Хвала вам што сте посетили nature.com. Верзија прегледача коју користите има ограничену подршку за CSS. За најбоље искуство, препоручујемо да користите најновију верзију прегледача (или да искључите режим компатибилности у Internet Explorer-у). Поред тога, како би се осигурала континуирана подршка, ова страница неће садржати стилове или JavaScript.
Пешчане олује представљају озбиљну претњу многим земљама широм света због свог разарајућег утицаја на пољопривреду, људско здравље, транспортне мреже и инфраструктуру. Као резултат тога, ерозија ветром се сматра глобалним проблемом. Један од еколошки прихватљивих приступа за сузбијање ерозије ветром је употреба микробно индукованих карбонатних таложења (МИЦП). Међутим, нуспроизводи МИЦП-а на бази разградње урее, као што је амонијак, нису идеални када се производе у великим количинама. Ова студија представља две формулације бактерија калцијум формиата за разградњу МИЦП-а без производње урее и свеобухватно упоређује њихове перформансе са две формулације бактерија калцијум ацетата које не производе амонијак. Разматране бактерије су Bacillus subtilis и Bacillus amyloliquefaciens. Прво, одређене су оптимизоване вредности фактора који контролишу формирање CaCO3. Затим су спроведена испитивања у аеротунелу на узорцима пешчаних дина третираним оптимизованим формулацијама, а мерена је отпорност на ерозију ветром, брзина прага скидања и отпорност на бомбардовање песком. Аломорфи калцијум карбоната (CaCO3) процењени су помоћу оптичке микроскопије, скенирајуће електронске микроскопије (СЕМ) и рендгенске дифракцијске анализе. Формулације на бази калцијум формиата показале су знатно боље резултате од формулација на бази ацетата у погледу формирања калцијум карбоната. Поред тога, B. subtilis је произвео више калцијум карбоната него B. amyloliquefaciens. SEM микрографије су јасно показале везивање и утискивање активних и неактивних бактерија на калцијум карбонат изазвано седиментацијом. Све формулације су значајно смањиле ерозију ветром.
Ерозија ветра је одавно препозната као главни проблем са којим се суочавају сушни и полусушни региони као што су југозападни део Сједињених Држава, западна Кина, сахарска Африка и већи део Блиског истока1. Ниска количина падавина у сушним и хиперсушним климатским условима трансформисала је велике делове ових региона у пустиње, пешчане дине и необрађено земљиште. Континуирана ерозија ветра представља еколошку претњу по инфраструктуру као што су транспортне мреже, пољопривредно земљиште и индустријско земљиште, што доводи до лоших услова живота и високих трошкова урбаног развоја у овим регионима2,3,4. Важно је напоменути да ерозија ветра не само да утиче на локацију где се јавља, већ изазива и здравствене и економске проблеме у удаљеним заједницама, јер преноси честице ветром у подручја далеко од извора5,6.
Контрола ерозије ветром остаје глобални проблем. Различите методе стабилизације земљишта користе се за контролу ерозије ветром. Ове методе укључују материјале као што су примена воде7, уљни малчеви8, биополимери5, микробно индукована карбонатна таложења (MICP)9,10,11,12 и ензимски индукована карбонатна таложења (EICP)1. Влажење земљишта је стандардна метода сузбијања прашине на терену. Међутим, његово брзо испаравање чини ову методу ограниченом ефикасношћу у сушним и полусушним регионима1. Примена једињења за малчирање на бази уља повећава кохезију песка и међучестично трење. Њихово кохезивно својство везује зрна песка заједно; међутим, уљни малчеви такође представљају друге проблеме; њихова тамна боја повећава апсорпцију топлоте и доводи до смрти биљака и микроорганизама. Њихов мирис и испарења могу изазвати респираторне проблеме, а најзначајније је да је њихова висока цена још једна препрека. Биополимери су једна од недавно предложених еколошки прихватљивих метода за ублажавање ерозије ветром; екстрахују се из природних извора као што су биљке, животиње и бактерије. Ксантан гума, гуар гума, хитозан и гелан гума су најчешће коришћени биополимери у инжењерским применама5. Међутим, биополимери растворљиви у води могу изгубити чврстоћу и испирати се из земљишта када су изложени води13,14. Показало се да је EICP ефикасна метода сузбијања прашине за разне примене, укључујући неасфалтиране путеве, јаловишта и градилишта. Иако су резултати охрабрујући, морају се узети у обзир неки потенцијални недостаци, као што су цена и недостатак места за нуклеацију (што убрзава формирање и таложење кристала CaCO315,16).
