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E timpeste di polvere rapprisentanu una seria minaccia per parechji paesi di u mondu per via di u so impattu distruttivu nant'à l'agricultura, a salute umana, e rete di trasportu è l'infrastrutture. Di cunsiguenza, l'erosione eolica hè cunsiderata un prublema mundiale. Unu di l'approcci rispettuosi di l'ambiente per frenà l'erosione eolica hè l'usu di a precipitazione di carbonatu indotta da microbi (MICP). Tuttavia, i sottoprodotti di u MICP basatu annantu à a degradazione di l'urea, cum'è l'ammoniaca, ùn sò micca ideali quandu sò prudutti in grande quantità. Stu studiu presenta duie formulazioni di batteri di formiatu di calciu per a degradazione di MICP senza pruduce urea è paraguna in modu cumpletu e so prestazioni cù duie formulazioni di batteri di acetatu di calciu chì ùn producenu micca ammoniaca. I batteri cunsiderati sò Bacillus subtilis è Bacillus amyloliquefaciens. Prima, sò stati determinati i valori ottimizzati di i fattori chì cuntrolanu a furmazione di CaCO3. I testi in galleria di u ventu sò stati poi realizati nantu à campioni di dune di sabbia trattati cù e formulazioni ottimizzate, è sò state misurate a resistenza à l'erosione eolica, a velocità di soglia di stripping è a resistenza à u bombardamentu di sabbia. L'allomorfi di carbonatu di calciu (CaCO3) sò stati valutati per mezu di a microscopia ottica, a microscopia elettronica à scansione (SEM) è l'analisi di diffrazione di raggi X. E formulazioni à base di formiatu di calciu anu avutu risultati significativamente megliu cà e formulazioni à base d'acetatu in termini di furmazione di carbonatu di calciu. Inoltre, B. subtilis hà pruduttu più carbonatu di calciu chè B. amyloliquefaciens. E micrografie SEM anu mostratu chjaramente u ligame è l'impronta di batteri attivi è inattivi nantu à u carbonatu di calciu causatu da a sedimentazione. Tutte e formulazioni anu riduttu significativamente l'erosione eolica.
L'erosione eolica hè stata dapoi longu ricunnisciuta cum'è un prublema maiò chì affrunta e regioni aride è semi-aride cum'è u suduveste di i Stati Uniti, a Cina occidentale, l'Africa sahariana è gran parte di u Mediu Oriente1. E scarse precipitazioni in i climi aridi è iperaridi anu trasfurmatu grande parte di queste regioni in deserti, dune di sabbia è terre incolte. L'erosione eolica cuntinua pone minacce ambientali per l'infrastrutture cum'è e rete di trasportu, i terreni agriculi è i terreni industriali, purtendu à cattive cundizioni di vita è alti costi di sviluppu urbanu in queste regioni2,3,4. Impurtantemente, l'erosione eolica ùn solu hà un impattu nantu à u locu induve si verifica, ma provoca ancu prublemi di salute è ecunomichi in e cumunità remote, postu chì trasporta particelle per via di u ventu in zone luntane da a fonte5,6.
U cuntrollu di l'erosione eolica ferma un prublema mundiale. Diversi metudi di stabilizazione di u terrenu sò aduprati per cuntrullà l'erosione eolica. Quessi metudi includenu materiali cum'è l'applicazione d'acqua7, pacciami d'oliu8, biopolimeri5, precipitazione di carbonatu indotta da microbi (MICP)9,10,11,12 è precipitazione di carbonatu indotta da enzimi (EICP)1. A bagnatura di u terrenu hè un metudu standard di soppressione di a polvere in u campu. Tuttavia, a so rapida evaporazione rende questu metudu di efficacia limitata in e regioni aride è semi-aride1. L'applicazione di cumposti di pacciamatura d'oliu aumenta a cuesione di a sabbia è l'attritu interparticellare. A so pruprietà cuesiva lega i granelli di sabbia inseme; tuttavia, i pacciami d'oliu ponenu ancu altri prublemi; u so culore scuru aumenta l'assorbimentu di calore è porta à a morte di e piante è di i microrganismi. U so odore è i so fumi ponu causà prublemi respiratori, è in particulare, u so costu elevatu hè un altru ostaculu. I biopolimeri sò unu di i metudi ecologichi pruposti recentemente per mitigà l'erosione eolica; sò estratti da fonti naturali cum'è piante, animali è batteri. A gomma xantana, a gomma guar, u chitosanu è a gomma gellan sò i biopolimeri più cumunimenti aduprati in l'applicazioni ingegneristiche5. Tuttavia, i biopolimeri solubili in acqua ponu perde forza è liscivià da u terrenu quandu sò esposti à l'acqua13,14. L'EICP hè statu dimustratu esse un metudu efficace di soppressione di a polvere per una varietà di applicazioni, cumprese strade non pavimentate, stagni di decantazione è cantieri di custruzzione. Ancu s'è i so risultati sò incoraggianti, alcuni svantaghji potenziali devenu esse cunsiderati, cum'è u costu è a mancanza di siti di nucleazione (chì accelera a furmazione è a precipitazione di cristalli di CaCO315,16).
