Σας ευχαριστούμε που επισκεφθήκατε το nature.com. Η έκδοση του προγράμματος περιήγησης που χρησιμοποιείτε έχει περιορισμένη υποστήριξη CSS. Για την καλύτερη δυνατή εμπειρία, συνιστούμε να χρησιμοποιήσετε την πιο πρόσφατη έκδοση του προγράμματος περιήγησης (ή να απενεργοποιήσετε τη λειτουργία συμβατότητας στον Internet Explorer). Επιπλέον, για να διασφαλιστεί η συνεχής υποστήριξη, αυτός ο ιστότοπος δεν θα περιλαμβάνει στυλ ή JavaScript.
Οι καταιγίδες σκόνης αποτελούν σοβαρή απειλή για πολλές χώρες σε όλο τον κόσμο λόγω των καταστροφικών τους επιπτώσεων στη γεωργία, την ανθρώπινη υγεία, τα δίκτυα μεταφορών και τις υποδομές. Ως αποτέλεσμα, η διάβρωση από τον άνεμο θεωρείται παγκόσμιο πρόβλημα. Μία από τις φιλικές προς το περιβάλλον προσεγγίσεις για τον περιορισμό της διάβρωσης από τον άνεμο είναι η χρήση μικροβιακής επαγόμενης καθίζησης ανθρακικού άλατος (MICP). Ωστόσο, τα υποπροϊόντα της MICP με βάση την αποικοδόμηση της ουρίας, όπως η αμμωνία, δεν είναι ιδανικά όταν παράγονται σε μεγάλες ποσότητες. Αυτή η μελέτη παρουσιάζει δύο σκευάσματα βακτηρίων μυρμηκικού ασβεστίου για την αποικοδόμηση της MICP χωρίς την παραγωγή ουρίας και συγκρίνει διεξοδικά την απόδοσή τους με δύο σκευάσματα βακτηρίων οξικού ασβεστίου που δεν παράγουν αμμωνία. Τα βακτήρια που εξετάστηκαν είναι το Bacillus subtilis και το Bacillus amyloliquefaciens. Αρχικά, προσδιορίστηκαν οι βελτιστοποιημένες τιμές των παραγόντων που ελέγχουν τον σχηματισμό CaCO3. Στη συνέχεια, διεξήχθησαν δοκιμές σε αεροσήραγγα σε δείγματα αμμόλοφων που υποβλήθηκαν σε επεξεργασία με τις βελτιστοποιημένες σκευάσματα και μετρήθηκε η αντοχή στη διάβρωση από τον άνεμο, η ταχύτητα κατωφλίου απογύμνωσης και η αντοχή στον βομβαρδισμό με άμμο. Οι αλλόμορφες μορφές ανθρακικού ασβεστίου (CaCO3) αξιολογήθηκαν χρησιμοποιώντας οπτική μικροσκοπία, ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης (SEM) και ανάλυση περίθλασης ακτίνων Χ. Τα σκευάσματα με βάση το μυρμηκικό ασβέστιο είχαν σημαντικά καλύτερη απόδοση από τα σκευάσματα με βάση το οξικό ασβέστιο όσον αφορά τον σχηματισμό ανθρακικού ασβεστίου. Επιπλέον, το B. subtilis παρήγαγε περισσότερο ανθρακικό ασβέστιο από το B. amyloliquefaciens. Οι μικρογραφίες SEM έδειξαν σαφώς τη δέσμευση και την αποτύπωση ενεργών και αδρανών βακτηρίων στο ανθρακικό ασβέστιο που προκλήθηκε από την καθίζηση. Όλα τα σκευάσματα μείωσαν σημαντικά τη διάβρωση από τον άνεμο.
Η διάβρωση από τον άνεμο έχει αναγνωριστεί εδώ και καιρό ως ένα σημαντικό πρόβλημα που αντιμετωπίζουν οι άνυδρες και ημι-άνυδρες περιοχές, όπως οι νοτιοδυτικές Ηνωμένες Πολιτείες, η δυτική Κίνα, η Σαχάρα Αφρική και μεγάλο μέρος της Μέσης Ανατολής1. Οι χαμηλές βροχοπτώσεις σε άνυδρα και υπερ-άνυδρα κλίματα έχουν μετατρέψει μεγάλα τμήματα αυτών των περιοχών σε ερήμους, αμμόλοφους και ακαλλιέργητες εκτάσεις. Η συνεχιζόμενη διάβρωση από τον άνεμο αποτελεί περιβαλλοντική απειλή για τις υποδομές, όπως τα δίκτυα μεταφορών, η γεωργική γη και η βιομηχανική γη, οδηγώντας σε κακές συνθήκες διαβίωσης και υψηλό κόστος αστικής ανάπτυξης σε αυτές τις περιοχές2,3,4. Είναι σημαντικό ότι η διάβρωση από τον άνεμο όχι μόνο επηρεάζει την τοποθεσία όπου εμφανίζεται, αλλά προκαλεί και προβλήματα υγείας και οικονομίας σε απομακρυσμένες κοινότητες, καθώς μεταφέρει σωματίδια μέσω του ανέμου σε περιοχές μακριά από την πηγή5,6.
Ο έλεγχος της διάβρωσης από τον άνεμο παραμένει ένα παγκόσμιο πρόβλημα. Διάφορες μέθοδοι σταθεροποίησης του εδάφους χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο της διάβρωσης από τον άνεμο. Αυτές οι μέθοδοι περιλαμβάνουν υλικά όπως η εφαρμογή νερού7, τα ελαιοστρώματα8, τα βιοπολυμερή5, η μικροβιακή επαγόμενη καθίζηση ανθρακικού άλατος (MICP)9,10,11,12 και η ενζυμική καθίζηση ανθρακικού άλατος (EICP)1. Η διαβροχή του εδάφους είναι μια τυπική μέθοδος καταστολής της σκόνης στο χωράφι. Ωστόσο, η ταχεία εξάτμισή της καθιστά αυτή τη μέθοδο περιορισμένης αποτελεσματικότητας σε άνυδρες και ημι-άνυδρες περιοχές1. Η εφαρμογή ενώσεων ελαιοστρώματος αυξάνει τη συνοχή της άμμου και την τριβή μεταξύ των σωματιδίων. Η συνεκτική τους ιδιότητα συνδέει τους κόκκους άμμου μεταξύ τους. Ωστόσο, τα ελαιοστρώματα δημιουργούν και άλλα προβλήματα. Το σκούρο χρώμα τους αυξάνει την απορρόφηση θερμότητας και οδηγεί στον θάνατο φυτών και μικροοργανισμών. Η οσμή και οι αναθυμιάσεις τους μπορούν να προκαλέσουν αναπνευστικά προβλήματα και, κυρίως, το υψηλό κόστος τους είναι ένα άλλο εμπόδιο. Τα βιοπολυμερή είναι μια από τις πρόσφατα προτεινόμενες οικολογικές μεθόδους για τον μετριασμό της διάβρωσης από τον άνεμο. Εξάγονται από φυσικές πηγές όπως φυτά, ζώα και βακτήρια. Το ξανθανικό κόμμι, το κόμμι γκουάρ, η χιτοζάνη και το κόμμι τζελάν είναι τα πιο συχνά χρησιμοποιούμενα βιοπολυμερή σε μηχανικές εφαρμογές5. Ωστόσο, τα υδατοδιαλυτά βιοπολυμερή μπορούν να χάσουν την αντοχή τους και να διαφύγουν από το έδαφος όταν εκτίθενται σε νερό13,14. Η μέθοδος EICP έχει αποδειχθεί αποτελεσματική για την καταστολή της σκόνης σε μια ποικιλία εφαρμογών, όπως σε χωματόδρομους, σε λίμνες απορριμμάτων και σε εργοτάξια. Αν και τα αποτελέσματά της είναι ενθαρρυντικά, πρέπει να ληφθούν υπόψη ορισμένα πιθανά μειονεκτήματα, όπως το κόστος και η έλλειψη σημείων πυρήνωσης (κάτι που επιταχύνει τον σχηματισμό και την καθίζηση κρυστάλλων CaCO315,16).
