Спасибо за посещение сайта nature.com. В используемой вами версии браузера поддержка CSS ограничена. Для наилучшего результата мы рекомендуем использовать последнюю версию браузера (или отключить режим совместимости в Internet Explorer). Кроме того, для обеспечения дальнейшей поддержки, на этом сайте не будут использоваться стили и JavaScript.
Пылевые бури представляют серьезную угрозу для многих стран мира из-за их разрушительного воздействия на сельское хозяйство, здоровье человека, транспортные сети и инфраструктуру. В результате ветровая эрозия считается глобальной проблемой. Одним из экологически чистых подходов к борьбе с ветровой эрозией является использование микробно-индуцированного осаждения карбонатов (MICP). Однако побочные продукты MICP, образующиеся при разложении мочевины, такие как аммиак, не являются идеальными при производстве в больших количествах. В данном исследовании представлены две формулы бактерий формиата кальция для разложения MICP без образования мочевины и проведено всестороннее сравнение их эффективности с двумя формулами бактерий ацетата кальция, не продуцирующих аммиак. Рассматриваемые бактерии — Bacillus subtilis и Bacillus amyloliquefaciens. Сначала были определены оптимизированные значения факторов, контролирующих образование CaCO3. Затем были проведены испытания в аэродинамической трубе на образцах песчаных дюн, обработанных оптимизированными формулами, и измерены сопротивление ветровой эрозии, пороговая скорость отслаивания и сопротивление бомбардировке песком. Алломорфы карбоната кальция (CaCO3) были исследованы с помощью оптической микроскопии, сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) и рентгенодифракционного анализа. Составы на основе формиата кальция показали значительно лучшие результаты, чем составы на основе ацетата, с точки зрения образования карбоната кальция. Кроме того, B. subtilis продуцировал больше карбоната кальция, чем B. amyloliquefaciens. Микрофотографии СЭМ четко показали связывание и импринтинг активных и неактивных бактерий на карбонате кальция, вызванные седиментацией. Все составы значительно снизили ветровую эрозию.
Ветровая эрозия давно признана одной из главных проблем засушливых и полузасушливых регионов, таких как юго-запад США, западный Китай, Сахара и большая часть Ближнего Востока1. Низкий уровень осадков в засушливых и крайне засушливых климатических зонах превратил значительные части этих регионов в пустыни, песчаные дюны и необработанные земли. Продолжающаяся ветровая эрозия представляет собой экологическую угрозу для инфраструктуры, такой как транспортные сети, сельскохозяйственные и промышленные земли, что приводит к ухудшению условий жизни и высоким затратам на городское развитие в этих регионах2,3,4. Важно отметить, что ветровая эрозия влияет не только на место своего возникновения, но и вызывает проблемы со здоровьем и экономические проблемы в отдаленных общинах, поскольку переносит частицы ветром в районы, удаленные от источника5,6.
Борьба с ветровой эрозией остается глобальной проблемой. Для контроля ветровой эрозии используются различные методы стабилизации почвы. К таким методам относятся такие материалы, как внесение воды7, масляная мульча8, биополимеры5, микробно-индуцированное осаждение карбонатов (MICP)9,10,11,12 и ферментативно-индуцированное осаждение карбонатов (EICP)1. Увлажнение почвы является стандартным методом подавления пыли в полевых условиях. Однако быстрое испарение делает этот метод малоэффективным в засушливых и полузасушливых регионах1. Применение масляных мульчирующих составов увеличивает сцепление песка и межчастичное трение. Их когезионное свойство связывает песчинки вместе; однако масляная мульча также создает другие проблемы: ее темный цвет увеличивает поглощение тепла и приводит к гибели растений и микроорганизмов. Ее запах и пары могут вызывать проблемы с дыханием, и, что наиболее важно, ее высокая стоимость является еще одним препятствием. Биополимеры — один из недавно предложенных экологически чистых методов смягчения ветровой эрозии; их извлекают из природных источников, таких как растения, животные и бактерии. Ксантановая камедь, гуаровая камедь, хитозан и геллановая камедь являются наиболее часто используемыми биополимерами в инженерных приложениях5. Однако водорастворимые биополимеры могут терять прочность и вымываться из почвы при воздействии воды13,14. Было показано, что EICP является эффективным методом подавления пыли в различных областях применения, включая грунтовые дороги, хвостохранилища и строительные площадки. Хотя его результаты обнадеживают, необходимо учитывать некоторые потенциальные недостатки, такие как стоимость и отсутствие центров нуклеации (что ускоряет образование и осаждение кристаллов CaCO315,16).
