Дзякуй за наведванне сайта nature.com. Версія браўзера, якой вы карыстаецеся, мае абмежаваную падтрымку CSS. Для найлепшага карыстання рэкамендуем выкарыстоўваць апошнюю версію браўзера (або адключыць рэжым сумяшчальнасці ў Internet Explorer). Акрамя таго, каб забяспечыць бесперапынную падтрымку, гэты сайт не будзе ўтрымліваць стылі або JavaScript.
Пыльныя буры ўяўляюць сур'ёзную пагрозу для многіх краін свету з-за іх разбуральнага ўздзеяння на сельскую гаспадарку, здароўе чалавека, транспартныя сеткі і інфраструктуру. У выніку ветравая эрозія лічыцца глабальнай праблемай. Адным з экалагічна чыстых падыходаў да стрымлівання ветравой эрозіі з'яўляецца выкарыстанне мікробна-індукаваных карбанатных ападкаў (МІК). Аднак пабочныя прадукты МІК на аснове дэградацыі мачавіны, такія як аміяк, не ідэальныя пры вытворчасці ў вялікіх колькасцях. У гэтым даследаванні прадстаўлены дзве фармулёўкі бактэрый, якія ўтрымліваюць фарміят кальцыя, для дэградацыі МІК без выпрацоўкі мачавіны і ўсебакова параўноўваецца іх эфектыўнасць з двума фармулёўкамі бактэрый, якія ўтрымліваюць ацэтат кальцыя, не выпрацоўваюць аміяк. Разглядаліся бактэрыі Bacillus subtilis і Bacillus amyloliquefaciens. Спачатку былі вызначаны аптымізаваныя значэнні фактараў, якія кантралююць утварэнне CaCO3. Затым былі праведзены выпрабаванні ў аэрадынамічнай трубе на ўзорах пясчаных выдмаў, апрацаваных аптымізаванымі фармулёўкамі, і вымераны супраціў ветравой эрозіі, хуткасць парога выдалення і супраціў пясчанай бамбардзіроўцы. Аламорфы карбанату кальцыя (CaCO3) былі ацэнены з дапамогай аптычнай мікраскапіі, сканіруючай электроннай мікраскапіі (СЭМ) і рэнтгенаструктурнага аналізу. Прэпараты на аснове фарыяту кальцыя прадэманстравалі значна лепшыя вынікі ў плане ўтварэння карбанату кальцыя, чым прэпараты на аснове ацэтату. Акрамя таго, B. subtilis выпрацоўваў больш карбанату кальцыя, чым B. amyloliquefaciens. Мікрафатаграфіі SEM выразна паказалі звязванне і імпрынтынг актыўных і неактыўных бактэрый на карбанаце кальцыя, выкліканае седыментам. Усе прэпараты значна знізілі ветравую эрозію.
Ветравая эрозія даўно прызнаецца сур'ёзнай праблемай, з якой сутыкаюцца засушлівыя і паўзасушлівыя рэгіёны, такія як паўднёва-заходняя частка ЗША, заходні Кітай, краіны Афрыкі ў рэгіёне Сахара і значная частка Блізкага Усходу1. Нізкая колькасць ападкаў у засушлівым і гіперзасушлівым клімаце ператварыла значныя часткі гэтых рэгіёнаў у пустыні, пясчаныя выдмы і неапрацаваныя землі. Працяглая ветравая эрозія стварае экалагічную пагрозу для інфраструктуры, такой як транспартныя сеткі, сельскагаспадарчыя землі і прамысловыя землі, што прыводзіць да дрэнных умоў жыцця і высокіх выдаткаў на развіццё гарадоў у гэтых рэгіёнах2,3,4. Важна адзначыць, што ветравая эрозія не толькі ўплывае на месца, дзе яна адбываецца, але і выклікае праблемы са здароўем і эканоміку ў аддаленых населеных пунктах, паколькі яна пераносіць часціцы ветрам у раёны, далёкія ад крыніцы5,6.
Барацьба з ветравой эрозіяй застаецца глабальнай праблемай. Для барацьбы з ветравой эрозіяй выкарыстоўваюцца розныя метады стабілізацыі глебы. Да гэтых метадаў адносяцца такія матэрыялы, як нанясенне вады7, алейная мульча8, біяпалімеры5, мікробна-індукаваныя карбанатныя ападкі (MICP)9,10,11,12 і ферментатыўна-індукаваныя карбанатныя ападкі (EICP)1. Увільгатненне глебы з'яўляецца стандартным метадам падаўлення пылу ў палявых умовах. Аднак яго хуткае выпарэнне робіць гэты метад абмежавана эфектыўным у засушлівых і паўзасушлівых рэгіёнах1. Ужыванне алейных мульчыруючых злучэнняў павялічвае згуртаванасць пяску і трэнне паміж часцінкамі. Іх згуртаванасць звязвае пясчынкі разам; аднак алейныя мульчы таксама ствараюць іншыя праблемы; іх цёмны колер павялічвае паглынанне цяпла і прыводзіць да гібелі раслін і мікраарганізмаў. Іх пах і пары могуць выклікаць праблемы з дыханнем, і, самае галоўнае, іх высокі кошт з'яўляецца яшчэ адной перашкодай. Біяпалімеры - адзін з нядаўна прапанаваных экалагічна чыстых метадаў змякчэння ветравой эрозіі; яны здабываюцца з прыродных крыніц, такіх як расліны, жывёлы і бактэрыі. Ксантанавая камедь, гуаровая камедь, хітазан і геланавая камедь - найбольш часта выкарыстоўваныя біяпалімеры ў інжынерных прымяненнях5. Аднак, водарастваральныя біяпалімеры могуць губляць трываласць і вымывацца з глебы пры ўздзеянні вады13,14. EICP паказаў сябе эфектыўным метадам падаўлення пылу для розных ужыванняў, у тым ліку для грунтавых дарог, хвастасховішчаў і будаўнічых пляцовак. Нягледзячы на ​​абнадзейлівыя вынікі, неабходна ўлічваць некаторыя патэнцыйныя недахопы, такія як кошт і адсутнасць цэнтраў нуклеацыі (што паскарае ўтварэнне і асадак крышталяў CaCO315,16).
