Hatur nuhun parantos nganjang ka nature.com. Versi browser anu anjeun anggo gaduh dukungan CSS anu terbatas. Pikeun pangalaman anu pangsaéna, kami nyarankeun anjeun nganggo versi browser pangénggalna (atanapi mareuman modeu kompatibilitas dina Internet Explorer). Salaku tambahan, pikeun mastikeun dukungan anu terus-terusan, situs ieu moal ngalebetkeun gaya atanapi JavaScript.
Badai lebu mangrupikeun ancaman serius pikeun seueur nagara di sakumna dunya kusabab dampak anu ngancurkeun kana tatanén, kaséhatan manusa, jaringan transportasi sareng infrastruktur. Hasilna, erosi angin dianggap masalah global. Salah sahiji pendekatan anu ramah lingkungan pikeun ngirangan erosi angin nyaéta panggunaan présipitasi karbonat anu diinduksi mikroba (MICP). Nanging, produk sampingan tina MICP berbasis degradasi uréa, sapertos amonia, henteu idéal nalika diproduksi dina jumlah anu ageung. Panilitian ieu nampilkeun dua formulasi baktéri kalsium format pikeun degradasi MICP tanpa ngahasilkeun uréa sareng sacara komprehensif ngabandingkeun kinerjana sareng dua formulasi baktéri kalsium asetat anu henteu ngahasilkeun amonia. Baktéri anu dipertimbangkeun nyaéta Bacillus subtilis sareng Bacillus amyloliquefaciens. Mimitina, nilai optimal tina faktor anu ngontrol formasi CaCO3 ditangtukeun. Tés torowongan angin teras dilakukeun dina sampel gundukan keusik anu dirawat ku formulasi anu dioptimalkeun, sareng résistansi erosi angin, kecepatan ambang stripping, sareng résistansi bombardment keusik diukur. Alomorf kalsium karbonat (CaCO3) dievaluasi nganggo mikroskop optik, mikroskop éléktron scanning (SEM), sareng analisis difraksi sinar-X. Formulasi dumasar kalsium format ngagaduhan kinerja anu langkung saé tibatan formulasi dumasar asetat dina hal formasi kalsium karbonat. Salian ti éta, B. subtilis ngahasilkeun langkung seueur kalsium karbonat tibatan B. amyloliquefaciens. Mikrograf SEM sacara jelas nunjukkeun beungkeutan sareng panyirian baktéri aktif sareng teu aktif dina kalsium karbonat anu disababkeun ku sedimentasi. Sadaya formulasi sacara signifikan ngirangan erosi angin.
Érosi angin geus lila dipikawanoh salaku masalah utama anu dihadapi ku daérah gersang sareng semi-gersang sapertos Amérika Serikat kidul-kulon, Cina kulon, Afrika Sahara, sareng seueur Wétan Tengah1. Curah hujan anu handap di iklim gersang sareng hiper-gersang parantos ngarobih sabagian ageung daérah ieu janten gurun, gumuk pasir, sareng lahan anu teu dipelak. Érosi angin anu terus-terusan nyababkeun ancaman lingkungan pikeun infrastruktur sapertos jaringan transportasi, lahan tatanén, sareng lahan industri, anu nyababkeun kaayaan hirup anu goréng sareng biaya pangwangunan kota anu luhur di daérah ieu2,3,4. Anu penting, érosi angin henteu ngan ukur mangaruhan lokasi dimana éta lumangsung, tapi ogé nyababkeun masalah kaséhatan sareng ékonomi di komunitas terpencil sabab ngangkut partikel ku angin ka daérah anu jauh ti sumberna5,6.
Pangendalian erosi angin tetep janten masalah global. Rupa-rupa metode stabilisasi taneuh dianggo pikeun ngontrol erosi angin. Metode ieu kalebet bahan-bahan sapertos aplikasi cai7, mulsa minyak8, biopolimer5, présipitasi karbonat anu diinduksi mikroba (MICP)9,10,11,12 sareng présipitasi karbonat anu diinduksi énzim (EICP)1. Ngabaseuhan taneuh mangrupikeun metode standar pikeun ngurangan lebu di lapangan. Nanging, penguapan anu gancang ngajantenkeun metode ieu efektifitasna terbatas di daérah gersang sareng semi-gersang1. Aplikasi sanyawa mulsa minyak ningkatkeun kohesi keusik sareng gesekan antarpartikel. Sipat kohesifna ngabeungkeut butiran keusik; kumaha oge, mulsa minyak ogé nyababkeun masalah sanés; warna poékna ningkatkeun panyerepan panas sareng nyababkeun maotna pepelakan sareng mikroorganisme. Bau sareng haseupna tiasa nyababkeun masalah pernapasan, sareng anu paling penting, biaya anu luhur mangrupikeun halangan sanés. Biopolimer mangrupikeun salah sahiji metode ramah lingkungan anu nembe diusulkeun pikeun ngirangan erosi angin; éta diekstrak tina sumber alami sapertos pepelakan, sato sareng baktéri. Xanthan gum, guar gum, kitosan sareng gellan gum mangrupikeun biopolimer anu paling umum dianggo dina aplikasi rékayasa5. Nanging, biopolimer anu leyur dina cai tiasa kaleungitan kakuatan sareng léak kaluar tina taneuh nalika kakeunaan cai13,14. EICP parantos kabuktosan janten metode panyabutan lebu anu efektif pikeun rupa-rupa aplikasi kalebet jalan anu teu diaspal, balong tailings sareng lokasi konstruksi. Sanaos hasilna nyugemakeun, sababaraha kakurangan poténsial kedah dipertimbangkeun, sapertos biaya sareng kurangna situs nukleasi (anu ngagancangkeun formasi sareng présipitasi kristal CaCO315,16).
