, ak rezistans bonbadman sab. Yo te evalye alomòf kabonat kalsyòm (CaCO3) yo lè l sèvi avèk mikwoskòp optik, mikwoskòp elektwonik optik (SEM), ak analiz difraksyon reyon X. Fòmilasyon ki baze sou fòmat kalsyòm yo te fè pi byen pase fòmilasyon ki baze sou asetat an tèm de fòmasyon kabonat kalsyòm. Anplis de sa, B. subtilis te pwodui plis kabonat kalsyòm pase B. amyloliquefaciens. Mikwograf SEM yo te montre klèman lyezon ak anprent bakteri aktif ak inaktif sou kabonat kalsyòm ki te koze pa sedimantasyon. Tout fòmilasyon yo te redwi anpil ewozyon van.
Depi lontan, yo rekonèt ewozyon van kòm yon gwo pwoblèm pou rejyon arid ak semi-arid tankou sidwès Etazini, lwès Lachin, Afrik Saharyèn, ak yon gwo pati nan Mwayen Oryan an1. Lapli ki ba nan klima arid ak ipè-arid yo transfòme gwo pati nan rejyon sa yo an dezè, pil sab, ak tè ki pa kiltive. Ewozyon van ki kontinye a poze menas anviwònman pou enfrastrikti tankou rezo transpò, tè agrikòl, ak tè endistriyèl, sa ki lakòz move kondisyon lavi ak gwo pri devlopman iben nan rejyon sa yo2,3,4. Sa ki enpòtan, ewozyon van pa sèlman gen enpak sou kote li fèt la, men tou li lakòz pwoblèm sante ak ekonomik nan kominote ki lwen yo paske li transpòte patikil pa van nan zòn ki lwen sous la5,6.
Kontwòl ewozyon van an rete yon pwoblèm mondyal. Yo itilize plizyè metòd pou estabilizasyon tè pou kontwole ewozyon van an. Metòd sa yo gen ladan yo materyèl tankou aplikasyon dlo7, pay lwil oliv8, byopolimè5, presipitasyon kabonat pwovoke pa mikwòb (MICP)9,10,11,12 ak presipitasyon kabonat pwovoke pa anzim (EICP)1. Mouyaj tè a se yon metòd estanda pou siprime pousyè nan jaden. Sepandan, evaporasyon rapid li fè metòd sa a gen yon efikasite limite nan rejyon arid ak semi-arid1. Aplikasyon konpoze pay lwil oliv yo ogmante koyezyon sab ak friksyon ant patikil yo. Pwopriyete koyezyon yo mare grenn sab yo ansanm; sepandan, pay lwil oliv yo poze lòt pwoblèm tou; koulè nwa yo ogmante absòpsyon chalè epi li mennen nan lanmò plant ak mikwo-òganis. Odè ak lafimen yo ka lakòz pwoblèm respiratwa, e pi remakab, pri wo yo se yon lòt obstak. Byopolimè yo se youn nan metòd ekolojik yo te pwopoze dènyèman pou diminye ewozyon van an; yo ekstrè nan sous natirèl tankou plant, bèt ak bakteri. Gom ksantan, gom guar, kitosan ak gom gellan se byopolimè ki pi souvan itilize nan aplikasyon jeni5. Sepandan, biopolymè idrosolubl yo ka pèdi fòs epi yo ka lesivaj nan tè a lè yo ekspoze a dlo13,14. EICP te montre li se yon metòd efikas pou siprime pousyè pou yon varyete aplikasyon tankou wout ki pa pave, basen dechè ak sit konstriksyon. Malgre rezilta li yo ankourajan, kèk dezavantaj potansyèl dwe konsidere, tankou pri ak mank sit nikleyasyon (ki akselere fòmasyon ak presipitasyon kristal CaCO315,16).
Yo te dekri MICP pou premye fwa nan fen 19yèm syèk la pa Murray ak Irwin (1890) epi Steinmann (1901) nan etid yo sou degradasyon ure pa mikwo-òganis maren yo17. MICP se yon pwosesis byolojik natirèl ki enplike yon varyete aktivite mikwòb ak pwosesis chimik kote kabonat kalsyòm presipite pa reyaksyon iyon kabonat ki soti nan metabolit mikwòb yo ak iyon kalsyòm nan anviwònman an18,19. MICP ki enplike sik azòt ki degrade ure a (MICP ki degrade ure) se kalite presipitasyon kabonat ki pi komen, kote ureaz ki pwodui pa bakteri katalize idwoliz ure a20,21,22,23,24,25,26,27 jan sa a:
Nan MICP ki enplike sik kabòn oksidasyon sèl òganik (MICP san degradasyon ure), bakteri etewotwòf yo itilize sèl òganik tankou asetat, laktat, sitrat, sikinat, oksalat, malat ak glioksilit kòm sous enèji pou pwodui mineral kabonat28. An prezans laktat kalsyòm kòm yon sous kabòn ak iyon kalsyòm, reyaksyon chimik fòmasyon kabonat kalsyòm lan montre nan ekwasyon (5).