MICP су први пут описали крајем 19. века Мари и Ирвин (1890) и Штајнман (1901) у својој студији о разградњи урее од стране морских микроорганизама17. MICP је природни биолошки процес који укључује разне микробне активности и хемијске процесе у којима се калцијум карбонат таложи реакцијом карбонатних јона из микробних метаболита са калцијум јонима у окружењу18,19. MICP који укључује циклус азота који разграђује уреу (MICP који разграђује уреу) је најчешћи тип микробно индукованог карбонатног таложења, у којем уреаза коју производе бактерије катализује хидролизу урее20,21,22,23,24,25,26,27 на следећи начин:
У MICP-у који укључује угљенични циклус оксидације органских соли (тип MICP без разградње урее), хетеротрофне бактерије користе органске соли као што су ацетат, лактат, цитрат, сукцинат, оксалат, малат и глиоксилат као изворе енергије за производњу карбонатних минерала28. У присуству калцијум лактата као извора угљеника и јона калцијума, хемијска реакција формирања калцијум карбоната је приказана у једначини (5).
У MICP процесу, бактеријске ћелије обезбеђују места нуклеације која су посебно важна за таложење калцијум карбоната; површина бактеријске ћелије је негативно наелектрисана и може деловати као адсорбент за двовалентне катјоне као што су јони калцијума. Адсорпцијом јона калцијума на бактеријске ћелије, када је концентрација карбонатних јона довољна, катјони калцијума и карбонатни ањони реагују и калцијум карбонат се таложи на површини бактерија29,30. Процес се може сумирати на следећи начин31,32:
Биогенерисани кристали калцијум карбоната могу се поделити у три типа: калцит, ватерит и арагонит. Међу њима, калцит и ватерит су најчешћи бактеријски индуковани аломорфи калцијум карбоната33,34. Калцит је термодинамички најстабилнији аломорф калцијум карбоната35. Иако је објављено да је ватерит метастабилан, он се на крају трансформише у калцит36,37. Ватерит је најгушћи од ових кристала. То је хексагонални кристал који има бољу способност пуњења пора од других кристала калцијум карбоната због своје веће величине38. И уреом разграђени и уреом неразграђени MICP могу довести до таложења ватерита13,39,40,41.
Иако је MICP показао обећавајући потенцијал у стабилизацији проблематичних земљишта и земљишта подложних ерозији ветром42,43,44,45,46,47,48, један од нуспроизвода хидролизе урее је амонијак, који може изазвати благе до тешке здравствене проблеме у зависности од нивоа изложености49. Овај споредни ефекат чини употребу ове посебне технологије контроверзном, посебно када је потребно третирати велике површине, као што је сузбијање прашине. Поред тога, мирис амонијака је неподношљив када се процес изводи при високим стопама примене и великим запреминама, што може утицати на његову практичну применљивост. Иако су недавне студије показале да се амонијум јони могу смањити претварањем у друге производе као што је струвит, ове методе не уклањају у потпуности амонијум јоне50. Стога, и даље постоји потреба за истраживањем алтернативних решења која не генеришу амонијум јоне. Употреба путева разградње који нису уреа за MICP може пружити потенцијално решење које је слабо истражено у контексту ублажавања ерозије ветром. Фатахи и др. истраживали су разградњу MICP без урее користећи калцијум ацетат и Bacillus megaterium41, док су Мохеби и др. коришћен је калцијум ацетат и Bacillus amyloliquefaciens9. Међутим, њихова студија није упоређена са другим изворима калцијума и хетеротрофним бактеријама које би на крају могле побољшати отпорност на ерозију ветром. Такође, недостаје литература која упоређује путеве разградње без урее са путевима разградње урее у ублажавању ерозије ветром.
Поред тога, већина студија о ерозији ветром и контроли прашине спроведена је на узорцима земљишта са равним површинама.1,51,52,53 Међутим, равне површине су ређе у природи од брда и удубљења. Због тога су пешчане дине најчешћа карактеристика пејзажа у пустињским регионима.