U MICP hè statu discrittu per a prima volta à a fine di u XIX seculu da Murray è Irwin (1890) è Steinmann (1901) in u so studiu di a degradazione di l'urea da i microorganismi marini17. U MICP hè un prucessu biologicu naturale chì implica una varietà di attività microbiche è prucessi chimichi in i quali u carbonatu di calciu hè precipitatu da a reazione di l'ioni carbonati da i metaboliti microbichi cù l'ioni calciu in l'ambiente18,19. U MICP chì implica u ciclu di l'azotu chì degrada l'urea (MICP chì degrada l'urea) hè u tipu più cumunu di precipitazione di carbonatu indotta da microbi, in a quale l'ureasi prodotta da i batteri catalizeghja l'idrolisi di l'urea20,21,22,23,24,25,26,27 cum'è seguita:
In MICP chì implica u ciclu di u carbone di l'ossidazione di i sali organici (MICP senza tipu di degradazione di l'urea), i batteri eterotrofi utilizanu sali organici cum'è acetatu, lattatu, citratu, succinatu, ossalatu, malatu è gliossilatu cum'è fonti d'energia per pruduce minerali carbonatichi28. In presenza di lattatu di calciu cum'è fonte di carbone è ioni di calciu, a reazione chimica di furmazione di carbonatu di calciu hè mostrata in l'equazione (5).
In u prucessu MICP, e cellule batteriche furniscenu siti di nucleazione chì sò particularmente impurtanti per a precipitazione di u carbonatu di calciu; a superficia di a cellula batterica hè caricata negativamente è pò agisce cum'è adsorbente per cationi bivalenti cum'è ioni di calciu. Adsorbendu ioni di calciu nantu à e cellule batteriche, quandu a cuncentrazione di ioni carbonatu hè sufficiente, i cationi di calciu è l'anioni carbonatu reagiscenu è u carbonatu di calciu hè precipitatu nantu à a superficia batterica29,30. U prucessu pò esse riassuntu cusì31,32:
I cristalli di carbonatu di calciu biogenerati ponu esse divisi in trè tippi: calcite, vaterite è aragonite. Frà elli, a calcite è a vaterite sò l'allomorfi di carbonatu di calciu indotti da batteri i più cumuni33,34. A calcite hè l'allomorfu di carbonatu di calciu u più stabile termodinamicamente35. Ancu s'è a vaterite hè stata signalata cum'è metastabile, si trasforma eventualmente in calcite36,37. A vaterite hè u più densu di sti cristalli. Hè un cristallu esagonale chì hà una megliu capacità di riempimentu di i pori cà altri cristalli di carbonatu di calciu per via di a so dimensione più grande38. Sia u MICP degradatu da l'urea sia quellu micca degradatu da l'urea ponu purtà à a precipitazione di vaterite13,39,40,41.
Ancu s'è u MICP hà dimustratu un putenziale promettente per stabilizà i terreni problematichi è i terreni suscettibili à l'erosione eolica42,43,44,45,46,47,48, unu di i sottoprodotti di l'idrolisi di l'urea hè l'ammoniaca, chì pò causà prublemi di salute da lievi à gravi secondu u livellu di esposizione49. Questu effettu secundariu rende l'usu di sta tecnulugia particulare cuntruversu, soprattuttu quandu e grande zone devenu esse trattate, cum'è per a soppressione di a polvere. Inoltre, l'odore di l'ammoniaca hè intollerabile quandu u prucessu hè realizatu à tassi d'applicazione elevati è grandi volumi, ciò chì pò influenzà a so applicabilità pratica. Ancu s'è studii recenti anu dimustratu chì l'ioni ammoniu ponu esse ridutti cunvertenduli in altri prudutti cum'è a struvite, questi metudi ùn eliminanu micca cumpletamente l'ioni ammoniu50. Dunque, ci hè sempre bisognu di esplorà suluzioni alternative chì ùn generanu micca ioni ammoniu. L'usu di vie di degradazione senza urea per u MICP pò furnisce una suluzione putenziale chì hè stata pocu esplorata in u cuntestu di a mitigazione di l'erosione eolica. Fattahi et al. anu investigatu a degradazione di MICP senza urea aduprendu acetatu di calciu è Bacillus megaterium41, mentre chì Mohebbi et al. anu utilizatu acetatu di calciu è Bacillus amyloliquefaciens9. Tuttavia, u so studiu ùn hè statu paragunatu cù altre fonti di calciu è batteri eterotrofi chì puderanu infine migliurà a resistenza à l'erosione eolica. Ci hè ancu una mancanza di literatura chì paraguna e vie di degradazione senza urea cù e vie di degradazione di l'urea in a mitigazione di l'erosione eolica.