Nan pwosesis MICP a, selil bakteri yo bay sit nikleyasyon ki patikilyèman enpòtan pou presipitasyon kabonat kalsyòm; sifas selil bakteri a chaje negatif epi li ka aji kòm yon adsorban pou kasyon divalan tankou iyon kalsyòm. Lè yo adsorbe iyon kalsyòm sou selil bakteri yo, lè konsantrasyon iyon kabonat la sifizan, kasyon kalsyòm yo ak anyon kabonat yo reyaji epi kabonat kalsyòm presipite sou sifas bakteri a29,30. Pwosesis la ka rezime jan sa a31,32:
Kristal kabonat kalsyòm byopwodui yo ka divize an twa kalite: kalsit, vaterit, ak aragonit. Pami yo, kalsit ak vaterit se alomòf kabonat kalsyòm ki pi komen ki pwovoke pa bakteri33,34. Kalsit se alomòf kabonat kalsyòm ki pi estab tèmodinamikman35. Malgre ke yo rapòte ke vaterit metastab, li evantyèlman transfòme an kalsit36,37. Vaterit se kristal ki pi dans nan sa yo. Li se yon kristal egzagonal ki gen pi bon kapasite pou ranpli pò pase lòt kristal kabonat kalsyòm akòz pi gwo gwosè li38. Tou de MICP ki degrade ak ure ak sa ki pa degrade ka mennen nan presipitasyon vaterit13,39,40,41.
Malgre ke MICP te montre yon potansyèl pwomèt pou estabilize tè pwoblèmatik ak tè ki sansib a ewozyon van42,43,44,45,46,47,48, youn nan sou-pwodwi idwoliz ure a se amonyak, ki ka lakòz pwoblèm sante ki soti lejè pou rive grav selon nivo ekspozisyon an49. Efè segondè sa a fè itilizasyon teknoloji patikilye sa a kontwovèsyal, sitou lè gwo zòn bezwen trete, tankou pou siprime pousyè. Anplis de sa, odè amonyak la pa ka tolere lè pwosesis la fèt nan gwo pousantaj aplikasyon ak gwo volim, sa ki ka afekte aplikabilite pratik li. Malgre ke etid resan yo montre ke iyon amonyòm yo ka redwi lè yo konvèti yo an lòt pwodwi tankou struvit, metòd sa yo pa retire iyon amonyòm yo nèt50. Se poutèt sa, toujou gen yon bezwen pou eksplore solisyon altènatif ki pa jenere iyon amonyòm. Itilizasyon chemen degradasyon ki pa ure pou MICP ka bay yon solisyon potansyèl ki pa te byen eksplore nan kontèks rediksyon ewozyon van. Fattahi et al. te envestige degradasyon MICP san ure lè l sèvi avèk asetat kalsyòm ak Bacillus megaterium41, pandan ke Mohebbi et al. te itilize asetat kalsyòm ak Bacillus amyloliquefaciens9. Sepandan, etid yo a pa te konpare ak lòt sous kalsyòm ak bakteri etewotwòf ki ta ka finalman amelyore rezistans ewozyon van. Genyen tou yon mank literati ki konpare chemen degradasyon san ure ak chemen degradasyon ure nan rediksyon ewozyon van.
Anplis de sa, pifò etid sou ewozyon van ak kontwòl pousyè yo te fèt sou echantiyon tè ki gen sifas plat.1,51,52,53 Sepandan, sifas plat yo mwens komen nan lanati pase ti mòn ak depresyon. Se poutèt sa dun sab yo se karakteristik peyizaj ki pi komen nan rejyon dezè yo.
Pou simonte enpèfeksyon nou sot mansyone pi wo yo, etid sa a te gen pou objaktif pou prezante yon nouvo seri ajan bakteri ki pa pwodui amonyak. Pou rezon sa a, nou te konsidere chemen MICP ki pa degrade ure. Yo te envestige efikasite de sous kalsyòm (format kalsyòm ak asetat kalsyòm). Nan limit konesans otè yo, yo pa t envestige presipitasyon kabonat lè l sèvi avèk de konbinezon sous kalsyòm ak bakteri (sa vle di format kalsyòm-Bacillus subtilis ak format kalsyòm-Bacillus amyloliquefaciens) nan etid anvan yo. Chwa bakteri sa yo te baze sou anzim yo pwodui ki katalize oksidasyon format kalsyòm ak asetat kalsyòm pou fòme presipitasyon kabonat mikwòb. Nou te fè yon etid eksperimantal apwofondi pou jwenn faktè optimal yo tankou pH, kalite bakteri ak sous kalsyòm ak konsantrasyon yo, rapò bakteri ak solisyon sous kalsyòm ak tan geri. Finalman, yo te envestige efikasite gwoup ajan bakteri sa yo nan siprime ewozyon van atravè presipitasyon kabonat kalsyòm. Yo te fè yon seri tès tinèl van sou dun sab pou detèmine mayitid ewozyon van an, vitès detachman papòt la ak rezistans bonbadman van sab la, epi yo te fè mezi penetromèt ak etid mikwostriktirèl (pa egzanp analiz difraksyon reyon X (XRD) ak mikwoskòp elektwonik optik (SEM)).