MICP mimiti dijelaskeun dina ahir abad ka-19 ku Murray sareng Irwin (1890) sareng Steinmann (1901) dina panilitian ngeunaan degradasi uréa ku mikroorganisme laut17. MICP nyaéta prosés biologis anu lumangsung sacara alami anu ngalibatkeun rupa-rupa kagiatan mikroba sareng prosés kimia dimana kalsium karbonat diendapkeun ku réaksi ion karbonat tina metabolit mikroba sareng ion kalsium dina lingkungan18,19. MICP anu ngalibatkeun siklus nitrogén anu ngadegradasi uréa (MICP anu ngadegradasi uréa) nyaéta jinis présipitasi karbonat anu diinduksi ku mikroba anu paling umum, dimana uréase anu dihasilkeun ku baktéri ngatalisis hidrolisis uréa20,21,22,23,24,25,26,27 sapertos kieu:
Dina MICP anu ngalibatkeun siklus karbon tina oksidasi uyah organik (MICP tanpa jinis degradasi uréa), baktéri hétérotrofik nganggo uyah organik sapertos asetat, laktat, sitrat, suksinat, oksalat, malat sareng glioksilat salaku sumber énergi pikeun ngahasilkeun mineral karbonat28. Dina ayana kalsium laktat salaku sumber karbon sareng ion kalsium, réaksi kimia formasi kalsium karbonat dipidangkeun dina persamaan (5).
Dina prosés MICP, sél baktéri nyadiakeun situs nukleasi anu penting pisan pikeun présipitasi kalsium karbonat; beungeut sél baktéri boga muatan négatif sareng tiasa bertindak salaku adsorben pikeun kation divalén sapertos ion kalsium. Ku cara nyerep ion kalsium kana sél baktéri, nalika konsentrasi ion karbonat cekap, kation kalsium sareng anion karbonat réaksi sareng kalsium karbonat diendapkeun dina beungeut baktéri29,30. Prosésna tiasa diringkeskeun sapertos kieu31,32:
Kristal kalsium karbonat anu dihasilkeun sacara biologis tiasa dibagi kana tilu jinis: kalsit, vaterit, sareng aragonit. Di antarana, kalsit sareng vaterit mangrupikeun alomorf kalsium karbonat anu paling umum diinduksi ku baktéri33,34. Kalsit mangrupikeun alomorf kalsium karbonat anu paling stabil sacara termodinamika35. Sanaos vaterit parantos dilaporkeun metastabil, éta pamustunganana robih janten kalsit36,37. Vaterit mangrupikeun kristal anu paling padet. Éta mangrupikeun kristal heksagonal anu gaduh kamampuan ngeusian pori anu langkung saé tibatan kristal kalsium karbonat anu sanés kusabab ukuranana anu langkung ageung38. Boh MICP anu didegradasi uréa sareng anu henteu didegradasi uréa tiasa nyababkeun présipitasi vaterit13,39,40,41.
Sanaos MICP parantos nunjukkeun poténsi anu ngajangjikeun dina ngastabilkeun taneuh anu bermasalah sareng taneuh anu rentan ka érosi angin42,43,44,45,46,47,48, salah sahiji produk sampingan tina hidrolisis uréa nyaéta amonia, anu tiasa nyababkeun masalah kaséhatan anu hampang dugi ka parah gumantung kana tingkat paparan49. Éfék samping ieu ngajantenkeun panggunaan téknologi khusus ieu kontroversial, khususna nalika daérah anu ageung kedah diubaran, sapertos pikeun panyabutan lebu. Salaku tambahan, bau amonia teu tiasa ditolerir nalika prosésna dilaksanakeun dina laju aplikasi anu luhur sareng volume anu ageung, anu tiasa mangaruhan aplikasi praktisna. Sanaos panilitian anyar nunjukkeun yén ion amonium tiasa dikirangan ku cara ngarobihna janten produk sanés sapertos struvite, metode ieu henteu miceun ion amonium sacara lengkep50. Ku alatan éta, masih aya kabutuhan pikeun ngajalajah solusi alternatif anu henteu ngahasilkeun ion amonium. Panggunaan jalur degradasi non-uréa pikeun MICP tiasa nyayogikeun solusi poténsial anu kirang dijelajah dina kontéks mitigasi érosi angin. Fattahi et al. nalungtik degradasi MICP bébas uréa nganggo kalsium asetat sareng Bacillus megaterium41, sedengkeun Mohebbi et al. nganggo kalsium asetat sareng Bacillus amyloliquefaciens9. Nanging, panilitian aranjeunna henteu dibandingkeun sareng sumber kalsium sanés sareng baktéri hétérotrofik anu pamustunganana tiasa ningkatkeun résistansi erosi angin. Aya ogé kakurangan literatur anu ngabandingkeun jalur degradasi bébas uréa sareng jalur degradasi uréa dina mitigasi erosi angin.
Salian ti éta, kalolobaan studi erosi angin sareng kontrol lebu parantos dilakukeun dina sampel taneuh anu permukaanana datar.1,51,52,53 Nanging, permukaan datar kirang umum di alam tibatan pasir sareng depresi. Ieu sababna gumuk pasir mangrupikeun fitur bentang anu paling umum di daérah gurun.