Η MICP περιγράφηκε για πρώτη φορά στα τέλη του 19ου αιώνα από τους Murray και Irwin (1890) και Steinmann (1901) στη μελέτη τους για την αποικοδόμηση της ουρίας από θαλάσσιους μικροοργανισμούς17. Η MICP είναι μια φυσικώς απαντώμενη βιολογική διαδικασία που περιλαμβάνει μια ποικιλία μικροβιακών δραστηριοτήτων και χημικών διεργασιών στις οποίες το ανθρακικό ασβέστιο καθιζάνει από την αντίδραση ανθρακικών ιόντων από μικροβιακούς μεταβολίτες με ιόντα ασβεστίου στο περιβάλλον18,19. Η MICP που περιλαμβάνει τον κύκλο αζώτου που αποικοδομεί την ουρία (MICP που αποικοδομεί την ουρία) είναι ο πιο συνηθισμένος τύπος μικροβιακής επαγόμενης καθίζησης ανθρακικού άλατος, στην οποία η ουρεάση που παράγεται από βακτήρια καταλύει την υδρόλυση της ουρίας20,21,22,23,24,25,26,27 ως εξής:
Στην MICP που περιλαμβάνει τον κύκλο άνθρακα της οξείδωσης οργανικών αλάτων (MICP χωρίς τύπο αποικοδόμησης ουρίας), τα ετερότροφα βακτήρια χρησιμοποιούν οργανικά άλατα όπως οξικό, γαλακτικό, κιτρικό, ηλεκτρικό, οξαλικό, μηλικό και γλυοξυλικό ως πηγές ενέργειας για την παραγωγή ανθρακικών ορυκτών28. Παρουσία γαλακτικού ασβεστίου ως πηγής άνθρακα και ιόντων ασβεστίου, η χημική αντίδραση σχηματισμού ανθρακικού ασβεστίου φαίνεται στην εξίσωση (5).
Στη διαδικασία MICP, τα βακτηριακά κύτταρα παρέχουν θέσεις πυρήνωσης που είναι ιδιαίτερα σημαντικές για την καθίζηση του ανθρακικού ασβεστίου. Η επιφάνεια του βακτηριακού κυττάρου είναι αρνητικά φορτισμένη και μπορεί να λειτουργήσει ως προσροφητικό για δισθενή κατιόντα όπως τα ιόντα ασβεστίου. Με την προσρόφηση ιόντων ασβεστίου στα βακτηριακά κύτταρα, όταν η συγκέντρωση ανθρακικών ιόντων είναι επαρκής, τα κατιόντα ασβεστίου και τα ανθρακικά ανιόντα αντιδρούν και το ανθρακικό ασβέστιο καθιζάνει στην βακτηριακή επιφάνεια29,30. Η διαδικασία μπορεί να συνοψιστεί ως εξής31,32:
Οι βιοπαραγόμενοι κρύσταλλοι ανθρακικού ασβεστίου μπορούν να χωριστούν σε τρεις τύπους: ασβεστίτη, βατερίτη και αραγωνίτη. Μεταξύ αυτών, ο ασβεστίτης και ο βατερίτης είναι οι πιο συνηθισμένες αλλόμορφες μορφές ανθρακικού ασβεστίου που προκαλούνται από βακτήρια33,34. Ο ασβεστίτης είναι η πιο θερμοδυναμικά σταθερή αλλόμορφη μορφή ανθρακικού ασβεστίου35. Αν και ο βατερίτης έχει αναφερθεί ότι είναι μετασταθής, τελικά μετατρέπεται σε ασβεστίτη36,37. Ο βατερίτης είναι ο πυκνότερος από αυτούς τους κρυστάλλους. Είναι ένας εξαγωνικός κρύσταλλος που έχει καλύτερη ικανότητα πλήρωσης πόρων από άλλους κρυστάλλους ανθρακικού ασβεστίου λόγω του μεγαλύτερου μεγέθους του38. Τόσο η αποικοδόμηση με ουρία όσο και η μη αποικοδόμηση με ουρία MICP μπορούν να οδηγήσουν στην καθίζηση βατερίτη13,39,40,41.
Παρόλο που η MICP έχει δείξει πολλά υποσχόμενες δυνατότητες στη σταθεροποίηση προβληματικών εδαφών και εδαφών ευάλωτων στη διάβρωση από τον άνεμο42,43,44,45,46,47,48, ένα από τα υποπροϊόντα της υδρόλυσης της ουρίας είναι η αμμωνία, η οποία μπορεί να προκαλέσει ήπια έως σοβαρά προβλήματα υγείας ανάλογα με το επίπεδο έκθεσης49. Αυτή η παρενέργεια καθιστά τη χρήση αυτής της συγκεκριμένης τεχνολογίας αμφιλεγόμενη, ειδικά όταν χρειάζεται να υποστούν επεξεργασία μεγάλες περιοχές, όπως για την καταστολή της σκόνης. Επιπλέον, η οσμή της αμμωνίας είναι απαράδεκτη όταν η διαδικασία εκτελείται σε υψηλούς ρυθμούς εφαρμογής και μεγάλους όγκους, γεγονός που μπορεί να επηρεάσει την πρακτική της εφαρμογή. Αν και πρόσφατες μελέτες έχουν δείξει ότι τα ιόντα αμμωνίου μπορούν να μειωθούν μετατρέποντάς τα σε άλλα προϊόντα όπως ο στρουβίτης, αυτές οι μέθοδοι δεν απομακρύνουν πλήρως τα ιόντα αμμωνίου50. Επομένως, εξακολουθεί να υπάρχει ανάγκη να διερευνηθούν εναλλακτικές λύσεις που δεν παράγουν ιόντα αμμωνίου. Η χρήση οδών αποικοδόμησης εκτός ουρίας για την MICP μπορεί να παρέχει μια πιθανή λύση που έχει διερευνηθεί ελάχιστα στο πλαίσιο του μετριασμού της διάβρωσης από τον άνεμο. Οι Fattahi et al. διερεύνησαν την αποικοδόμηση MICP χωρίς ουρία χρησιμοποιώντας οξικό ασβέστιο και Bacillus megaterium41, ενώ οι Mohebbi et al. χρησιμοποίησαν οξικό ασβέστιο και Bacillus amyloliquefaciens9. Ωστόσο, η μελέτη τους δεν συγκρίθηκε με άλλες πηγές ασβεστίου και ετερότροφα βακτήρια που θα μπορούσαν τελικά να βελτιώσουν την αντοχή στη διάβρωση από τον άνεμο. Υπάρχει επίσης έλλειψη βιβλιογραφίας που να συγκρίνει τις οδούς αποικοδόμησης χωρίς ουρία με τις οδούς αποικοδόμησης ουρίας στον μετριασμό της διάβρωσης από τον άνεμο.
Επιπλέον, οι περισσότερες μελέτες για τη διάβρωση από τον άνεμο και τον έλεγχο της σκόνης έχουν διεξαχθεί σε δείγματα εδάφους με επίπεδες επιφάνειες.1,51,52,53 Ωστόσο, οι επίπεδες επιφάνειες είναι λιγότερο συχνές στη φύση από τους λόφους και τις κοιλότητες. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο οι αμμόλοφοι είναι το πιο συνηθισμένο χαρακτηριστικό του τοπίου στις ερημικές περιοχές.