Inoltre, a maiò parte di i studii di l'erosione eolica è di u cuntrollu di a polvera sò stati realizati nantu à campioni di terrenu cù superfici piane.1,51,52,53 Tuttavia, e superfici piane sò menu cumuni in natura chè e colline è e depressioni. Hè per quessa chì e dune di sabbia sò l'elementu paisaghjisticu più cumunu in e regioni desertiche.
Per superà i difetti sopra menzionati, questu studiu hà avutu cum'è scopu di introduce un novu inseme d'agenti batterici chì ùn producenu micca ammonia. Per questu scopu, avemu cunsideratu e vie MICP chì ùn degradanu micca l'urea. L'efficienza di duie fonti di calciu (formiatu di calciu è acetatu di calciu) hè stata investigata. À a cunniscenza di l'autori, a precipitazione di carbonatu utilizendu duie cumminazzioni di fonti di calciu è batteri (vale à dì formiatu di calciu-Bacillus subtilis è formiatu di calciu-Bacillus amyloliquefaciens) ùn hè stata investigata in studii precedenti. A scelta di sti batteri era basata nantu à l'enzimi chì producenu chì catalizanu l'ossidazione di u formiatu di calciu è di l'acetatu di calciu per furmà a precipitazione di carbonatu microbicu. Avemu cuncipitu un studiu sperimentale approfonditu per truvà i fattori ottimali cum'è u pH, i tipi di batteri è e fonti di calciu è e so concentrazioni, u rapportu trà batteri è soluzione di fonte di calciu è u tempu di stagionatura. Infine, l'efficacità di questu inseme d'agenti batterici in a suppressione di l'erosione eolica per via di a precipitazione di carbonatu di calciu hè stata investigata cunducendu una seria di testi in galleria di u ventu nantu à e dune di sabbia per determinà a magnitudine di l'erosione eolica, a velocità di staccamentu di a soglia è a resistenza à u bombardamentu di u ventu di a sabbia, è sò state ancu realizate misurazioni penetrometriche è studii microstrutturali (per esempiu, analisi di diffrazione di raggi X (XRD) è microscopia elettronica à scansione (SEM)).
A pruduzzione di carbonatu di calciu richiede ioni di calciu è ioni di carbonatu. L'ioni di calciu ponu esse ottenuti da diverse fonti di calciu cum'è u cloruru di calciu, l'idrossidu di calciu è u latte scrematu in polvere54,55. L'ioni di carbonatu ponu esse prudutti da diversi metudi microbichi cum'è l'idrolisi di l'urea è l'ossidazione aerobica o anaerobica di a materia urganica56. In questu studiu, l'ioni di carbonatu sò stati ottenuti da a reazione d'ossidazione di u formiatu è di l'acetatu. Inoltre, avemu utilizatu sali di calciu di formiatu è di acetatu per pruduce carbonatu di calciu puru, cusì solu CO2 è H2O sò stati ottenuti cum'è sottoprodotti. In questu prucessu, solu una sustanza serve cum'è fonte di calciu è fonte di carbonatu, è ùn si produce ammonia. Queste caratteristiche rendenu u metudu di pruduzzione di a fonte di calciu è di u carbonatu chì avemu cunsideratu assai promettente.
E reazzioni currispundenti di u formiatu di calciu è di l'acetatu di calciu per furmà u carbonatu di calciu sò mostrate in e formule (7)-(14). E formule (7)-(11) mostranu chì u formiatu di calciu si dissolve in acqua per furmà l'acidu formicu o formiatu. A suluzione hè dunque una fonte di ioni di calciu è idrossidu liberi (formule 8 è 9). In cunsequenza di l'ossidazione di l'acidu formicu, l'atomi di carboniu in l'acidu formicu sò cunvertiti in diossidu di carboniu (formula 10). U carbonatu di calciu hè infine furmatu (formule 11 è 12).
In listessu modu, u carbonatu di calciu hè furmatu da l'acetatu di calciu (equazioni 13-15), eccettu chì l'acidu aceticu o l'acetatu hè furmatu invece di l'acidu formicu.