Микробиологически индуцированное осаждение карбоната (MICP) было впервые описано в конце XIX века Мюрреем и Ирвином (1890) и Штейнманном (1901) в их исследовании разложения мочевины морскими микроорганизмами17. MICP — это естественный биологический процесс, включающий различные виды микробной активности и химические процессы, в котором карбонат кальция осаждается в результате реакции карбонатных ионов из микробных метаболитов с ионами кальция в окружающей среде18,19. MICP, включающее азотный цикл, разлагающий мочевину (мочевиноразлагающее MICP), является наиболее распространенным типом микробиологически индуцированного осаждения карбоната, при котором уреаза, продуцируемая бактериями, катализирует гидролиз мочевины20,21,22,23,24,25,26,27 следующим образом:
В MICP, включающем углеродный цикл окисления органических солей (MICP без разложения мочевины), гетеротрофные бактерии используют органические соли, такие как ацетат, лактат, цитрат, сукцинат, оксалат, малат и глиоксилат, в качестве источников энергии для образования карбонатных минералов28. В присутствии лактата кальция в качестве источника углерода и ионов кальция химическая реакция образования карбоната кальция показана в уравнении (5).
В процессе MICP бактериальные клетки обеспечивают центры нуклеации, которые особенно важны для осаждения карбоната кальция; поверхность бактериальной клетки имеет отрицательный заряд и может выступать в качестве адсорбента для двухвалентных катионов, таких как ионы кальция. При адсорбции ионов кальция на бактериальных клетках, когда концентрация карбонат-ионов становится достаточной, катионы кальция и карбонат-анионы реагируют, и карбонат кальция осаждается на поверхности бактерий29,30. Этот процесс можно суммировать следующим образом31,32:
Биогенерированные кристаллы карбоната кальция можно разделить на три типа: кальцит, ватерит и арагонит. Среди них кальцит и ватерит являются наиболее распространенными алломорфами карбоната кальция, образующимися в результате бактериального воздействия33,34. Кальцит — наиболее термодинамически стабильный алломорф карбоната кальция35. Хотя ватерит, как сообщается, является метастабильным, он в конечном итоге превращается в кальцит36,37. Ватерит — самый плотный из этих кристаллов. Это гексагональный кристалл, обладающий лучшей способностью заполнять поры, чем другие кристаллы карбоната кальция, благодаря своему большему размеру38. Как разложенный мочевиной, так и неразложенный мочевиной MICP может приводить к осаждению ватерита13,39,40,41.
Хотя метод MICP продемонстрировал многообещающий потенциал в стабилизации проблемных почв и почв, подверженных ветровой эрозии42,43,44,45,46,47,48, одним из побочных продуктов гидролиза мочевины является аммиак, который может вызывать проблемы со здоровьем от легкой до тяжелой степени в зависимости от уровня воздействия49. Этот побочный эффект делает использование данной технологии спорным, особенно когда необходимо обрабатывать большие площади, например, для подавления пыли. Кроме того, запах аммиака невыносим при высоких нормах внесения и больших объемах, что может повлиять на его практическое применение. Хотя недавние исследования показали, что ионы аммония могут быть восстановлены путем их преобразования в другие продукты, такие как струвит, эти методы не полностью удаляют ионы аммония50. Поэтому все еще существует необходимость в изучении альтернативных решений, которые не образуют ионы аммония. Использование путей разложения, не связанных с мочевиной, для MICP может обеспечить потенциальное решение, которое недостаточно изучено в контексте смягчения последствий ветровой эрозии. Фаттахи и др. исследовали разложение MICP без использования мочевины с помощью ацетата кальция и Bacillus megaterium41, в то время как Мохебби и др. использовали ацетат кальция и Bacillus amyloliquefaciens9. Однако их исследование не сравнивалось с другими источниками кальция и гетеротрофными бактериями, которые могли бы в конечном итоге повысить устойчивость к ветровой эрозии. Также отсутствует литература, сравнивающая пути разложения без использования мочевины с путями разложения с использованием мочевины в контексте снижения ветровой эрозии.
Кроме того, большинство исследований ветровой эрозии и борьбы с пылью проводилось на образцах почвы с плоскими поверхностями.1,51,52,53 Однако плоские поверхности встречаются в природе реже, чем холмы и низины. Именно поэтому песчаные дюны являются наиболее распространенным элементом ландшафта в пустынных регионах.