Για να ξεπεραστούν οι προαναφερθείσες αδυναμίες, η παρούσα μελέτη στόχευε στην εισαγωγή ενός νέου συνόλου βακτηριακών παραγόντων που δεν παράγουν αμμωνία. Για τον σκοπό αυτό, εξετάσαμε τις οδούς MICP που δεν αποικοδομούν την ουρία. Διερευνήθηκε η αποτελεσματικότητα δύο πηγών ασβεστίου (μυρμηκικό ασβέστιο και οξικό ασβέστιο). Κατά την καλύτερη γνώση των συγγραφέων, η καθίζηση ανθρακικών αλάτων χρησιμοποιώντας δύο συνδυασμούς πηγών ασβεστίου και βακτηρίων (δηλαδή μυρμηκικό ασβέστιο-Bacillus subtilis και μυρμηκικό ασβέστιο-Bacillus amyloliquefaciens) δεν έχει διερευνηθεί σε προηγούμενες μελέτες. Η επιλογή αυτών των βακτηρίων βασίστηκε στα ένζυμα που παράγουν και καταλύουν την οξείδωση του μυρμηκικού ασβεστίου και του οξικού ασβεστίου για να σχηματίσουν μικροβιακή καθίζηση ανθρακικού ασβεστίου. Σχεδιάσαμε μια διεξοδική πειραματική μελέτη για να βρούμε τους βέλτιστους παράγοντες όπως το pH, τους τύπους βακτηρίων και πηγών ασβεστίου και τις συγκεντρώσεις τους, την αναλογία βακτηρίων προς διάλυμα πηγής ασβεστίου και τον χρόνο σκλήρυνσης. Τέλος, η αποτελεσματικότητα αυτού του συνόλου βακτηριακών παραγόντων στην καταστολή της διάβρωσης από τον άνεμο μέσω της καθίζησης ανθρακικού ασβεστίου διερευνήθηκε με τη διεξαγωγή μιας σειράς δοκιμών σε αεροσήραγγα σε αμμόλοφους για τον προσδιορισμό του μεγέθους της διάβρωσης από τον άνεμο, της ταχύτητας αποκόλλησης κατωφλίου και της αντοχής της άμμου στον βομβαρδισμό από τον άνεμο, ενώ πραγματοποιήθηκαν επίσης μετρήσεις με διεισδυτικό μέτρο και μικροδομικές μελέτες (π.χ. ανάλυση περίθλασης ακτίνων Χ (XRD) και ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης (SEM)).
Η παραγωγή ανθρακικού ασβεστίου απαιτεί ιόντα ασβεστίου και ανθρακικά ιόντα. Τα ιόντα ασβεστίου μπορούν να ληφθούν από διάφορες πηγές ασβεστίου, όπως χλωριούχο ασβέστιο, υδροξείδιο του ασβεστίου και σκόνη άπαχου γάλακτος54,55. Τα ανθρακικά ιόντα μπορούν να παραχθούν με διάφορες μικροβιακές μεθόδους, όπως υδρόλυση ουρίας και αερόβια ή αναερόβια οξείδωση οργανικής ύλης56. Σε αυτή τη μελέτη, τα ανθρακικά ιόντα ελήφθησαν από την αντίδραση οξείδωσης του μυρμηκικού και του οξικού άλατος. Επιπλέον, χρησιμοποιήσαμε άλατα ασβεστίου μυρμηκικού και οξικού άλατος για την παραγωγή καθαρού ανθρακικού ασβεστίου, επομένως ελήφθησαν μόνο CO2 και H2O ως παραπροϊόντα. Σε αυτή τη διαδικασία, μόνο μία ουσία χρησιμεύει ως πηγή ασβεστίου και πηγή ανθρακικού άλατος και δεν παράγεται αμμωνία. Αυτά τα χαρακτηριστικά καθιστούν τη μέθοδο παραγωγής πηγής ασβεστίου και ανθρακικού άλατος που θεωρήσαμε πολύ πολλά υποσχόμενη.
Οι αντίστοιχες αντιδράσεις του μυρμηκικού ασβεστίου και του οξικού ασβεστίου για τον σχηματισμό ανθρακικού ασβεστίου φαίνονται στους τύπους (7)-(14). Οι τύποι (7)-(11) δείχνουν ότι το μυρμηκικό ασβέστιο διαλύεται στο νερό για να σχηματίσει μυρμηκικό οξύ ή μυρμηκικό άλας. Το διάλυμα αποτελεί έτσι πηγή ελεύθερων ιόντων ασβεστίου και υδροξειδίου (τύποι 8 και 9). Ως αποτέλεσμα της οξείδωσης του μυρμηκικού οξέος, τα άτομα άνθρακα στο μυρμηκικό οξύ μετατρέπονται σε διοξείδιο του άνθρακα (τύπος 10). Τελικά σχηματίζεται ανθρακικό ασβέστιο (τύποι 11 και 12).
Ομοίως, το ανθρακικό ασβέστιο σχηματίζεται από οξικό ασβέστιο (εξισώσεις 13-15), εκτός από το ότι σχηματίζεται οξικό οξύ ή οξικό άλας αντί για μυρμηκικό οξύ.
Χωρίς την παρουσία ενζύμων, το οξικό και το μυρμηκικό άλας δεν μπορούν να οξειδωθούν σε θερμοκρασία δωματίου. Η FDH (αφυδρογονάση μυρμηκικού άλατος) και το CoA (συνένζυμο Α) καταλύουν την οξείδωση του μυρμηκικού και του οξικού άλατος για να σχηματίσουν διοξείδιο του άνθρακα, αντίστοιχα (Εξισώσεις 16, 17) 57, 58, 59. Διάφορα βακτήρια είναι ικανά να παράγουν αυτά τα ένζυμα και σε αυτή τη μελέτη χρησιμοποιήθηκαν ετερότροφα βακτήρια, συγκεκριμένα τα Bacillus subtilis (PTCC #1204 (Συλλογή Τύπων Καλλιέργειας Περσίας), επίσης γνωστό ως NCIMB #13061 (Διεθνής Συλλογή Βακτηρίων, Ζυμομυκήτων, Φαγών, Πλασμιδίων, Σπόρων Φυτών και Καλλιεργειών Ιστών Φυτικών Κυττάρων)) και Bacillus amyloliquefaciens (PTCC #1732, NCIMB #12077). Αυτά τα βακτήρια καλλιεργήθηκαν σε ένα μέσο που περιείχε πεπτόνη κρέατος (5 g/L) και εκχύλισμα κρέατος (3 g/L), που ονομάζεται θρεπτικός ζωμός (NBR) (105443 Merck).
Έτσι, παρασκευάστηκαν τέσσερα σκευάσματα για την πρόκληση καθίζησης ανθρακικού ασβεστίου χρησιμοποιώντας δύο πηγές ασβεστίου και δύο βακτήρια: μυρμηκικό ασβέστιο και Bacillus subtilis (FS), μυρμηκικό ασβέστιο και Bacillus amyloliquefaciens (FA), οξικό ασβέστιο και Bacillus subtilis (AS) και οξικό ασβέστιο και Bacillus amyloliquefaciens (AA).
Στο πρώτο μέρος του πειραματικού σχεδιασμού, διεξήχθησαν δοκιμές για να προσδιοριστεί ο βέλτιστος συνδυασμός που θα επιτύγχανε τη μέγιστη παραγωγή ανθρακικού ασβεστίου. Δεδομένου ότι τα δείγματα εδάφους περιείχαν ανθρακικό ασβέστιο, σχεδιάστηκε ένα σύνολο προκαταρκτικών δοκιμών αξιολόγησης για την ακριβή μέτρηση του CaCO3 που παράγεται από τους διαφορετικούς συνδυασμούς και αξιολογήθηκαν μείγματα διαλυμάτων καλλιεργητικού μέσου και πηγής ασβεστίου. Για κάθε συνδυασμό πηγής ασβεστίου και διαλύματος βακτηρίων που ορίστηκε παραπάνω (FS, FA, AS και AA), προέκυψαν παράγοντες βελτιστοποίησης (συγκέντρωση πηγής ασβεστίου, χρόνος σκλήρυνσης, συγκέντρωση διαλύματος βακτηρίων που μετρήθηκε με την οπτική πυκνότητα του διαλύματος (OD), αναλογία πηγής ασβεστίου προς διάλυμα βακτηρίων και pH) και χρησιμοποιήθηκαν στις δοκιμές αεροσήραγγας επεξεργασίας αμμόλοφων που περιγράφονται στις επόμενες ενότητες.
Για κάθε συνδυασμό, διεξήχθησαν 150 πειράματα για να μελετηθεί η επίδραση της καθίζησης CaCO3 και να αξιολογηθούν διάφοροι παράγοντες, δηλαδή η συγκέντρωση πηγής ασβεστίου, ο χρόνος σκλήρυνσης, η τιμή OD των βακτηρίων, η αναλογία πηγής ασβεστίου προς βακτηριακό διάλυμα και το pH κατά την αερόβια οξείδωση της οργανικής ύλης (Πίνακας 1). Το εύρος pH για τη βελτιστοποιημένη διαδικασία επιλέχθηκε με βάση τις καμπύλες ανάπτυξης των Bacillus subtilis και Bacillus amyloliquefaciens, προκειμένου να επιτευχθεί ταχύτερη ανάπτυξη. Αυτό εξηγείται λεπτομερέστερα στην ενότητα Αποτελέσματα.
