Mercés de visitar nature.com. La version del navigador qu'utilizatz a un supòrt CSS limitat. Per una melhora experiéncia, vos recomandam d'utilizar la darrièra version del navigador (o de desactivar lo mòde de compatibilitat dins Internet Explorer). En mai d'aquò, per assegurar un supòrt contunhat, aqueste sit inclurà pas d'estils o de JavaScript.
Las tempèstas de polvera representan una menaça grèva per fòrça païses del mond entièr a causa de lor impacte destructor sus l'agricultura, la santat umana, las rets de transpòrt e l'infrastructura. En consequéncia, l'erosion del vent es considerada coma un problèma global. Una de las apròchas respectuosas de l'environament per frenar l'erosion del vent es l'utilizacion de la precipitacion de carbonat inducha pels microbians (MICP). Pasmens, los sosproduches del MICP basat sus la degradacion d'urèa, coma l'amoniac, son pas ideals quand son produches en grandas quantitats. Aqueste estudi presenta doas formulacions de bacterias de format de calci per la degradacion de MICP sens produire d'urèa e compara completament lor performància amb doas formulacions de bacterias d'acetat de calci non productors d'amoniac. Las bacterias consideradas son Bacillus subtilis e Bacillus amyloliquefaciens. D'en primièr, las valors optimizadas dels factors que contraròtlan la formacion de CaCO3 foguèron determinadas. De tèsts de tunèls de vent foguèron alara menats sus de mòstras de dunas de sabla tractadas amb las formulacions optimizadas, e la resisténcia a l'erosion del vent, la velocitat de lindal de despolhament, e la resisténcia al bombardament de sabla foguèron mesuradas. Los allomorfs de carbonat de calci (CaCO3) foguèron avalorats en utilizant la microscopia optica, la microscopia electronica d'escanatge (SEM) e l'analisi de difraccion de rais X. Las formulacions a basa de format de calci faguèron plan melhor que las formulacions a basa d'acetat en tèrmes de formacion de carbonat de calci. De mai, B. subtilis produsiguèt mai de carbonat de calci que B. amyloliquefaciens. Las micrografas SEM mostrèron clarament la ligason e l'estampament de bacterias activas e inactivas sul carbonat de calci causat per la sedimentacion. Totas las formulacions redusiguèron significativament l'erosion del vent.
L'erosion eoliana es estada dempuèi longtemps reconeguda coma un problèma màger qu'afrontan las regions aridas e semi-aridas coma lo sud-oèst dels Estats Units, l'oèst de China, l'Africa sahariana, e una granda part de l'Orient Mejan1. Las pluèjas bassas dins de climas arids e iper-arids an transformat de grandas partidas d'aquelas regions en desèrts, dunas de sabla, e tèrras non cultivadas. L'erosion eoliana contunhada pausa de menaças environamentalas per las infrastructuras coma los rets de transpòrt, las tèrras agricòlas e las tèrras industrialas, menant a de condicions de vida marridas e a de còstes elevats de desvolopament urban dins aquelas regions2,3,4. Importantament, l'erosion eolica impacta pas solament l'emplaçament ont se produsís, mas causa tanben de problèmas de santat e economics dins de comunautats alunhadas, ja que transporta de particulas per vent cap a de zònas luènh de la font5,6.
Lo contraròtle de l'erosion del vent demòra un problèma global. Divèrses metòdes d'estabilizacion del sòl son utilizats per contrarotlar l'erosion del vent. Aquestes metòdes incluson de materials coma l'aplicacion d'aiga7, los palhs d'òli8, los biopolimèrs5, la precipitacion de carbonat inducha per microbiana (MICP)9,10,11,12 e la precipitacion de carbonat inducha per d'enzimas (EICP)1. L'umidatge del sòl es un metòde estandard de supression de polvera dins lo camp. Pasmens, son evaporacion rapida fa d'aqueste metòde una eficacitat limitada dins de regions aridas e semi-aridas1. L'aplicacion de compausats de palhatge d'òli aumenta la coesion de la sabla e la friccion interparticulas. Lor proprietat coesiva liga los grans de sabla amassa; pasmens, los mulches d'òli pausan tanben d'autres problèmas; lor color escura aumenta l'absorpcion de calor e mena a la mòrt de las plantas e dels microorganismes. Lor odor e fums pòdon causar de problèmas respiratòris, e mai notadament, lor còst naut es un autre obstacle. Los biopolimèrs son un dels metòdes ecologics recentament prepausats per mitigar l'erosion del vent; son extraches de fonts naturalas coma de plantas, d'animals e de bacterias. La goma de xantan, la goma de guar, lo quitosan e la goma de gellan son los biopolimèrs mai utilizats dins las aplicacions d'engenharia5. Pasmens, los biopolimèrs solubles dins l'aiga pòdon pèrdre de fòrça e se lixiviar del sòl quand son expausats a l'aiga13,14. L'EICP s'es mostrat coma un metòde de supression de polvera eficaç per una varietat d'aplicacions, inclusent de rotas non pavadas, d'estanhs de residus e de chantièrs de construccion. E mai se sos resultats son encoratjants, qualques inconvenients potencials devon èsser considerats, coma lo còst e la manca de sites de nucleacion (çò qu'accelèra la formacion e la precipitacion de cristals de CaCO315,16).