Для преодоления вышеупомянутых недостатков данное исследование было направлено на внедрение нового набора неаммиачных бактериальных агентов. С этой целью мы рассмотрели пути микробного осаждения карбонатов, не разлагающих мочевину. Была исследована эффективность двух источников кальция (формиата кальция и ацетата кальция). Насколько известно авторам, осаждение карбонатов с использованием двух комбинаций источников кальция и бактерий (а именно, формиат кальция-Bacillus subtilis и формиат кальция-Bacillus amyloliquefaciens) ранее не исследовалось. Выбор этих бактерий был основан на продуцируемых ими ферментах, которые катализируют окисление формиата кальция и ацетата кальция с образованием микробного осаждения карбонатов. Мы разработали тщательное экспериментальное исследование для определения оптимальных факторов, таких как pH, типы бактерий и источников кальция и их концентрации, соотношение бактерий к раствору источника кальция и время отверждения. Наконец, эффективность данного набора бактериальных агентов в подавлении ветровой эрозии посредством осаждения карбоната кальция была исследована путем проведения серии испытаний в аэродинамической трубе на песчаных дюнах для определения величины ветровой эрозии, пороговой скорости разрушения и устойчивости песка к ветровой бомбардировке, а также были проведены измерения с помощью пенетрометра и микроструктурные исследования (например, рентгенодифракционный анализ (XRD) и сканирующая электронная микроскопия (SEM)).
Для производства карбоната кальция необходимы ионы кальция и карбонатные ионы. Ионы кальция можно получить из различных источников кальция, таких как хлорид кальция, гидроксид кальция и сухое обезжиренное молоко54,55. Карбонатные ионы могут быть получены различными микробными методами, такими как гидролиз мочевины и аэробное или анаэробное окисление органических веществ56. В данном исследовании карбонатные ионы были получены в результате реакции окисления формиата и ацетата. Кроме того, мы использовали кальциевые соли формиата и ацетата для получения чистого карбоната кальция, поэтому в качестве побочных продуктов были получены только CO2 и H2O. В этом процессе только одно вещество служит источником кальция и источником карбоната, и аммиак не образуется. Эти характеристики делают предложенный нами метод получения источника кальция и карбоната очень перспективным.
Соответствующие реакции формиата кальция и ацетата кальция с образованием карбоната кальция показаны в формулах (7)-(14). Формулы (7)-(11) показывают, что формиат кальция растворяется в воде с образованием муравьиной кислоты или формиата. Таким образом, раствор является источником свободных ионов кальция и гидроксида (формулы 8 и 9). В результате окисления муравьиной кислоты атомы углерода в муравьиной кислоте превращаются в диоксид углерода (формула 10). В конечном итоге образуется карбонат кальция (формулы 11 и 12).
Аналогичным образом карбонат кальция образуется из ацетата кальция (уравнения 13–15), за исключением того, что вместо муравьиной кислоты образуется уксусная кислота или ацетат.
Без присутствия ферментов ацетат и формиат не могут быть окислены при комнатной температуре. ФДГ (формиатдегидрогеназа) и КоА (кофермент А) катализируют окисление формиата и ацетата с образованием диоксида углерода соответственно (уравнения 16, 17) 57, 58, 59. Различные бактерии способны продуцировать эти ферменты, и в данном исследовании были использованы гетеротрофные бактерии, а именно Bacillus subtilis (PTCC #1204 (Персидская коллекция типовых культур), также известная как NCIMB #13061 (Международная коллекция бактерий, дрожжей, фагов, плазмидов, семян растений и культур растительных клеток)) и Bacillus amyloliquefaciens (PTCC #1732, NCIMB #12077). Эти бактерии культивировали в среде, содержащей мясной пептон (5 г/л) и мясной экстракт (3 г/л), называемой питательным бульоном (NBR) (105443 Merck).
Таким образом, были приготовлены четыре состава для осаждения карбоната кальция с использованием двух источников кальция и двух бактерий: формиата кальция и Bacillus subtilis (FS), формиата кальция и Bacillus amyloliquefaciens (FA), ацетата кальция и Bacillus subtilis (AS), а также ацетата кальция и Bacillus amyloliquefaciens (AA).
В первой части экспериментального исследования были проведены испытания для определения оптимальной комбинации, обеспечивающей максимальное производство карбоната кальция. Поскольку образцы почвы содержали карбонат кальция, был разработан набор предварительных оценочных испытаний для точного измерения количества CaCO3, производимого различными комбинациями, а также были оценены смеси культуральной среды и растворов источников кальция. Для каждой из вышеописанных комбинаций источника кальция и бактериального раствора (FS, FA, AS и AA) были определены факторы оптимизации (концентрация источника кальция, время отверждения, концентрация бактериального раствора, измеренная по оптической плотности раствора (OD), соотношение источника кальция и бактериального раствора и pH), которые использовались в аэродинамических испытаниях по обработке песчаных дюн, описанных в следующих разделах.
Для каждой комбинации было проведено 150 экспериментов для изучения влияния осаждения CaCO3 и оценки различных факторов, а именно концентрации источника кальция, времени отверждения, значения оптической плотности бактерий, соотношения источника кальция к бактериальному раствору и pH во время аэробного окисления органического вещества (таблица 1). Диапазон pH для оптимизированного процесса был выбран на основе кривых роста Bacillus subtilis и Bacillus amyloliquefaciens для достижения более быстрого роста. Это более подробно описано в разделе «Результаты».