Τα ακόλουθα βήματα χρησιμοποιήθηκαν για την προετοιμασία των δειγμάτων για τη φάση βελτιστοποίησης. Το διάλυμα MICP παρασκευάστηκε αρχικά ρυθμίζοντας το αρχικό pH του μέσου καλλιέργειας και στη συνέχεια αποστειρώθηκε σε αυτόκλειστο στους 121 °C για 15 λεπτά. Το στέλεχος στη συνέχεια εμβολιάστηκε σε στρωτή ροή αέρα και διατηρήθηκε σε αναδευόμενο επωαστήρα στους 30 °C και 180 rpm. Μόλις η οπτική πυκνότητα των βακτηρίων έφτασε στο επιθυμητό επίπεδο, αναμίχθηκε με το διάλυμα πηγής ασβεστίου στην επιθυμητή αναλογία (Σχήμα 1α). Το διάλυμα MICP αφέθηκε να αντιδράσει και να στερεοποιηθεί σε αναδευόμενο επωαστήρα στις 220 rpm και 30 °C για χρόνο που έφτασε στην τιμή-στόχο. Το κατακρημνισμένο CaCO3 διαχωρίστηκε μετά από φυγοκέντρηση στα 6000 g για 5 λεπτά και στη συνέχεια ξηράνθηκε στους 40 °C για την προετοιμασία των δειγμάτων για τη δοκιμή ασβεστόμετρου (Σχήμα 1β). Η καθίζηση του CaCO3 μετρήθηκε στη συνέχεια χρησιμοποιώντας ένα ασβεστόμετρο Bernard, όπου η σκόνη CaCO3 αντιδρά με 1,0 N HCl (ASTM-D4373-02) για να παράγει CO2, και ο όγκος αυτού του αερίου είναι ένα μέτρο της περιεκτικότητας σε CaCO3 (Σχήμα 1γ). Για τη μετατροπή του όγκου του CO2 σε περιεκτικότητα σε CaCO3, δημιουργήθηκε μια καμπύλη βαθμονόμησης πλένοντας καθαρή σκόνη CaCO3 με 1 N HCl και απεικονίζοντάς την σε σχέση με το εκλυόμενο CO2. Η μορφολογία και η καθαρότητα της καθιζάνουσας σκόνης CaCO3 διερευνήθηκαν χρησιμοποιώντας απεικόνιση SEM και ανάλυση XRD. Χρησιμοποιήθηκε οπτικό μικροσκόπιο με μεγέθυνση 1000 για τη μελέτη του σχηματισμού ανθρακικού ασβεστίου γύρω από τα βακτήρια, της φάσης του σχηματιζόμενου ανθρακικού ασβεστίου και της δραστηριότητας των βακτηρίων.
Η λεκάνη Dejegh είναι μια γνωστή περιοχή με έντονη διάβρωση στη νοτιοδυτική επαρχία Fars του Ιράν, και οι ερευνητές συνέλεξαν δείγματα εδάφους που είχαν διαβρωθεί από τον άνεμο από την περιοχή. Τα δείγματα ελήφθησαν από την επιφάνεια του εδάφους για τη μελέτη. Οι δοκιμές δεικτών στα δείγματα εδάφους έδειξαν ότι το έδαφος ήταν αμμώδες έδαφος με κακή διαλογή και ιλύς και ταξινομήθηκε ως SP-SM σύμφωνα με το Ενοποιημένο Σύστημα Ταξινόμησης Εδάφους (USC) (Σχήμα 2α). Η ανάλυση XRD έδειξε ότι το έδαφος Dejegh αποτελούνταν κυρίως από ασβεστίτη και χαλαζία (Σχήμα 2β). Επιπλέον, η ανάλυση EDX έδειξε ότι και άλλα στοιχεία όπως το Al, το K και ο Fe ήταν επίσης παρόντα σε μικρότερες αναλογίες.
Για την προετοιμασία των εργαστηριακών αμμόλοφων για δοκιμές διάβρωσης από τον άνεμο, το έδαφος συνθλίφθηκε από ύψος 170 mm μέσω χωνιού διαμέτρου 10 mm σε μια σκληρή επιφάνεια, με αποτέλεσμα έναν τυπικό αμμόλοφο ύψους 60 mm και διαμέτρου 210 mm. Στη φύση, οι αμμόλοφοι με τη χαμηλότερη πυκνότητα σχηματίζονται με αιολικές διεργασίες. Ομοίως, το δείγμα που παρασκευάστηκε χρησιμοποιώντας την παραπάνω διαδικασία είχε τη χαμηλότερη σχετική πυκνότητα, γ = 14,14 kN/m³, σχηματίζοντας έναν κώνο άμμου που εναποτέθηκε σε οριζόντια επιφάνεια με γωνία ηρεμίας περίπου 29,7°.
Το βέλτιστο διάλυμα MICP που ελήφθη στην προηγούμενη ενότητα ψεκάστηκε στην πλαγιά των αμμόλοφων με ρυθμούς εφαρμογής 1, 2 και 3 lm-2 και στη συνέχεια τα δείγματα αποθηκεύτηκαν σε επωαστήρα στους 30 °C (Εικ. 3) για 9 ημέρες (δηλαδή ο βέλτιστος χρόνος σκλήρυνσης) και στη συνέχεια ελήφθησαν για δοκιμή σε αεροσήραγγα.
Για κάθε επεξεργασία, παρασκευάστηκαν τέσσερα δείγματα, το ένα για τη μέτρηση της περιεκτικότητας σε ανθρακικό ασβέστιο και της επιφανειακής αντοχής χρησιμοποιώντας ένα διεισδυτικό μετρητή, και τα υπόλοιπα τρία δείγματα χρησιμοποιήθηκαν για δοκιμές διάβρωσης σε τρεις διαφορετικές ταχύτητες. Στις δοκιμές σε αεροσήραγγα, η ποσότητα της διάβρωσης προσδιορίστηκε σε διαφορετικές ταχύτητες ανέμου και στη συνέχεια προσδιορίστηκε η ταχύτητα αποκόλλησης κατωφλίου για κάθε δείγμα επεξεργασίας χρησιμοποιώντας ένα διάγραμμα της ποσότητας διάβρωσης σε σχέση με την ταχύτητα του ανέμου. Εκτός από τις δοκιμές διάβρωσης από τον άνεμο, τα επεξεργασμένα δείγματα υποβλήθηκαν σε βομβαρδισμό με άμμο (δηλαδή, πειράματα αναπήδησης). Δύο επιπλέον δείγματα παρασκευάστηκαν για τον σκοπό αυτό με ρυθμούς εφαρμογής 2 και 3 L m−2. Η δοκιμή βομβαρδισμού με άμμο διήρκεσε 15 λεπτά με ροή 120 gm−1, η οποία βρίσκεται εντός του εύρους τιμών που επιλέχθηκαν σε προηγούμενες μελέτες60,61,62. Η οριζόντια απόσταση μεταξύ του ακροφυσίου λείανσης και της βάσης του αμμόλοφου ήταν 800 mm, τοποθετημένη 100 mm πάνω από τον πυθμένα της σήραγγας. Αυτή η θέση ρυθμίστηκε έτσι ώστε σχεδόν όλα τα σωματίδια άμμου που αναπήδησαν να έπεσαν στον αμμόλοφο.
Η δοκιμή σε αεροσήραγγα διεξήχθη σε ανοιχτή αεροσήραγγα μήκους 8 m, πλάτους 0,4 m και ύψους 1 m (Σχήμα 4α). Η αεροσήραγγα είναι κατασκευασμένη από γαλβανισμένα χαλύβδινα φύλλα και μπορεί να παράγει ταχύτητα ανέμου έως και 25 m/s. Επιπλέον, χρησιμοποιείται μετατροπέας συχνότητας για τη ρύθμιση της συχνότητας του ανεμιστήρα και τη σταδιακή αύξηση της συχνότητας για την επίτευξη της ταχύτητας ανέμου-στόχου. Το Σχήμα 4β δείχνει το σχηματικό διάγραμμα των αμμόλοφων που έχουν διαβρωθεί από τον άνεμο και το προφίλ ταχύτητας ανέμου που μετρήθηκε στην αεροσήραγγα.