Pikeun ngungkulan kakurangan anu kasebat di luhur, panilitian ieu bertujuan pikeun ngenalkeun sakumpulan agén baktéri anu ngahasilkeun non-amonia. Pikeun tujuan ieu, urang mertimbangkeun jalur MICP anu ngadegradasi non-uréa. Efisiensi dua sumber kalsium (kalsium format sareng kalsium asetat) parantos ditalungtik. Numutkeun pangaweruh pangarang, présipitasi karbonat nganggo dua kombinasi sumber kalsium sareng baktéri (nyaéta kalsium format-Bacillus subtilis sareng kalsium format-Bacillus amyloliquefaciens) teu acan ditalungtik dina panilitian sateuacana. Pilihan baktéri ieu dumasar kana énzim anu dihasilkeun anu ngatalisis oksidasi kalsium format sareng kalsium asetat pikeun ngabentuk présipitasi mikroba karbonat. Kami ngarancang panilitian ékspériméntal anu lengkep pikeun mendakan faktor optimal sapertos pH, jinis baktéri sareng sumber kalsium sareng konsentrasina, babandingan baktéri sareng larutan sumber kalsium sareng waktos pangeringan. Pamungkas, efektivitas sakumpulan agén baktéri ieu dina ngurangan erosi angin ngaliwatan présipitasi kalsium karbonat ditalungtik ku cara ngalaksanakeun runtuyan tés torowongan angin dina gumuk pasir pikeun nangtukeun gedéna erosi angin, kecepatan breakaway ambang batas, sareng résistansi bombardment angin dina pasir, sareng pangukuran penetrometer sareng studi mikrostruktural (contona analisis difraksi sinar-X (XRD) sareng mikroskop éléktron scanning (SEM)) ogé dilaksanakeun.
Produksi kalsium karbonat meryogikeun ion kalsium sareng ion karbonat. Ion kalsium tiasa diala tina rupa-rupa sumber kalsium sapertos kalsium klorida, kalsium hidroksida, sareng bubuk susu skim54,55. Ion karbonat tiasa dihasilkeun ku rupa-rupa metode mikroba sapertos hidrolisis uréa sareng oksidasi aerobik atanapi anaerobik bahan organik56. Dina panilitian ieu, ion karbonat diala tina réaksi oksidasi format sareng asetat. Salaku tambahan, kami nganggo uyah kalsium format sareng asetat pikeun ngahasilkeun kalsium karbonat murni, ku kituna ngan ukur CO2 sareng H2O anu diala salaku produk sampingan. Dina prosés ieu, ngan ukur hiji zat anu janten sumber kalsium sareng sumber karbonat, sareng teu aya amonia anu dihasilkeun. Ciri-ciri ieu ngajantenkeun metode produksi sumber kalsium sareng karbonat anu kami anggap ngajangjikeun pisan.
Réaksi anu saluyu antara kalsium format sareng kalsium asetat pikeun ngabentuk kalsium karbonat dipidangkeun dina rumus (7)-(14). Rumus (7)-(11) nunjukkeun yén kalsium format leyur dina cai pikeun ngabentuk asam format atanapi format. Ku kituna, larutan éta mangrupikeun sumber ion kalsium sareng hidroksida bébas (rumus 8 sareng 9). Salaku hasil tina oksidasi asam format, atom karbon dina asam format dirobih janten karbon dioksida (rumus 10). Kalsium karbonat pamustunganana kabentuk (rumus 11 sareng 12).
Sarua kitu, kalsium karbonat kabentuk tina kalsium asetat (persamaan 13–15), iwal ti asam asetat atawa asetat kabentuk tinimbang asam format.
Tanpa ayana énzim, asetat sareng format teu tiasa dioksidasi dina suhu kamar. FDH (format dehidrogenase) sareng CoA (koénzim A) ngatalisis oksidasi format sareng asetat pikeun ngabentuk karbon dioksida, masing-masing (Persamaan 16, 17) 57, 58, 59. Rupa-rupa baktéri sanggup ngahasilkeun énzim ieu, sareng baktéri hétérotrofik, nyaéta Bacillus subtilis (PTCC #1204 (Persian Type Culture Collection), ogé katelah NCIMB #13061 (International Collection of Bacteria, Yeast, Phage, Plasmids, Plant Seeds and Plant Cell Tissue Cultures)) sareng Bacillus amyloliquefaciens (PTCC #1732, NCIMB #12077), dianggo dina panilitian ieu. Baktéri ieu dibudidayakeun dina média anu ngandung pepton daging (5 g/L) sareng ekstrak daging (3 g/L), anu disebut kaldu nutrisi (NBR) (105443 Merck).
Ku kituna, opat formulasi disiapkeun pikeun ngainduksi présipitasi kalsium karbonat nganggo dua sumber kalsium sareng dua baktéri: kalsium format sareng Bacillus subtilis (FS), kalsium format sareng Bacillus amyloliquefaciens (FA), kalsium asetat sareng Bacillus subtilis (AS), sareng kalsium asetat sareng Bacillus amyloliquefaciens (AA).
Dina bagian kahiji tina desain ékspériméntal, tés dilaksanakeun pikeun nangtukeun kombinasi optimal anu bakal ngahontal produksi kalsium karbonat maksimum. Kusabab sampel taneuh ngandung kalsium karbonat, sakumpulan tés évaluasi awal dirancang pikeun ngukur CaCO3 anu dihasilkeun ku kombinasi anu béda sacara akurat, sareng campuran média kultur sareng larutan sumber kalsium dievaluasi. Pikeun unggal kombinasi larutan sumber kalsium sareng baktéri anu ditetepkeun di luhur (FS, FA, AS, sareng AA), faktor optimasi (konsentrasi sumber kalsium, waktos pangubaran, konsentrasi larutan baktéri anu diukur ku kapadetan optik larutan (OD), babandingan larutan sumber kalsium ka baktéri, sareng pH) diturunkeun sareng dianggo dina tés torowongan angin perawatan gundukan pasir anu dijelaskeun dina bagian-bagian ieu.
Pikeun unggal kombinasi, 150 ékspérimén dilaksanakeun pikeun nalungtik pangaruh présipitasi CaCO3 sareng meunteun rupa-rupa faktor, nyaéta konsentrasi sumber kalsium, waktos pangeringan, nilai OD baktéri, babandingan sumber kalsium kana larutan baktéri sareng pH salami oksidasi aerobik bahan organik (Tabel 1). Rentang pH pikeun prosés anu dioptimalkeun dipilih dumasar kana kurva kamekaran Bacillus subtilis sareng Bacillus amyloliquefaciens supados kéngingkeun kamekaran anu langkung gancang. Ieu dijelaskeun langkung rinci dina bagian Hasil.