MICP foguèt descrich pel primièr còp a la fin del sègle XIX per Murray e Irwin (1890) e Steinmann (1901) dins lor estudi de la degradacion de l'urea pels microorganismes marins17. MICP es un procès biologic naturalament qu'implica una varietat d'activitats microbianas e de procèsses quimics que lo carbonat de calci es precipitat per la reaccion d'ions de carbonat de metabolits microbians amb d'ions de calci dins l'environament18,19. L'MICP implicant lo cicle d'azòt degradant de l'urea (MICP degradant de l'urea) es lo tipe mai comun de precipitacion de carbonat inducha per de microbians, que l'ureasa produsida per de bacterias cataliza l'idrolisi de l'urea20,21,22,23,24,25,26,27 de la manièra seguenta:
Dins lo MICP qu'implica lo cicle de carbòni de l'oxidacion de sal organic (MICP sens tipe de degradacion d'urèa), los bactèris eterotròfs utilizan de sals organics coma l'acetat, lo lactat, lo citrat, lo succinat, l'oxalat, lo malat e lo glioxilat coma fonts d'energia per produire de minerals de carbonat28. En preséncia de lactat de calci coma font de carbòni e d'ions de calci, la reaccion quimica de la formacion de carbonat de calci es mostrada dins l'equacion (5).
Dins lo procès MICP, las cellulas bacterianas provesisson de sites de nucleacion que son particularament importants per la precipitacion del carbonat de calci; la superfícia de la cellula bacteriana es cargada negativament e pòt agir coma adsorbent pels cations divalents coma los ions de calci. En adsorbant d'ions de calci sus de cellulas bacterianas, quand la concentracion d'ions de carbonat es sufisenta, los cations de calci e los anions de carbonat reaccionan e lo carbonat de calci es precipitat sus la superfícia bacteriana29,30. Lo procès pòt èsser resumit coma seguís31,32:
Los cristals de carbonat de calci biogenerats pòdon èsser devesits en tres tipes: calcita, vaterita e aragonita. Entre eles, la calcita e la vaterita son los allomorfs de carbonat de calci induches per bacterias mai comuns33,34. La calcita es l'allomorf35 de carbonat de calci mai termodinamicament estable. E mai se la vaterita es estada reportada coma metastable, se transforma fin finala en calcita36,37. La vaterita es la mai densa d'aqueles cristals. Es un cristal exagonal qu'a una melhora capacitat d'emplenatge de pòrs que d'autres cristals de carbonat de calci a causa de sa talha mai granda38. Tant lo MICP degradat per urèa coma lo MICP non degradat per urèa pòt menar a la precipitacion de vaterita13,39,40,41.
E mai se MICP a mostrat un potencial prometeire per estabilizar los sòls problematics e los sòls susceptibles a l'erosion del vent42,43,44,45,46,47,48, un dels sosproduches de l'idrolisi d'urèa es l'amoniac, que pòt causar de problèmas de santat leugièrs a ​​grèus segon lo nivèl d'exposicion49. Aqueste efièch secundari rend l'utilizacion d'aquela tecnologia particulara polemica, mai que mai quand de grandas zònas an de besonh d'èsser tractadas, coma per la supression de la posca. De mai, l'odor de l'amoniac es intolerabla quand lo procès es realizat a de tausses d'aplicacion elevats e de volums grands, çò que pòt afectar son aplicabilitat practica. E mai se d'estudis recents an mostrat que los ions d'amòni pòdon èsser redusits ​​en los convertissent en d'autres produches coma l'estruvita, aqueles metòdes eliminan pas completament los ions d'amoni50. Doncas, i a encara un besonh d'explorar de solucions alternativas que generen pas d'ions d'amoni. L'utilizacion de vias de degradacion non urèa per MICP pòt provesir una solucion potenciala qu'es estada mal explorada dins lo contèxte de l'atenuacion de l'erosion eoliana. Fattahi et al. investiguèt la degradacion MICP sens urèa en utilizant l'acetat de calci e Bacillus megaterium41, del temps que Mohebbi et al. utilizat acetat de calci e Bacillus amyloliquefaciens9. Pasmens, lor estudi foguèt pas comparat amb d'autras fonts de calci e de bacterias eterotrofas que poirián finalament melhorar la resisténcia a l'erosion del vent. I a tanben una manca de literatura que compara las vias de degradacion sens urèa amb las vias de degradacion d'urèa dins l'atenuacion de l'erosion eoliana.
De mai, la màger part dels estudis de contraròtle de l'erosion del vent e de la posca son estats menats sus de mòstras de sòl amb de superfícias planas.1,51,52,53 Pasmens, las superfícias planas son mens comunas dins la natura que los tucs e las depressions. Es per aquò que las dunas de sabla son la caracteristica del païsatge mai comuna dins las regions desèrticas.
Per superar las mancas susmencionadas, aqueste estudi aviá per objectiu d'introduire un novèl ensemble d'agents bacterians non productors d'amoniac. Per aquel objectiu, considerèrem de vias MICP non degradantas d'urèa. L'eficiéncia de doas fonts de calci (format de calci e acetat de calci) foguèt estudiada. A la coneissença dels autors, la precipitacion de carbonat en utilizant doas combinasons de fonts de calci e de bacterias (es a dire format de calci-Bacillus subtilis e format de calci-Bacillus amyloliquefaciens) es pas estada estudiada dins d'estudis precedents. La causida d'aquelei bactèris èra basada sus leis enzims que produson que catalizan l'oxidacion dau format de calci e de l'acetat de calci per formar una precipitacion de carbonat microbian. Concebèrem un estudi experimental complet per trobar los factors optimals coma lo pH, los tipes de bacterias e las fonts de calci e lors concentracions, lo rapòrt de bacterias a la solucion de font de calci e lo temps de curacion. Fin finala, l'eficacitat d'aqueste ensemble d'agents bacterians per suprimir l'erosion del vent a travèrs de la precipitacion de carbonat de calci foguèt estudiada en menant una tièra d'ensages de tunèls de vent sus de dunas de sabla per determinar la magnitud de l'erosion del vent, la velocitat de ruptura de lindal e la resisténcia al bombardament del vent de la sabla, e de mesuras de penetromètre e d'estudis de microestructuras (X-X) e d'analisi de rais X (X) microscopia electronica (SEM)) foguèron tanben realizats.