Τέλος, για να συγκριθούν τα αποτελέσματα της μη ουραλυτικής σύνθεσης MICP που προτάθηκε σε αυτή τη μελέτη με τα αποτελέσματα της δοκιμής ελέγχου ουραλυτικού MICP, παρασκευάστηκαν επίσης δείγματα αμμόλοφων και υποβλήθηκαν σε επεξεργασία με ένα βιολογικό διάλυμα που περιείχε ουρία, χλωριούχο ασβέστιο και Sporosarcina pasteurii (καθώς η Sporosarcina pasteurii έχει σημαντική ικανότητα παραγωγής ουρεάσης63). Η οπτική πυκνότητα του βακτηριακού διαλύματος ήταν 1,5 και οι συγκεντρώσεις ουρίας και χλωριούχου ασβεστίου ήταν 1 M (επιλέχθηκαν με βάση τις τιμές που συνιστώνται σε προηγούμενες μελέτες36,64,65). Το μέσο καλλιέργειας αποτελούνταν από θρεπτικό ζωμό (8 g/L) και ουρία (20 g/L). Το βακτηριακό διάλυμα ψεκάστηκε στην επιφάνεια του αμμόλοφου και αφέθηκε για 24 ώρες για βακτηριακή προσκόλληση. Μετά από 24 ώρες προσκόλλησης, ψεκάστηκε ένα διάλυμα τσιμέντου (χλωριούχο ασβέστιο και ουρία). Η δοκιμή ελέγχου ουραλυτικού MICP αναφέρεται εφεξής ως UMC. Η περιεκτικότητα σε ανθρακικό ασβέστιο των δειγμάτων εδάφους που υποβλήθηκαν σε ουραλυτική και μη ουραλυτική επεξεργασία ελήφθη με πλύσιμο σύμφωνα με τη διαδικασία που προτάθηκε από τους Choi et al.66
Το Σχήμα 5 δείχνει τις καμπύλες ανάπτυξης των Bacillus amyloliquefaciens και Bacillus subtilis στο μέσο καλλιέργειας (θρεπτικό διάλυμα) με αρχικό εύρος pH από 5 έως 10. Όπως φαίνεται στο σχήμα, τα Bacillus amyloliquefaciens και Bacillus subtilis αναπτύχθηκαν ταχύτερα σε pH 6-8 και 7-9, αντίστοιχα. Επομένως, αυτό το εύρος pH υιοθετήθηκε στο στάδιο βελτιστοποίησης.
Καμπύλες ανάπτυξης των (α) Bacillus amyloliquefaciens και (β) Bacillus subtilis σε διαφορετικές αρχικές τιμές pH του θρεπτικού μέσου.
Το Σχήμα 6 δείχνει την ποσότητα διοξειδίου του άνθρακα που παράγεται στο ασβεστόμετρο Bernard, το οποίο αντιπροσωπεύει το ιζηματοποιημένο ανθρακικό ασβέστιο (CaCO3). Δεδομένου ότι ένας παράγοντας ήταν σταθερός σε κάθε συνδυασμό και οι άλλοι παράγοντες μεταβλήθηκαν, κάθε σημείο σε αυτά τα γραφήματα αντιστοιχεί στον μέγιστο όγκο διοξειδίου του άνθρακα σε αυτό το σύνολο πειραμάτων. Όπως φαίνεται στο σχήμα, καθώς αυξανόταν η συγκέντρωση της πηγής ασβεστίου, αυξανόταν και η παραγωγή ανθρακικού ασβεστίου. Επομένως, η συγκέντρωση της πηγής ασβεστίου επηρεάζει άμεσα την παραγωγή ανθρακικού ασβεστίου. Δεδομένου ότι η πηγή ασβεστίου και η πηγή άνθρακα είναι οι ίδιες (δηλαδή, μυρμηκικό ασβέστιο και οξικό ασβέστιο), όσο περισσότερα ιόντα ασβεστίου απελευθερώνονται, τόσο περισσότερο ανθρακικό ασβέστιο σχηματίζεται (Σχήμα 6α). Στις συνθέσεις AS και AA, η παραγωγή ανθρακικού ασβεστίου συνέχισε να αυξάνεται με την αύξηση του χρόνου σκλήρυνσης μέχρι που η ποσότητα του ιζήματος παρέμεινε σχεδόν αμετάβλητη μετά από 9 ημέρες. Στη σύνθεση FA, ο ρυθμός σχηματισμού ανθρακικού ασβεστίου μειώθηκε όταν ο χρόνος σκλήρυνσης ξεπέρασε τις 6 ημέρες. Σε σύγκριση με άλλες συνθέσεις, η σύνθεση FS έδειξε σχετικά χαμηλό ρυθμό σχηματισμού ανθρακικού ασβεστίου μετά από 3 ημέρες (Σχήμα 6β). Στις συνθέσεις FA και FS, το 70% και το 87% της συνολικής παραγωγής ανθρακικού ασβεστίου επιτεύχθηκε μετά από τρεις ημέρες, ενώ στις συνθέσεις AA και AS, αυτό το ποσοστό ήταν μόνο περίπου 46% και 45% αντίστοιχα. Αυτό δείχνει ότι η σύνθεση με βάση το μυρμηκικό οξύ έχει υψηλότερο ρυθμό σχηματισμού CaCO3 στο αρχικό στάδιο σε σύγκριση με τη σύνθεση με βάση το οξικό οξύ. Ωστόσο, ο ρυθμός σχηματισμού επιβραδύνεται με την αύξηση του χρόνου σκλήρυνσης. Από το Σχήμα 6c μπορεί να συναχθεί το συμπέρασμα ότι ακόμη και σε βακτηριακές συγκεντρώσεις άνω της OD1, δεν υπάρχει σημαντική συμβολή στον σχηματισμό ανθρακικού ασβεστίου.
Αλλαγή στον όγκο CO2 (και την αντίστοιχη περιεκτικότητα σε CaCO3) που μετράται από το ασβεστόμετρο Bernard ως συνάρτηση (α) της συγκέντρωσης πηγής ασβεστίου, (β) του χρόνου πήξης, (γ) της οπτικής πυκνότητας (OD), (δ) του αρχικού pH, (ε) της αναλογίας πηγής ασβεστίου προς βακτηριακό διάλυμα (για κάθε σκεύασμα) και (στ) της μέγιστης ποσότητας ανθρακικού ασβεστίου που παράγεται για κάθε συνδυασμό πηγής ασβεστίου και βακτηρίων.