Для подготовки образцов к фазе оптимизации использовались следующие этапы. Сначала готовили раствор MICP, регулируя начальный pH культуральной среды, а затем автоклавировали при 121 °C в течение 15 мин. Затем штамм инокулировали в ламинарном потоке воздуха и выдерживали в шейкерном инкубаторе при 30 °C и 180 об/мин. После достижения желаемого уровня оптической плотности бактерий их смешивали с раствором источника кальция в желаемой пропорции (рис. 1а). Раствору MICP давали прореагировать и затвердеть в шейкерном инкубаторе при 220 об/мин и 30 °C в течение времени, необходимого для достижения целевого значения. Выпавший в осадок CaCO3 отделяли после центрифугирования при 6000 g в течение 5 мин, а затем сушили при 40 °C для подготовки образцов для кальциметрического анализа (рис. 1б). Затем осаждение CaCO3 измеряли с помощью кальциметра Бернара, где порошок CaCO3 реагирует с 1,0 N HCl (ASTM-D4373-02) с образованием CO2, а объем этого газа является мерой содержания CaCO3 (рис. 1c). Для пересчета объема CO2 в содержание CaCO3 была построена калибровочная кривая путем промывки чистого порошка CaCO3 1 N HCl и построения графика зависимости от выделяющегося CO2. Морфологию и чистоту осажденного порошка CaCO3 исследовали с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) и рентгенодифракционного анализа (РД). Для изучения образования карбоната кальция вокруг бактерий, фазы образовавшегося карбоната кальция и активности бактерий использовали оптический микроскоп с увеличением 1000.
Бассейн реки Деджег — известный регион с высокой степенью эрозии на юго-западе иранской провинции Фарс, и исследователи собрали образцы почвы, подвергшейся ветровой эрозии, из этого района. Образцы были взяты с поверхности почвы для исследования. Индикаторные анализы образцов почвы показали, что это плохо отсортированная песчаная почва с примесью ила, классифицированная как SP-SM согласно Единой системе классификации почв (USC) (рис. 2a). Рентгенодифракционный анализ (XRD) показал, что почва Деджег в основном состоит из кальцита и кварца (рис. 2b). Кроме того, энергодисперсионный рентгеновский анализ (EDX) показал наличие других элементов, таких как Al, K и Fe, в меньших пропорциях.
Для подготовки лабораторных дюн к испытаниям на ветровую эрозию грунт измельчали ​​с высоты 170 мм с помощью воронки диаметром 10 мм до получения твердой поверхности, в результате чего формировалась типичная дюна высотой 60 мм и диаметром 210 мм. В природе песчаные дюны с наименьшей плотностью образуются в результате эоловых процессов. Аналогично, образец, подготовленный с использованием описанной выше процедуры, имел наименьшую относительную плотность, γ = 14,14 кН/м³, образуя песчаный конус, отложившийся на горизонтальной поверхности с углом естественного откоса приблизительно 29,7°.
Оптимальный раствор MICP, полученный в предыдущем разделе, распыляли на склон дюны со скоростью 1, 2 и 3 л/м², после чего образцы хранили в инкубаторе при 30 °C (рис. 3) в течение 9 дней (т.е. оптимального времени отверждения), а затем извлекали для испытаний в аэродинамической трубе.
Для каждого варианта обработки было подготовлено четыре образца: один для измерения содержания карбоната кальция и прочности поверхности с помощью пенетрометра, а оставшиеся три образца использовались для испытаний на эрозию при трех различных скоростях. В испытаниях в аэродинамической трубе определялось количество эрозии при различных скоростях ветра, а затем пороговая скорость отрыва для каждого обработанного образца определялась с помощью графика зависимости количества эрозии от скорости ветра. В дополнение к испытаниям на ветровую эрозию, обработанные образцы подвергались бомбардировке песком (т.е., экспериментам с прыжками). Для этой цели были подготовлены два дополнительных образца с расходом 2 и 3 л/м². Испытание на бомбардировку песком длилось 15 минут при потоке 120 г/м², что находится в диапазоне значений, выбранных в предыдущих исследованиях60,61,62. Горизонтальное расстояние между абразивным соплом и основанием дюны составляло 800 мм, расположенное на высоте 100 мм над дном трубы. Это положение было установлено таким образом, чтобы почти все прыгающие частицы песка падали на дюну.
Испытания в аэродинамической трубе проводились в открытой аэродинамической трубе длиной 8 м, шириной 0,4 м и высотой 1 м (рис. 4а). Аэродинамическая труба изготовлена ​​из оцинкованных стальных листов и может создавать скорость ветра до 25 м/с. Кроме того, для регулировки частоты вращения вентилятора и постепенного увеличения частоты для достижения целевой скорости ветра использовался частотный преобразователь. На рисунке 4б показана схематическая диаграмма песчаных дюн, размытых ветром, и профиль скорости ветра, измеренный в аэродинамической трубе.