Léngkah-léngkah ieu dianggo pikeun nyiapkeun sampel pikeun fase optimasi. Larutan MICP mimitina disiapkeun ku cara nyaluyukeun pH awal média kultur teras diautoklaf dina suhu 121 °C salami 15 menit. Galur teras diinokulasi dina aliran hawa laminar sareng dijaga dina inkubator anu digoyang dina suhu 30 °C sareng 180 rpm. Sakali OD baktéri ngahontal tingkat anu dipikahoyong, éta dicampur sareng larutan sumber kalsium dina proporsi anu dipikahoyong (Gambar 1a). Larutan MICP diidinan réaksi sareng padet dina inkubator anu digoyang dina kecepatan 220 rpm sareng 30 °C salami waktos anu ngahontal nilai target. CaCO3 anu diendapkeun dipisahkeun saatos sentrifugasi dina kecepatan 6000 g salami 5 menit teras dikeringkeun dina suhu 40 °C pikeun nyiapkeun sampel pikeun uji kalsimeter (Gambar 1b). Presipitasi CaCO3 teras diukur nganggo kalsimeter Bernard, dimana bubuk CaCO3 ngaréaksikeun sareng 1,0 N HCl (ASTM-D4373-02) pikeun ngahasilkeun CO2, sareng volume gas ieu mangrupikeun ukuran eusi CaCO3 (Gambar 1c). Pikeun ngarobih volume CO2 janten eusi CaCO3, kurva kalibrasi dihasilkeun ku cara ngumbah bubuk CaCO3 murni nganggo 1 N HCl sareng ngaplotna ngalawan CO2 anu parantos mekar. Morfologi sareng kamurnian bubuk CaCO3 anu diendapkeun ditalungtik nganggo pencitraan SEM sareng analisis XRD. Mikroskop optik kalayan pembesaran 1000 dianggo pikeun nalungtik formasi kalsium karbonat di sakitar baktéri, fase kalsium karbonat anu parantos kabentuk, sareng aktivitas baktéri.
Cekungan Dejegh mangrupikeun daérah anu kawéntar pisan ku erosi di Propinsi Fars kidul-kulon Iran, sareng para panaliti ngumpulkeun sampel taneuh anu erosi angin ti daérah éta. Sampel dicandak tina permukaan taneuh pikeun panilitian. Tés indikator dina sampel taneuh nunjukkeun yén taneuh éta mangrupikeun taneuh keusik anu teu diurutkeun kalayan leutak sareng diklasifikasikeun salaku SP-SM numutkeun Sistem Klasifikasi Tanah Terpadu (USC) (Gambar 2a). Analisis XRD nunjukkeun yén taneuh Dejegh utamina diwangun ku kalsit sareng kuarsa (Gambar 2b). Salian ti éta, analisis EDX nunjukkeun yén unsur-unsur sanés sapertos Al, K, sareng Fe ogé aya dina proporsi anu langkung alit.
Pikeun nyiapkeun gundukan pasir laboratorium pikeun uji erosi angin, taneuhna ditumbuk ti jangkungna 170 mm ngaliwatan corong diaméter 10 mm ka permukaan anu teuas, ngahasilkeun gundukan pasir has jangkungna 60 mm sareng diaméter 210 mm. Di alam, gundukan pasir kapadetan panghandapna dibentuk ku prosés aeolian. Sarupa kitu, sampel anu disiapkeun nganggo prosedur di luhur ngagaduhan kapadetan relatif panghandapna, γ = 14,14 kN/m³, ngabentuk kerucut pasir anu diendapkeun dina permukaan horizontal kalayan sudut istirahat sakitar 29,7°.
Larutan MICP optimal anu diala dina bagian sateuacanna disemprotkeun kana lamping gundukan pasir kalayan laju aplikasi 1, 2 sareng 3 lm-2 teras sampel disimpen dina inkubator dina suhu 30 °C (Gambar 3) salami 9 dinten (nyaéta waktos pangeringan optimal) teras dibawa kaluar pikeun uji coba torowongan angin.
Pikeun unggal perlakuan, opat spésimén disiapkeun, hiji pikeun ngukur kandungan kalsium karbonat sareng kakuatan permukaan nganggo penetrometer, sareng tilu spésimén sésana dianggo pikeun uji erosi dina tilu kecepatan anu béda. Dina uji torowongan angin, jumlah erosi ditangtukeun dina kecepatan angin anu béda, teras kecepatan breakaway ambang pikeun unggal spésimén perlakuan ditangtukeun nganggo plot jumlah erosi dibandingkeun kecepatan angin. Salian ti uji erosi angin, spésimén anu dirawat dibombardir keusik (nyaéta, ékspérimén luncat). Dua spésimén tambahan disiapkeun pikeun tujuan ieu dina laju aplikasi 2 sareng 3 L m−2. Uji bombardir keusik lumangsung 15 menit kalayan fluks 120 gm−1, anu aya dina kisaran nilai anu dipilih dina panilitian sateuacana60,61,62. Jarak horizontal antara nozzle abrasif sareng dasar gundukan pasir nyaéta 800 mm, ayana 100 mm di luhur handapeun torowongan. Posisi ieu disetel supados ampir sadaya partikel keusik anu luncat murag kana gundukan pasir.
Tés torowongan angin dilaksanakeun dina torowongan angin kabuka kalayan panjang 8 m, lébar 0,4 m sareng jangkungna 1 m (Gambar 4a). Torowongan angin didamel tina lambaran baja galvanis sareng tiasa ngahasilkeun kecepatan angin dugi ka 25 m/s. Salian ti éta, konverter frékuénsi dianggo pikeun nyaluyukeun frékuénsi kipas sareng laun-laun ningkatkeun frékuénsi pikeun kéngingkeun kecepatan angin target. Gambar 4b nunjukkeun diagram skematis gundukan keusik anu diérosi ku angin sareng profil kecepatan angin anu diukur dina torowongan angin.