Όσον αφορά την επίδραση του αρχικού pH του μέσου, το Σχήμα 6δ δείχνει ότι για τα λιπαρά οξέα (FA) και τα FS, η παραγωγή CaCO3 έφτασε σε μέγιστη τιμή σε pH 7. Αυτή η παρατήρηση είναι σύμφωνη με προηγούμενες μελέτες ότι τα ένζυμα FDH είναι πιο σταθερά σε pH 7-6,7. Ωστόσο, για τα AA και AS, η καθίζηση CaCO3 αυξήθηκε όταν το pH ξεπέρασε το 7. Προηγούμενες μελέτες έδειξαν επίσης ότι το βέλτιστο εύρος pH για τη δραστικότητα του ενζύμου CoA είναι από 8 έως 9,2-6,8. Λαμβάνοντας υπόψη ότι τα βέλτιστα εύρη pH για τη δραστικότητα του ενζύμου CoA και την ανάπτυξη του B. amyloliquefaciens είναι (8-9,2) και (6-8), αντίστοιχα (Σχήμα 5α), το βέλτιστο pH του σκευάσματος AA αναμένεται να είναι 8 και τα δύο εύρη pH επικαλύπτονται. Αυτό το γεγονός επιβεβαιώθηκε από πειράματα, όπως φαίνεται στο Σχήμα 6δ. Δεδομένου ότι το βέλτιστο pH για την ανάπτυξη του B. subtilis είναι 7-9 (Σχήμα 5b) και το βέλτιστο pH για την ενζυμική δραστικότητα CoA είναι 8-9,2, η μέγιστη απόδοση καθίζησης CaCO3 αναμένεται να είναι στην περιοχή pH 8-9, κάτι που επιβεβαιώνεται από το Σχήμα 6d (δηλαδή, το βέλτιστο pH καθίζησης είναι 9). Τα αποτελέσματα που φαίνονται στο Σχήμα 6e δείχνουν ότι η βέλτιστη αναλογία διαλύματος πηγής ασβεστίου προς βακτηριακό διάλυμα είναι 1 τόσο για τα διαλύματα οξικού όσο και για τα μυρμηκικά. Για λόγους σύγκρισης, η απόδοση διαφορετικών σκευασμάτων (δηλαδή, AA, AS, FA και FS) αξιολογήθηκε με βάση τη μέγιστη παραγωγή CaCO3 υπό διαφορετικές συνθήκες (δηλαδή, συγκέντρωση πηγής ασβεστίου, χρόνος σκλήρυνσης, OD, αναλογία πηγής ασβεστίου προς βακτηριακό διάλυμα και αρχικό pH). Μεταξύ των σκευασμάτων που μελετήθηκαν, το σκεύασμα FS είχε την υψηλότερη παραγωγή CaCO3, η οποία ήταν περίπου τριπλάσια από αυτή του σκευάσματος AA (Σχήμα 6f). Διεξήχθησαν τέσσερα πειράματα ελέγχου χωρίς βακτήρια και για τις δύο πηγές ασβεστίου και δεν παρατηρήθηκε καθίζηση CaCO3 μετά από 30 ημέρες.
Οι εικόνες οπτικής μικροσκοπίας όλων των σκευασμάτων έδειξαν ότι ο βατερίτης ήταν η κύρια φάση στην οποία σχηματίστηκε το ανθρακικό ασβέστιο (Σχήμα 7). Οι κρύσταλλοι βατερίτη είχαν σφαιρικό σχήμα69,70,71. Διαπιστώθηκε ότι το ανθρακικό ασβέστιο καθιζάνει στα βακτηριακά κύτταρα επειδή η επιφάνεια των βακτηριακών κυττάρων ήταν αρνητικά φορτισμένη και μπορούσε να λειτουργήσει ως προσροφητικό για δισθενή κατιόντα. Λαμβάνοντας ως παράδειγμα το σκεύασμα FS σε αυτή τη μελέτη, μετά από 24 ώρες, άρχισε να σχηματίζεται ανθρακικό ασβέστιο σε ορισμένα βακτηριακά κύτταρα (Σχήμα 7α) και μετά από 48 ώρες, ο αριθμός των βακτηριακών κυττάρων που ήταν επικαλυμμένα με ανθρακικό ασβέστιο αυξήθηκε σημαντικά. Επιπλέον, όπως φαίνεται στο Σχήμα 7β, μπορούσαν επίσης να ανιχνευθούν σωματίδια βατερίτη. Τέλος, μετά από 72 ώρες, ένας μεγάλος αριθμός βακτηρίων φάνηκε να είναι δεσμευμένος από τους κρυστάλλους βατερίτη και ο αριθμός των σωματιδίων βατερίτη αυξήθηκε σημαντικά (Σχήμα 7γ).
Παρατηρήσεις οπτικής μικροσκοπίας της καθίζησης CaCO3 σε συνθέσεις FS με την πάροδο του χρόνου: (α) 24, (β) 48 και (γ) 72 ώρες.
Για την περαιτέρω διερεύνηση της μορφολογίας της κατακρημνισμένης φάσης, πραγματοποιήθηκαν αναλύσεις περίθλασης ακτίνων Χ (XRD) και SEM των σκονών. Τα φάσματα XRD (Εικ. 8α) και οι μικρογραφίες SEM (Εικ. 8β, γ) επιβεβαίωσαν την παρουσία κρυστάλλων βατερίτη, καθώς είχαν σχήμα μαρουλιού και παρατηρήθηκε αντιστοιχία μεταξύ των κορυφών βατερίτη και των κορυφών του ιζήματος.
(α) Σύγκριση φασμάτων περίθλασης ακτίνων Χ του σχηματισμένου CaCO3 και του βατερίτη. Μικρογραφίες SEM του βατερίτη σε μεγέθυνση (β) 1 kHz και (γ) 5,27 kHz, αντίστοιχα.
Τα αποτελέσματα των δοκιμών σε αεροσήραγγα παρουσιάζονται στα Σχήματα 9α, β. Από το Σχήμα 9α φαίνεται ότι η ταχύτητα κατωφλίου διάβρωσης (TDV) της ακατέργαστης άμμου είναι περίπου 4,32 m/s. Με ρυθμό εφαρμογής 1 l/m² (Σχήμα 9α), οι κλίσεις των γραμμών ρυθμού απώλειας εδάφους για τα κλάσματα FA, FS, AA και UMC είναι περίπου οι ίδιες με αυτές για τον ακατέργαστο αμμόλοφο. Αυτό δείχνει ότι η επεξεργασία με αυτόν τον ρυθμό εφαρμογής είναι αναποτελεσματική και μόλις η ταχύτητα του ανέμου υπερβεί την TDV, ο λεπτός φλοιός του εδάφους εξαφανίζεται και ο ρυθμός διάβρωσης του αμμόλοφου είναι ο ίδιος με αυτόν για τον ακατέργαστο αμμόλοφο. Η κλίση διάβρωσης του κλάσματος AS είναι επίσης χαμηλότερη από αυτή των άλλων κλασμάτων με χαμηλότερες τετμημένες (δηλαδή TDV) (Σχήμα 9α). Τα βέλη στο Σχήμα 9β δείχνουν ότι στη μέγιστη ταχύτητα ανέμου 25 m/s, δεν παρατηρήθηκε διάβρωση στους επεξεργασμένους αμμόλοφους με ρυθμούς εφαρμογής 2 και 3 l/m². Με άλλα λόγια, για τις FS, FA, AS και UMC, οι αμμόλοφοι ήταν πιο ανθεκτικοί στη διάβρωση από τον άνεμο που προκαλείται από την εναπόθεση CaCO³ σε ρυθμούς εφαρμογής 2 και 3 l/m² παρά στη μέγιστη ταχύτητα ανέμου (δηλαδή 25 m/s). Έτσι, η τιμή TDV των 25 m/s που λήφθηκε σε αυτές τις δοκιμές είναι το κατώτερο όριο για τους ρυθμούς εφαρμογής που φαίνονται στο Σχήμα 9b, εκτός από την περίπτωση της AA, όπου η TDV είναι σχεδόν ίση με τη μέγιστη ταχύτητα αεροσήραγγας.
Δοκιμή διάβρωσης από τον άνεμο (α) Απώλεια βάρους έναντι της ταχύτητας του ανέμου (ποσοστό εφαρμογής 1 l/m2), (β) Ταχύτητα κατωφλίου αποκοπής έναντι του ρυθμού εφαρμογής και της σύνθεσης (CA για οξικό ασβέστιο, CF για μυρμηκικό ασβέστιο).
Το Σχήμα 10 δείχνει την επιφανειακή διάβρωση αμμόλοφων που υποβλήθηκαν σε επεξεργασία με διαφορετικά σκευάσματα και ρυθμούς εφαρμογής μετά τη δοκιμή βομβαρδισμού με άμμο και τα ποσοτικά αποτελέσματα παρουσιάζονται στο Σχήμα 11. Η περίπτωση που δεν είχε υποστεί επεξεργασία δεν παρουσιάζεται επειδή δεν έδειξε αντίσταση και διαβρώθηκε πλήρως (ολική απώλεια μάζας) κατά τη διάρκεια της δοκιμής βομβαρδισμού με άμμο. Από το Σχήμα 11 είναι σαφές ότι το δείγμα που υποβλήθηκε σε επεξεργασία με βιοσύνθεση AA έχασε το 83,5% του βάρους του με ρυθμό εφαρμογής 2 l/m2, ενώ όλα τα άλλα δείγματα έδειξαν λιγότερο από 30% διάβρωση κατά τη διάρκεια της διαδικασίας βομβαρδισμού με άμμο. Όταν ο ρυθμός εφαρμογής αυξήθηκε στα 3 l/m2, όλα τα επεξεργασμένα δείγματα έχασαν λιγότερο από 25% του βάρους τους. Και στους δύο ρυθμούς εφαρμογής, η ένωση FS έδειξε την καλύτερη αντοχή στον βομβαρδισμό με άμμο. Η μέγιστη και η ελάχιστη αντίσταση στον βομβαρδισμό στα δείγματα που υποβλήθηκαν σε επεξεργασία με FS και AA μπορούν να αποδοθούν στη μέγιστη και ελάχιστη καθίζηση CaCO3 (Σχήμα 6f).