Мікрахрыбетнікавы пераход (МІКП) быў упершыню апісаны ў канцы 19 стагоддзя Мюрэем і Ірвінам (1890) і Штайнманам (1901) у іх даследаванні дэградацыі мачавіны марскімі мікраарганізмамі17. МІКП — гэта натуральны біялагічны працэс, які ўключае ў сябе розныя мікробныя працэсы і хімічныя працэсы, у якіх карбанат кальцыя асядае ў выніку рэакцыі карбанатных іонаў з мікробных метабалітаў з іонамі кальцыя ў навакольным асяроддзі18,19. МІКП, які ўключае цыкл азоту, які дэградуе мачавіну (МІКП, які дэградуе мачавіну), з'яўляецца найбольш распаўсюджаным тыпам індукаванага мікробамі карбанатнага асядання, пры якім урэаза, якая выпрацоўваецца бактэрыямі, каталізуе гідроліз мачавіны20,21,22,23,24,25,26,27 наступным чынам:
У MICP, які ўключае вугляродны цыкл акіслення арганічных соляў (тып MICP без дэградацыі мачавіны), гетэратрофныя бактэрыі выкарыстоўваюць арганічныя солі, такія як ацэтат, лактат, цытрат, сукцынат, аксалат, малат і гліаксілат, у якасці крыніц энергіі для вытворчасці карбанатных мінералаў28. У прысутнасці лактату кальцыя ў якасці крыніцы вугляроду і іонаў кальцыя хімічная рэакцыя ўтварэння карбанату кальцыя паказана ў раўнанні (5).
У працэсе MICP бактэрыяльныя клеткі забяспечваюць месцы нуклеацыі, якія асабліва важныя для асаджэння карбанату кальцыя; паверхня бактэрыяльнай клеткі мае адмоўны зарад і можа выступаць у якасці адсарбента для двухвалентных катыёнаў, такіх як іёны кальцыя. Пры адсарбцыі іонаў кальцыя на бактэрыяльных клетках, калі канцэнтрацыя карбанатных іонаў дастатковая, катыёны кальцыя і карбанатныя аніёны рэагуюць, і карбанат кальцыя асадкаецца на паверхні бактэрый29,30. Працэс можна коратка апісаць наступным чынам31,32:
Біягенераваныя крышталі карбанату кальцыю можна падзяліць на тры тыпы: кальцыт, ватэрыт і арагоніт. Сярод іх кальцыт і ватэрыт з'яўляюцца найбольш распаўсюджанымі бактэрыяльна-індукаванымі аламорфамі карбанату кальцыю33,34. Кальцыт — найбольш тэрмадынамічна стабільны аламорф карбанату кальцыю35. Нягледзячы на ​​тое, што паведамлялася, што ватэрыт з'яўляецца метастабільным, ён у рэшце рэшт ператвараецца ў кальцыт36,37. Ватэрыт — самы шчыльны з гэтых крышталяў. Гэта шасцігранны крышталь, які мае лепшую здольнасць запаўняць поры, чым іншыя крышталі карбанату кальцыю, дзякуючы свайму большаму памеру38. Як дэградаваны мачавінай, так і недэградаваны мачавінай MICP можа прывесці да асадка ватэрыту13,39,40,41.
Нягледзячы на ​​тое, што MICP прадэманстраваў шматабяцальны патэнцыял у стабілізацыі праблемных глеб і глеб, схільных да ветравой эрозіі42,43,44,45,46,47,48, адным з пабочных прадуктаў гідролізу мачавіны з'яўляецца аміяк, які можа выклікаць праблемы са здароўем ад лёгкіх да сур'ёзных у залежнасці ад узроўню ўздзеяння49. Гэты пабочны эфект робіць выкарыстанне гэтай канкрэтнай тэхналогіі спрэчным, асабліва калі неабходна апрацаваць вялікія плошчы, напрыклад, для падаўлення пылу. Акрамя таго, пах аміяку невыносны, калі працэс праводзіцца з высокімі нормамі ўнясення і вялікімі аб'ёмамі, што можа паўплываць на яго практычную прыдатнасць. Нягледзячы на ​​тое, што нядаўнія даследаванні паказалі, што іоны амонія можна паменшыць, ператварыўшы іх у іншыя прадукты, такія як струвіт, гэтыя метады не цалкам выдаляюць іоны амонія50. Такім чынам, усё яшчэ існуе неабходнасць вывучэння альтэрнатыўных рашэнняў, якія не генеруюць іоны амонія. Выкарыстанне шляхоў дэградацыі MICP без мачавіны можа забяспечыць патэнцыйнае рашэнне, якое было мала вывучана ў кантэксце змякчэння ветравой эрозіі. Фатахі і інш. даследавалі дэградацыю MICP без мачавіны з выкарыстаннем ацэтату кальцыя і Bacillus megaterium41, у той час як Мохеббі і інш. выкарыстоўвалі ацэтат кальцыя і Bacillus amyloliquefaciens9. Аднак іх даследаванне не параўноўвалася з іншымі крыніцамі кальцыя і гетэратрофнымі бактэрыямі, якія маглі б у канчатковым выніку палепшыць устойлівасць да ветравой эрозіі. Таксама не хапае літаратуры, якая параўноўвае шляхі дэградацыі без мачавіны са шляхамі дэградацыі мачавіны пры змякчэнні ветравой эрозіі.
Акрамя таго, большасць даследаванняў ветравой эрозіі і барацьбы з пылам праводзіліся на ўзорах глебы з плоскімі паверхнямі.1,51,52,53 Аднак плоскія паверхні сустракаюцца ў прыродзе радзей, чым пагоркі і западзіны. Вось чаму пясчаныя выдмы з'яўляюцца найбольш распаўсюджанай ландшафтнай асаблівасцю ў пустынных рэгіёнах.