La produccion de carbonat de calci demanda d'ions de calci e d'ions de carbonat. Los ions de calci pòdon èsser obtenguts de divèrsas fonts de calci coma lo clorur de calci, l'idròxid de calci, e la polvera de lach descremat54,55. Los ions de carbonat pòdon èsser produches per divèrses metòdes microbians coma l'idrolisi d'urea e l'oxidacion aeròbica o anaeròbica de la matèria orgánica56. Dins aqueste estudi, d'ions de carbonat foguèron obtenguts a partir de la reaccion d'oxidacion de format e d'acetat. De mai, utilizèrem de sals de calci de format e d'acetat per produire de carbonat de calci pur, aital sonque CO2 e H2O foguèron obtenguts coma sosproduches. Dins aquel procès, solament una substància servís de font de calci e de font de carbonat, e pas cap d'amoniac es pas produch. Aquelas caracteristicas fan que la font de calci e lo metòde de produccion de carbonat que considerèrem fòrça prometeire.
Las reaccions correspondentas de format de calci e d'acetat de calci per formar de carbonat de calci son mostradas dins las formulas (7)-(14). Las formulas (7)-(11) mòstran que lo format de calci se dissòlv dins l'aiga per formar d'acid formic o de format. La solucion es aital una font d'ions de calci e d'idroxid liures (formulas 8 e 9). Coma resultat de l'oxidacion de l'acid formic, los atòms de carbòni dins l'acid formic son convertits en dioxid de carbòni (formula 10). Lo carbonat de calci se forma finalament (formulas 11 e 12).
De manièra similara, lo carbonat de calci es format a partir d'acetat de calci (equacions 13-15), levat que l'acid acetic o l'acetat es format al luòc de l'acid formic.
Sens la preséncia d'enzims, l'acetat e lo format pòdon pas èsser oxidats a temperatura ambienta. FDH (desidrogenasa de format) e CoA (coenzim A) catalizan l'oxidacion del format e de l'acetat per formar de dioxid de carbòni, respectivament (Eqs. 16, 17) 57, 58, 59. Divèrsas bacterias son capablas de produire aquelas enzims, e eterotròfas, a saber las bacterias de subtilis de Batil (PT Tipe Perpesian #2014) Culture Collection), tanben coneguda coma NCIMB #13061 (International Collection of Bacterias, Levadura, Fag, Plasmids, Plants Seeds and Plant Cell Tissue Cultures)) e Bacillus amyloliquefaciens (PTCC #1732, NCIMB #12077), foguèron utilizats dins aqueste estudi. Aquelas bacterias foguèron cultivadas dins un mitan que conteniá de peptona de carn (5 g/L) e d'extrach de carn (3 g/L), nomenat bolhon de nutriments (NBR) (105443 Merck).
Atal, quatre formulacions foguèron preparadas per induire la precipitacion de carbonat de calci en utilizant doas fonts de calci e doas bacterias: format de calci e Bacillus subtilis (FS), format de calci e Bacillus amyloliquefaciens (FA), acetat de calci e Bacillus subtilis (AS), e acetat de calci e Bacillus aceliquefaciens (AAA).
Dins la primièra partida del dessenh experimental, d'ensages foguèron menats per determinar la combinason optimala qu'aténher la produccion maximala de carbonat de calci. Coma los mòstras de sòl contenián de carbonat de calci, un ensemble de tèsts d'avaloracion preliminaras foguèt concebut per mesurar amb precision lo CaCO3 produsit per las diferentas combinasons, e de mesclas de mitan de cultura e de solucions de font de calci foguèron evaluadas. Per cada combinason de font de calci e de solucion de bacterias definidas çai-sus (FS, FA, AS, e AA), de factors d'optimizacion (concentracion de font de calci, temps de curacion, concentracion de solucion de bacterias mesurada per densitat optica de la solucion (OD), rapòrt font de calci a solucion de bacterias, e pH) foguèron derivats e utilizats dins lo tunèl de vent de tractament de dunas de sabla descrichs dins las pròvas seguentas.
Per cada combinason, 150 experiéncias foguèron menadas per estudiar l'efièch de la precipitacion de CaCO3 e avalorar divèrses factors, a saber la concentracion de la font de calci, lo temps de curacion, la valor OD bacteriana, lo rapòrt font de calci a la solucion bacteriana e lo pH pendent l'oxidacion aeròbica de la matèria organica (Taula 1). La gama de pH pel procès optimizat foguèt seleccionada en foncion de las corbas de creissença de Bacillus subtilis e Bacillus amyloliquefaciens per fin d'obténer una creissença mai rapida. Aquò es explicat mai en detalh dins la seccion Resultats.