Pwodiksyon kabonat kalsyòm mande iyon kalsyòm ak iyon kabonat. Yo ka jwenn iyon kalsyòm nan divès sous kalsyòm tankou klori kalsyòm, idroksid kalsyòm, ak lèt ​​ekreme an poud54,55. Yo ka pwodui iyon kabonat pa divès metòd mikwòb tankou idwoliz ure ak oksidasyon aerobik oswa anaerobik matyè òganik56. Nan etid sa a, yo te jwenn iyon kabonat nan reyaksyon oksidasyon fòmat ak asetat. Anplis de sa, nou te itilize sèl kalsyòm fòmat ak asetat pou pwodui kabonat kalsyòm pi, kidonk se sèlman CO2 ak H2O ki te jwenn kòm sou-pwodwi. Nan pwosesis sa a, se yon sèl sibstans ki sèvi kòm sous kalsyòm ak sous kabonat, epi pa gen okenn amonyak ki pwodui. Karakteristik sa yo fè metòd pwodiksyon sous kalsyòm ak kabonat ke nou te konsidere kòm trè pwomètè.
Reyaksyon korespondan fòmat kalsyòm ak asetat kalsyòm pou fòme kabonat kalsyòm yo montre nan fòmil (7)-(14). Fòmil (7)-(11) yo montre ke fòmat kalsyòm fonn nan dlo pou fòme asid formik oswa fòmat. Solisyon an se konsa yon sous iyon kalsyòm ak idroksid gratis (fòmil 8 ak 9). Kòm rezilta oksidasyon asid formik la, atòm kabòn ki nan asid formik yo konvèti an diyoksid kabòn (fòmil 10). Kabonat kalsyòm finalman fòme (fòmil 11 ak 12).
Menm jan an tou, kabonat kalsyòm fòme apati asetat kalsyòm (ekwasyon 13-15), eksepte ke asid asetik oswa asetat fòme olye de asid formik.
San prezans anzim, asetat ak fòmat pa ka okside nan tanperati chanm. FDH (fòmat dezidrogenaz) ak CoA (koanzim A) katalize oksidasyon fòmat ak asetat pou fòme diyoksid kabòn, respektivman (Eks. 16, 17) 57, 58, 59. Plizyè bakteri kapab pwodui anzim sa yo, epi bakteri etewotwòf, sètadi Bacillus subtilis (PTCC #1204 (Persian Type Culture Collection), ke yo rele tou NCIMB #13061 (International Collection of Bacteria, Yeast, Phage, Plasmids, Plant Seeds and Plant Cell Tissue Cultures)) ak Bacillus amyloliquefaciens (PTCC #1732, NCIMB #12077), yo te itilize nan etid sa a. Bakteri sa yo te kiltive nan yon mwayen ki gen peptòn vyann (5 g/L) ak ekstrè vyann (3 g/L), yo rele bouyon eleman nitritif (NBR) (105443 Merck).
Kidonk, yo te prepare kat fòmilasyon pou pwovoke presipitasyon kabonat kalsyòm lè l sèvi avèk de sous kalsyòm ak de bakteri: fòmat kalsyòm ak Bacillus subtilis (FS), fòmat kalsyòm ak Bacillus amyloliquefaciens (FA), asetat kalsyòm ak Bacillus subtilis (AS), epi asetat kalsyòm ak Bacillus amyloliquefaciens (AA).
Nan premye pati konsepsyon eksperimantal la, yo te fè tès pou detèmine konbinezon optimal ki t ap pèmèt pwodiksyon maksimòm kabonat kalsyòm. Piske echantiyon tè yo te genyen kabonat kalsyòm, yo te fè yon seri tès evalyasyon preliminè pou mezire avèk presizyon CaCO3 ki pwodui pa diferan konbinezon yo, epi yo te evalye melanj mwayen kilti ak solisyon sous kalsyòm. Pou chak konbinezon sous kalsyòm ak solisyon bakteri ki defini pi wo a (FS, FA, AS, ak AA), yo te sòti faktè optimize (konsantrasyon sous kalsyòm, tan geri, konsantrasyon solisyon bakteri ki mezire pa dansite optik solisyon an (OD), rapò sous kalsyòm ak solisyon bakteri, ak pH) epi yo te itilize yo nan tès tinèl van tretman dun sab ki dekri nan seksyon ki vin apre yo.
Pou chak konbinezon, yo te fè 150 eksperyans pou etidye efè presipitasyon CaCO3 epi evalye plizyè faktè, sètadi konsantrasyon sous kalsyòm, tan geri, valè OD bakteri, rapò sous kalsyòm ak solisyon bakteri ak pH pandan oksidasyon aerobik matyè òganik la (Tablo 1). Yo te chwazi seri pH pou pwosesis optimize a baze sou koub kwasans Bacillus subtilis ak Bacillus amyloliquefaciens yo pou jwenn yon kwasans pi rapid. Sa a eksplike an plis detay nan seksyon Rezilta yo.