Каб пераадолець вышэйзгаданыя недахопы, гэта даследаванне было накіравана на ўвядзенне новага набору бактэрыяльных агентаў, якія не выпрацоўваюць аміяк. Для гэтай мэты мы разгледзелі шляхі MICP, якія не раскладаюць мачавіну. Была даследавана эфектыўнасць дзвюх крыніц кальцыя (фармату кальцыя і ацэтату кальцыя). Наколькі вядома аўтарам, асаджэнне карбанатамі з выкарыстаннем двух камбінацый крыніц кальцыя і бактэрый (г.зн. фарміят кальцыя - Bacillus subtilis і фарміят кальцыя - Bacillus amyloliquefaciens) не даследавалася ў папярэдніх даследаваннях. Выбар гэтых бактэрый быў заснаваны на ферментах, якія яны выпрацоўваюць, што каталізуюць акісленне фарміяту кальцыя і ацэтату кальцыя з утварэннем мікробных асадкаў карбанатаў. Мы распрацавалі дбайнае эксперыментальнае даследаванне, каб знайсці аптымальныя фактары, такія як pH, тыпы бактэрый і крыніц кальцыя і іх канцэнтрацыі, суадносіны бактэрый да раствора крыніцы кальцыя і час зацвярдзення. Нарэшце, эфектыўнасць гэтага набору бактэрыяльных агентаў у падаўленні ветравой эрозіі праз ападкі карбанату кальцыю была даследавана шляхам правядзення серыі выпрабаванняў у аэрадынамічнай трубе на пяшчаных выдмах для вызначэння велічыні ветравой эрозіі, парогавай хуткасці адрыву і ўстойлівасці пяску да ветравой бамбардзіроўкі, а таксама былі праведзены вымярэнні пенетрометрам і мікраструктурныя даследаванні (напрыклад, рэнтгенаструктурны аналіз (XRD) і сканіруючая электронная мікраскапія (SEM)).
Для вытворчасці карбанату кальцыю патрэбныя іоны кальцыю і карбанат-іоны. Іоны кальцыю можна атрымаць з розных крыніц кальцыю, такіх як хларыд кальцыю, гідраксід кальцыю і сухое абястлушчанае малако54,55. Карбанат-іоны можна атрымаць рознымі мікробнымі метадамі, такімі як гідроліз мачавіны і аэробнае або анаэробнае акісленне арганічных рэчываў56. У гэтым даследаванні карбанат-іоны былі атрыманы ў выніку рэакцыі акіслення фарыяту і ацэтату. Акрамя таго, мы выкарыстоўвалі кальцыевыя солі фарыяту і ацэтату для атрымання чыстага карбанату кальцыю, такім чынам, у якасці пабочных прадуктаў атрымліваліся толькі CO2 і H2O. У гэтым працэсе толькі адно рэчыва служыць крыніцай кальцыю і крыніцай карбанату, і аміяк не ўтвараецца. Гэтыя характарыстыкі робяць крыніцу кальцыю і метад вытворчасці карбанату, якія мы лічылі вельмі перспектыўнымі.
Адпаведныя рэакцыі фарыяту кальцыю і ацэтату кальцыю з утварэннем карбанату кальцыю паказаны ў формулах (7)-(14). Формулы (7)-(11) паказваюць, што фарыят кальцыю раствараецца ў вадзе з утварэннем мурашынай кіслаты або фарыяту. Такім чынам, раствор з'яўляецца крыніцай свабодных іонаў кальцыю і гідраксіду (формулы 8 і 9). У выніку акіслення мурашынай кіслаты атамы вугляроду ў мурашынай кіслаце ператвараюцца ў вуглякіслы газ (формула 10). У канчатковым выніку ўтвараецца карбанат кальцыю (формулы 11 і 12).
Падобным чынам, карбанат кальцыю ўтвараецца з ацэтату кальцыю (раўнанні 13–15), за выключэннем таго, што замест мурашынай кіслаты ўтвараецца воцатная кіслата або ацэтат.
Без прысутнасці ферментаў ацэтат і фарыят не могуць акісляцца пры пакаёвай тэмпературы. ФДГ (фарматдэгідрагеназа) і КоА (кафермент А) каталізуюць акісленне фарыяту і ацэтату з утварэннем вуглякіслага газу адпаведна (ураўненні 16, 17) 57, 58, 59. Розныя бактэрыі здольныя выпрацоўваць гэтыя ферменты, і ў гэтым даследаванні былі выкарыстаны гетэратрофныя бактэрыі, а менавіта Bacillus subtilis (PTCC #1204 (Персідская калекцыя тыпавых культур), таксама вядомая як NCIMB #13061 (Міжнародная калекцыя бактэрый, дрожджаў, фагаў, плазмід, насення раслін і культур раслінных клетак і тканін)) і Bacillus amyloliquefaciens (PTCC #1732, NCIMB #12077). Гэтыя бактэрыі культывавалі ў асяроддзі, якое змяшчала мясны пептон (5 г/л) і мясны экстракт (3 г/л), якое называецца пажыўным булёнам (NBR) (105443 Merck).
Такім чынам, былі падрыхтаваны чатыры прэпараты для індукцыі асаджэння карбанату кальцыю з выкарыстаннем дзвюх крыніц кальцыю і дзвюх бактэрый: фарміят кальцыю і Bacillus subtilis (FS), фарміят кальцыю і Bacillus amyloliquefaciens (FA), ацэтат кальцыю і Bacillus subtilis (AS), ацэтат кальцыю і Bacillus amyloliquefaciens (AA).
У першай частцы эксперыментальнага плана былі праведзены выпрабаванні для вызначэння аптымальнай камбінацыі, якая дазволіць дасягнуць максімальнай вытворчасці карбанату кальцыю. Паколькі ўзоры глебы ўтрымлівалі карбанат кальцыю, быў распрацаваны набор папярэдніх ацэначных тэстаў для дакладнага вымярэння CaCO3, які ўтвараецца рознымі камбінацыямі, а таксама былі ацэнены сумесі культуральнага асяроддзя і раствораў крыніцы кальцыю. Для кожнай камбінацыі крыніцы кальцыю і раствора бактэрый, вызначанай вышэй (FS, FA, AS і AA), былі атрыманы фактары аптымізацыі (канцэнтрацыя крыніцы кальцыю, час зацвярдзення, канцэнтрацыя раствора бактэрый, вымераная аптычнай шчыльнасцю раствора (OD), суадносіны крыніцы кальцыю да раствора бактэрый і pH) і выкарыстаны ў выпрабаваннях у аэрадынамічнай трубе для апрацоўкі пяшчаных выдмаў, апісаных у наступных раздзелах.