Наконец, для сравнения результатов предложенной в данном исследовании неуреалитической рецептуры MICP с результатами уреалитического контрольного теста MICP, были также подготовлены образцы дюн и обработаны биологическим раствором, содержащим мочевину, хлорид кальция и Sporosarcina pasteurii (поскольку Sporosarcina pasteurii обладает значительной способностью продуцировать уреазу63). Оптическая плотность бактериального раствора составляла 1,5, а концентрации мочевины и хлорида кальция — 1 М (выбраны на основе значений, рекомендованных в предыдущих исследованиях36,64,65). Культуральная среда состояла из питательного бульона (8 г/л) и мочевины (20 г/л). Бактериальный раствор распыляли на поверхность дюны и оставляли на 24 часа для прикрепления бактерий. После 24 часов прикрепления распыляли цементирующий раствор (хлорид кальция и мочевина). Уреалитический контрольный тест MICP далее обозначается как UMC. Содержание карбоната кальция в образцах почвы, обработанных и необработанных уреалитом, определяли путем промывания в соответствии с процедурой, предложенной Чоем и др.66
На рисунке 5 показаны кривые роста Bacillus amyloliquefaciens и Bacillus subtilis в культуральной среде (питательном растворе) с начальным диапазоном pH от 5 до 10. Как видно из рисунка, Bacillus amyloliquefaciens и Bacillus subtilis росли быстрее при pH 6-8 и 7-9 соответственно. Поэтому этот диапазон pH был выбран на этапе оптимизации.
Кривые роста (а) Bacillus amyloliquefaciens и (б) Bacillus subtilis при различных начальных значениях pH питательной среды.
На рисунке 6 показано количество углекислого газа, образующегося в известковом приборе Бернара, которое представляет собой осажденный карбонат кальция (CaCO3). Поскольку в каждой комбинации один фактор был фиксированным, а другие факторы варьировались, каждая точка на этих графиках соответствует максимальному объему углекислого газа в данной серии экспериментов. Как показано на рисунке, с увеличением концентрации источника кальция увеличивалось и образование карбоната кальция. Следовательно, концентрация источника кальция напрямую влияет на образование карбоната кальция. Поскольку источник кальция и источник углерода одинаковы (т. е. формиат кальция и ацетат кальция), чем больше ионов кальция высвобождается, тем больше образуется карбоната кальция (рисунок 6а). В составах AS и AA образование карбоната кальция продолжало увеличиваться с увеличением времени отверждения, пока количество осадка не стало практически неизменным через 9 дней. В составе FA скорость образования карбоната кальция снижалась, когда время отверждения превышало 6 дней. По сравнению с другими составами, состав FS показал относительно низкую скорость образования карбоната кальция через 3 дня (рисунок 6б). В составах FA и FS 70% и 87% от общего количества карбоната кальция было получено через три дня, тогда как в составах AA и AS эта доля составила лишь около 46% и 45% соответственно. Это указывает на то, что состав на основе муравьиной кислоты имеет более высокую скорость образования CaCO3 на начальном этапе по сравнению с составом на основе ацетата. Однако скорость образования замедляется с увеличением времени отверждения. Из рисунка 6c можно сделать вывод, что даже при концентрации бактерий выше OD1 существенный вклад в образование карбоната кальция отсутствует.
Изменение объема CO2 (и соответствующего содержания CaCO3), измеренное кальциметром Бернара, в зависимости от (а) концентрации источника кальция, (б) времени застывания, (в) оптической плотности, (г) начального pH, (д) ​​соотношения источника кальция к бактериальному раствору (для каждой рецептуры); и (е) максимального количества карбоната кальция, образующегося для каждой комбинации источника кальция и бактерий.
Что касается влияния начального pH среды, на рисунке 6d показано, что для FA и FS образование CaCO3 достигло максимального значения при pH 7. Это наблюдение согласуется с предыдущими исследованиями, показавшими, что ферменты FDH наиболее стабильны при pH 7-6,7. Однако для AA и AS осаждение CaCO3 увеличивалось при pH выше 7. Предыдущие исследования также показали, что оптимальный диапазон pH для активности фермента CoA составляет от 8 до 9,2-6,8. Учитывая, что оптимальные диапазоны pH для активности фермента CoA и роста B. amyloliquefaciens составляют (8-9,2) и (6-8) соответственно (рисунок 5a), ожидается, что оптимальный pH для рецептуры AA будет равен 8, и эти два диапазона pH перекрываются. Этот факт был подтвержден экспериментами, как показано на рисунке 6d. Поскольку оптимальный pH для роста B. subtilis составляет 7-9 (рис. 5b), а оптимальный pH для активности фермента КоА — 8-9,2, ожидается, что максимальный выход осаждения CaCO3 будет находиться в диапазоне pH 8-9, что подтверждается рисунком 6d (т.е. оптимальный pH осаждения равен 9). Результаты, показанные на рисунке 6e, указывают на то, что оптимальное соотношение раствора источника кальция к бактериальному раствору равно 1 как для ацетатного, так и для формиатного растворов. Для сравнения была оценена эффективность различных составов (а именно, AA, AS, FA и FS) на основе максимального производства CaCO3 в различных условиях (т.е. концентрация источника кальция, время отверждения, оптическая плотность, соотношение источника кальция к бактериальному раствору и начальный pH). Среди изученных составов состав FS показал наибольшее производство CaCO3, примерно в три раза превышающее производство состава AA (рис. 6f). Было проведено четыре контрольных эксперимента без бактерий для обоих источников кальция, и осаждения CaCO3 не наблюдалось после 30 дней.