Yo te swiv etap sa yo pou prepare echantiyon yo pou faz optimize a. Yo te prepare solisyon MICP a an premye lè yo te ajiste pH inisyal medyòm kilti a epi answit yo te pase l nan otoklav a 121 °C pandan 15 minit. Apre sa, yo te inokile souch lan nan yon koule lè laminè epi yo te kenbe l nan yon enkibatè ki t ap souke l a 30 °C ak 180 rpm. Yon fwa degre oksijèn bakteri yo te rive nan nivo yo te vle a, yo te melanje l ak solisyon sous kalsyòm nan nan pwopòsyon yo te vle a (Figi 1a). Yo te kite solisyon MICP a reyaji epi solidifye nan yon enkibatè ki t ap souke l a 220 rpm ak 30 °C pandan yon tan ki te rive nan valè sib la. Yo te separe CaCO3 presipite a apre santrifijasyon a 6000 g pandan 5 minit epi answit yo te seche l a 40 °C pou prepare echantiyon yo pou tès kalsimèt la (Figi 1b). Apre sa, yo te mezire presipitasyon CaCO3 la lè l sèvi avèk yon kalsimèt Bernard, kote poud CaCO3 reyaji avèk 1.0 N HCl (ASTM-D4373-02) pou pwodui CO2, epi volim gaz sa a se yon mezi kontni CaCO3 la (Figi 1c). Pou konvèti volim CO2 a an kontni CaCO3, yo te pwodui yon koub kalibrasyon lè yo te lave poud CaCO3 pi a avèk 1 N HCl epi yo te trase li kont CO2 ki te evolye a. Yo te envestige mòfoloji ak pite poud CaCO3 ki te presipite a lè l sèvi avèk imaj SEM ak analiz XRD. Yo te itilize yon mikwoskòp optik ak yon agrandisman 1000 pou etidye fòmasyon kabonat kalsyòm otou bakteri yo, faz kabonat kalsyòm ki te fòme a, ak aktivite bakteri yo.
Basen Dejegh la se yon rejyon byen koni pou erozyon ki wo nan pwovens Fars nan sidwès Iran, epi chèchè yo te kolekte echantiyon tè ki te erode pa van nan zòn nan. Echantiyon yo te pran sou sifas tè a pou etid la. Tès endikatè sou echantiyon tè yo te montre ke tè a te yon tè sab ki mal klase ak limon epi li te klase kòm SP-SM dapre Sistèm Klasifikasyon Tè Inifye (USC) la (Figi 2a). Analiz XRD te montre ke tè Dejegh la te konpoze sitou de kalsit ak kwats (Figi 2b). Anplis de sa, analiz EDX te montre ke lòt eleman tankou Al, K, ak Fe te prezan tou nan pi piti pwopòsyon.
Pou prepare din sab laboratwa yo pou tès ewozyon van an, yo te kraze tè a soti nan yon wotè 170 mm atravè yon antonwa 10 mm dyamèt rive nan yon sifas fèm, sa ki te bay yon din sab tipik 60 mm wotè ak 210 mm dyamèt. Nan lanati, din sab ki gen dansite ki pi ba yo fòme pa pwosesis eolyen. Menm jan an tou, echantiyon ki te prepare lè l sèvi avèk pwosedi ki anwo a te gen dansite relatif ki pi ba a, γ = 14.14 kN/m³, ki te fòme yon kòn sab depoze sou yon sifas orizontal ak yon ang repo apeprè 29.7°.
Yo te flite solisyon MICP optimal yo te jwenn nan seksyon anvan an sou pant din lan nan pousantaj aplikasyon 1, 2 ak 3 lm-2 epi answit yo te estoke echantiyon yo nan yon enkibatè a 30 °C (Fig. 3) pandan 9 jou (sa vle di tan geri optimal la) epi answit yo te retire yo pou tès tinèl van.
Pou chak tretman, yo te prepare kat echantiyon, youn pou mezire kontni kabonat kalsyòm ak fòs sifas la lè l sèvi avèk yon penetromèt, epi twa echantiyon ki rete yo te itilize pou tès ewozyon nan twa vitès diferan. Nan tès tinèl van yo, yo te detèmine kantite ewozyon an nan diferan vitès van, epi answit yo te detèmine vitès papòt detachman an pou chak echantiyon tretman lè l sèvi avèk yon graf kantite ewozyon an fonksyon vitès van an. Anplis tès ewozyon van yo, echantiyon trete yo te sibi bonbadman sab (sa vle di, eksperyans sote). Yo te prepare de lòt echantiyon pou objektif sa a nan to aplikasyon 2 ak 3 L m−2. Tès bonbadman sab la te dire 15 min ak yon flux 120 gm−1, ki nan seri valè yo te chwazi nan etid anvan yo60,61,62. Distans orizontal ant bouch abrazif la ak baz din lan te 800 mm, ki sitiye 100 mm anlè fon tinèl la. Yo te fikse pozisyon sa a pou prèske tout patikil sab sote yo te tonbe sou din lan.
Yo te fè tès tinèl van an nan yon tinèl van ouvè ki gen yon longè 8 m, yon lajè 0.4 m ak yon wotè 1 m (Figi 4a). Tinèl van an fèt ak fèy asye galvanize epi li ka jenere yon vitès van ki rive jiska 25 m/s. Anplis de sa, yo itilize yon konvètisè frekans pou ajiste frekans van an epi ogmante frekans lan piti piti pou jwenn vitès van sib la. Figi 4b montre dyagram eskematik din sab yo ki erode pa van an ak pwofil vitès van ki mezire nan tinèl van an.