Pamungkas, pikeun ngabandingkeun hasil formulasi MICP non-urealitik anu diusulkeun dina panilitian ieu sareng hasil uji kontrol MICP urealitik, sampel gundukan ogé disiapkeun sareng dirawat ku larutan biologis anu ngandung uréa, kalsium klorida sareng Sporosarcina pasteurii (sabab Sporosarcina pasteurii gaduh kamampuan anu signifikan pikeun ngahasilkeun urease63). Kapadatan optik larutan baktéri nyaéta 1,5, sareng konsentrasi uréa sareng kalsium klorida nyaéta 1 M (dipilih dumasar kana nilai anu disarankeun dina panilitian sateuacana36,64,65). Médium kultur diwangun ku kaldu nutrisi (8 g/L) sareng uréa (20 g/L). Larutan baktéri disemprotkeun kana permukaan gundukan sareng diantos salami 24 jam pikeun napelna baktéri. Saatos 24 jam napelna, larutan panyemenan (kalsium klorida sareng uréa) disemprotkeun. Tés kontrol MICP urealitik salajengna disebut UMC. Kandungan kalsium karbonat tina sampel taneuh anu diolah sacara urealitik sareng non-urealitik diala ku cara ngumbah numutkeun prosedur anu diusulkeun ku Choi et al.66.
Gambar 5 nunjukkeun kurva kamekaran Bacillus amyloliquefaciens sareng Bacillus subtilis dina média kultur (larutan nutrisi) kalayan rentang pH awal 5 dugi ka 10. Sakumaha anu dipidangkeun dina gambar, Bacillus amyloliquefaciens sareng Bacillus subtilis tumuwuh langkung gancang dina pH 6-8 sareng 7-9, masing-masing. Ku kituna, rentang pH ieu diadopsi dina tahap optimasi.
Kurva kamekaran (a) Bacillus amyloliquefaciens sareng (b) Bacillus subtilis dina nilai pH awal anu béda tina média nutrisi.
Gambar 6 nunjukkeun jumlah karbon dioksida anu dihasilkeun dina limemeter Bernard, anu ngagambarkeun kalsium karbonat anu diendapkeun (CaCO3). Kusabab hiji faktor tetep dina unggal kombinasi sareng faktor sanésna divariasikeun, unggal titik dina grafik ieu pakait sareng volume maksimum karbon dioksida dina sét ékspérimén éta. Sakumaha anu dipidangkeun dina gambar, nalika konsentrasi sumber kalsium ningkat, produksi kalsium karbonat ningkat. Ku alatan éta, konsentrasi sumber kalsium langsung mangaruhan produksi kalsium karbonat. Kusabab sumber kalsium sareng sumber karbon sami (nyaéta, kalsium format sareng kalsium asetat), langkung seueur ion kalsium anu dileupaskeun, langkung seueur kalsium karbonat anu kabentuk (Gambar 6a). Dina formulasi AS sareng AA, produksi kalsium karbonat terus ningkat kalayan ningkatna waktos pangubaran dugi ka jumlah endapan ampir teu robih saatos 9 dinten. Dina formulasi FA, laju formasi kalsium karbonat turun nalika waktos pangubaran ngaleuwihan 6 dinten. Dibandingkeun sareng formulasi sanés, formulasi FS nunjukkeun laju formasi kalsium karbonat anu relatif handap saatos 3 dinten (Gambar 6b). Dina formulasi FA sareng FS, 70% sareng 87% tina total produksi kalsium karbonat diala saatos tilu dinten, sedengkeun dina formulasi AA sareng AS, proporsi ieu ngan ukur sakitar 46% sareng 45%, masing-masing. Ieu nunjukkeun yén formulasi dumasar asam format ngagaduhan laju pembentukan CaCO3 anu langkung luhur dina tahap awal dibandingkeun sareng formulasi dumasar asetat. Nanging, laju pembentukan ngalambat kalayan ningkatna waktos pangeringan. Tiasa disimpulkeun tina Gambar 6c yén bahkan dina konsentrasi baktéri di luhur OD1, teu aya kontribusi anu signifikan pikeun pembentukan kalsium karbonat.
Parobahan dina volume CO2 (sareng eusi CaCO3 anu saluyu) diukur ku kalkimeter Bernard salaku fungsi tina (a) konsentrasi sumber kalsium, (b) waktos panyetelan, (c) OD, (d) pH awal, (e) babandingan sumber kalsium sareng larutan baktéri (pikeun unggal formulasi); sareng (f) jumlah maksimum kalsium karbonat anu dihasilkeun pikeun unggal kombinasi sumber kalsium sareng baktéri.