Αποτελέσματα βομβαρδισμού αμμόλοφων διαφορετικής σύνθεσης με παροχές 2 και 3 l/m2 (τα βέλη υποδεικνύουν την κατεύθυνση του ανέμου, οι σταυροί την κατεύθυνση του ανέμου κάθετα στο επίπεδο του σχεδίου).
Όπως φαίνεται στο Σχήμα 12, η ​​περιεκτικότητα σε ανθρακικό ασβέστιο όλων των τύπων αυξήθηκε καθώς η δόση εφαρμογής αυξήθηκε από 1 L/m² σε 3 L/m². Επιπλέον, σε όλες τις δόσεις εφαρμογής, η συνταγή με την υψηλότερη περιεκτικότητα σε ανθρακικό ασβέστιο ήταν η FS, ακολουθούμενη από την FA και την UMC. Αυτό υποδηλώνει ότι αυτές οι φόρμουλες μπορεί να έχουν υψηλότερη επιφανειακή αντοχή.
Το Σχήμα 13α δείχνει την αλλαγή στην επιφανειακή αντίσταση μη επεξεργασμένων, δειγμάτων ελέγχου και επεξεργασμένων εδαφών που μετρήθηκαν με δοκιμή διαπερατότητας. Από αυτό το σχήμα, είναι προφανές ότι η επιφανειακή αντίσταση των σκευασμάτων UMC, AS, FA και FS αυξήθηκε σημαντικά με την αύξηση του ρυθμού εφαρμογής. Ωστόσο, η αύξηση στην επιφανειακή αντοχή ήταν σχετικά μικρή στη σύνθεση AA. Όπως φαίνεται στο σχήμα, τα σκευάσματα FA και FS του MICP χωρίς αποικοδόμηση ουρίας έχουν καλύτερη επιφανειακή διαπερατότητα σε σύγκριση με το MICP με αποικοδόμηση ουρίας. Το Σχήμα 13β δείχνει την αλλαγή στην TDV με την επιφανειακή αντίσταση του εδάφους. Από αυτό το σχήμα, είναι σαφώς προφανές ότι για αμμόλοφους με επιφανειακή αντίσταση μεγαλύτερη από 100 kPa, η ταχύτητα κατωφλίου απογύμνωσης θα υπερβεί τα 25 m/s. Δεδομένου ότι η επιφανειακή αντίσταση in situ μπορεί εύκολα να μετρηθεί με διαπερατότητα, αυτή η γνώση μπορεί να βοηθήσει στην εκτίμηση της TDV απουσία δοκιμών αεροσήραγγας, χρησιμεύοντας έτσι ως δείκτης ποιοτικού ελέγχου για εφαρμογές πεδίου.
Τα αποτελέσματα της SEM παρουσιάζονται στο Σχήμα 14. Τα Σχήματα 14a-b δείχνουν τα διευρυμένα σωματίδια του μη επεξεργασμένου δείγματος εδάφους, γεγονός που υποδεικνύει σαφώς ότι είναι συνεκτικό και δεν έχει φυσική σύνδεση ή συγκόλληση. Το Σχήμα 14c δείχνει τη μικρογραφία SEM του δείγματος ελέγχου που υποβλήθηκε σε επεξεργασία με MICP αποικοδομημένο με ουρία. Αυτή η εικόνα δείχνει την παρουσία ιζημάτων CaCO3 ως πολυμορφών ασβεστίτη. Όπως φαίνεται στα Σχήματα 14d-o, το ιζηματοποιημένο CaCO3 συνδέει τα σωματίδια μεταξύ τους. σφαιρικοί κρύσταλλοι βατερίτη μπορούν επίσης να αναγνωριστούν στις μικρογραφίες SEM. Τα αποτελέσματα αυτής της μελέτης και προηγούμενων μελετών δείχνουν ότι οι δεσμοί CaCO3 που σχηματίζονται ως πολυμορφές βατερίτη μπορούν επίσης να παρέχουν λογική μηχανική αντοχή. Τα αποτελέσματά μας δείχνουν ότι η επιφανειακή αντίσταση αυξάνεται στα 350 kPa και η ταχύτητα διαχωρισμού κατωφλίου αυξάνεται από 4,32 σε περισσότερο από 25 m/s. Αυτό το αποτέλεσμα είναι σύμφωνο με τα αποτελέσματα προηγούμενων μελετών ότι η μήτρα του CaCO3 που κατακρημνίζεται με MICP είναι ο βατερίτης, ο οποίος έχει λογική μηχανική αντοχή και αντοχή στη διάβρωση από τον άνεμο13,40 και μπορεί να διατηρήσει λογική αντοχή στη διάβρωση από τον άνεμο ακόμη και μετά από 180 ημέρες έκθεσης σε συνθήκες περιβάλλοντος πεδίου13.
(α, β) Μικρογραφίες SEM ακατέργαστου εδάφους, (γ) έλεγχος αποικοδόμησης ουρίας MICP, (df) δείγματα επεξεργασμένα με AA, (gi) δείγματα επεξεργασμένα με AS, (jl) δείγματα επεξεργασμένα με FA και (mo) δείγματα επεξεργασμένα με FS με ρυθμό εφαρμογής 3 L/m2 σε διαφορετικές μεγεθύνσεις.
Το Σχήμα 14d-f δείχνει ότι μετά την επεξεργασία με ενώσεις ΑΑ, ανθρακικό ασβέστιο καθιζάνει στην επιφάνεια και μεταξύ των κόκκων άμμου, ενώ παρατηρήθηκαν και ορισμένοι μη επικαλυμμένοι κόκκοι άμμου. Για τα συστατικά AS, αν και η ποσότητα CaCO3 που σχηματίστηκε δεν αυξήθηκε σημαντικά (Σχήμα 6f), η ποσότητα των επαφών μεταξύ των κόκκων άμμου που προκαλείται από το CaCO3 αυξήθηκε σημαντικά σε σύγκριση με τις ενώσεις ΑΑ (Σχήμα 14g-i).
Από τα Σχήματα 14j-l και 14m-o είναι σαφές ότι η χρήση μυρμηκικού ασβεστίου ως πηγή ασβεστίου οδηγεί σε περαιτέρω αύξηση της καθίζησης CaCO3 σε σύγκριση με την ένωση AS, η οποία είναι σύμφωνη με τις μετρήσεις του μετρητή ασβεστίου στο Σχήμα 6f. Αυτό το επιπλέον CaCO3 φαίνεται να εναποτίθεται κυρίως στα σωματίδια άμμου και δεν βελτιώνει απαραίτητα την ποιότητα επαφής. Αυτό επιβεβαιώνει την προηγουμένως παρατηρούμενη συμπεριφορά: παρά τις διαφορές στην ποσότητα καθίζησης CaCO3 (Σχήμα 6f), οι τρεις συνθέσεις (AS, FA και FS) δεν διαφέρουν σημαντικά όσον αφορά την αντιαιολική (ανεμική) απόδοση (Σχήμα 11) και την επιφανειακή αντίσταση (Σχήμα 13a).