Finalman, pou konpare rezilta fòmilasyon MICP ki pa urealitik ki pwopoze nan etid sa a ak rezilta tès kontwòl MICP urealitik la, echantiyon dun yo te prepare tou epi trete yo ak yon solisyon byolojik ki gen ure, klori kalsyòm ak Sporosarcina pasteurii (piske Sporosarcina pasteurii gen yon kapasite siyifikatif pou pwodui ureaz63). Dansite optik solisyon bakteri a te 1.5, epi konsantrasyon ure ak klori kalsyòm yo te 1 M (chwazi dapre valè yo rekòmande nan etid anvan yo36,64,65). Mwayen kilti a te konpoze de bouyon eleman nitritif (8 g/L) ak ure (20 g/L). Solisyon bakteri a te flite sou sifas dun lan epi li te kite l pandan 24 èdtan pou bakteri yo te atache. Apre 24 èdtan atache, yo te flite yon solisyon siman (klori kalsyòm ak ure). Tès kontwòl MICP urealitik la ap rele UMC apre sa. Yo te jwenn kontni kabonat kalsyòm nan echantiyon tè ki te trete avèk urealitik ak ki pa trete avèk urealitik lè yo te lave yo dapre pwosedi Choi et al. te pwopoze a.66
Figi 5 la montre koub kwasans Bacillus amyloliquefaciens ak Bacillus subtilis nan medyòm kilti a (solisyon eleman nitritif) ak yon seri pH inisyal ant 5 ak 10. Jan yo montre nan figi a, Bacillus amyloliquefaciens ak Bacillus subtilis te grandi pi vit nan pH 6-8 ak 7-9, respektivman. Se poutèt sa, yo te adopte seri pH sa a nan etap optimize a.
Koub kwasans (a) Bacillus amyloliquefaciens ak (b) Bacillus subtilis nan diferan valè pH inisyal nan milye eleman nitritif la.
Figi 6 la montre kantite diyoksid kabòn ki pwodui nan kalkomèt Bernard la, ki reprezante kabonat kalsyòm presipite (CaCO3). Piske yo te fikse yon faktè nan chak konbinezon epi yo te varye lòt faktè yo, chak pwen sou graf sa yo koresponn ak volim maksimòm diyoksid kabòn nan seri eksperyans sa yo. Jan yo montre nan figi a, pandan konsantrasyon sous kalsyòm nan ogmante, pwodiksyon kabonat kalsyòm nan ogmante. Se poutèt sa, konsantrasyon sous kalsyòm nan afekte dirèkteman pwodiksyon kabonat kalsyòm nan. Piske sous kalsyòm nan ak sous kabòn nan se menm bagay la (sa vle di, fòmat kalsyòm ak asetat kalsyòm), plis iyon kalsyòm yo lage, se plis kabonat kalsyòm ki fòme (Figi 6a). Nan fòmilasyon AS ak AA yo, pwodiksyon kabonat kalsyòm nan kontinye ogmante ak ogmantasyon tan geri a jiskaske kantite presipite a te prèske san chanjman apre 9 jou. Nan fòmilasyon FA a, vitès fòmasyon kabonat kalsyòm nan diminye lè tan geri a depase 6 jou. Konpare ak lòt fòmilasyon yo, fòmilasyon FS te montre yon vitès fòmasyon kabonat kalsyòm relativman ba apre 3 jou (Figi 6b). Nan fòmilasyon FA ak FS yo, yo te jwenn 70% ak 87% nan pwodiksyon total kabonat kalsyòm nan apre twa jou, alòske nan fòmilasyon AA ak AS yo, pwopòsyon sa a te sèlman anviwon 46% ak 45% respektivman. Sa endike ke fòmilasyon ki baze sou asid formik la gen yon to fòmasyon CaCO3 ki pi wo nan etap inisyal la konpare ak fòmilasyon ki baze sou asetat la. Sepandan, to fòmasyon an ralanti lè tan geri a ogmante. Nou ka konkli nan Figi 6c ke menm nan konsantrasyon bakteri ki pi wo pase OD1, pa gen okenn kontribisyon siyifikatif nan fòmasyon kabonat kalsyòm.
Chanjman nan volim CO2 (ak kontni CaCO3 korespondan) mezire pa kalsimèt Bernard la kòm yon fonksyon (a) konsantrasyon sous kalsyòm, (b) tan pou pran, (c) deteksyon sifas (OD), (d) pH inisyal, (e) rapò sous kalsyòm ak solisyon bakteri (pou chak fòmilasyon); ak (f) kantite maksimòm kabonat kalsyòm ki pwodui pou chak konbinezon sous kalsyòm ak bakteri.
Konsènan efè pH inisyal medyòm nan, Figi 6d montre ke pou FA ak FS, pwodiksyon CaCO3 a te rive nan yon valè maksimòm nan pH 7. Obsèvasyon sa a konsistan avèk etid anvan yo ki montre ke anzim FDH yo pi estab nan pH 7-6.7. Sepandan, pou AA ak AS, presipitasyon CaCO3 a ogmante lè pH la depase 7. Etid anvan yo te montre tou ke ranje pH optimal pou aktivite anzim CoA a se soti nan 8 pou rive nan 9.2-6.8. Si nou konsidere ke ranje pH optimal pou aktivite anzim CoA ak kwasans B. amyloliquefaciens yo se (8-9.2) ak (6-8), respektivman (Figi 5a), pH optimal fòmilasyon AA a espere se 8, epi de ranje pH yo sipèpoze. Eksperyans yo te konfime reyalite sa a, jan yo montre nan Figi 6d. Piske pH optimal pou kwasans B. subtilis la se 7-9 (Figi 5b) epi pH optimal pou aktivite anzim CoA a se 8-9.2, yo prevwa maksimòm rannman presipitasyon CaCO3 la ap nan seri pH 8-9, sa Figi 6d konfime (sa vle di, pH presipitasyon optimal la se 9). Rezilta yo montre nan Figi 6e endike ke rapò optimal solisyon sous kalsyòm ak solisyon bakteri a se 1 pou tou de solisyon asetat ak fòmat. Pou konparezon, yo te evalye pèfòmans diferan fòmilasyon yo (sa vle di, AA, AS, FA, ak FS) ki baze sou pwodiksyon maksimòm CaCO3 anba diferan kondisyon (sa vle di, konsantrasyon sous kalsyòm, tan geri, OD, rapò sous kalsyòm ak solisyon bakteri, ak pH inisyal). Pami fòmilasyon yo etidye yo, fòmilasyon FS te gen pi gwo pwodiksyon CaCO3, ki te apeprè twa fwa sa fòmilasyon AA a (Figi 6f). Yo te fè kat eksperyans kontwòl san bakteri pou tou de sous kalsyòm yo epi yo pa t obsève okenn presipitasyon CaCO3 apre 30 jou.