Ngeunaan pangaruh pH awal média, Gambar 6d nunjukkeun yén pikeun FA sareng FS, produksi CaCO3 ngahontal nilai maksimum dina pH 7. Observasi ieu saluyu sareng panilitian sateuacana yén énzim FDH paling stabil dina pH 7-6.7. Nanging, pikeun AA sareng AS, présipitasi CaCO3 ningkat nalika pH ngaleuwihan 7. Panilitian sateuacana ogé nunjukkeun yén rentang pH optimal pikeun aktivitas énzim CoA nyaéta ti 8 dugi ka 9.2-6.8. Nginget yén rentang pH optimal pikeun aktivitas énzim CoA sareng kamekaran B. amyloliquefaciens nyaéta (8-9.2) sareng (6-8), masing-masing (Gambar 5a), pH optimal tina formulasi AA diperkirakeun 8, sareng dua rentang pH tumpang tindih. Kanyataan ieu dikonfirmasi ku ékspérimén, sapertos anu dipidangkeun dina Gambar 6d. Kusabab pH optimum pikeun kamekaran B. subtilis nyaéta 7-9 (Gambar 5b) sareng pH optimum pikeun aktivitas énzim CoA nyaéta 8-9.2, hasil présipitasi CaCO3 maksimum diperkirakeun aya dina kisaran pH 8-9, anu dikonfirmasi ku Gambar 6d (nyaéta, pH présipitasi optimum nyaéta 9). Hasil anu dipidangkeun dina Gambar 6e nunjukkeun yén babandingan optimum larutan sumber kalsium kana larutan baktéri nyaéta 1 pikeun larutan asetat sareng format. Pikeun babandingan, kinerja formulasi anu béda (nyaéta, AA, AS, FA, sareng FS) dievaluasi dumasar kana produksi CaCO3 maksimum dina kaayaan anu béda (nyaéta, konsentrasi sumber kalsium, waktos pangubaran, OD, babandingan sumber kalsium kana larutan baktéri, sareng pH awal). Di antara formulasi anu ditalungtik, formulasi FS ngagaduhan produksi CaCO3 pangluhurna, nyaéta sakitar tilu kali lipat tina formulasi AA (Gambar 6f). Opat ékspérimén kontrol bébas baktéri dilakukeun pikeun duanana sumber kalsium sareng teu aya présipitasi CaCO3 anu dititénan saatos 30 dinten.
Gambar mikroskop optik tina sadaya formulasi nunjukkeun yén vaterit mangrupikeun fase utama dimana kalsium karbonat kabentuk (Gambar 7). Kristal vaterit bentukna buleud69,70,71. Kapanggih yén kalsium karbonat ngendap dina sél baktéri sabab permukaan sél baktéri boga muatan négatif sareng tiasa bertindak salaku adsorben pikeun kation divalen. Nyandak formulasi FS salaku conto dina panilitian ieu, saatos 24 jam, kalsium karbonat mimiti kabentuk dina sababaraha sél baktéri (Gambar 7a), sareng saatos 48 jam, jumlah sél baktéri anu dilapis ku kalsium karbonat ningkat sacara signifikan. Salaku tambahan, sapertos anu dipidangkeun dina Gambar 7b, partikel vaterit ogé tiasa dideteksi. Pamungkas, saatos 72 jam, sajumlah ageung baktéri sigana kabeungkeut ku kristal vaterit, sareng jumlah partikel vaterit ningkat sacara signifikan (Gambar 7c).
Observasi mikroskop optik tina présipitasi CaCO3 dina komposisi FS salami waktos: (a) 24, (b) 48 sareng (c) 72 jam.
Pikeun nalungtik leuwih jero morfologi fase anu diendapkeun, analisis difraksi sinar-X (XRD) sareng SEM tina bubuk dilaksanakeun. Spéktra XRD (Gambar 8a) sareng mikrograf SEM (Gambar 8b, c) mastikeun ayana kristal vaterit, sabab bentukna siga salada sareng aya patalina antara puncak vaterit sareng puncak endapan anu dititénan.
(a) Babandingan spéktra difraksi sinar-X tina CaCO3 sareng vaterit anu kabentuk. Mikrograf SEM vaterit dina (b) pembesaran 1 kHz sareng (c) 5,27 kHz, masing-masing.
Hasil uji torowongan angin dipidangkeun dina Gambar 9a, b. Tiasa ditingali tina Gambar 9a yén laju erosi ambang (TDV) tina keusik anu teu diolah nyaéta sakitar 4,32 m/s. Dina laju aplikasi 1 l/m² (Gambar 9a), lamping garis laju leungitna taneuh pikeun fraksi FA, FS, AA sareng UMC ampir sami sareng pikeun gundukan anu teu diolah. Ieu nunjukkeun yén perlakuan dina laju aplikasi ieu teu efektif sareng pas laju angin ngaleuwihan TDV, kerak taneuh ipis ngaleungit sareng laju erosi gundukan sami sareng pikeun gundukan anu teu diolah. Lamping erosi fraksi AS ogé langkung handap tibatan fraksi sanés kalayan absis anu langkung handap (nyaéta TDV) (Gambar 9a). Panah dina Gambar 9b nunjukkeun yén dina laju angin maksimum 25 m/s, teu aya erosi anu kajantenan dina gundukan anu diolah dina laju aplikasi 2 sareng 3 l/m². Ku kituna, pikeun FS, FA, AS sareng UMC, gundukan pasir langkung tahan kana erosi angin anu disababkeun ku déposisi CaCO³ dina laju aplikasi 2 sareng 3 l/m² tibatan dina laju angin maksimum (nyaéta 25 m/s). Janten, nilai TDV 25 m/s anu diala dina tés ieu mangrupikeun wates handap pikeun laju aplikasi anu dipidangkeun dina Gambar 9b, kecuali pikeun kasus AA, dimana TDV ampir sami sareng laju torowongan angin maksimum.
Uji erosi angin (a) Leungitna beurat dibandingkeun jeung kecepatan angin (laju aplikasi 1 l/m2), (b) Kecepatan sobekan ambang dibandingkeun jeung kecepatan aplikasi jeung formulasi (CA pikeun kalsium asetat, CF pikeun kalsium format).