Для кожнай камбінацыі было праведзена 150 эксперыментаў для вывучэння ўплыву асаджэнняў CaCO3 і ацэнкі розных фактараў, а менавіта канцэнтрацыі крыніцы кальцыя, часу зацвярдзення, значэння аптычнай шчыльнасці бактэрый, суадносін крыніцы кальцыя і бактэрыяльнага раствора і pH падчас аэробнага акіслення арганічнага рэчыва (табліца 1). Дыяпазон pH для аптымізаванага працэсу быў абраны на аснове крывых росту Bacillus subtilis і Bacillus amyloliquefaciens, каб дасягнуць больш хуткага росту. Гэта больш падрабязна тлумачыцца ў раздзеле "Вынікі".
Для падрыхтоўкі ўзораў да фазы аптымізацыі былі выкарыстаны наступныя этапы. Спачатку раствор MICP быў падрыхтаваны шляхам рэгулявання пачатковага pH культуральнага асяроддзя, а затым аўтаклававаны пры тэмпературы 121 °C на працягу 15 хвілін. Затым штам быў засеяны ў ламінарным патоку паветра і вытрыманы ў інкубатары з вібрацыяй пры тэмпературы 30 °C і 180 аб/мін. Пасля таго, як аптычная шчыльнасць бактэрый дасягнула патрэбнага ўзроўню, яго змяшалі з растворам крыніцы кальцыя ў патрэбнай прапорцыі (малюнак 1a). Раствор MICP быў дазволены для рэакцыі і зацвярдзення ў інкубатары з вібрацыяй пры 220 аб/мін і тэмпературы 30 °C на працягу часу, які дасягнуў мэтавага значэння. Асадак CaCO3 быў аддзелены пасля цэнтрыфугавання пры 6000 g на працягу 5 хвілін, а затым высушаны пры тэмпературы 40 °C для падрыхтоўкі ўзораў да кальцыметрычнага тэсту (малюнак 1b). Асадак CaCO3 затым вымяралі з дапамогай кальцыметра Бернарда, дзе парашок CaCO3 рэагуе з 1,0 N HCl (ASTM-D4373-02) з утварэннем CO2, і аб'ём гэтага газу з'яўляецца мерай утрымання CaCO3 (малюнак 1c). Для пераўтварэння аб'ёму CO2 у ўтрыманне CaCO3 была пабудавана калібровачная крывая шляхам прамывання чыстага парашка CaCO3 1 N HCl і пабудовы графіка ў залежнасці ад выдзеленага CO2. Марфалогія і чысціня асадкавага парашка CaCO3 даследаваліся з дапамогай SEM-візуалізацыі і XRD-аналізу. Для вывучэння ўтварэння карбанату кальцыя вакол бактэрый, фазы ўтворанага карбанату кальцыя і актыўнасці бактэрый выкарыстоўвалі аптычны мікраскоп з павелічэннем 1000.
Басейн Дэджэг — вядомы моцна эродаваны рэгіён у паўднёва-заходняй правінцыі Фарс у Іране, і даследчыкі сабралі ў гэтым раёне ўзоры глебы, размытай ветрам. Для даследавання ўзоры былі ўзяты з паверхні глебы. Індыкатарныя тэсты ўзораў глебы паказалі, што глеба была дрэнна адсартаванай пясчанай глебай з глеем і класіфікавалася як SP-SM згодна з Адзінай сістэмай класіфікацыі глеб (USC) (малюнак 2a). Рэнтгенаструктурны аналіз паказаў, што глеба Дэджэг у асноўным складалася з кальцыту і кварца (малюнак 2b). Акрамя таго, дыфрактоэлектронны аналіз паказаў, што іншыя элементы, такія як Al, K і Fe, таксама прысутнічалі ў меншых прапорцыях.
Каб падрыхтаваць лабараторныя выдмы да выпрабаванняў на ветравую эрозію, глеба была здрабнена з вышыні 170 мм праз варонку дыяметрам 10 мм да цвёрдай паверхні, у выніку чаго ўтварылася тыповая выдма вышынёй 60 мм і дыяметрам 210 мм. У прыродзе пясчаныя выдмы з найменшай шчыльнасцю ўтвараюцца ў выніку эолавых працэсаў. Аналагічна, узор, падрыхтаваны з выкарыстаннем вышэйапісанай працэдуры, меў найменшую адносную шчыльнасць, γ = 14,14 кН/м³, утвараючы пясчаны конус, нанесены на гарызантальную паверхню з вуглом натуральнага адкосу прыблізна 29,7°.
Аптымальны раствор MICP, атрыманы ў папярэднім раздзеле, быў распылены на схіл выдмы з нормай унясення 1, 2 і 3 лм-2, а затым узоры захоўваліся ў інкубатары пры тэмпературы 30 °C (мал. 3) на працягу 9 дзён (г.зн. аптымальны час зацвярдзення), а затым вынесены на выпрабаванні ў аэрадынамічнай трубе.
Для кожнай апрацоўкі былі падрыхтаваны чатыры ўзоры, адзін для вымярэння ўтрымання карбанату кальцыя і трываласці паверхні з дапамогай пенетрометра, а астатнія тры ўзоры выкарыстоўваліся для выпрабаванняў на эрозію пры трох розных хуткасцях. У выпрабаваннях у аэрадынамічнай трубе колькасць эрозіі вызначалася пры розных хуткасцях ветру, а затым парогавая хуткасць адрыву для кожнага апрацаванага ўзору вызначалася з выкарыстаннем графіка залежнасці колькасці эрозіі ад хуткасці ветру. Акрамя выпрабаванняў на ветравую эрозію, апрацаваныя ўзоры падвяргаліся пясчанай бамбардзіроўцы (г.зн. эксперыментам са скачкамі). Для гэтай мэты былі падрыхтаваны яшчэ два ўзоры з хуткасцю нанясення 2 і 3 л/м⁻². Выпрабаванне на пясчаную бамбардзіроўку доўжылася 15 хвілін з патокам 120 г/м⁻¹, што знаходзіцца ў дыяпазоне значэнняў, выбраных у папярэдніх даследаваннях 60, 61, 62. Гарызантальная адлегласць паміж абразіўнай фарсункай і асновай выдмы складала 800 мм, размешчана на 100 мм вышэй за дно тунэля. Гэта становішча было ўстаноўлена такім чынам, каб амаль усе скачучыя часцінкі пяску траплялі на выдму.