Imaj mikwoskopi optik tout fòmilasyon yo te montre ke vaterit te faz prensipal kote kabonat kalsyòm te fòme (Figi 7). Kristal vaterit yo te gen yon fòm esferik69,70,71. Yo te jwenn ke kabonat kalsyòm te presipite sou selil bakteri yo paske sifas selil bakteri yo te chaje negatif e li te kapab aji kòm yon adsorban pou kasyon divalan. Si nou pran fòmilasyon FS kòm egzanp nan etid sa a, apre 24 èdtan, kabonat kalsyòm te kòmanse fòme sou kèk selil bakteri (Figi 7a), epi apre 48 èdtan, kantite selil bakteri ki te kouvri ak kabonat kalsyòm te ogmante anpil. Anplis de sa, jan yo montre nan Figi 7b, yo te kapab detekte patikil vaterit tou. Finalman, apre 72 èdtan, yon gwo kantite bakteri te sanble mare pa kristal vaterit yo, epi kantite patikil vaterit yo te ogmante anpil (Figi 7c).
Obsèvasyon mikwoskopi optik sou presipitasyon CaCO3 nan konpozisyon FS sou tan: (a) 24, (b) 48 ak (c) 72 èdtan.
Pou plis envestigasyon sou mòfoloji faz presipite a, yo te fè analiz difraksyon reyon X (XRD) ak SEM sou poud yo. Espèk XRD yo (Fig. 8a) ak mikwograf SEM yo (Fig. 8b, c) te konfime prezans kristal vaterit yo, paske yo te gen yon fòm leti epi yo te obsève yon korespondans ant pik vaterit yo ak pik presipite yo.
(a) Konparezon spèk difraksyon reyon X nan CaCO3 ki te fòme ak vaterit. Mikwograf SEM nan vaterit nan (b) 1 kHz ak (c) agrandisman 5.27 kHz, respektivman.
Rezilta tès tinèl van yo montre nan Figi 9a, b. Nou ka wè nan Figi 9a ke vitès ewozyon papòt (TDV) sab ki pa trete a se anviwon 4.32 m/s. Nan to aplikasyon 1 l/m² (Figi 9a), pant liy to pèt tè pou fraksyon FA, FS, AA ak UMC yo apeprè menm jan ak pou din ki pa trete a. Sa endike ke tretman an nan to aplikasyon sa a pa efikas e le pli vit ke vitès van an depase TDV a, kwout tè mens lan disparèt e to ewozyon din lan se menm jan ak pou din ki pa trete a. Pant ewozyon fraksyon AS la pi ba tou pase lòt fraksyon ki gen absis ki pi ba yo (sa vle di TDV) (Figi 9a). Flèch yo nan Figi 9b endike ke nan vitès van maksimòm 25 m/s, pa gen okenn ewozyon ki te fèt nan din trete yo nan to aplikasyon 2 ak 3 l/m². Nan lòt mo, pou FS, FA, AS ak UMC, din yo te pi rezistan a ewozyon van ki te koze pa depo CaCO³ nan to aplikasyon 2 ak 3 l/m² pase nan vitès maksimòm van an (sa vle di 25 m/s). Kidonk, valè TDV 25 m/s ki jwenn nan tès sa yo se limit ki pi ba pou to aplikasyon yo montre nan Figi 9b, eksepte pou ka AA a, kote TDV a prèske egal a vitès maksimòm tinèl van an.
Tès ewozyon van (a) Pèdi pwa kont vitès van (to aplikasyon 1 l/m2), (b) Vitès detachman papòt kont to aplikasyon ak fòmilasyon (CA pou asetat kalsyòm, CF pou fòmat kalsyòm).
Figi 10 montre ewozyon sifas dun sab trete ak diferan fòmilasyon ak to aplikasyon apre tès bonbadman sab la epi rezilta kantitatif yo montre nan Figi 11. Ka ki pa trete a pa montre paske li pa t montre okenn rezistans epi li te konplètman erode (pèt mas total) pandan tès bonbadman sab la. Li klè nan Figi 11 ke echantiyon trete ak biokonpozisyon AA a te pèdi 83.5% nan pwa li nan to aplikasyon 2 l/m2 pandan ke tout lòt echantiyon yo te montre mwens pase 30% ewozyon pandan pwosesis bonbadman sab la. Lè to aplikasyon an te ogmante a 3 l/m2, tout echantiyon trete yo te pèdi mwens pase 25% nan pwa yo. Nan tou de to aplikasyon yo, konpoze FS te montre pi bon rezistans nan bonbadman sab. Rezistans bonbadman maksimòm ak minimòm nan echantiyon trete FS ak AA yo ka atribiye a presipitasyon maksimòm ak minimòm CaCO3 yo (Figi 6f).