Gambar 10 nunjukkeun erosi permukaan gumuk pasir anu dirawat ku formulasi sareng laju aplikasi anu béda saatos uji bombardment keusik sareng hasil kuantitatif dipidangkeun dina Gambar 11. Kasus anu teu dirawat henteu dipidangkeun sabab henteu nunjukkeun résistansi sareng erosi lengkep (leungitna massa total) salami uji bombardment keusik. Jelas tina Gambar 11 yén sampel anu dirawat ku biokomposisi AA kaleungitan 83,5% beuratna dina laju aplikasi 2 l/m2 sedengkeun sadaya sampel anu sanés nunjukkeun erosi kirang ti 30% salami prosés bombardment keusik. Nalika laju aplikasi ningkat janten 3 l/m2, sadaya sampel anu dirawat kaleungitan kirang ti 25% beuratna. Dina dua laju aplikasi, sanyawa FS nunjukkeun résistansi anu pangsaéna pikeun bombardment keusik. Résistansi bombardment maksimum sareng minimum dina sampel anu dirawat FS sareng AA tiasa dikaitkeun sareng présipitasi CaCO3 maksimum sareng minimumna (Gambar 6f).
Hasil pangeboman gumuk pasir tina komposisi anu béda-béda dina laju aliran 2 sareng 3 l/m2 (panah nunjukkeun arah angin, tanda silang nunjukkeun arah angin anu tegak lurus kana bidang gambar).
Sakumaha anu dipidangkeun dina Gambar 12, kandungan kalsium karbonat tina sadaya rumus ningkat nalika laju aplikasi ningkat tina 1 L/m² janten 3 L/m². Salian ti éta, dina sadaya laju aplikasi, rumus anu gaduh kandungan kalsium karbonat pangluhurna nyaéta FS, dituturkeun ku FA sareng UMC. Ieu nunjukkeun yén rumus ieu tiasa gaduh résistansi permukaan anu langkung luhur.
Gambar 13a nunjukkeun parobahan dina résistansi permukaan sampel taneuh anu teu diubaran, kontrol sareng diubaran anu diukur ku uji permeameter. Tina gambar ieu, katingali yén résistansi permukaan formulasi UMC, AS, FA sareng FS ningkat sacara signifikan kalayan ningkatna laju aplikasi. Nanging, paningkatan kakuatan permukaan relatif alit dina formulasi AA. Sakumaha anu dipidangkeun dina gambar, formulasi FA sareng FS tina MICP anu teu didegradasi urea gaduh permeabilitas permukaan anu langkung saé dibandingkeun sareng MICP anu didegradasi urea. Gambar 13b nunjukkeun parobahan dina TDV kalayan résistansi permukaan taneuh. Tina gambar ieu, katingali jelas yén pikeun gundukan pasir kalayan résistansi permukaan langkung ageung tibatan 100 kPa, kecepatan pengupasan ambang bakal ngaleuwihan 25 m/s. Kusabab résistansi permukaan in situ tiasa gampang diukur ku permeameter, pangaweruh ieu tiasa ngabantosan pikeun ngira-ngira TDV tanpa uji torowongan angin, sahingga janten indikator kontrol kualitas pikeun aplikasi lapangan.
Hasil SEM dipidangkeun dina Gambar 14. Gambar 14a-b nunjukkeun partikel anu digedekeun tina sampel taneuh anu teu diubaran, anu sacara jelas nunjukkeun yén éta kohesif sareng teu gaduh beungkeutan alami atanapi sementasi. Gambar 14c nunjukkeun mikrograf SEM tina sampel kontrol anu diubaran ku MICP anu didegradasi uréa. Gambar ieu nunjukkeun ayana endapan CaCO3 salaku polimorf kalsit. Sakumaha anu dipidangkeun dina Gambar 14d-o, CaCO3 anu diendapkeun ngabeungkeut partikel-partikel éta; kristal vaterit buleud ogé tiasa diidentifikasi dina mikrograf SEM. Hasil panilitian ieu sareng panilitian sateuacana nunjukkeun yén beungkeut CaCO3 anu kabentuk salaku polimorf vaterit ogé tiasa nyayogikeun kakuatan mékanis anu wajar; hasil kami nunjukkeun yén résistansi permukaan ningkat janten 350 kPa sareng kecepatan pamisahan ambang ningkat tina 4,32 janten langkung ti 25 m/s. Hasil ieu saluyu sareng hasil panilitian sateuacana yén matriks CaCO3 anu diendapkeun ku MICP nyaéta vaterit, anu gaduh kakuatan mékanis anu lumayan sareng résistansi erosi angin13,40 sareng tiasa ngajaga résistansi erosi angin anu lumayan bahkan saatos 180 dinten kakeunaan kaayaan lingkungan lapangan13.
(a, b) Mikrograf SEM tina taneuh anu teu diolah, (c) Kontrol degradasi uréa MICP, (df) sampel anu diolah AA, (gi) sampel anu diolah AS, (jl) sampel anu diolah FA, sareng (mo) sampel anu diolah FS dina laju aplikasi 3 L/m2 dina pembesaran anu béda.
Gambar 14d-f nunjukkeun yén saatos dirawat ku sanyawa AA, kalsium karbonat diendapkeun dina permukaan sareng di antara butiran keusik, sedengkeun sababaraha butiran keusik anu teu dilapis ogé katingali. Pikeun komponén AS, sanaos jumlah CaCO3 anu kabentuk henteu ningkat sacara signifikan (Gambar 6f), jumlah kontak antara butiran keusik anu disababkeun ku CaCO3 ningkat sacara signifikan dibandingkeun sareng sanyawa AA (Gambar 14g-i).
Tina Gambar 14j-l sareng 14m-o jelas yén panggunaan kalsium format salaku sumber kalsium nyababkeun paningkatan présipitasi CaCO3 dibandingkeun sareng sanyawa AS, anu saluyu sareng pangukuran méter kalsium dina Gambar 6f. CaCO3 tambahan ieu sigana utamina diendapkeun dina partikel keusik sareng henteu merta ningkatkeun kualitas kontak. Ieu mastikeun paripolah anu dititénan sateuacanna: sanaos aya bédana dina jumlah présipitasi CaCO3 (Gambar 6f), tilu formulasi (AS, FA sareng FS) henteu béda sacara signifikan dina hal kinerja anti-eolian (angin) (Gambar 11) sareng résistansi permukaan (Gambar 13a).