Выпрабаванні ў аэрадынамічнай трубе праводзіліся ў адкрытай аэрадынамічнай трубе даўжынёй 8 м, шырынёй 0,4 м і вышынёй 1 м (малюнак 4a). Аэрадынамічная труба выраблена з ацынкаваных сталёвых лістоў і можа генераваць хуткасць ветру да 25 м/с. Акрамя таго, для рэгулявання частаты вентылятара выкарыстоўваецца пераўтваральнік частаты, які паступова павялічвае частату для дасягнення зададзенай хуткасці ветру. На малюнку 4b паказана схематычная дыяграма пяшчаных выдмаў, размытых ветрам, і профіль хуткасці ветру, вымераны ў аэрадынамічнай трубе.
Нарэшце, каб параўнаць вынікі неўрэалітычнай фармулёўкі MICP, прапанаванай у гэтым даследаванні, з вынікамі кантрольнага тэсту MICP з урэалітычным рэчывам, узоры выдмаў таксама былі падрыхтаваны і апрацаваны біялагічным растворам, які змяшчае мачавіну, хларыд кальцыя і Sporosarcina pasteurii (паколькі Sporosarcina pasteurii мае значную здольнасць выпрацоўваць урэазу63). Аптычная шчыльнасць бактэрыяльнага раствора складала 1,5, а канцэнтрацыі мачавіны і хларыду кальцыя — 1 М (абраныя на аснове значэнняў, рэкамендаваных у папярэдніх даследаваннях36,64,65). Культуральнае асяроддзе складалася з пажыўнага булёна (8 г/л) і мачавіны (20 г/л). Бактэрыяльны раствор распылялі на паверхню выдмы і пакідалі на 24 гадзіны для прымацавання бактэрый. Пасля 24 гадзін прымацавання распылялі цэментуючы раствор (хларыд кальцыя і мачавіна). Кантрольны тэст MICP з урэалітычным рэчывам далей называецца UMC. Змест карбанату кальцыю ва ўрэалітычна і неўрэалітычна апрацаваных узорах глебы быў атрыманы шляхам прамывання ў адпаведнасці з працэдурай, прапанаванай Чоем і інш.66
На малюнку 5 паказаны крывыя росту Bacillus amyloliquefaciens і Bacillus subtilis у культуральным асяроддзі (пажыўным растворы) з пачатковым дыяпазонам pH ад 5 да 10. Як паказана на малюнку, Bacillus amyloliquefaciens і Bacillus subtilis раслі хутчэй пры pH 6-8 і 7-9 адпаведна. Таму на этапе аптымізацыі быў прыняты гэты дыяпазон pH.
Крывыя росту (а) Bacillus amyloliquefaciens і (б) Bacillus subtilis пры розных пачатковых значэннях pH пажыўнага асяроддзя.
На малюнку 6 паказана колькасць вуглякіслага газу, які ўтвараецца ў вапнаметры Бернарда, што ўяўляе сабой асаджаны карбанат кальцыю (CaCO3). Паколькі адзін фактар ​​быў фіксаваны ў кожнай камбінацыі, а іншыя фактары змяняліся, кожная кропка на гэтых графіках адпавядае максімальнаму аб'ёму вуглякіслага газу ў гэтым наборы эксперыментаў. Як паказана на малюнку, па меры павелічэння канцэнтрацыі крыніцы кальцыю павялічвалася вытворчасць карбанату кальцыю. Такім чынам, канцэнтрацыя крыніцы кальцыю непасрэдна ўплывае на вытворчасць карбанату кальцыю. Паколькі крыніца кальцыю і крыніца вугляроду аднолькавыя (г.зн. фарміят кальцыю і ацэтат кальцыю), чым больш іонаў кальцыю вызваляецца, тым больш утвараецца карбанату кальцыю (малюнак 6a). У рэцэптурах AS і AA вытворчасць карбанату кальцыю працягвала павялічвацца са павелічэннем часу зацвярдзення, пакуль колькасць асадка амаль не змянілася праз 9 дзён. У рэцэптуры FA хуткасць утварэння карбанату кальцыю зніжалася, калі час зацвярдзення перавышаў 6 дзён. У параўнанні з іншымі рэцэптурамі, рэцэптура FS паказала адносна нізкую хуткасць утварэння карбанату кальцыю праз 3 дні (малюнак 6b). У фармулёўках FA і FS праз тры дні было атрымана 70% і 87% ад агульнай колькасці карбанату кальцыю, у той час як у фармулёўках AA і AS гэтая доля складала толькі каля 46% і 45% адпаведна. Гэта сведчыць аб тым, што фармулёўка на аснове мурашынай кіслаты мае больш высокую хуткасць утварэння CaCO3 на пачатковай стадыі ў параўнанні з фармулёўкай на аснове ацэтату. Аднак хуткасць утварэння запавольваецца з павелічэннем часу зацвярдзення. З малюнка 6c можна зрабіць выснову, што нават пры канцэнтрацыях бактэрый вышэй за OD1 няма істотнага ўкладу ў ўтварэнне карбанату кальцыю.
Змена аб'ёму CO2 (і адпаведнага ўтрымання CaCO3), вымераная кальцыметрам Бернарда, у залежнасці ад (а) канцэнтрацыі крыніцы кальцыя, (б) часу зацвярдзення, (в) аптычнай шчыльнасці, (г) пачатковага pH, (д) ​​суадносін крыніцы кальцыя і бактэрыяльнага раствора (для кожнай фармулёўкі); і (е) максімальнай колькасці карбанату кальцыя, атрыманага для кожнай камбінацыі крыніцы кальцыя і бактэрый.