Rezilta bonbadman sou din sab ki gen diferan konpozisyon ak debi 2 ak 3 l/m2 (flèch yo endike direksyon van an, kwa yo endike direksyon van an pèpandikilè ak plan desen an).
Jan Figi 12 la montre, kontni kabonat kalsyòm nan tout fòmil yo ogmante pandan to aplikasyon an ap ogmante soti nan 1 L/m² pou rive nan 3 L/m². Anplis de sa, nan tout to aplikasyon yo, fòmil ki gen pi gwo kontni kabonat kalsyòm nan se te FS, ki te swiv pa FA ak UMC. Sa sijere ke fòmil sa yo ka gen pi gwo rezistans sifas.
Figi 13a montre chanjman nan rezistans sifas echantiyon tè ki pa trete, kontwòl ak trete yo mezire pa tès pèmeyamèt. Nan figi sa a, li evidan ke rezistans sifas fòmilasyon UMC, AS, FA ak FS yo ogmante anpil ak ogmantasyon to aplikasyon an. Sepandan, ogmantasyon nan fòs sifas la te relativman piti nan fòmilasyon AA a. Jan yo montre nan figi a, fòmilasyon FA ak FS MICP ki pa degrade ak ure gen pi bon pèmeyabilite sifas konpare ak MICP ki degrade ak ure. Figi 13b montre chanjman nan TDV ak rezistans sifas tè a. Nan figi sa a, li klèman evidan ke pou din ki gen rezistans sifas ki pi gran pase 100 kPa, vitès retire papòt la ap depase 25 m/s. Piske rezistans sifas in situ ka fasil pou mezire pa pèmeyamèt, konesans sa a ka ede estime TDV san tès tinèl van, kidonk sèvi kòm yon endikatè kontwòl kalite pou aplikasyon sou teren.
Rezilta SEM yo parèt nan Figi 14. Figi 14a-b yo montre patikil elaji nan echantiyon tè ki pa trete a, sa ki endike klèman ke li kowesif e li pa gen okenn lyezon natirèl oswa simantasyon. Figi 14c montre mikwograf SEM echantiyon kontwòl ki trete ak MICP degrade ak ure. Imaj sa a montre prezans presipite CaCO3 kòm polimòf kalsit. Jan yo montre nan Figi 14d-o, CaCO3 presipite a mare patikil yo ansanm; kristal vaterit esferik yo kapab idantifye tou nan mikwograf SEM yo. Rezilta etid sa a ak etid anvan yo endike ke lyezon CaCO3 ki fòme kòm polimòf vaterit yo kapab bay tou yon rezistans mekanik rezonab; rezilta nou yo montre ke rezistans sifas la ogmante a 350 kPa epi vitès separasyon papòt la ogmante soti nan 4.32 a plis pase 25 m/s. Rezilta sa a konsistan avèk rezilta etid anvan yo ki montre matris CaCO3 presipite pa MICP a se vaterit, ki gen yon rezistans mekanik ak yon rezistans kont ewozyon van rezonab13,40 epi ki ka kenbe yon rezistans kont ewozyon van rezonab menm apre 180 jou ekspozisyon nan kondisyon anviwònman jaden yo13.
(a, b) Mikwograf SEM tè ki pa trete, (c) kontwòl degradasyon ure MICP, (df) echantiyon trete ak AA, (gi) echantiyon trete ak AS, (jl) echantiyon trete ak FA, ak (mo) echantiyon trete ak FS nan yon to aplikasyon 3 L/m2 nan diferan agrandisman.
Figi 14d-f montre ke apre tretman ak konpoze AA yo, kabonat kalsyòm te presipite sou sifas la ak ant grenn sab yo, pandan ke yo te obsève tou kèk grenn sab ki pa kouvri. Pou konpozan AS yo, byenke kantite CaCO3 ki te fòme a pa t ogmante anpil (Fig. 6f), kantite kontak ant grenn sab ki te koze pa CaCO3 te ogmante anpil konpare ak konpoze AA yo (Fig. 14g-i).
Nan Figi 14j-l ak 14m-o yo, li klè ke itilizasyon fòmat kalsyòm kòm yon sous kalsyòm mennen nan yon ogmantasyon plis nan presipitasyon CaCO3 konpare ak konpoze AS la, ki konsistan avèk mezi mèt kalsyòm nan Figi 6f. CaCO3 adisyonèl sa a sanble depoze sitou sou patikil sab yo e li pa nesesèman amelyore kalite kontak la. Sa konfime konpòtman ki te obsève deja a: malgre diferans ki genyen nan kantite presipitasyon CaCO3 (Figi 6f), twa fòmilasyon yo (AS, FA ak FS) pa diferan anpil an tèm de pèfòmans anti-eolyen (van) (Figi 11) ak rezistans sifas (Figi 13a).