Las etapas seguentas foguèron utilizadas per preparar los mòstras per la fasa d'optimizacion. La solucion MICP foguèt d'en primièr preparada en ajustant lo pH inicial del mitan de cultura e puèi autoclavada a 121 °C pendent 15 min. La soca foguèt alara inoculada dins un flux d'aire laminar e mantenguda dins una incubatritz a 30 °C e 180 rpm. Un còp que l'OD de las bacterias atenguèt lo nivèl desirat, foguèt mesclat amb la solucion de font de calci dins la proporcion desirada (Figura 1a). La solucion MICP foguèt daissada reagir e se solidificar dins una incubatritz a 220 rpm e 30 °C pendent un temps qu'atenguèt la valor cibla. Lo CaCO3 precipitat foguèt separat après centrifugacion a 6000 g pendent 5 min e puèi secat a 40 °C per preparar los mòstras pel tèst de calcimètre (Figura 1b). La precipitacion de CaCO3 foguèt alara mesurada en utilizant un calcimètre Bernard, ont la polvera de CaCO3 reagís amb HCl 1,0 N (ASTM-D4373-02) per produire de CO2, e lo volum d'aquel gas es una mesura del contengut de CaCO3 (Figura 1c). Per convertir lo volum de CO2 en contengut de CaCO3, una corba d'etalonatge foguèt generada en lavant la polvera de CaCO3 pura amb 1 N HCl e en la traçant contra lo CO2 evolucionat. La morfologia e la puretat de la polvera de CaCO3 precipitada foguèron estudiadas en utilizant l'imatgeria SEM e l'analisi XRD. Un microscòpi optic amb una amplificacion de 1000 foguèt utilizat per estudiar la formacion de carbonat de calci a l'entorn de las bacterias, la fasa del carbonat de calci format, e l'activitat de las bacterias.
Lo bacin de Dejegh es una region plan coneguda fòrça erosionada dins la província sud-oèst de Fars d'Iran, e los cercaires collectèron de mòstras de sòl erosionats pel vent de l'airal. Las mòstras foguèron presas de la superfícia del sòl per l'estudi. Los tèsts d'indicadors sus las mòstras de sòl mostrèron que lo sòl èra de sòl sablonós mal triat amb limo e èra classat coma SP-SM segon lo Sistèma de Classificacion Unificat del Sòl (USC) (Figura 2a). L'analisi XRD mostrèt que lo sòl de Dejegh èra subretot compausat de calcita e de quars (Figura 2b). De mai, l'analisi EDX mostrèt que d'autres elements coma Al, K, e Fe èran tanben presents en proporcions mai pichonas.
Per preparar las dunas de laboratòri pels tèsts d'erosion del vent, lo sòl foguèt esclafat d'una nautor de 170 mm a travèrs un embut de 10 mm de diamètre fins a una superfícia ferma, çò que resultèt en una duna tipica de 60 mm de nautor e 210 mm de diamètre. Dins la natura, lei dunas de sabla de densitat pus bassa son formadas per de processus eolians. De manièra similara, lo mòstra preparat en utilizant lo procediment susmencionat aviá la densitat relativa mai bassa, γ = 14,14 kN/m3, formant un còn de sabla depausat sus una superfícia orizontala amb un angle de repaus d'aperaquí 29,7°.
La solucion MICP optimala obtenguda dins la seccion precedenta foguèt pulverizada sus la penjal de duna a de tausses d'aplicacion de 1, 2 e 3 lm-2 e puèi los mòstras foguèron emmagazinats dins una incubadora a 30 °C (Fig. 3) pendent 9 jorns (es a dire lo temps de curacion optimal) e puèi menats per d'ensages de tunèl de vent.
Per cada tractament, quatre especimens foguèron preparats, un per mesurar lo contengut de carbonat de calci e la resisténcia de la superfícia en utilizant un penetromètre, e los tres especimens restants foguèron utilizats per d'ensages d'erosion a tres velocitats diferentas. Dins los tèsts de tunèl de vent, la quantitat d'erosion foguèt determinada a de velocitats de vent diferentas, e puèi la velocitat de ruptura de lindal per cada especimen de tractament foguèt determinada en utilizant un grafic de quantitat d'erosion vèrs la velocitat del vent. En mai dels tèsts d'erosion del vent, los especimèns tractats foguèron someses a un bombardament de sabla (es a dire, d'experiéncias de saut). Dos especimèns suplementaris foguèron preparats per aquel objectiu a de tausses d'aplicacion de 2 e 3 L m−2. L'espròva de bombardament de sabla durèt 15 min amb un flux de 120 gm−1, qu'es dins l'interval de valors seleccionadas dins d'estudis precedents60,61,62. La distància orizontala entre la boca abrasiva e la basa de duna èra de 800 mm, situada 100 mm al dessús del fons del tunèl. Aquela posicion èra fixada de tal biais que gaireben totas las particulas de sabla sautant tombèsson sus la duna.
L'assaig del tunèl de vent foguèt menat dins un tunèl de vent dobèrt amb una longor de 8 m, una largor de 0,4 m e una nautor de 1 m (Figura 4a). Lo tunèl de vent es fach de fuèlhas d'acièr galvanizat e pòt generar una velocitat de vent de fins a 25 m/s. De mai, un convertidor de frequéncia es utilizat per ajustar la frequéncia del ventilator e aumentar gradualament la frequéncia per obténer la velocitat del vent cibla. La figura 4b mòstra lo diagrama esquematic de las dunas de sabla erosionadas pel vent e lo perfil de velocitat del vent mesurat dins lo tunèl de vent.