Што тычыцца ўплыву пачатковага pH асяроддзя, на малюнку 6d паказана, што для FA і FS вытворчасць CaCO3 дасягнула максімальнага значэння пры pH 7. Гэта назіранне адпавядае папярэднім даследаванням, якія паказалі, што ферменты FDH найбольш стабільныя пры pH 7-6,7. Аднак для AA і AS асадак CaCO3 павялічваўся, калі pH перавышаў 7. Папярэднія даследаванні таксама паказалі, што аптымальны дыяпазон pH для актыўнасці фермента CoA складае ад 8 да 9,2-6,8. Улічваючы, што аптымальныя дыяпазоны pH для актыўнасці фермента CoA і росту B. amyloliquefaciens складаюць (8-9,2) і (6-8) адпаведна (малюнак 5a), аптымальны pH фармулёўкі AA, як чакаецца, будзе 8, і два дыяпазоны pH перакрываюцца. Гэты факт быў пацверджаны эксперыментамі, як паказана на малюнку 6d. Паколькі аптымальны pH для росту B. subtilis складае 7-9 (малюнак 5b), а аптымальны pH для актыўнасці фермента CoA — 8-9,2, чакаецца, што максімальны выхад асадка CaCO3 будзе знаходзіцца ў дыяпазоне pH 8-9, што пацвярджаецца малюнкам 6d (г.зн. аптымальны pH асадка складае 9). Вынікі, паказаныя на малюнку 6e, паказваюць, што аптымальнае суадносіны раствора крыніцы кальцыя да бактэрыяльнага раствора складае 1 як для ацэтатных, так і для фарыятных раствораў. Для параўнання, эфектыўнасць розных прэпаратаў (г.зн. AA, AS, FA і FS) была ацэненая на аснове максімальнай прадукцыі CaCO3 у розных умовах (г.зн. канцэнтрацыя крыніцы кальцыя, час зацвярдзення, аптычная шчыльнасць, суадносіны крыніцы кальцыя да бактэрыяльнага раствора і пачатковы pH). Сярод даследаваных прэпаратаў прэпарат FS меў найвышэйшую вытворчасць CaCO3, якая была прыкладна ў тры разы вышэйшай, чым у прэпарата AA (малюнак 6f). Для абедзвюх крыніц кальцыя былі праведзены чатыры кантрольныя эксперыменты без бактэрый, і праз 30 дзён асадка CaCO3 не назіралася.
Здымкі аптычнай мікраскапіі ўсіх прэпаратаў паказалі, што ватэрыт быў асноўнай фазай, у якой утвараўся карбанат кальцыя (малюнак 7). Крышталі ватэрыту мелі сферычную форму 69, 70, 71. Было выяўлена, што карбанат кальцыя асядаў на бактэрыяльных клетках, таму што паверхня бактэрыяльных клетак была адмоўна зараджана і магла выступаць у якасці адсарбента для двухвалентных катыёнаў. У якасці прыкладу ў гэтым даследаванні возьмем прэпарат FS, праз 24 гадзіны карбанат кальцыя пачаў утварацца на некаторых бактэрыяльных клетках (малюнак 7a), а праз 48 гадзін колькасць бактэрыяльных клетак, пакрытых карбанатам кальцыя, значна павялічылася. Акрамя таго, як паказана на малюнку 7b, можна было выявіць часціцы ватэрыту. Нарэшце, праз 72 гадзіны вялікая колькасць бактэрый, здавалася, была звязана крышталямі ватэрыту, і колькасць часціц ватэрыту значна павялічылася (малюнак 7c).
Назіранні асадкаў CaCO3 у складах FS з дапамогай аптычнай мікраскапіі з цягам часу: (а) 24, (б) 48 і (в) 72 гадзіны.
Для далейшага даследавання марфалогіі асадкавай фазы былі праведзены аналізы парашкоў з дапамогай рэнтгенаўскай дыфракцыі (XRD) і сканавальнай электроннай мікраскапіі (SEM). Спектры XRD (мал. 8a) і мікрафатаграфіі SEM (мал. 8b, c) пацвердзілі наяўнасць крышталяў ватэрыту, паколькі яны мелі форму салаты, і назіралася адпаведнасць паміж пікамі ватэрыту і пікамі асадка.
(a) Параўнанне спектраў рэнтгенаўскай дыфракцыі ўтворанага CaCO3 і ватэрыту. СЭМ-мікрафатаграфіі ватэрыту пры павелічэнні (b) 1 кГц і (c) 5,27 кГц адпаведна.
Вынікі выпрабаванняў у аэрадынамічнай трубе паказаны на малюнку 9a, b. З малюнка 9a відаць, што парогавая хуткасць эрозіі (ПХЭ) неапрацаванага пяску складае каля 4,32 м/с. Пры норме ўнясення 1 л/м² (малюнак 9a) нахілы ліній хуткасці страты глебы для фракцый FA, FS, AA і UMC прыблізна такія ж, як і для неапрацаванай выдмы. Гэта сведчыць аб тым, што апрацоўка пры такой норме ўнясення неэфектыўная, і як толькі хуткасць ветру перавышае ПХЭ, тонкая глебавая скарынка знікае, і хуткасць эрозіі выдмы такая ж, як і для неапрацаванай выдмы. Нахіл эрозіі фракцыі AS таксама ніжэйшы, чым у іншых фракцый з меншымі абсцысамі (г.зн. ПХЭ) (малюнак 9a). Стрэлкі на малюнку 9b паказваюць, што пры максімальнай хуткасці ветру 25 м/с эрозія апрацаваных выдмаў не адбывалася пры нормах унясення 2 і 3 л/м². Іншымі словамі, для FS, FA, AS і UMC выдмы былі больш устойлівыя да ветравой эрозіі, выкліканай адкладам CaCO³, пры хуткасці ўнясення 2 і 3 л/м², чым пры максімальнай хуткасці ветру (г.зн. 25 м/с). Такім чынам, значэнне TDV 25 м/с, атрыманае ў гэтых выпрабаваннях, з'яўляецца ніжняй мяжой для хуткасцей унясення, паказаных на малюнку 9b, за выключэннем выпадку AA, дзе TDV амаль роўна максімальнай хуткасці ў аэрадынамічнай трубе.
Выпрабаванне на ветравую эрозію (а) Страта вагі ў залежнасці ад хуткасці ветру (норма ўнясення 1 л/м2), (б) Парогавая хуткасць адрыву ў залежнасці ад нормы ўнясення і складу (CA для ацэтату кальцыя, CF для фарміяту кальцыя).