Да би се превазишли горе поменути недостаци, циљ ове студије био је да се уведе нови сет бактеријских агенаса који не производе амонијак. У ту сврху, разматрали смо MICP путеве који не разграђују уреу. Испитана је ефикасност два извора калцијума (калцијум формијат и калцијум ацетат). Колико је ауторима познато, таложење карбоната коришћењем две комбинације извора калцијума и бактерија (тј. калцијум формијат-Bacillus subtilis и калцијум формијат-Bacillus amyloliquefaciens) није испитивано у претходним студијама. Избор ових бактерија заснивао се на ензимима које производе, а који катализују оксидацију калцијум формијата и калцијум ацетата да би се формирало микробно таложење карбоната. Осмислили смо темељну експерименталну студију како бисмо пронашли оптималне факторе као што су pH, врсте бактерија и извора калцијума и њихове концентрације, однос бактерија и раствора извора калцијума и време сушења. Коначно, ефикасност овог сета бактеријских агенаса у сузбијању ерозије ветром кроз таложење калцијум карбоната испитана је спровођењем серије тестова у аеротунелу на пешчаним динама како би се утврдила величина ерозије ветром, праг брзине откидања и отпорност песка на бомбардовање ветром, а такође су извршена и мерења пенетрометром и микроструктурне студије (нпр. анализа дифракције X-зрака (XRD) и скенирајућа електронска микроскопија (SEM)).
Производња калцијум карбоната захтева јоне калцијума и карбонатне јоне. Јони калцијума могу се добити из различитих извора калцијума као што су калцијум хлорид, калцијум хидроксид и обрано млеко у праху54,55. Карбонатни јони могу се произвести различитим микробним методама као што су хидролиза урее и аеробна или анаеробна оксидација органске материје56. У овој студији, карбонатни јони су добијени реакцијом оксидације формијата и ацетата. Поред тога, користили смо калцијумове соли формијата и ацетата за производњу чистог калцијум карбоната, тако да су као нуспроизводи добијени само CO2 и H2O. У овом процесу, само једна супстанца служи као извор калцијума и извор карбоната, и не производи се амонијак. Ове карактеристике чине извор калцијума и метод производње карбоната који смо сматрали веома перспективним.
Одговарајуће реакције калцијум формиата и калцијум ацетата, које формирају калцијум карбонат, приказане су у формулама (7)-(14). Формуле (7)-(11) показују да се калцијум формиат раствара у води и формира мрављу киселину или формиат. Раствор је стога извор слободних калцијумових и хидроксидних јона (формуле 8 и 9). Као резултат оксидације мравље киселине, атоми угљеника у мрављој киселини се претварају у угљен-диоксид (формула 10). На крају се формира калцијум карбонат (формуле 11 и 12).
Слично томе, калцијум карбонат се формира из калцијум ацетата (једначине 13–15), осим што се уместо мравље киселине формира сирћетна киселина или ацетат.
Без присуства ензима, ацетат и формиат не могу бити оксидовани на собној температури. ФДХ (формат дехидрогеназа) и КоА (коензим А) катализују оксидацију формиата и ацетата да би се формирао угљен-диоксид, респективно (једначине 16, 17) 57, 58, 59. Различите бактерије су способне да производе ове ензиме, а хетеротрофне бактерије, наиме Bacillus subtilis (PTCC #1204 (Персијска колекција типових култура), такође позната као NCIMB #13061 (Међународна колекција бактерија, квасца, фага, плазмида, биљног семена и култура биљних ћелија и ткива)) и Bacillus amyloliquefaciens (PTCC #1732, NCIMB #12077), коришћене су у овој студији. Ове бактерије су култивисане у медијуму који садржи месни пептон (5 г/Л) и месни екстракт (3 г/Л), названом хранљива чорба (NBR) (105443 Merck).
Стога су припремљене четири формулације за индуковање таложења калцијум карбоната коришћењем два извора калцијума и две бактерије: калцијум формиат и Bacillus subtilis (FS), калцијум формиат и Bacillus amyloliquefaciens (FA), калцијум ацетат и Bacillus subtilis (AS), и калцијум ацетат и Bacillus amyloliquefaciens (AA).
У првом делу експерименталног дизајна, спроведени су тестови како би се одредила оптимална комбинација која би постигла максималну производњу калцијум карбоната. Пошто су узорци земљишта садржали калцијум карбонат, осмишљен је сет прелиминарних тестова за евалуацију како би се прецизно измерио CaCO3 произведен различитим комбинацијама, а процењене су и смеше подлоге за култивацију и раствора извора калцијума. За сваку комбинацију извора калцијума и раствора бактерија дефинисану горе (FS, FA, AS и AA), изведени су фактори оптимизације (концентрација извора калцијума, време сушења, концентрација раствора бактерија мерена оптичком густином раствора (OD), однос извора калцијума и раствора бактерија и pH) и коришћени су у тестовима аеротунела за третман пешчаних дина описаним у следећим одељцима.