Fin finala, per comparar los resultats de la formulacion MICP non-urealitica prepausada dins aqueste estudi amb los resultats del tèst de contraròtle MICP urealitic, de mòstras de dunas foguèron tanben preparadas e tractadas amb una solucion biologica contenent d'urèa, de clorur de calci e de Sporosarcina pasteurii (puèi que Sporosarcina pasteurii a una capacitat significativa de produire d'urèa663). La densitat optica de la solucion bacteriana èra de 1,5, e las concentracions d'urea e de clorur de calci èran de 1 M (seleccionadas en foncion de las valors recomandadas dins d'estudis precedents36,64,65). Lo mitan de cultura èra compausat de bolhon de nutriments (8 g/L) e d'urèa (20 g/L). La solucion bacteriana foguèt pulverizada sus la superfícia de la duna e daissada pendent 24 oras per l'acoblament bacterian. Après 24 oras de fixacion, una solucion de cimentacion (clorur de calci e urèa) foguèt pulverizada. Lo tèst de contraròtle MICP urealitic es nomenat UMC. Lo contengut de carbonat de calci de las mòstras de sòl tractadas urealiticament e non urealiticament foguèt obtengut per lavatge segon lo procediment prepausat per Choi et al.66
La figura 5 mòstra las corbas de creissença de Bacillus amyloliquefaciens e Bacillus subtilis dins lo mitan de cultura (solucion nutritiva) amb un interval de pH inicial de 5 a 10. Coma mostrat dins la figura, Bacillus amyloliquefaciens e Bacillus subtilis cresquèron mai rapidament a pH 6-8 e 7-9, respectivament. Doncas, aquel interval de pH foguèt adoptat dins l'estadi d'optimizacion.
Corbas de creissença de (a) Bacillus amyloliquefaciens e (b) Bacillus subtilis a de valors de pH inicialas diferentas del mitan nutritiu.
La figura 6 mòstra la quantitat de dioxid de carbòni produsida dins lo limemètre Bernard, que representa lo carbonat de calci precipitat (CaCO3). Coma un factor èra fixat dins cada combinason e los autres factors èran variats, cada punt d'aqueles grafics correspond al volum maximal de dioxid de carbòni dins aquel ensemble d'experiéncias. Coma se vei dins la figura, a mesura que la concentracion de la font de calci aumentava, la produccion de carbonat de calci aumentava. Doncas, la concentracion de la font de calci afecta dirèctament la produccion de carbonat de calci. Coma la font de calci e la font de carbòni son las meteissas (es a dire, lo format de calci e l'acetat de calci), mai d'ions de calci son liberats, mai de carbonat de calci se forma (Figura 6a). Dins las formulacions AS e AA, la produccion de carbonat de calci contunhèt d'aumentar amb lo temps de curacion creissent fins que la quantitat de precipitat foguèt gaireben invariada après 9 jorns. Dins la formulacion FA, lo taus de formacion de carbonat de calci diminuiguèt quand lo temps de curacion despassèt 6 jorns. Comparat amb d'autras formulacions, la formulacion FS mostrèt un taus de formacion de carbonat de calci relativament bas après 3 jorns (Figura 6b). Dins las formulacions FA e FS, 70% e 87% de la produccion totala de carbonat de calci foguèt obtenguda après tres jorns, del temps que dins las formulacions AA e AS, aquela proporcion èra pas qu'aperaquí 46% e 45%, respectivament. Aquò indica que la formulacion a basa d'acid formic a un taus de formacion de CaCO3 mai naut a l'estadi inicial comparat a la formulacion a basa d'acetat. Pasmens, lo taus de formacion s'alentis amb lo temps de curacion creissent. Se pòt conclure de la Figura 6c que quitament a de concentracions bacterianas al dessús d'OD1, i a pas cap de contribucion significativa a la formacion de carbonat de calci.
Cambiament de volum de CO2 (e de contengut de CaCO3 correspondent) mesurat pel calcimètre Bernard en foncion de (a) la concentracion de la font de calci, (b) lo temps de fixacion, (c) l'OD, (d) lo pH inicial, (e) lo rapòrt de la font de calci a la solucion bacteriana (per cada formulacion); e (f) quantitat maximala de carbonat de calci produsida per cada combinason de font de calci e de bacterias.