Изображения всех исследованных составов, полученные с помощью оптической микроскопии, показали, что основной фазой, в которой образуется карбонат кальция, является ватерит (рис. 7). Кристаллы ватерита имеют сферическую форму69,70,71. Было установлено, что карбонат кальция осаждается на бактериальных клетках, поскольку поверхность бактериальных клеток имеет отрицательный заряд и может выступать в качестве адсорбента для двухвалентных катионов. На примере состава FS в данном исследовании, через 24 часа на некоторых бактериальных клетках начал образовываться карбонат кальция (рис. 7а), а через 48 часов количество бактериальных клеток, покрытых карбонатом кальция, значительно увеличилось. Кроме того, как показано на рис. 7б, также были обнаружены частицы ватерита. Наконец, через 72 часа большое количество бактерий, по-видимому, было связано кристаллами ватерита, и количество частиц ватерита значительно увеличилось (рис. 7с).
Наблюдения осаждения CaCO3 в составах FS с помощью оптической микроскопии с течением времени: (a) 24, (b) 48 и (c) 72 ч.
Для дальнейшего исследования морфологии осажденной фазы были проведены рентгенодифракционный анализ (XRD) и сканирующая электронная микроскопия (SEM) порошков. Спектры XRD (рис. 8a) и микрофотографии SEM (рис. 8b, c) подтвердили наличие кристаллов ватерита, поскольку они имели форму, напоминающую салатный лист, и наблюдалось соответствие между пиками ватерита и пиками осажденной фазы.
(a) Сравнение рентгенодифракционных спектров образовавшихся CaCO3 и ватерита. Микрофотографии ватерита, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа, при увеличении (b) 1 кГц и (c) 5,27 кГц соответственно.
Результаты испытаний в аэродинамической трубе показаны на рисунке 9a, b. Из рисунка 9a видно, что пороговая скорость эрозии (ПДЭ) необработанного песка составляет около 4,32 м/с. При норме внесения 1 л/м² (рисунок 9a) наклоны линий скорости эрозии грунта для фракций FA, FS, AA и UMC примерно такие же, как и для необработанной дюны. Это указывает на неэффективность обработки при данной норме внесения, и как только скорость ветра превышает ПДЭ, тонкая почвенная корка исчезает, а скорость эрозии дюны становится такой же, как и для необработанной дюны. Наклон линии эрозии фракции AS также ниже, чем у других фракций с меньшими значениями абсцисс (т.е. ПДЭ) (рисунок 9a). Стрелками на рисунке 9b показано, что при максимальной скорости ветра 25 м/с эрозия в обработанных дюнах при нормах внесения 2 и 3 л/м² не происходила. Другими словами, для FS, FA, AS и UMC дюны оказались более устойчивыми к ветровой эрозии, вызванной отложением CaCO³ при нормах внесения 2 и 3 л/м², чем при максимальной скорости ветра (т.е. 25 м/с). Таким образом, значение TDV 25 м/с, полученное в этих испытаниях, является нижним пределом для норм внесения, показанных на рисунке 9b, за исключением случая AA, где TDV почти равно максимальной скорости ветра в аэродинамической трубе.
Испытание на ветровую эрозию: (а) Потеря веса в зависимости от скорости ветра (норма расхода 1 л/м2), (б) Пороговая скорость отрыва в зависимости от нормы расхода и состава (CA для ацетата кальция, CF для формиата кальция).