На малюнку 10 паказана паверхневая эрозія пяшчаных выдмаў, апрацаваных рознымі прэпаратамі і нормамі ўнясення, пасля выпрабавання на пясчаную бамбардзіроўку, а колькасныя вынікі паказаны на малюнку 11. Неапрацаваны выпадак не паказаны, бо ён не праявіў устойлівасці і быў цалкам размыты (агульная страта масы) падчас выпрабавання на пясчаную бамбардзіроўку. З малюнка 11 відаць, што ўзор, апрацаваны біякампазіцыяй AA, страціў 83,5% сваёй вагі пры норме ўнясення 2 л/м2, у той час як усе астатнія ўзоры паказалі эрозію менш за 30% падчас працэсу пясчанай бамбардзіроўкі. Калі норма ўнясення была павялічана да 3 л/м2, усе апрацаваныя ўзоры страцілі менш за 25% сваёй вагі. Пры абедзвюх нормах унясення склад FS прадэманстраваў найлепшую ўстойлівасць да пясчанай бамбардзіроўкі. Максімальную і мінімальную ўстойлівасць да бамбардзіроўкі ва ўзорах, апрацаваных FS і AA, можна растлумачыць іх максімальным і мінімальным ападкам CaCO3 (малюнак 6f).
Вынікі бамбардзіроўкі пяшчаных выдмаў рознага складу пры хуткасці патоку 2 і 3 л/м2 (стрэлкі паказваюць кірунак ветру, крыжыкі — кірунак ветру, перпендыкулярны плоскасці малюнка).
Як паказана на малюнку 12, утрыманне карбанату кальцыю ва ўсіх формулах павялічвалася па меры павелічэння нормы ўнясення з 1 л/м² да 3 л/м². Акрамя таго, пры ўсіх нормах унясення формулай з найбольшым утрыманнем карбанату кальцыю была FS, за ёй ішлі FA і UMC. Гэта сведчыць аб тым, што гэтыя формулы могуць мець больш высокае павярхоўнае супраціўленне.
На малюнку 13a паказана змяненне паверхневага супраціву неапрацаваных, кантрольных і апрацаваных узораў глебы, вымеранае пермеаметрам. З гэтага малюнка відаць, што павярхоўнае супраціўленне фармулёвак UMC, AS, FA і FS значна павялічылася са павелічэннем нормы ўнясення. Аднак павелічэнне паверхневай трываласці было адносна невялікім у фармулёўцы AA. Як паказана на малюнку, фармулёўкі FA і FS неразладжанага мачавінай MICP маюць лепшую павярхоўную пранікальнасць у параўнанні з разладжаным мачавінай MICP. На малюнку 13b паказана змяненне TDV з супраціўленнем паверхні глебы. З гэтага малюнка выразна відаць, што для выдмаў з павярхоўным супраціўленнем больш за 100 кПа парогавая хуткасць зносу будзе перавышаць 25 м/с. Паколькі павярхоўнае супраціўленне in situ можна лёгка вымераць пермеаметрам, гэта веданне можа дапамагчы ацаніць TDV без выпрабаванняў у аэрадынамічнай трубе, тым самым служачы паказчыкам кантролю якасці для палявых ужыванняў.
Вынікі SEM паказаны на малюнку 14. На малюнках 14a-b паказаны павялічаныя часціцы неапрацаванага ўзору глебы, што выразна сведчыць аб тым, што ён з'яўляецца кагезійным і не мае натуральнай сувязі або цэментацыі. На малюнку 14c паказана мікрафатаграфія SEM кантрольнага ўзору, апрацаванага MICP, раскладзеным мачавінай. На гэтым малюнку бачная наяўнасць асадка CaCO3 у выглядзе поліморфаў кальцыту. Як паказана на малюнках 14d-o, асадак CaCO3 звязвае часціцы разам; на мікрафатаграфіях SEM таксама можна ідэнтыфікаваць сферычныя крышталі ватэрыту. Вынікі гэтага і папярэдніх даследаванняў паказваюць, што сувязі CaCO3, утвораныя ў выглядзе поліморфаў ватэрыту, таксама могуць забяспечваць дастатковую механічную трываласць; нашы вынікі паказваюць, што павярхоўнае супраціўленне павялічваецца да 350 кПа, а парогавая хуткасць падзелу павялічваецца з 4,32 да больш чым 25 м/с. Гэты вынік адпавядае вынікам папярэдніх даследаванняў, якія паказалі, што матрыцай CaCO3, асаджанага MICP, з'яўляецца ватэрыт, які мае дастатковую механічную трываласць і ўстойлівасць да ветравой эрозіі13,40 і можа захоўваць дастатковую ўстойлівасць да ветравой эрозіі нават пасля 180 дзён уздзеяння палявых умоў навакольнага асяроддзя13.
(a, b) мікрафотаздымкі SEM неапрацаванай глебы, (c) кантроль дэградацыі мачавіны MICP, (df) узоры, апрацаваныя AA, (gi) узоры, апрацаваныя AS, (jl) узоры, апрацаваныя FA, і (mo) узоры, апрацаваныя FS, пры норме ўнясення 3 л/м2 пры розных павелічэннях.
На малюнках 14d-f відаць, што пасля апрацоўкі злучэннямі AA карбанат кальцыю асядаў на паверхні і паміж пясчынкамі, а таксама назіраліся некаторыя непакрытыя пясчынкі. Для кампанентаў AS, хоць колькасць утворанага CaCO3 істотна не павялічылася (мал. 6f), колькасць кантактаў паміж пясчынкамі, выкліканых CaCO3, значна павялічылася ў параўнанні са злучэннямі AA (мал. 14g-i).
З малюнкаў 14j-l і 14m-o відаць, што выкарыстанне фарыяту кальцыя ў якасці крыніцы кальцыя прыводзіць да далейшага павелічэння колькасці ападкаў CaCO3 у параўнанні са злучэннем AS, што адпавядае вымярэнням кальцыеметра на малюнку 6f. Гэты дадатковы CaCO3, відаць, у асноўным асядае на часцінках пяску і не абавязкова паляпшае якасць кантакту. Гэта пацвярджае назіраную раней паводзіну: нягледзячы на ​​адрозненні ў колькасці ападкаў CaCO3 (малюнак 6f), тры склады (AS, FA і FS) істотна не адрозніваюцца па супрацьэолавых (ветравых) характарыстыках (малюнак 11) і павярхоўнаму супраціўленню (малюнак 13a).