Senza a presenza d'enzimi, l'acetatu è u furmatu ùn ponu esse ossidati à temperatura ambiente. L'FDH (furmatu deidrogenasi) è u CoA (coenzima A) catalizanu l'ossidazione di u furmatu è di l'acetatu per furmà diossidu di carbonu, rispettivamente (Eqs. 16, 17) 57, 58, 59. Diversi batteri sò capaci di pruduce questi enzimi, è i batteri eterotrofi, vale à dì Bacillus subtilis (PTCC #1204 (Persian Type Culture Collection), cunnisciutu ancu cum'è NCIMB #13061 (International Collection of Bacteria, Yeast, Phage, Plasmids, Plant Seeds and Plant Cell Tissue Cultures)) è Bacillus amyloliquefaciens (PTCC #1732, NCIMB #12077), sò stati aduprati in questu studiu. Quessi batteri sò stati cultivati ​​in un mezu chì cuntene peptone di carne (5 g/L) è estrattu di carne (3 g/L), chjamatu brodu nutritivu (NBR) (105443 Merck).
Cusì, quattru formulazioni sò state preparate per induce a precipitazione di carbonatu di calciu aduprendu duie fonti di calciu è dui batteri: formiatu di calciu è Bacillus subtilis (FS), formiatu di calciu è Bacillus amyloliquefaciens (FA), acetatu di calciu è Bacillus subtilis (AS), è acetatu di calciu è Bacillus amyloliquefaciens (AA).
In a prima parte di u cuncepimentu sperimentale, sò stati realizati testi per determinà a cumbinazione ottima chì permetteria di ottene a massima pruduzzione di carbonatu di calciu. Siccomu i campioni di terra cuntenenu carbonatu di calciu, hè stata cuncipita una seria di testi di valutazione preliminari per misurà accuratamente u CaCO3 pruduttu da e diverse cumbinazioni, è sò state valutate e miscele di mezu di cultura è soluzioni di fonte di calciu. Per ogni cumbinazione di fonte di calciu è soluzione batterica definita sopra (FS, FA, AS è AA), i fattori di ottimizazione (cuncentrazione di fonte di calciu, tempu di stagionatura, cuncentrazione di soluzione batterica misurata da a densità ottica di a soluzione (OD), rapportu fonte di calciu / soluzione batterica è pH) sò stati derivati ​​è utilizati in i testi di galleria di u ventu di trattamentu di e dune di sabbia descritti in e sezioni seguenti.
Per ogni cumbinazione, sò stati realizati 150 esperimenti per studià l'effettu di a precipitazione di CaCO3 è valutà diversi fattori, vale à dì a cuncentrazione di a fonte di calciu, u tempu di stagionatura, u valore OD battericu, u rapportu trà a fonte di calciu è a soluzione batterica è u pH durante l'ossidazione aerobica di a materia urganica (Tavula 1). L'intervallu di pH per u prucessu ottimizatu hè statu sceltu in basa à e curve di crescita di Bacillus subtilis è Bacillus amyloliquefaciens per ottene una crescita più rapida. Questu hè spiegatu in più dettagliu in a sezione Risultati.
I passi seguenti sò stati utilizati per preparà i campioni per a fase di ottimizazione. A suluzione MICP hè stata prima preparata aghjustendu u pH iniziale di u mezu di cultura è dopu autoclavata à 121 °C per 15 minuti. U ceppu hè statu dopu inoculatu in un flussu d'aria laminare è mantinutu in un incubatore agitatu à 30 °C è 180 rpm. Una volta chì l'OD di i batteri hà righjuntu u livellu desideratu, hè statu mischiatu cù a suluzione fonte di calciu in a proporzione desiderata (Figura 1a). A suluzione MICP hè stata lasciata reagisce è solidificà in un incubatore agitatu à 220 rpm è 30 °C per un tempu chì hà righjuntu u valore target. U CaCO3 precipitatu hè statu separatu dopu a centrifugazione à 6000 g per 5 minuti è dopu asciugatu à 40 °C per preparà i campioni per a prova di u calcimetru (Figura 1b). A precipitazione di CaCO3 hè stata dopu misurata cù un calcimetru Bernard, induve a polvere di CaCO3 reagisce cù 1.0 N HCl (ASTM-D4373-02) per pruduce CO2, è u vulume di stu gasu hè una misura di u cuntenutu di CaCO3 (Figura 1c). Per cunvertisce u vulume di CO2 in cuntenutu di CaCO3, una curva di calibrazione hè stata generata lavendu a polvere pura di CaCO3 cù 1 N HCl è tracciandola contr'à u CO2 evolutu. A morfologia è a purità di a polvere di CaCO3 precipitata sò state investigate cù l'imaghjini SEM è l'analisi XRD. Un microscopiu otticu cù un ingrandimentu di 1000 hè statu utilizatu per studià a furmazione di carbonatu di calciu intornu à i batteri, a fase di u carbonatu di calciu furmatu è l'attività di i batteri.