За сваку комбинацију, спроведено је 150 експеримената како би се проучио ефекат таложења CaCO3 и проценили различити фактори, наиме концентрација извора калцијума, време сушења, вредност оптичке густине бактерија, однос извора калцијума и бактеријског раствора и pH вредност током аеробне оксидације органске материје (Табела 1). Опсег pH вредности за оптимизовани процес је одабран на основу кривих раста Bacillus subtilis и Bacillus amyloliquefaciens како би се постигао бржи раст. Ово је детаљније објашњено у одељку Резултати.
Следећи кораци су коришћени за припрему узорака за фазу оптимизације. Раствор MICP је прво припремљен подешавањем почетног pH медијума за култивацију, а затим је аутоклавиран на 121 °C током 15 минута. Сој је затим инокулиран у ламинарном протоку ваздуха и одржаван у инкубатору за мућкање на 30 °C и 180 обртаја у минути. Када је оптичка густина (OD) бактерија достигла жељени ниво, помешана је са раствором извора калцијума у ​​жељеној пропорцији (Слика 1а). Раствор MICP је остављен да реагује и очврсне у инкубатору за мућкање на 220 обртаја у минути и 30 °C током времена које је достигло циљану вредност. Исталожени CaCO3 је одвојен након центрифугирања на 6000 g током 5 минута, а затим осушен на 40 °C да би се припремили узорци за калциметарски тест (Слика 1б). Таложење CaCO3 је затим мерено помоћу Бернард калциметра, где CaCO3 прах реагује са 1,0 N HCl (ASTM-D4373-02) да би се произвео CO2, а запремина овог гаса је мера садржаја CaCO3 (Слика 1ц). Да би се запремина CO2 претворила у садржај CaCO3, генерисана је калибрациона крива испирањем чистог CaCO3 праха са 1 N HCl и његовим приказивањем у односу на развијени CO2. Морфологија и чистоћа исталоженог CaCO3 праха су испитиване помоћу SEM снимања и XRD анализе. Оптички микроскоп са увећањем од 1000 је коришћен за проучавање формирања калцијум карбоната око бактерија, фазе формираног калцијум карбоната и активности бактерија.
Деџешки басен је добро позната, високо еродирана регија у југозападној провинцији Фарс у Ирану, а истраживачи су прикупили узорке земљишта еродираног ветром из тог подручја. Узорци су узети са површине земљишта за потребе студије. Индикаторски тестови на узорцима земљишта показали су да је земљиште слабо сортирано, песковито земљиште са муљем и класификовано је као SP-SM према Јединственом систему класификације земљишта (USC) (слика 2а). XRD анализа је показала да је земљиште Деџега углавном састављено од калцита и кварца (слика 2б). Поред тога, EDX анализа је показала да су и други елементи попут Al, K и Fe присутни у мањим пропорцијама.
Да би се лабораторијске дине припремиле за испитивање ерозије ветром, земљиште је дробљено са висине од 170 мм кроз левак пречника 10 мм до чврсте површине, што је резултирало типичном дином висине 60 мм и пречника 210 мм. У природи, пешчане дине најмање густине настају еолским процесима. Слично томе, узорак припремљен коришћењем горе наведеног поступка имао је најмању релативну густину, γ = 14,14 kN/m³, формирајући пешчани конус наталожен на хоризонталној површини са углом мировања од приближно 29,7°.
Оптимални раствор MICP добијен у претходном одељку је прскан по падини дине при количини примене од 1, 2 и 3 lm-2, а затим су узорци чувани у инкубатору на 30 °C (Сл. 3) током 9 дана (тј. оптимално време сушења), а затим изнети на испитивање у аеротунелу.
За сваки третман припремљена су четири узорка, један за мерење садржаја калцијум карбоната и површинске чврстоће помоћу пенетрометра, а преостала три узорка су коришћена за тестове ерозије при три различите брзине. У тестовима у аеротунелу, количина ерозије је одређена при различитим брзинама ветра, а затим је одређена прагова брзина одвајања за сваки третирани узорак коришћењем графика количине ерозије у односу на брзину ветра. Поред тестова ерозије ветром, третирани узорци су подвргнути бомбардовању песком (тј. експерименти скакања). Два додатна узорка су припремљена у ову сврху са брзинама примене од 2 и 3 L m−2. Тест бомбардовања песком трајао је 15 минута са флуксом од 120 gm−1, што је унутар опсега вредности одабраних у претходним студијама60,61,62. Хоризонтално растојање између абразивне млазнице и основе дине било је 800 mm, налазило се 100 mm изнад дна тунела. Овај положај је подешен тако да скоро све честице песка које скачу падају на дину.