Каб лепш візуалізаваць бактэрыяльныя клеткі, пакрытыя CaCO3, і бактэрыяльны адбітак на асадкавых крышталях, былі зроблены мікрафотаздымкі SEM з вялікім павелічэннем, вынікі якіх паказаны на малюнку 15. Як паказана, карбанат кальцыя асядае на бактэрыяльных клетках і забяспечвае ядры, неабходныя для асаджэння там. На малюнку таксама паказаны актыўныя і неактыўныя сувязі, індукаваныя CaCO3. Можна зрабіць выснову, што любое павелічэнне неактыўных сувязяў не абавязкова прыводзіць да далейшага паляпшэння механічных уласцівасцей. Такім чынам, павелічэнне асаджэнняў CaCO3 не абавязкова прыводзіць да павышэння механічнай трываласці, і характар ​​асаджэнняў адыгрывае важную ролю. Гэты момант таксама вывучаўся ў працах Тэрзіса і Лалуі72 і Согі і Аль-Кабані45,73. Для далейшага вывучэння сувязі паміж характарам асаджэнняў і механічнай трываласцю рэкамендуюцца даследаванні MICP з выкарыстаннем µCT-візуалізацыі, што выходзіць за рамкі гэтага даследавання (г.зн. увядзенне розных камбінацый крыніцы кальцыя і бактэрый для MICP без аміяку).
CaCO3 індукаваў актыўныя і неактыўныя сувязі ва ўзорах, апрацаваных (а) складам AS і (б) складам FS, і пакінуў адбітак бактэрыяльных клетак на асадку.
Як паказана на малюнках 14j-o і 15b, прысутнічае плёнка CaCO3 (паводле EDX-аналізу, працэнтнае ўтрыманне кожнага элемента ў плёнцы складае 11% вугляроду, 46,62% кіслароду і 42,39% кальцыю, што вельмі блізка да працэнтнага ўтрымання CaCO3 на малюнку 16). Гэтая плёнка пакрывае крышталі ватэрыту і часціцы глебы, дапамагаючы падтрымліваць цэласнасць глеба-асадкавай сістэмы. Прысутнасць гэтай плёнкі назіралася толькі ва ўзорах, апрацаваных фарыятнай сумессю.
У табліцы 2 параўноўваюцца трываласць паверхні, парогавая хуткасць адрыву і біяіндукаванае ўтрыманне CaCO3 у глебах, апрацаваных шляхамі MICP, якія раскладаюць і не раскладаюць мачавіну, у папярэдніх даследаваннях і гэтым даследаванні. Даследаванні ўстойлівасці да ветравой эрозіі ўзораў выдмаў, апрацаваных MICP, абмежаваныя. Мэн і інш. даследавалі ўстойлівасць да ветравой эрозіі ўзораў выдмаў, апрацаваных MICP, якія раскладаюць мачавіну, з выкарыстаннем паветранадзімалкі для лісця,13 тады як у гэтым даследаванні ўзоры выдмаў, якія не раскладаюць мачавіну (а таксама кантрольныя ўзоры, якія раскладаюць мачавіну), былі пратэставаны ў аэрадынамічнай трубе і апрацаваны чатырма рознымі камбінацыямі бактэрый і рэчываў.
Як бачна, у некаторых папярэдніх даследаваннях разглядаліся высокія нормы ўнясення, якія перавышаюць 4 л/м213,41,74. Варта адзначыць, што высокія нормы ўнясення могуць быць не вельмі эканамічна выгаднымі ў палявых умовах з-за выдаткаў, звязаных з водазабеспячэннем, транспарціроўкай і ўнясеннем вялікіх аб'ёмаў вады. Больш нізкія нормы ўнясення, такія як 1,62-2 л/м2, таксама дасягалі даволі добрай трываласці паверхні да 190 кПа і хуткасці разрыву, якая перавышала 25 м/с. У дадзеным даследаванні выдмы, апрацаваныя MICP на аснове фарыату без дэградацыі мачавіны, дасягнулі высокай трываласці паверхні, параўнальнай з трываласцю, атрыманай пры шляху дэградацыі мачавіны ў тым жа дыяпазоне нормаў унясення (г.зн. узоры, апрацаваныя MICP на аснове фарыату без дэградацыі мачавіны, таксама змаглі дасягнуць таго ж дыяпазону значэнняў трываласці паверхні, як паведамлялася Мэн і інш., 13, малюнак 13a) пры больш высокіх нормах унясення. Таксама відаць, што пры норме ўнясення 2 л/м2 выхад карбанату кальцыю для змякчэння ветравой эрозіі пры хуткасці ветру 25 м/с склаў 2,25% для MICP на аснове фарыяту без раскладання мачавіны, што вельмі блізка да неабходнай колькасці CaCO3 (г.зн. 2,41%) у параўнанні з дзюнамі, апрацаванымі кантрольным MICP з раскладаннем мачавіны пры той жа норме ўнясення і той жа хуткасці ветру (25 м/с).
Такім чынам, з гэтай табліцы можна зрабіць выснову, што як шлях дэградацыі мачавіны, так і шлях дэградацыі без мачавіны могуць забяспечыць цалкам прымальныя паказчыкі з пункту гледжання павярхоўнага супраціўлення і TDV. Асноўнае адрозненне заключаецца ў тым, што шлях дэградацыі без мачавіны не ўтрымлівае аміяку і, такім чынам, аказвае меншы ўплыў на навакольнае асяроддзе. Акрамя таго, метад MICP на аснове фарыяту без дэградацыі мачавіны, прапанаваны ў гэтым даследаванні, здаецца, працуе лепш, чым метад MICP на аснове ацэтату без дэградацыі мачавіны. Нягледзячы на ​​тое, што Мохеббі і інш. вывучалі метад MICP на аснове ацэтату без дэградацыі мачавіны, іх даследаванне ўключала ўзоры на плоскіх паверхнях9. З-за больш высокай ступені эрозіі, выкліканай утварэннем віхравых хваль вакол узораў выдмаў і ўзніклага ў выніку зруху, што прыводзіць да больш нізкай TDV, чакаецца, што ветравая эрозія ўзораў выдмаў будзе больш відавочнай, чым эрозія плоскіх паверхняў пры той жа хуткасці.