На рисунке 10 показана эрозия поверхности песчаных дюн, обработанных различными составами и нормами внесения, после испытания на песчаную бомбардировку, а количественные результаты представлены на рисунке 11. Необработанный образец не показан, поскольку он не проявил сопротивления и был полностью размыт (полная потеря массы) во время испытания на песчаную бомбардировку. Из рисунка 11 видно, что образец, обработанный биокомпозитом AA, потерял 83,5% своего веса при норме внесения 2 л/м2, в то время как все остальные образцы показали эрозию менее 30% в процессе песчаной бомбардировки. При увеличении нормы внесения до 3 л/м2 все обработанные образцы потеряли менее 25% своего веса. При обеих нормах внесения соединение FS показало наилучшую устойчивость к песчаной бомбардировке. Максимальная и минимальная устойчивость к бомбардировке в образцах, обработанных FS и AA, может быть объяснена их максимальным и минимальным осаждением CaCO3 (рисунок 6f).
Результаты бомбардировки песчаных дюн различного состава при расходе воды 2 и 3 л/м2 (стрелки указывают направление ветра, крестики — направление ветра, перпендикулярное плоскости рисунка).
Как показано на рисунке 12, содержание карбоната кальция во всех составах увеличивалось по мере увеличения нормы внесения от 1 л/м² до 3 л/м². Кроме того, при всех нормах внесения наибольшее содержание карбоната кальция было у состава FS, за которым следовали FA и UMC. Это говорит о том, что эти составы могут обладать более высокой поверхностной стойкостью.
На рисунке 13а показано изменение поверхностного сопротивления необработанных, контрольных и обработанных образцов почвы, измеренное с помощью пермеаметра. Из этого рисунка видно, что поверхностное сопротивление составов UMC, AS, FA и FS значительно увеличивалось с увеличением нормы внесения. Однако увеличение поверхностной прочности было относительно небольшим у состава AA. Как показано на рисунке, составы FA и FS, не подвергавшиеся разложению мочевиной, обладают лучшей поверхностной проницаемостью по сравнению с MICP, подвергавшимся разложению мочевиной. На рисунке 13b показано изменение пороговой скорости отрыва (TDV) в зависимости от поверхностного сопротивления почвы. Из этого рисунка ясно видно, что для дюн с поверхностным сопротивлением более 100 кПа пороговая скорость отрыва превысит 25 м/с. Поскольку поверхностное сопротивление на месте легко измерить с помощью пермеаметра, эти знания могут помочь оценить TDV в отсутствие испытаний в аэродинамической трубе, тем самым служа индикатором контроля качества для полевых работ.
Результаты СЭМ представлены на рисунке 14. На рисунках 14a-b показаны увеличенные частицы необработанного образца почвы, что ясно указывает на его когезию и отсутствие естественных связей или цементации. На рисунке 14c показана микрофотография СЭМ контрольного образца, обработанного MICP, разложенным мочевиной. На этом изображении видно присутствие осадков CaCO3 в виде полиморфов кальцита. Как показано на рисунках 14d-o, осажденный CaCO3 связывает частицы вместе; на микрофотографиях СЭМ также можно идентифицировать сферические кристаллы ватерита. Результаты данного исследования и предыдущих исследований показывают, что связи CaCO3, образованные в виде полиморфов ватерита, также могут обеспечивать приемлемую механическую прочность; наши результаты показывают, что поверхностное сопротивление увеличивается до 350 кПа, а пороговая скорость разделения увеличивается с 4,32 до более чем 25 м/с. Этот результат согласуется с результатами предыдущих исследований, показавших, что матрицей осажденного методом MICP CaCO3 является ватерит, обладающий достаточной механической прочностью и устойчивостью к ветровой эрозии13,40 и способный сохранять достаточную устойчивость к ветровой эрозии даже после 180 дней воздействия полевых условий13.
(a, b) Микрофотографии необработанной почвы, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ), (c) контрольный образец разложения мочевины методом MICP, (df) образцы, обработанные AA, (gi) образцы, обработанные AS, (jl) образцы, обработанные FA, и (mo) образцы, обработанные FS, при скорости внесения 3 л/м2 при различном увеличении.
На рисунке 14d-f показано, что после обработки соединениями АА на поверхности и между песчинками осаждался карбонат кальция, при этом наблюдались также некоторые непокрытые песчинки. Что касается компонентов АС, хотя количество образовавшегося CaCO3 существенно не увеличилось (рис. 6f), количество контактов между песчинками, вызванных CaCO3, значительно возросло по сравнению с соединениями АА (рис. 14g-i).
Из рисунков 14j-l и 14m-o видно, что использование формиата кальция в качестве источника кальция приводит к дальнейшему увеличению осаждения CaCO3 по сравнению с составом AS, что согласуется с измерениями кальцием на рисунке 6f. Этот дополнительный CaCO3, по-видимому, в основном осаждается на частицах песка и не обязательно улучшает качество контакта. Это подтверждает ранее наблюдавшееся поведение: несмотря на различия в количестве осажденного CaCO3 (рисунок 6f), три состава (AS, FA и FS) не сильно различаются по показателям ветроустойчивости (рисунок 11) и поверхностной стойкости (рисунок 13a).