Тест у аеротунелу је спроведен у отвореном аеротунелу дужине 8 м, ширине 0,4 м и висине 1 м (слика 4а). Аеротунел је направљен од поцинкованих челичних лимова и може да генерише брзину ветра до 25 м/с. Поред тога, користи се фреквентни претварач за подешавање фреквенције вентилатора и постепено повећање фреквенције како би се добила циљна брзина ветра. Слика 4б приказује шематски дијаграм пешчаних дина еродираних ветром и профил брзине ветра измерен у аеротунелу.
Коначно, да би се упоредили резултати не-уреалитичке формулације МИЦП предложене у овој студији са резултатима уреалитичког контролног теста МИЦП, узорци дина су такође припремљени и третирани биолошким раствором који садржи уреу, калцијум хлорид и Sporosarcina pasteurii (пошто Sporosarcina pasteurii има значајну способност да производи уреазу63). Оптичка густина бактеријског раствора била је 1,5, а концентрације урее и калцијум хлорида биле су 1 М (одабране на основу вредности препоручених у претходним студијама36,64,65). Подлога за култивацију се састојала од хранљивог бујона (8 г/Л) и урее (20 г/Л). Бактеријски раствор је прскан по површини дина и остављен 24 сата ради везивања бактерија. Након 24 сата везивања, прскан је раствор за цементирање (калцијум хлорид и уреа). Уреалитички контролни тест МИЦП се у даљем тексту назива УМЦ. Садржај калцијум карбоната у урезама земљишта третираним уреалитички и неуреалитички добијен је испирањем према поступку који су предложили Чој и др.66
Слика 5 приказује криве раста Bacillus amyloliquefaciens и Bacillus subtilis у медијуму за култивацију (храњиви раствор) са почетним pH опсегом од 5 до 10. Као што је приказано на слици, Bacillus amyloliquefaciens и Bacillus subtilis су брже расли при pH 6-8 и 7-9, респективно. Стога је овај pH опсег усвојен у фази оптимизације.
Криве раста (а) Bacillus amyloliquefaciens и (б) Bacillus subtilis при различитим почетним pH вредностима хранљиве подлоге.
Слика 6 приказује количину угљен-диоксида произведеног у Бернард кречометру, која представља исталожени калцијум-карбонат (CaCO3). Пошто је један фактор био фиксиран у свакој комбинацији, а остали фактори су варирани, свака тачка на овим графиконима одговара максималној запремини угљен-диоксида у том скупу експеримената. Као што је приказано на слици, како се концентрација извора калцијума повећавала, повећавала се и производња калцијум-карбоната. Стога, концентрација извора калцијума директно утиче на производњу калцијум-карбоната. Пошто су извор калцијума и извор угљеника исти (тј. калцијум-формијат и калцијум-ацетат), што се више калцијумових јона ослобађа, то се више калцијум-карбоната формира (слика 6а). У формулацијама AS и AA, производња калцијум-карбоната је наставила да расте са повећањем времена сушења све док количина талога није остала скоро непромењена након 9 дана. У формулацији FA, брзина стварања калцијум-карбоната се смањила када је време сушења прешло 6 дана. У поређењу са другим формулацијама, формулација FS је показала релативно ниску брзину стварања калцијум-карбоната након 3 дана (слика 6б). У формулацијама FA и FS, 70% и 87% укупне производње калцијум карбоната је добијено након три дана, док је у формулацијама AA и AS овај удео био само око 46% и 45%, респективно. Ово указује да формулација на бази мравље киселине има већу брзину формирања CaCO3 у почетној фази у поређењу са формулацијом на бази ацетата. Међутим, брзина формирања се успорава са повећањем времена сушења. Из слике 6c се може закључити да чак и при концентрацијама бактерија изнад OD1, нема значајног доприноса формирању калцијум карбоната.
Промена запремине CO2 (и одговарајућег садржаја CaCO3) мерена Бернардовим калциметром као функција (а) концентрације извора калцијума, (б) времена везивања, (ц) оптичке густине (OD), (д) ​​почетног pH, (е) односа извора калцијума и бактеријског раствора (за сваку формулацију); и (ф) максималне количине калцијум карбоната произведеног за сваку комбинацију извора калцијума и бактерија.