Per çò qu'es de l'efièch del pH inicial del mitan, la Figura 6d mòstra que per FA e FS, la produccion de CaCO3 atenguèt una valor maximala a pH 7. Aquesta observacion es coerenta amb d'estudis precedents que los enzims FDH son mai estables a pH 7-6,7. Pasmens, per AA e AS, la precipitacion de CaCO3 aumentèt quand lo pH despassèt 7. D'estudis precedents mostrèron tanben que l'interval de pH optimal per l'activitat de l'enzima CoA es de 8 a 9,2-6,8. En considerant que los intervals de pH optimals per l'activitat de l'enzim CoA e la creissença de B. amyloliquefaciens son (8-9.2) e (6-8), respectivament (Figura 5a), lo pH optimal de la formulacion AA es previst d'èsser de 8, e los dos intervals de pH se superpausan. Aqueste fach foguèt confirmat per d'experiéncias, coma mostrat dins la Figura 6d. Coma lo pH optimal per la creissença de B. subtilis es de 7-9 (Figura 5b) e lo pH optimal per l'activitat de l'enzima CoA es de 8-9,2, lo rendement maximal de precipitacion de CaCO3 es previst d'èsser dins l'interval de pH de 8-9, çò qu'es confirmat per la Figura 6d (es a dire, la precipitacion optimala es de pH 99). Los resultats mostrats dins la Figura 6e indican que lo rapòrt optimal de solucion de font de calci a solucion bacteriana es 1 per las solucions d'acetat e de format. Per comparason, la performància de diferentas formulacions (es a dire, AA, AS, FA, e FS) foguèt avalorada en foncion de la produccion maximala de CaCO3 dins de condicions diferentas (es a dire, concentracion de font de calci, temps de curacion, OD, rapòrt font de calci a solucion bacteriana, e pH inicial). D'entre las formulacions estudiadas, la formulacion FS aguèt la produccion de CaCO3 mai nauta, qu'èra aperaquí tres còps la de la formulacion AA (Figura 6f). Quatre experiéncias de contraròtle sens bacterias foguèron menadas per las doas fonts de calci e cap de precipitacion de CaCO3 foguèt pas observada après 30 jorns.
Las imagns d microscópia óptica d todas las formulacins mstrarn qu la vaterita fu la fas principal n la qu s formaba l carbonato d calcio (Figura 7). Los cristals de vaterita èran de forma esfèrica69,70,71. Se trobèt que lo carbonat de calci precipitava sus las cellulas bacterianas perque la superfícia de las cellulas bacterianas èra cargada negativament e podiá agir coma adsorbent pels cations divalents. Prenent la formulacion FS coma exemple dins aquel estudi, après 24 oras, lo carbonat de calci comencèt de se formar sus qualques cellulas bacterianas (Figura 7a), e après 48 oras, lo nombre de cellulas bacterianas cobèrtas de carbonat de calci aumentèt significativament. De mai, coma mostrat dins la Figura 7b, de particulas de vaterita poirián tanben èsser detectadas. Fin finala, après 72 oras, un grand nombre de bacterias semblava èsser ligadas pels cristals de vaterita, e lo nombre de particulas de vaterita aumentèt significativament (Figura 7c).
Observacions de microscopia optica de precipitacion de CaCO3 dins de composicions FS dins lo temps: (a) 24, (b) 48 e (c) 72 h.
Per estudiar mai la morfologia de la fasa precipitada, d'analisis de difraccion de rais X (XRD) e SEM de las polveras foguèron realizadas. Los espectres XRD (Fig. 8a) e las micrografas SEM (Fig. 8b, c) confirmèron la preséncia de cristals de vaterita, doncas qu'avián una forma de laituga e una correspondéncia entre los pics de vaterita e los pics de precipitat foguèt observada.
(a) Comparason dels espectres de difraccion de rais X de CaCO3 formats e de vaterita. Micrografias SEM de vaterita a (b) 1 kHz e (c) 5,27 kHz d'amplificacion, respectivament.
Los resultats dels tèsts de tunèl de vent son mostrats dins la Figura 9a, b. Se pòt veire de la Figura 9a que la velocitat d'erosion de lindal (TDV) de la sabla non tractada es d'aperaquí 4,32 m/s. A la taxa d'aplicacion de 1 l/m2 (Figura 9a), las pendas de las linhas de taus de pèrda de sòl per las fraccions FA, FS, AA e UMC son aperaquí las meteissas que per la duna non tractada. Aquò indica que lo tractament a aquel taus d'aplicacion es ineficaç e tre que la velocitat del vent despassa lo TDV, la crosta del sòl fina desapareis e lo taus d'erosion de la duna es lo meteis que per la duna non tractada. La pendència d'erosion de la fraccion AS es tanben mai bassa que la de las autras fraccions amb d'abscisas mai bassas (es a dire TDV) (Figura 9a). Las sagetas de la Figura 9b indican qu'a la velocitat maximala del vent de 25 m/s, cap d'erosion se produsiguèt pas dins las dunas tractadas a de tausses d'aplicacion de 2 e 3 l/m2. En d'autres mots, per FS, FA, AS e UMC, las dunas èran mai resistentas a l'erosion del vent causada per la deposicion de CaCO3 als tausses d'aplicacion de 2 e 3 l/m2 qu'a la velocitat maximala del vent (es a dire 25 m/s). Atal, la valor TDV de 25 m/s obtenguda dins aqueles tèsts es lo limit inferior pels tausses d'aplicacion mostrats dins la Figura 9b, levat pel cas d'AA, ont lo TDV es gaireben egal a la velocitat maximala del tunèl de vent.
Test d'erosion eoliana (a) Pèrda de pes fàcia a la velocitat del vent (taus d'aplicacion 1 l/m2), (b) Velocitat de desgarrament de lindal fàcia a la velocitat d'aplicacion e formulacion (CA per l'acetat de calci, CF pel format de calci).
La figura 10 mòstra l'erosion de superfícia de las dunas de sabla tractadas amb de formulacions diferentas e de tausses d'aplicacion après l'espròva de bombardament de sabla e los resultats quantitatius son mostrats dins la figura 11. Lo cas non tractat es pas mostrat perque mostrèt pas cap de resisténcia e foguèt completament erosionat (pèrda de massa totala) pendent l'ensag de bombardament de sabla. Es clar de la Figura 11 que la mòstra tractada amb de biocomposicion AA perdèt 83,5% de son pes al taus d'aplicacion de 2 l/m2 del temps que totes los autres mòstras mostrèron mens de 30% d'erosion pendent lo procès de bombardament de sabla. Quand lo taus d'aplicacion foguèt aumentat a 3 l/m2, totes los mòstras tractats perdèron mens de 25% de lor pes. A las doas taxas d'aplicacion, lo compausat FS mostrèt la melhora resisténcia al bombardament de sabla. La resisténcia maximala e minimala al bombardament dins los mòstras tractats amb FS e AA pòt èsser atribuida a lor precipitacion maximala e minimala de CaCO3 (Figura 6f).