U bacinu di Dejegh hè una regione assai erosa ben cunnisciuta in a pruvincia di Fars sudoccidentale di l'Iran, è i circadori anu raccoltu campioni di terra erosa da u ventu da a zona. I campioni sò stati prelevati da a superficia di u terrenu per u studiu. I testi indicatori nantu à i campioni di terra anu dimustratu chì u terrenu era un terrenu sabbiosu mal urdinatu cù limu è hè statu classificatu cum'è SP-SM secondu u Sistema Unificatu di Classificazione di u Terrenu (USC) (Figura 2a). L'analisi XRD hà dimustratu chì u terrenu di Dejegh era cumpostu principalmente di calcite è quarzu (Figura 2b). Inoltre, l'analisi EDX hà dimustratu chì altri elementi cum'è Al, K è Fe eranu ancu presenti in proporzioni più chjuche.
Per preparà e dune di laburatoriu per i testi di l'erosione eolica, u terrenu hè statu schiacciatu da un'altezza di 170 mm attraversu un imbutu di 10 mm di diametru finu à una superficia ferma, risultendu in una duna tipica di 60 mm di altezza è 210 mm di diametru. In natura, e dune di sabbia di densità più bassa sò furmate da prucessi eolichi. In listessu modu, u campione preparatu cù a prucedura sopra avia a densità relativa più bassa, γ = 14,14 kN/m³, furmendu un conu di sabbia dipusitatu nantu à una superficia orizzontale cù un angulu di riposu di circa 29,7°.
A suluzione MICP ottima ottenuta in a sezione precedente hè stata spruzzata nantu à u pendiu di a duna à tassi d'applicazione di 1, 2 è 3 lm-2 è dopu i campioni sò stati cunservati in un incubatore à 30 °C (Fig. 3) per 9 ghjorni (vale à dì u tempu ottimale di stagionatura) è dopu purtati fora per testi in galleria di u ventu.
Per ogni trattamentu, sò stati preparati quattru campioni, unu per misurà u cuntenutu di carbonatu di calciu è a resistenza di a superficia cù un penetrometru, è i trè campioni rimanenti sò stati aduprati per testi d'erosione à trè velocità diverse. In i testi di a galleria di u ventu, a quantità d'erosione hè stata determinata à diverse velocità di u ventu, è dopu a velocità di staccamentu di soglia per ogni campione di trattamentu hè stata determinata aduprendu un graficu di a quantità d'erosione versus a velocità di u ventu. In più di i testi d'erosione di u ventu, i campioni trattati sò stati sottumessi à un bumbardamentu di sabbia (vale à dì, esperimenti di saltu). Dui campioni supplementari sò stati preparati per questu scopu à tassi d'applicazione di 2 è 3 L m−2. A prova di bumbardamentu di sabbia hè durata 15 min cù un flussu di 120 gm−1, chì hè in l'intervallu di valori selezziunati in studii precedenti60,61,62. A distanza orizzontale trà l'ugellu abrasivu è a basa di a duna era di 800 mm, situata 100 mm sopra u fondu di a galleria. Questa pusizione hè stata impostata in modu chì quasi tutte e particelle di sabbia di saltu cascanu nantu à a duna.
A prova in galleria di u ventu hè stata realizata in una galleria di u ventu aperta cù una lunghezza di 8 m, una larghezza di 0,4 m è un'altezza di 1 m (Figura 4a). A galleria di u ventu hè fatta di lamiere d'acciaio galvanizzate è pò generà una velocità di u ventu finu à 25 m/s. Inoltre, un convertitore di frequenza hè utilizatu per aghjustà a frequenza di u ventilatore è aumentà gradualmente a frequenza per ottene a velocità di u ventu desiderata. A Figura 4b mostra u diagramma schematicu di e dune di sabbia erose da u ventu è u prufilu di a velocità di u ventu misuratu in a galleria di u ventu.