Што се тиче утицаја почетног pH медијума, слика 6д показује да је за FA и FS, производња CaCO3 достигла максималну вредност при pH 7. Ово запажање је у складу са претходним студијама да су FDH ензими најстабилнији при pH 7-6,7. Међутим, за AA и AS, преципитација CaCO3 се повећала када је pH прешла 7. Претходне студије су такође показале да је оптимални pH опсег за активност CoA ензима од 8 до 9,2-6,8. Узимајући у обзир да су оптимални pH опсези за активност CoA ензима и раст B. amyloliquefaciens (8-9,2) и (6-8), респективно (слика 5а), очекује се да ће оптимални pH формулације AA бити 8, а два pH опсега се преклапају. Ова чињеница је потврђена експериментима, као што је приказано на слици 6д. Пошто је оптимална pH вредност за раст B. subtilis 7-9 (слика 5б), а оптимална pH вредност за активност CoA ензима 8-9,2, очекује се да ће максимални принос таложења CaCO3 бити у pH опсегу од 8-9, што је потврђено сликом 6д (тј. оптимална pH вредност таложења је 9). Резултати приказани на слици 6е указују да је оптимални однос раствора извора калцијума и бактеријског раствора 1 и за ацетатне и за формијатне растворе. Поређења ради, перформансе различитих формулација (тј. AA, AS, FA и FS) су процењене на основу максималне производње CaCO3 под различитим условима (тј. концентрација извора калцијума, време сушења, оптичка густина (OD), однос извора калцијума и бактеријског раствора и почетни pH). Међу проучаваним формулацијама, формулација FS је имала највећу производњу CaCO3, која је била приближно три пута већа од формулације AA (слика 6ф). Четири контролна експеримента без бактерија су спроведена за оба извора калцијума и није примећена таложења CaCO3 након 30 дана.
Слике добијене оптичком микроскопијом свих формулација показале су да је ватерит главна фаза у којој се формирао калцијум карбонат (слика 7). Кристали ватерита су били сферног облика 69,70,71. Утврђено је да се калцијум карбонат таложи на бактеријским ћелијама јер је површина бактеријских ћелија негативно наелектрисана и може деловати као адсорбент за двовалентне катјоне. Узимајући формулацију FS као пример у овој студији, након 24 сата, калцијум карбонат је почео да се формира на неким бактеријским ћелијама (слика 7а), а након 48 сати, број бактеријских ћелија обложених калцијум карбонатом се значајно повећао. Поред тога, као што је приказано на слици 7б, могле су се детектовати и честице ватерита. Коначно, након 72 сата, чини се да је велики број бактерија везан за кристале ватерита, а број честица ватерита се значајно повећао (слика 7ц).
Посматрања таложења CaCO3 у саставима FS помоћу оптичке микроскопије током времена: (а) 24, (б) 48 и (ц) 72 сата.
Ради даљег испитивања морфологије исталожене фазе, спроведене су анализе прахова дифракцијом X-зрака (XRD) и SEM анализе. XRD спектри (Сл. 8а) и SEM микрографије (Сл. 8б, ц) потврдили су присуство кристала ватерита, јер су имали облик сличан салати и примећена је подударност између врхова ватерита и врхова талога.
(а) Поређење рендгенских дифракцијских спектара формираног CaCO3 и ватерита. СЕМ микрографије ватерита при (б) увећању од 1 kHz и (ц) 5,27 kHz, респективно.
Резултати испитивања у аеротунелу приказани су на слици 9а, б. Из слике 9а се види да је гранична брзина ерозије (TDV) нетретираног песка око 4,32 м/с. При брзини примене од 1 л/м² (слика 9а), нагиби линија брзине губитка земљишта за фракције FA, FS, AA и UMC су приближно исти као и за нетретирану дину. Ово указује да је третман при овој брзини примене неефикасан и чим брзина ветра пређе TDV, танка кора земљишта нестаје и брзина ерозије дине је иста као и за нетретирану дину. Нагиб ерозије фракције AS је такође нижи него код осталих фракција са нижим апсцисама (тј. TDV) (слика 9а). Стрелице на слици 9б показују да при максималној брзини ветра од 25 м/с није дошло до ерозије у третираним динама при брзинама примене од 2 и 3 л/м². Другим речима, за FS, FA, AS и UMC, дине су биле отпорније на ерозију ветром изазвану таложењем CaCO³ при брзинама примене од 2 и 3 л/м² него при максималној брзини ветра (тј. 25 м/с). Дакле, TDV вредност од 25 м/с добијена у овим тестовима је доња граница за брзине примене приказане на слици 9б, осим у случају AA, где је TDV скоро једнака максималној брзини у аеротунелу.
Тест ерозије ветром (а) Губитак тежине у односу на брзину ветра (брзина примене 1 л/м2), (б) Праг брзине кидања у односу на брзину примене и формулацију (CA за калцијум ацетат, CF за калцијум формиат).