Pou pi byen vizyalize selil bakteri ki kouvri ak CaCO3 yo ak anprent bakteri a sou kristal presipite yo, yo te pran mikwo-graf SEM ak gwo agrandisman epi rezilta yo montre nan Figi 15. Jan yo montre a, kabonat kalsyòm presipite sou selil bakteri yo epi li bay nwayo ki nesesè pou presipitasyon an la. Figi a montre tou lyen aktif ak inaktif ki pwovoke pa CaCO3. Nou ka konkli ke nenpòt ogmantasyon nan lyen inaktif pa nesesèman mennen nan plis amelyorasyon nan konpòtman mekanik. Se poutèt sa, ogmante presipitasyon CaCO3 pa nesesèman mennen nan yon pi gwo fòs mekanik epi modèl presipitasyon an jwe yon wòl enpòtan. Pwen sa a te etidye tou nan travay Terzis ak Laloui72 ak Soghi ak Al-Kabani45,73. Pou eksplore plis relasyon ki genyen ant modèl presipitasyon ak fòs mekanik, yo rekòmande etid MICP lè l sèvi avèk imaj µCT, ki depase sijè etid sa a (sa vle di, prezante diferan konbinezon sous kalsyòm ak bakteri pou MICP san amonyak).
CaCO3 te pwovoke lyezon aktif ak inaktif nan echantiyon trete ak (a) konpozisyon AS ak (b) konpozisyon FS epi li te kite yon anprent selil bakteri sou sediman an.
Jan yo montre nan Figi 14j-o ak 15b, gen yon fim CaCO3 (dapre analiz EDX la, konpozisyon pousantaj chak eleman nan fim nan se kabòn 11%, oksijèn 46.62% ak kalsyòm 42.39%, ki trè pre pousantaj CaCO3 nan Figi 16 la). Fim sa a kouvri kristal vaterit yo ak patikil tè yo, sa ede kenbe entegrite sistèm tè-sediman an. Prezans fim sa a te obsève sèlman nan echantiyon yo te trete ak fòmilasyon ki baze sou fòmat la.
Tablo 2 konpare fòs sifas, vitès detachman papòt, ak kontni CaCO3 byopwovoke nan tè trete ak chemen MICP ki degrade ure ak ki pa degrade ure nan etid anvan yo ak etid sa a. Etid sou rezistans ewozyon van nan echantiyon din ki trete ak MICP yo limite. Meng et al. te envestige rezistans ewozyon van nan echantiyon din ki degrade ure trete ak MICP lè l sèvi avèk yon souflè fèy,13 tandiske nan etid sa a, echantiyon din ki pa degrade ure (osi byen ke kontwòl ki degrade ure) yo te teste nan yon tinèl van epi yo te trete ak kat konbinezon diferan bakteri ak sibstans.
Jan nou ka wè, gen kèk etid anvan ki te konsidere gwo pousantaj aplikasyon ki depase 4 L/m213,41,74. Li enpòtan pou note ke gwo pousantaj aplikasyon yo ka pa fasil pou aplike nan jaden an nan yon pwen de vi ekonomik akòz depans ki asosye ak rezèv dlo, transpò ak aplikasyon gwo volim dlo. Pousantaj aplikasyon ki pi ba tankou 1.62-2 L/m2 te reyalize tou yon fòs sifas ki jistis bon jiska 190 kPa ak yon TDV ki depase 25 m/s. Nan etid sa a, dun ki trete ak MICP ki baze sou fòmat san degradasyon ure te reyalize gwo fòs sifas ki te konparab ak sa yo ki te jwenn ak chemen degradasyon ure a nan menm seri pousantaj aplikasyon yo (sa vle di, echantiyon trete ak MICP ki baze sou fòmat san degradasyon ure te kapab reyalize tou menm seri valè fòs sifas yo jan Meng et al. rapòte, 13, Figi 13a) nan pousantaj aplikasyon ki pi wo. Nou ka wè tou ke nan yon to aplikasyon 2 L/m2, sede kabonat kalsyòm pou diminye ewozyon van nan yon vitès van 25 m/s te 2.25% pou MICP ki baze sou fòmat san degradasyon ure, ki trè pre kantite CaCO3 ki nesesè a (sa vle di 2.41%) konpare ak din ki trete ak MICP kontwòl la ak degradasyon ure nan menm to aplikasyon an ak menm vitès van an (25 m/s).
Kidonk, nou ka konkli apati tablo sa a ke tou de chemen degradasyon ure a ak chemen degradasyon san ure a ka bay pèfòmans byen akseptab an tèm de rezistans sifas ak TDV. Diferans prensipal la se ke chemen degradasyon san ure a pa gen amonyak e pakonsekan li gen yon pi ba enpak sou anviwònman an. Anplis de sa, metòd MICP ki baze sou fòmat san degradasyon ure ki pwopoze nan etid sa a sanble pi pèfòme pase metòd MICP ki baze sou asetat san degradasyon ure a. Malgre ke Mohebbi et al. te etidye metòd MICP ki baze sou asetat san degradasyon ure a, etid yo a te enkli echantiyon sou sifas plat9. Akòz pi gwo degre ewozyon ki koze pa fòmasyon toubiyon alantou echantiyon din yo ak tayisman ki soti a, ki lakòz yon TDV ki pi ba, yo prevwa ewozyon van echantiyon din yo ap pi evidan pase sa ki nan sifas plat yo nan menm vitès la.