Infine, per paragunà i risultati di a formulazione MICP non urealitica pruposta in questu studiu cù i risultati di u test di cuntrollu MICP urealiticu, sò stati ancu preparati è trattati campioni di dune cù una soluzione biologica chì cuntene urea, cloruru di calciu è Sporosarcina pasteurii (postu chì Sporosarcina pasteurii hà una capacità significativa di pruduce ureasi63). A densità ottica di a soluzione batterica era 1,5, è e concentrazioni di urea è cloruru di calciu eranu 1 M (selezziunate in basa à i valori raccomandati in studii precedenti36,64,65). U mezu di cultura era custituitu da brodu nutritivu (8 g/L) è urea (20 g/L). A soluzione batterica hè stata spruzzata nantu à a superficia di a duna è lasciata per 24 ore per l'attaccamentu battericu. Dopu à 24 ore di attaccamentu, hè stata spruzzata una soluzione cementante (cloruru di calciu è urea). U test di cuntrollu MICP urealiticu hè chjamatu in seguitu UMC. U cuntenutu di carbonatu di calciu di i campioni di terra trattati urealiticamente è micca urealiticamente hè statu ottenutu lavendu secondu a prucedura pruposta da Choi et al.66
A figura 5 mostra e curve di crescita di Bacillus amyloliquefaciens è Bacillus subtilis in u mezu di cultura (soluzione nutritiva) cù un intervallu di pH iniziale da 5 à 10. Cum'è mostratu in a figura, Bacillus amyloliquefaciens è Bacillus subtilis sò cresciuti più rapidamente à pH 6-8 è 7-9, rispettivamente. Dunque, questu intervallu di pH hè statu aduttatu in a fase di ottimizazione.
Curve di crescita di (a) Bacillus amyloliquefaciens è (b) Bacillus subtilis à diversi valori di pH iniziali di u mezu nutritivu.
A figura 6 mostra a quantità di diossidu di carbonu pruduttu in u calcemetru Bernard, chì rapprisenta u carbonatu di calciu precipitatu (CaCO3). Siccomu un fattore hè statu fissu in ogni cumbinazione è l'altri fattori sò stati variati, ogni puntu nantu à sti grafichi currisponde à u vulume massimu di diossidu di carbonu in quellu inseme di esperimenti. Cum'è mostratu in a figura, quandu a cuncentrazione di a fonte di calciu aumentava, a pruduzzione di carbonatu di calciu aumentava. Dunque, a cuncentrazione di a fonte di calciu affetta direttamente a pruduzzione di carbonatu di calciu. Siccomu a fonte di calciu è a fonte di carbonu sò listesse (vale à dì, formiatu di calciu è acetatu di calciu), più ioni di calciu sò liberati, più carbonatu di calciu si forma (Figura 6a). In e formulazioni AS è AA, a pruduzzione di carbonatu di calciu hà cuntinuatu à aumentà cù l'aumentu di u tempu di stagionatura finu à chì a quantità di precipitatu era guasi invariata dopu à 9 ghjorni. In a formulazione FA, a velocità di furmazione di carbonatu di calciu hè diminuita quandu u tempu di stagionatura hà superatu i 6 ghjorni. Paragonata à altre formulazioni, a formulazione FS hà mostratu una velocità di furmazione di carbonatu di calciu relativamente bassa dopu à 3 ghjorni (Figura 6b). In e formulazioni FA è FS, 70% è 87% di a pruduzzione tutale di carbonatu di calciu hè stata ottenuta dopu à trè ghjorni, mentre chì in e formulazioni AA è AS, sta proporzione era solu circa 46% è 45%, rispettivamente. Questu indica chì a formulazione à basa d'acidu formicu hà un tassu di furmazione di CaCO3 più altu in a fase iniziale paragunatu à a formulazione à basa d'acetatu. Tuttavia, u tassu di furmazione rallenta cù l'aumentu di u tempu di stagionatura. Si pò cunclude da a Figura 6c chì ancu à concentrazioni batteriche sopra à OD1, ùn ci hè micca cuntribuzione significativa à a furmazione di carbonatu di calciu.
Cambiamentu di u vulume di CO2 (è u cuntenutu currispundente di CaCO3) misuratu da u calcimetru Bernard in funzione di (a) a cuncentrazione di a fonte di calciu, (b) u tempu di presa, (c) a densità ottica, (d) u ​​pH iniziale, (e) u rapportu trà a fonte di calciu è a suluzione batterica (per ogni formulazione); è (f) a quantità massima di carbonatu di calciu pruduttu per ogni cumbinazione di fonte di calciu è batteri.