Слика 10 приказује површинску ерозију пешчаних дина третираних различитим формулацијама и стопама примене након теста бомбардовања песком, а квантитативни резултати су приказани на слици 11. Нетретирани случај није приказан јер није показао отпорност и потпуно је еродирао (укупни губитак масе) током теста бомбардовања песком. Из слике 11 је јасно да је узорак третиран биосаставом АА изгубио 83,5% своје тежине при стопи примене од 2 л/м2, док су сви остали узорци показали мање од 30% ерозије током процеса бомбардовања песком. Када је стопа примене повећана на 3 л/м2, сви третирани узорци су изгубили мање од 25% своје тежине. При обе стопе примене, једињење ФС показало је најбољу отпорност на бомбардовање песком. Максимална и минимална отпорност на бомбардовање у узорцима третираним ФС и АА може се приписати њиховом максималном и минималном таложењу CaCO3 (слика 6ф).
Резултати бомбардовања пешчаних дина различитог састава при брзинама протока од 2 и 3 л/м2 (стрелице означавају смер ветра, крстићи означавају смер ветра нормалан на раван цртежа).
Као што је приказано на слици 12, садржај калцијум карбоната у свим формулама се повећавао како се брзина примене повећавала са 1 л/м² на 3 л/м². Поред тога, при свим брзинама примене, формула са највећим садржајем калцијум карбоната била је FS, затим FA и UMC. Ово указује на то да ове формуле могу имати већу површинску отпорност.
Слика 13а приказује промену површинског отпора нетретираних, контролних и третираних узорака земљишта мерених пермеаметром. Са ове слике је очигледно да се површински отпор UMC, AS, FA и FS формулација значајно повећао са повећањем брзине примене. Међутим, повећање површинске чврстоће било је релативно мало код AA формулације. Као што је приказано на слици, FA и FS формулације MICP-а који није разграђен уреом имају бољу површинску пропустљивост у поређењу са MICP-ом разграђеним уреом. Слика 13б приказује промену TDV са отпором површине земљишта. Са ове слике је јасно видљиво да ће за дине са површинским отпором већим од 100 kPa, праг брзине скидања премашити 25 m/s. Пошто се површински отпор in situ може лако измерити пермеаметром, ово знање може помоћи у процени TDV-а у одсуству испитивања у аеротунелу, тиме служећи као индикатор контроле квалитета за теренске примене.
Резултати СЕМ-а су приказани на слици 14. Слике 14а-б приказују увећане честице нетретираног узорка земљишта, што јасно указује да је кохезиван и да нема природно везивање или цементацију. Слика 14ц приказује СЕМ микрографију контролног узорка третираног МИЦП-ом разграђеним уреом. Ова слика показује присуство CaCO3 талога као полиморфа калцита. Као што је приказано на сликама 14д-о, исталожени CaCO3 везује честице заједно; сферни кристали ватерита се такође могу идентификовати на СЕМ микрографијама. Резултати ове и претходних студија указују да везе CaCO3 формиране као полиморфи ватерита такође могу пружити разумну механичку чврстоћу; наши резултати показују да се површински отпор повећава на 350 kPa, а праг брзине раздвајања се повећава са 4,32 на више од 25 m/s. Овај резултат је у складу са резултатима претходних студија да је матрица CaCO3 исталоженог MICP-ом ватерит, који има разумну механичку чврстоћу и отпорност на ерозију ветром13,40 и може да одржи разумну отпорност на ерозију ветром чак и након 180 дана излагања условима околине на терену13.
(а, б) СЕМ микрографије нетретираног земљишта, (ц) контрола разградње урее MICP, (дф) узорци третирани AA, (ги) узорци третирани AS, (јл) узорци третирани FA и (мо) узорци третирани FS при брзини примене од 3 L/m2 при различитим увећањима.
Слика 14д-ф показује да је након третмана са AA једињењима, калцијум карбонат исталожен на површини и између зрна песка, док су примећена и нека необложена зрна песка. Код AS компоненти, иако се количина формираног CaCO3 није значајно повећала (Сл. 6ф), количина контаката између зрна песка изазваних CaCO3 значајно се повећала у поређењу са AA једињењима (Сл. 14г-и).
Из слика 14ј-л и 14м-о јасно је да употреба калцијум формиата као извора калцијума доводи до даљег повећања таложења CaCO3 у поређењу са AS једињењем, што је у складу са мерењима калцијумметра на слици 6ф. Чини се да се овај додатни CaCO3 углавном таложи на честицама песка и не побољшава нужно квалитет контакта. Ово потврђује претходно примећено понашање: упркос разликама у количини таложења CaCO3 (слика 6ф), три формулације (AS, FA и FS) се не разликују значајно у погледу перформанси против еола (ветра) (слика 11) и отпора површине (слика 13а).