Resultats de bombardament de dunas de sabla de diferentas composicions a de caudals de 2 e 3 l/m² (las sagetas indican la direccion del vent, las croses indican la direccion del vent perpendiculara al plan del dessenh).
Coma mostrat dins la Figura 12, lo contengut de carbonat de calci de totas las formulas aumentèt a mesura que lo taus d'aplicacion aumentava de 1 L/m2 a 3 L/m2. De mai, a totes los tausses d'aplicacion, la formula amb lo contengut de carbonat de calci mai naut èra FS, seguit de FA e UMC. Aquò suggerís qu'aquelas formulas pòdon aver una resisténcia de superfícia mai nauta.
La figura 13a mòstra lo cambiament de resisténcia de superfícia de mòstras de sòl non tractats, de contraròtle e tractats mesurats per tèst de permeamètre. A partir d'aquela figura, es evident que la resisténcia de superfícia de las formulacions UMC, AS, FA e FS aumentèt significativament amb l'aument del taus d'aplicacion. Pasmens, l'aument de la resisténcia de la superfícia èra relativament pichon dins la formulacion AA. Coma mostrat dins la figura, las formulacions FA e FS de MICP non degradat per urèa an una melhora permeabilitat de superfícia comparada a MICP degradat per urèa. La figura 13b mòstra lo cambiament de TDV amb la resisténcia de la superfícia del sòl. D'aquela figura, es clarament evident que per las dunas amb una resisténcia de superfícia superiora a 100 kPa, la velocitat de despolhament de lindal despassarà 25 m/s. Coma la resisténcia de superfícia in situ pòt èsser aisidament mesurada per permeamètre, aquela coneissença pòt ajudar a estimar TDV en l'abséncia de tèst de tunèl de vent, en servissent aital d'indicador de contraròtle de qualitat per d'aplicacions de camp.
Los resultats del SEM son mostrats dins la Figura 14. Las figuras 14a-b mòstran las particulas agrandidas del mòstra de sòl non tractat, çò qu'indica clarament qu'es coesiva e qu'a pas cap de ligam natural o de cimentacion. La figura 14c mòstra la micrografia SEM de la mòstra de contraròtle tractada amb MICP degradat per urèa. Aquesta imatge mòstra la preséncia de precipitats de CaCO3 coma de polimorfs de calcita. Coma mostrat dins las figuras 14d-o, lo CaCO3 precipitat liga las particulas amassa; de cristals de vaterita esferics pòdon tanben èsser identificats dins las micrografas SEM. Los resultats d'aqueste estudi e d'estudis precedents indican que los ligams CaCO3 formats coma de polimorfs de vaterita pòdon tanben provesir una resisténcia mecanica rasonabla; nòstres resultats mòstran que la resisténcia de superfícia aumenta a 350 kPa e la velocitat de separacion de lindal aumenta de 4,32 a mai de 25 m/s. Aqueste resultat es coerent amb los resultats d'estudis precedents que la matriça de CaCO3 precipitat per MICP es vaterita, qu'a una resisténcia mecanica rasonabla e una resisténcia a l'erosion del vent13,40 e pòt manténer una resisténcia a l'erosion del vent rasonabla quitament après 180 jorns d'exposicion a de condicions environamentalas del camp13.
(a, b) Micrografias SEM de sòl non tractat, (c) contraròtle de degradacion d'urèa MICP, (df) mòstras tractadas amb AA, (gi) mòstras tractadas amb AS, (jl) mòstras tractadas amb FA, e (mo) mòstras tractadas amb FS a un taus d'aplicacion de 3 L/m2 a d'amplificacions diferentas.
La figura 14d-f mòstra qu'après lo tractament amb de compausats AA, lo carbonat de calci foguèt precipitat sus la superfícia e entre los grans de sabla, del temps que qualques grans de sabla non revestits foguèron tanben observats. Pels compausants AS, e mai se la quantitat de CaCO3 formada aumentèt pas significativament (Fig. 6f), la quantitat de contactes entre de grans de sabla causats per CaCO3 aumentèt significativament comparat amb los compausats AA (Fig. 14g-i).
A partir de las Figuras 14j-l e 14m-o es clar que l'utilizacion del format de calci coma font de calci mena a un aument suplementari de la precipitacion de CaCO3 comparat al compausat AS, çò qu'es coerent amb las mesuras del calcimètre dins la Figura 6f. Aqueste CaCO3 suplementari sembla èsser subretot depausat sus las particulas de sabla e melhora pas necessàriament la qualitat del contacte. Aquò confirma lo comportament observat prèviament: malgrat las diferéncias dins la quantitat de precipitacion de CaCO3 (Figura 6f), las tres formulacions (AS, FA e FS) diferís pas significativament en tèrmes de performància antieoliana (vent) (Figura 11) e de resisténcia de superfícia (Figura 13a).