Riguardu à l'effettu di u pH iniziale di u mezu, a Figura 6d mostra chì per FA è FS, a pruduzzione di CaCO3 hà righjuntu un valore massimu à pH 7. Questa osservazione hè coerente cù studii precedenti chì l'enzimi FDH sò più stabili à pH 7-6,7. Tuttavia, per AA è AS, a precipitazione di CaCO3 hè aumentata quandu u pH hà superatu 7. Studi precedenti anu ancu dimustratu chì l'intervallu di pH ottimale per l'attività enzimatica CoA hè da 8 à 9,2-6,8. Cunsiderendu chì l'intervalli di pH ottimali per l'attività enzimatica CoA è a crescita di B. amyloliquefaciens sò (8-9,2) è (6-8), rispettivamente (Figura 5a), u pH ottimale di a formulazione AA hè previstu per esse 8, è i dui intervalli di pH si sovrappongono. Questu fattu hè statu cunfirmatu da esperimenti, cum'è mostratu in a Figura 6d. Siccomu u pH ottimale per a crescita di B. subtilis hè 7-9 (Figura 5b) è u pH ottimale per l'attività enzimatica CoA hè 8-9.2, si prevede chì u rendimentu massimu di precipitazione di CaCO3 sia in l'intervallu di pH di 8-9, ciò chì hè cunfirmatu da a Figura 6d (vale à dì, u pH ottimale di precipitazione hè 9). I risultati mostrati in a Figura 6e indicanu chì u rapportu ottimale trà a soluzione di fonte di calciu è a soluzione batterica hè 1 per e soluzioni di acetatu è di formiatu. Per paragone, a prestazione di diverse formulazioni (vale à dì, AA, AS, FA è FS) hè stata valutata in basa à a pruduzzione massima di CaCO3 in diverse cundizioni (vale à dì, cuncentrazione di fonte di calciu, tempu di stagionatura, OD, rapportu fonte di calciu à soluzione batterica è pH iniziale). Trà e formulazioni studiate, a formulazione FS hà avutu a più alta pruduzzione di CaCO3, chì era circa trè volte quella di a formulazione AA (Figura 6f). Quattru esperimenti di cuntrollu senza batteri sò stati realizati per entrambe e fonti di calciu è ùn hè stata osservata alcuna precipitazione di CaCO3 dopu à 30 ghjorni.
L'imagine di microscopia ottica di tutte e formulazioni anu dimustratu chì a vaterite era a fase principale in a quale si hè furmatu u carbonatu di calciu (Figura 7). I cristalli di vaterite eranu di forma sferica69,70,71. Hè statu trovu chì u carbonatu di calciu precipitava nantu à e cellule batteriche perchè a superficia di e cellule batteriche era caricata negativamente è puderia agisce cum'è adsorbente per i cationi bivalenti. Pigliendu a formulazione FS cum'è esempiu in questu studiu, dopu à 24 ore, u carbonatu di calciu hà cuminciatu à furmà si nantu à alcune cellule batteriche (Figura 7a), è dopu à 48 ore, u numeru di cellule batteriche rivestite di carbonatu di calciu hè aumentatu significativamente. Inoltre, cum'è mostratu in a Figura 7b, e particelle di vaterite anu pussutu ancu esse rilevate. Infine, dopu à 72 ore, un gran numeru di batteri pareva esse ligatu da i cristalli di vaterite, è u numeru di particelle di vaterite hè aumentatu significativamente (Figura 7c).
Osservazioni di microscopia ottica di a precipitazione di CaCO3 in cumpusizioni FS in u tempu: (a) 24, (b) 48 è (c) 72 h.
Per studià più in prufundità a morfologia di a fase precipitata, sò state realizate analisi di diffrazione di raggi X (XRD) è SEM di e polveri. I spettri XRD (Fig. 8a) è e micrografie SEM (Fig. 8b, c) anu cunfirmatu a presenza di cristalli di vaterite, postu ch'elli avianu una forma simile à una lattuga è hè stata osservata una currispundenza trà i picchi di vaterite è i picchi di precipitatu.
(a) Cunfrontu di i spettri di diffrazione di raggi X di CaCO3 furmatu è vaterite. Micrografie SEM di vaterite à (b) 1 kHz è (c) ingrandimentu di 5,27 kHz, rispettivamente.
I risultati di i testi in galleria di u ventu sò mostrati in a Figura 9a, b. Si pò vede da a Figura 9a chì a velocità di erosione di soglia (TDV) di a sabbia micca trattata hè di circa 4,32 m/s. À a velocità di applicazione di 1 l/m² (Figura 9a), e pendenze di e linee di perdita di terra per e frazioni FA, FS, AA è UMC sò apprussimatamente listesse à quelle di a duna micca trattata. Questu indica chì u trattamentu à sta velocità di applicazione hè inefficace è appena a velocità di u ventu supera a TDV, a crosta fina di u terrenu sparisce è a velocità di erosione di a duna hè a listessa à quella di a duna micca trattata. A pendenza di erosione di a frazione AS hè ancu più bassa di quella di l'altre frazioni cù ascisse più basse (vale à dì TDV) (Figura 9a). E frecce in a Figura 9b indicanu chì à a velocità massima di u ventu di 25 m/s, ùn si hè verificata alcuna erosione in e dune trattate à e velocità di applicazione di 2 è 3 l/m². In altre parolle, per FS, FA, AS è UMC, e dune eranu più resistenti à l'erosione eolica causata da a deposizione di CaCO³ à i tassi d'applicazione di 2 è 3 l/m² chè à a velocità massima di u ventu (vale à dì 25 m/s). Cusì, u valore TDV di 25 m/s ottenutu in questi testi hè u limite inferiore per i tassi d'applicazione mostrati in a Figura 9b, eccettu per u casu di AA, induve u TDV hè guasi uguale à a velocità massima di a galleria di u ventu.