Для лучшей визуализации покрытых CaCO3 бактериальных клеток и бактериального отпечатка на осажденных кристаллах были получены микрофотографии с помощью сканирующего электронного микроскопа с высоким увеличением, результаты которых показаны на рисунке 15. Как видно, карбонат кальция осаждается на бактериальных клетках и обеспечивает ядра, необходимые для осаждения. На рисунке также показаны активные и неактивные связи, индуцированные CaCO3. Можно заключить, что любое увеличение неактивных связей не обязательно приводит к дальнейшему улучшению механических свойств. Следовательно, увеличение осаждения CaCO3 не обязательно приводит к повышению механической прочности, и характер осаждения играет важную роль. Этот момент также изучался в работах Терзиса и Лалуи72 и Соги и Аль-Кабани45,73. Для дальнейшего изучения взаимосвязи между характером осаждения и механической прочностью рекомендуется проведение исследований MICP с использованием µCT-изображений, что выходит за рамки данного исследования (т.е. введение различных комбинаций источника кальция и бактерий для MICP без аммиака).
В образцах, обработанных (а) составом AS и (б) составом FS, CaCO3 индуцировал образование активных и неактивных связей, оставляя на осадке отпечаток бактериальных клеток.
Как показано на рисунках 14j-o и 15b, присутствует пленка CaCO (согласно EDX-анализу, процентное содержание каждого элемента в пленке составляет 11% углерода, 46,62% кислорода и 42,39% кальция, что очень близко к процентному содержанию CaCO на рисунке 16). Эта пленка покрывает кристаллы ватерита и частицы почвы, способствуя поддержанию целостности почвенно-осадочной системы. Наличие этой пленки наблюдалось только в образцах, обработанных составом на основе формиата.
В таблице 2 сравниваются прочность поверхности, пороговая скорость отрыва и содержание биоиндуцированного CaCO3 в почвах, обработанных MICP-методами, разлагающими и не разлагающими мочевину, в предыдущих исследованиях и в данном исследовании. Исследования устойчивости к ветровой эрозии образцов дюн, обработанных MICP, ограничены. Мэн и др. исследовали устойчивость к ветровой эрозии образцов дюн, обработанных MICP-методом и разлагающих мочевину, с помощью воздуходувки для листьев¹³, тогда как в данном исследовании образцы дюн, не разлагающие мочевину (а также контрольные образцы, разлагающие мочевину), были протестированы в аэродинамической трубе и обработаны четырьмя различными комбинациями бактерий и веществ.
Как видно, в некоторых предыдущих исследованиях рассматривались высокие нормы внесения, превышающие 4 л/м213,41,74. Стоит отметить, что высокие нормы внесения могут быть трудно применимы в полевых условиях с экономической точки зрения из-за затрат, связанных с водоснабжением, транспортировкой и применением больших объемов воды. Более низкие нормы внесения, такие как 1,62-2 л/м2, также обеспечивали достаточно хорошую прочность поверхности до 190 кПа и TDV, превышающую 25 м/с. В настоящем исследовании дюны, обработанные формиатсодержащим MICP без деградации мочевины, достигли высокой прочности поверхности, сопоставимой с прочностью, полученной при деградации мочевины в том же диапазоне норм внесения (т.е. образцы, обработанные формиатсодержащим MICP без деградации мочевины, также смогли достичь того же диапазона значений прочности поверхности, что и сообщалось в работе Meng et al., 13, рис. 13a) при более высоких нормах внесения. Также видно, что при норме внесения 2 л/м2 выход карбоната кальция для снижения ветровой эрозии при скорости ветра 25 м/с составил 2,25% для формиатсодержащего MICP без разложения мочевины, что очень близко к требуемому количеству CaCO3 (т.е. 2,41%) по сравнению с дюнами, обработанными контрольным MICP с разложением мочевины при той же норме внесения и той же скорости ветра (25 м/с).
Таким образом, из этой таблицы можно сделать вывод, что как путь разложения с использованием мочевины, так и путь разложения без использования мочевины обеспечивают вполне приемлемые показатели с точки зрения поверхностного сопротивления и TDV. Основное различие заключается в том, что путь разложения без использования мочевины не содержит аммиака и, следовательно, оказывает меньшее воздействие на окружающую среду. Кроме того, предложенный в данном исследовании метод MICP на основе формиата без разложения мочевины, по-видимому, работает лучше, чем метод MICP на основе ацетата без разложения мочевины. Хотя Мохебби и др. изучали метод MICP на основе ацетата без разложения мочевины, в их исследовании использовались образцы с плоских поверхностей9. Из-за более высокой степени эрозии, вызванной образованием вихрей вокруг образцов дюн и последующим сдвигом, что приводит к более низкому значению TDV, ветровая эрозия образцов дюн, как ожидается, будет более выраженной, чем эрозия плоских поверхностей при той же скорости.