Да би се боље визуализовале бактеријске ћелије обложене CaCO3 и бактеријски отисак на исталоженим кристалима, направљене су SEM микрографије великог увећања, а резултати су приказани на слици 15. Као што је приказано, калцијум карбонат се таложи на бактеријским ћелијама и обезбеђује језгра потребна за таложење тамо. Слика такође приказује активне и неактивне везе индуковане CaCO3. Може се закључити да свако повећање неактивних веза не мора нужно довести до даљег побољшања механичког понашања. Стога, повећање таложења CaCO3 не мора нужно довести до веће механичке чврстоће, а образац таложења игра важну улогу. Ова тачка је такође проучавана у радовима Терзиса и Лалуија72 и Согија и Ал-Кабанија45,73. Да би се даље истражила веза између обрасца таложења и механичке чврстоће, препоручују се MICP студије коришћењем µCT снимања, што је ван оквира ове студије (тј. увођење различитих комбинација извора калцијума и бактерија за MICP без амонијака).
CaCO3 је индуковао активне и неактивне везе у узорцима третираним (а) AS саставом и (б) FS саставом и оставио отисак бактеријских ћелија на седименту.
Као што је приказано на сликама 14ј-о и 15б, постоји CaCO₃ филм (према EDX анализи, процентуални састав сваког елемента у филму је угљеник 11%, кисеоник 46,62% и калцијум 42,39%, што је веома близу проценту CaCO₃ на слици 16). Овај филм покрива кристале ватерита и честице земљишта, помажући у одржавању интегритета система земљиште-седимент. Присуство овог филма је примећено само у узорцима третираним формулацијом на бази формата.
Табела 2 упоређује површинску чврстоћу, праг брзине одвајања и биоиндуковани садржај CaCO3 у земљиштима третираним MICP путевима који разграђују и који не разграђују уреу у претходним студијама и овој студији. Студије о отпорности узорака дина третираних MICP-ом на ерозију ветром су ограничене. Менг и др. истраживали су отпорност узорака дина који разграђују уреу третираних MICP-ом на ерозију ветром користећи дувач лишћа,13 док су у овој студији узорци дина који не разграђују уреу (као и контроле које разграђују уреу) тестирани у аеротунелу и третирани са четири различите комбинације бактерија и супстанци.
Као што се може видети, неке претходне студије су разматрале високе стопе примене које прелазе 4 Л/м213,41,74. Вреди напоменути да високе стопе примене можда неће бити лако применљиве на терену са економске тачке гледишта због трошкова повезаних са снабдевањем водом, транспортом и применом великих количина воде. Ниже стопе примене, као што је 1,62-2 Л/м2, такође су постигле прилично добре површинске чврстоће до 190 kPa и TDV преко 25 m/s. У овој студији, дине третиране MICP-ом на бази формата без разградње урее постигле су високе површинске чврстоће које су биле упоредиве са онима добијеним путем разградње урее у истом опсегу стопа примене (тј. узорци третирани MICP-ом на бази формата без разградње урее такође су могли да постигну исти опсег вредности површинске чврстоће као што су известили Менг и др., 13, слика 13а) при вишим стопама примене. Такође се може видети да је при брзини примене од 2 L/m2, принос калцијум карбоната за ублажавање ерозије ветром при брзини ветра од 25 m/s био 2,25% за MICP на бази формата без разградње урее, што је веома близу потребној количини CaCO3 (тј. 2,41%) у поређењу са динама третираним контролним MICP-ом са разградњом урее при истој брзини примене и истој брзини ветра (25 m/s).
Дакле, из ове табеле се може закључити да и пут разградње урее и пут разградње без урее могу пружити прилично прихватљиве перформансе у погледу површинске отпорности и TDV. Главна разлика је у томе што пут разградње без урее не садржи амонијак и стога има мањи утицај на животну средину. Поред тога, чини се да MICP метода на бази формата без разградње урее, предложена у овој студији, боље функционише од MICP методе на бази ацетата без разградње урее. Иако су Мохеби и др. проучавали MICP методу на бази ацетата без разградње урее, њихова студија је укључивала узорке на равним површинама9. Због већег степена ерозије изазване стварањем вртлога око узорака дина и резултирајућим смицањем, што резултира нижим TDV, очекује се да ће ерозија узорака дина ветром бити очигледнија него код равних површина при истој брзини.