Per melhor visualizar las cellulas bacterianas recobertas de CaCO3 e l'emprenta bacteriana suls cristals precipitats, de micrografas SEM d'amplificacion nauta foguèron presas e los resultats son mostrats dins la Figura 15. Coma mostrat, lo carbonat de calci precipita sus las cellulas bacterianas e provesís los nuclèus requerits per la precipitacion ailà. La figura representa tanben los ligams actius e inactius induches per CaCO3. Se pòt conclure que tota aumentacion dels ligams inactius mena pas necessàriament a una melhoracion suplementària del comportament mecanic. Doncas, l'aumentacion de la precipitacion de CaCO3 mena pas necessàriament a una resisténcia mecanica mai nauta e lo modèl de precipitacion jòga un ròtle important. Aqueste punt es estat tanben estudiat dins los trabalhs de Terzis e Laloui72 e Soghi e Al-Kabani45,73. Per explorar mai la relacion entre lo modèl de precipitacion e la resisténcia mecanica, d'estudis MICP utilizant l'imatgeria μCT son recomandats, çò qu'es fòra de l'encastre d'aqueste estudi (es a dire, introduire de combinasons diferentas de font de calci e de bacterias per MICP sens amoniac).
CaCO3 induguèt de ligams actius e inactius dins de mòstras tractadas amb (a) composicion AS e (b) composicion FS e daissèt una emprenta de cellulas bacterianas sul sediment.
Coma mostrat dins las Figuras 14j-o e 15b, i a un film de CaCO (segon l'analisi EDX, la composicion percentuala de cada element dins lo film es de carbòni 11%, d'oxigèn 46,62% e de calci 42,39%, çò qu'es fòrça pròche del percentatge de CaCO dins la Figura 16). Aqueste filme cobrís los cristals de vaterita e las particulas del sòl, en ajudant a manténer l'integritat del sistèma sòl-sediment. La preséncia d'aqueste filme foguèt observada sonque dins los mòstras tractats amb la formulacion a basa de format.
Lo tablèu 2 compara la resisténcia de la superfícia, la velocitat de destacament de lindal, e lo contengut de CaCO3 bioinduch dels sòls tractats amb de vias MICP degradantas per urèa e non degradantas per urèa dins d'estudis precedents e aqueste estudi. Los estudis sus la resisténcia a l'erosion del vent de las mòstras de dunas tractadas amb MICP son limitats. Meng et al. investiguèt la resisténcia a l'erosion del vent de las mòstras de dunas degradantas d'urea tractadas amb MICP en utilizant un bufaire de fuèlhas,13 alara que dins aqueste estudi, de mòstras de dunas non degradantas d'urea (e tanben de contraròtles degradants d'urea) foguèron testadas dins un tunèl de vent e tractadas amb quatre combinasons diferentas de bacterias e de substàncias.
Coma se pòt veire, qualques estudis precedents an considerat de tausses d'aplicacion nauts que despassan 4 L/m213,41,74. Es de notar que los tausses d'aplicacion nauts pòdon pas èsser aisidament aplicables sul camp d'un punt de vista economic a causa dels còstes associats a l'avitalhament d'aiga, al transpòrt e a l'aplicacion de grands volums d'aiga. De tausses d'aplicacion mai bas coma 1,62-2 L/m2 atenguèron tanben de resisténcias de superfícia pro bonas de fins a 190 kPa e TDV despassant 25 m/s. Dins l'estudi present, las dunas tractadas amb MICP a basa de format sens degradacion d'urèa atenguèron de nautas resisténcias de superfícia qu'èran comparablas a aquelas obtengudas amb la via de degradacion d'urèa dins la meteissa gama de tausses d'aplicacion (es a dire, las mòstras tractadas amb MICP a basa de format sens degradacion d'urèa foguèron tanben capablas d'aténher la meteissa gama de valors de resisténcia de superfícia que raportèron Mestreng et al. 13, Figura 13a) a de tausses d'aplicacion mai nauts. Se pòt tanben veire qu'al taus d'aplicacion de 2 L/m2, lo rendement de carbonat de calci per l'atenuacion de l'erosion del vent a una velocitat del vent de 25 m/s èra de 2,25% pel MICP basat sus format sens degradacion d'urèa, çò qu'es fòrça pròche de la quantitat requerida de CaCO3 (es a dire 2,41%) comparat als dunas tractats amb lo MICP de contraròtle amb la meteissa degradacion d'urea taus d'aplicacion e la meteissa velocitat del vent (25 m/s).
Atal, se pòt conclure d'aquela taula que tant la via de degradacion d'urèa coma la via de degradacion sens urèa pòdon provesir de performàncias pro acceptablas en tèrmes de resisténcia a la superfícia e de TDV. La diferéncia principala es que la via de degradacion sens urèa conten pas d'amoniac e a doncas un impacte environamental mai bas. De mai, lo metòde MICP basat sus format sens degradacion d'urèa prepausat dins aqueste estudi sembla foncionar melhor que lo metòde MICP basat sus acetat sens degradacion d'urèa. E mai se Mohebbi et al. estudièt lo metòde MICP basat sus l'acetat sens degradacion d'urèa, lor estudi inclusiá de mòstras sus de superfícias planas9. A causa del gra mai naut d'erosion causat per la formacion de remolins a l'entorn de las mòstras de dunas e del cisalhament resultant, que resulta en un TDV mai bas, l'erosion del vent dels mòstras de dunas es prevista per èsser mai evidenta qu'aquela de las superfícias planas a la meteissa velocitat.