Για την καλύτερη απεικόνιση των βακτηριακών κυττάρων με επικάλυψη CaCO3 και του βακτηριακού αποτυπώματος στους καθιζάνοντες κρυστάλλους, ελήφθησαν μικρογραφίες SEM υψηλής μεγέθυνσης και τα αποτελέσματα παρουσιάζονται στο Σχήμα 15. Όπως φαίνεται, το ανθρακικό ασβέστιο καθιζάνει στα βακτηριακά κύτταρα και παρέχει τους πυρήνες που απαιτούνται για την καθίζηση εκεί. Το σχήμα απεικονίζει επίσης τους ενεργούς και ανενεργούς δεσμούς που προκαλούνται από το CaCO3. Μπορεί να συναχθεί το συμπέρασμα ότι οποιαδήποτε αύξηση στους ανενεργούς δεσμούς δεν οδηγεί απαραίτητα σε περαιτέρω βελτίωση της μηχανικής συμπεριφοράς. Επομένως, η αύξηση της καθίζησης CaCO3 δεν οδηγεί απαραίτητα σε υψηλότερη μηχανική αντοχή και το πρότυπο καθίζησης παίζει σημαντικό ρόλο. Αυτό το σημείο έχει επίσης μελετηθεί στις εργασίες των Terzis και Laloui72 και Soghi και Al-Kabani45,73. Για την περαιτέρω διερεύνηση της σχέσης μεταξύ του προτύπου καθίζησης και της μηχανικής αντοχής, συνιστώνται μελέτες MICP χρησιμοποιώντας απεικόνιση µCT, η οποία είναι πέρα ​​από το πεδίο εφαρμογής αυτής της μελέτης (δηλαδή, εισαγωγή διαφορετικών συνδυασμών πηγής ασβεστίου και βακτηρίων για MICP χωρίς αμμωνία).
Το CaCO3 προκάλεσε ενεργούς και ανενεργούς δεσμούς σε δείγματα που υποβλήθηκαν σε επεξεργασία με (α) σύνθεση AS και (β) σύνθεση FS και άφησε ένα αποτύπωμα βακτηριακών κυττάρων στο ίζημα.
Όπως φαίνεται στα Σχήματα 14j-o και 15b, υπάρχει μια μεμβράνη CaCO3 (σύμφωνα με την ανάλυση EDX, η ποσοστιαία σύνθεση κάθε στοιχείου στη μεμβράνη είναι άνθρακας 11%, οξυγόνο 46,62% και ασβέστιο 42,39%, η οποία είναι πολύ κοντά στο ποσοστό CaCO3 στο Σχήμα 16). Αυτή η μεμβράνη καλύπτει τους κρυστάλλους βατερίτη και τα σωματίδια του εδάφους, συμβάλλοντας στη διατήρηση της ακεραιότητας του συστήματος εδάφους-ιζήματος. Η παρουσία αυτής της μεμβράνης παρατηρήθηκε μόνο στα δείγματα που υποβλήθηκαν σε επεξεργασία με το σκεύασμα με βάση το μυρμηκικό άλας.
Ο Πίνακας 2 συγκρίνει την επιφανειακή αντοχή, την ταχύτητα αποκόλλησης κατωφλίου και την βιοεπαγόμενη περιεκτικότητα σε CaCO3 εδαφών που έχουν υποστεί επεξεργασία με οδούς MICP που αποικοδομούν και δεν αποικοδομούν την ουρία σε προηγούμενες μελέτες και σε αυτήν τη μελέτη. Οι μελέτες σχετικά με την αντοχή στη διάβρωση από τον άνεμο δειγμάτων αμμόλοφων που έχουν υποστεί επεξεργασία με MICP είναι περιορισμένες. Οι Meng et al. διερεύνησαν την αντοχή στη διάβρωση από τον άνεμο δειγμάτων αμμόλοφων που έχουν υποστεί επεξεργασία με MICP και αποικοδομούν την ουρία χρησιμοποιώντας φυσητήρα φύλλων,13 ενώ σε αυτήν τη μελέτη, δείγματα αμμόλοφων που δεν αποικοδομούν την ουρία (καθώς και δείγματα ελέγχου που αποικοδομούν την ουρία) εξετάστηκαν σε αεροδυναμική σήραγγα και υποβλήθηκαν σε επεξεργασία με τέσσερις διαφορετικούς συνδυασμούς βακτηρίων και ουσιών.
Όπως φαίνεται, ορισμένες προηγούμενες μελέτες έχουν εξετάσει υψηλούς ρυθμούς εφαρμογής που υπερβαίνουν τα 4 L/m213,41,74. Αξίζει να σημειωθεί ότι οι υψηλοί ρυθμοί εφαρμογής ενδέχεται να μην είναι εύκολα εφαρμόσιμοι στο πεδίο από οικονομική άποψη λόγω του κόστους που σχετίζεται με την παροχή νερού, τη μεταφορά και την εφαρμογή μεγάλων όγκων νερού. Χαμηλότεροι ρυθμοί εφαρμογής, όπως 1,62-2 L/m2, πέτυχαν επίσης αρκετά καλές επιφανειακές αντοχές έως και 190 kPa και TDV που ξεπερνούσε τα 25 m/s. Στην παρούσα μελέτη, οι αμμόλοφοι που υποβλήθηκαν σε επεξεργασία με MICP με βάση το μυρμηκικό χωρίς αποικοδόμηση ουρίας πέτυχαν υψηλές επιφανειακές αντοχές που ήταν συγκρίσιμες με εκείνες που ελήφθησαν με την οδό αποικοδόμησης ουρίας στο ίδιο εύρος ρυθμών εφαρμογής (δηλαδή, δείγματα που υποβλήθηκαν σε επεξεργασία με MICP με βάση το μυρμηκικό χωρίς αποικοδόμηση ουρίας ήταν επίσης σε θέση να επιτύχουν το ίδιο εύρος τιμών επιφανειακής αντοχής όπως αναφέρθηκε από τους Meng et al., 13, Σχήμα 13α) σε υψηλότερους ρυθμούς εφαρμογής. Μπορεί επίσης να φανεί ότι με ρυθμό εφαρμογής 2 L/m2, η απόδοση ανθρακικού ασβεστίου για τον μετριασμό της διάβρωσης από τον άνεμο σε ταχύτητα ανέμου 25 m/s ήταν 2,25% για το MICP με βάση το μυρμηκικό χωρίς αποικοδόμηση ουρίας, η οποία είναι πολύ κοντά στην απαιτούμενη ποσότητα CaCO3 (δηλαδή 2,41%) σε σύγκριση με τους αμμόλοφους που υποβλήθηκαν σε επεξεργασία με το MICP ελέγχου με αποικοδόμηση ουρίας με τον ίδιο ρυθμό εφαρμογής και την ίδια ταχύτητα ανέμου (25 m/s).
Έτσι, από αυτόν τον πίνακα μπορεί να συναχθεί το συμπέρασμα ότι τόσο η οδός αποικοδόμησης της ουρίας όσο και η οδός αποικοδόμησης χωρίς ουρία μπορούν να παρέχουν αρκετά αποδεκτή απόδοση όσον αφορά την αντοχή της επιφάνειας και την TDV. Η κύρια διαφορά είναι ότι η οδός αποικοδόμησης χωρίς ουρία δεν περιέχει αμμωνία και επομένως έχει χαμηλότερο περιβαλλοντικό αντίκτυπο. Επιπλέον, η μέθοδος MICP με βάση το μυρμηκικό άλας χωρίς αποικοδόμηση ουρίας που προτείνεται σε αυτή τη μελέτη φαίνεται να αποδίδει καλύτερα από τη μέθοδο MICP με βάση το οξικό άλας χωρίς αποικοδόμηση ουρίας. Παρόλο που οι Mohebbi et al. μελέτησαν τη μέθοδο MICP με βάση το οξικό άλας χωρίς αποικοδόμηση ουρίας, η μελέτη τους περιελάμβανε δείγματα σε επίπεδες επιφάνειες9. Λόγω του υψηλότερου βαθμού διάβρωσης που προκαλείται από τον σχηματισμό στροβίλων γύρω από τα δείγματα αμμόλοφων και της προκύπτουσας διάτμησης, η οποία οδηγεί σε χαμηλότερο TDV, η διάβρωση των δειγμάτων αμμόλοφων από τον άνεμο αναμένεται να είναι πιο εμφανής από αυτή των επίπεδων επιφανειών με την ίδια ταχύτητα.