Pikeun ngabayangkeun sél baktéri anu dilapis CaCO3 sareng jejak baktéri dina kristal anu diendapkeun, mikrograf SEM pembesaran tinggi dicandak sareng hasilna dipidangkeun dina Gambar 15. Sakumaha anu dipidangkeun, kalsium karbonat ngendap dina sél baktéri sareng nyayogikeun inti anu diperyogikeun pikeun présipitasi di dinya. Gambar éta ogé ngagambarkeun beungkeut aktif sareng teu aktif anu diinduksi ku CaCO3. Bisa disimpulkeun yén paningkatan beungkeut teu aktif henteu merta ngakibatkeun paningkatan salajengna dina paripolah mékanis. Ku alatan éta, ningkatkeun présipitasi CaCO3 henteu merta ngakibatkeun kakuatan mékanis anu langkung luhur sareng pola présipitasi maénkeun peran penting. Titik ieu ogé parantos dikaji dina karya Terzis sareng Laloui72 sareng Soghi sareng Al-Kabani45,73. Pikeun langkung ngajalajah hubungan antara pola présipitasi sareng kakuatan mékanis, studi MICP nganggo pencitraan µCT disarankeun, anu saluareun ruang lingkup panilitian ieu (nyaéta, ngenalkeun kombinasi anu béda tina sumber kalsium sareng baktéri pikeun MICP bébas amonia).
CaCO3 ngainduksi beungkeut aktif sareng teu aktif dina sampel anu dirawat ku (a) komposisi AS sareng (b) komposisi FS sareng ninggalkeun tapak sél baktéri dina sedimen.
Sakumaha anu dipidangkeun dina Gambar 14j-o sareng 15b, aya pilem CaCO (numutkeun analisis EDX, persentase komposisi unggal unsur dina pilem nyaéta karbon 11%, oksigén 46,62% sareng kalsium 42,39%, anu caket pisan sareng persentase CaCO dina Gambar 16). Pilem ieu nutupan kristal vaterit sareng partikel taneuh, ngabantosan ngajaga integritas sistem taneuh-sedimen. Ayana pilem ieu ngan ukur katingali dina sampel anu dirawat ku formulasi dumasar format.
Tabel 2 ngabandingkeun kakuatan permukaan, kecepatan pelepasan ambang, sareng eusi CaCO3 bioinduksi tina taneuh anu dirawat ku jalur MICP anu ngadegradasi urea sareng non-uréa dina panilitian sateuacana sareng panilitian ieu. Panilitian ngeunaan résistansi erosi angin tina sampel gundukan anu dirawat MICP terbatas. Meng et al. nalungtik résistansi erosi angin tina sampel gundukan anu ngadegradasi urea anu dirawat MICP nganggo blower daun,13 sedengkeun dina panilitian ieu, sampel gundukan anu non-uréa (sareng kontrol anu ngadegradasi urea) diuji dina torowongan angin sareng dirawat ku opat kombinasi baktéri sareng zat anu béda.
Sakumaha anu tiasa ditingali, sababaraha panilitian sateuacana parantos nganggap laju aplikasi anu luhur ngaleuwihan 4 L/m213,41,74. Perlu dicatet yén laju aplikasi anu luhur panginten henteu gampang diterapkeun di lapangan tina sudut pandang ékonomi kusabab biaya anu aya hubunganana sareng suplai cai, transportasi sareng aplikasi volume cai anu ageung. Laju aplikasi anu langkung handap sapertos 1,62-2 L/m2 ogé ngahontal kakuatan permukaan anu lumayan saé dugi ka 190 kPa sareng TDV ngaleuwihan 25 m/s. Dina panilitian ayeuna, gundukan pasir anu dirawat ku MICP berbasis format tanpa degradasi uréa ngahontal kakuatan permukaan anu luhur anu sami sareng anu diala ku jalur degradasi uréa dina kisaran laju aplikasi anu sami (nyaéta, sampel anu dirawat ku MICP berbasis format tanpa degradasi uréa ogé tiasa ngahontal kisaran nilai kakuatan permukaan anu sami sapertos anu dilaporkeun ku Meng et al., 13, Gambar 13a) dina laju aplikasi anu langkung luhur. Ogé tiasa ditingali yén dina laju aplikasi 2 L/m2, hasil kalsium karbonat pikeun mitigasi erosi angin dina kecepatan angin 25 m/s nyaéta 2,25% pikeun MICP berbasis format tanpa degradasi uréa, anu caket pisan kana jumlah CaCO3 anu diperyogikeun (nyaéta 2,41%) dibandingkeun sareng gundukan pasir anu dirawat ku MICP kontrol kalayan degradasi uréa dina laju aplikasi anu sami sareng kecepatan angin anu sami (25 m/s).
Ku kituna, tiasa disimpulkeun tina tabél ieu yén jalur degradasi uréa sareng jalur degradasi bébas uréa tiasa nyayogikeun kinerja anu tiasa ditampi dina hal résistansi permukaan sareng TDV. Bédana utama nyaéta jalur degradasi bébas uréa henteu ngandung amonia sareng ku kituna gaduh dampak lingkungan anu langkung handap. Salaku tambahan, metode MICP berbasis format tanpa degradasi uréa anu diusulkeun dina panilitian ieu sigana langkung saé tibatan metode MICP berbasis asetat tanpa degradasi uréa. Sanaos Mohebbi et al. nalungtik metode MICP berbasis asetat tanpa degradasi uréa, panilitianna kalebet sampel dina permukaan datar9. Kusabab tingkat erosi anu langkung luhur anu disababkeun ku formasi eddy di sakitar sampel gundukan sareng geseran anu dihasilkeun, anu ngahasilkeun TDV anu langkung handap, erosi angin tina sampel gundukan diperkirakeun langkung atra tibatan permukaan datar dina kecepatan anu sami.