Prova di erosione eolica (a) Perdita di pesu in funzione di a velocità di u ventu (tassa d'applicazione 1 l/m2), (b) Velocità di strappo di soglia in funzione di a tassa d'applicazione è di a formulazione (CA per l'acetatu di calciu, CF per u formiatu di calciu).
A Figura 10 mostra l'erosione superficiale di e dune di sabbia trattate cù diverse formulazioni è tassi d'applicazione dopu a prova di bumbardamentu di sabbia è i risultati quantitativi sò mostrati in a Figura 11. U casu micca trattatu ùn hè micca mostratu perchè ùn hà mostratu alcuna resistenza è hè statu cumpletamente erosu (perdita di massa tutale) durante a prova di bumbardamentu di sabbia. Hè chjaru da a Figura 11 chì u campione trattatu cù a biocomposizione AA hà persu 83,5% di u so pesu à u tassu d'applicazione di 2 l/m2 mentre chì tutti l'altri campioni anu mostratu menu di 30% d'erosione durante u prucessu di bumbardamentu di sabbia. Quandu u tassu d'applicazione hè statu aumentatu à 3 l/m2, tutti i campioni trattati anu persu menu di 25% di u so pesu. À i dui tassi d'applicazione, u cumpostu FS hà mostratu a megliu resistenza à u bumbardamentu di sabbia. A resistenza massima è minima à u bumbardamentu in i campioni trattati FS è AA pò esse attribuita à a so precipitazione massima è minima di CaCO3 (Figura 6f).
Risultati di u bumbardamentu di dune di sabbia di diverse cumpusizioni à portate di 2 è 3 l/m2 (e frecce indicanu a direzzione di u ventu, e croce indicanu a direzzione di u ventu perpendiculare à u pianu di u disegnu).
Cum'è mostratu in a Figura 12, u cuntenutu di carbonatu di calciu di tutte e formule hè aumentatu quandu a velocità d'applicazione hè aumentata da 1 L/m² à 3 L/m². Inoltre, à tutte e velocità d'applicazione, a formula cù u più altu cuntenutu di carbonatu di calciu era FS, seguitata da FA è UMC. Questu suggerisce chì queste formule possinu avè una resistenza superficiale più elevata.
A figura 13a mostra u cambiamentu di a resistenza superficiale di i campioni di terrenu micca trattati, di cuntrollu è trattati misurati da u test di permeametru. Da sta figura, hè evidente chì a resistenza superficiale di e formulazioni UMC, AS, FA è FS hè aumentata significativamente cù l'aumentu di a velocità di applicazione. Tuttavia, l'aumentu di a resistenza superficiale era relativamente chjucu in a formulazione AA. Cum'è mostratu in a figura, e formulazioni FA è FS di MICP micca degradatu da l'urea anu una migliore permeabilità superficiale paragunata à u MICP degradatu da l'urea. A figura 13b mostra u cambiamentu di TDV cù a resistenza superficiale di u terrenu. Da sta figura, hè chjaramente evidente chì per e dune cù una resistenza superficiale superiore à 100 kPa, a velocità di stripping di soglia supererà i 25 m/s. Siccomu a resistenza superficiale in situ pò esse facilmente misurata da u permeametru, sta cunniscenza pò aiutà à stimà a TDV in assenza di test in galleria di u ventu, servendu cusì cum'è indicatore di cuntrollu di qualità per l'applicazioni in campu.
I risultati SEM sò mostrati in a Figura 14. E Figure 14a-b mostranu e particelle ingrandite di u campione di terra micca trattatu, ciò chì indica chjaramente ch'ellu hè cuesivu è ùn hà micca ligami naturali o cementazione. A Figura 14c mostra a micrografia SEM di u campione di cuntrollu trattatu cù MICP degradatu da l'urea. Sta maghjina mostra a presenza di precipitati di CaCO3 cum'è polimorfi di calcite. Cum'è mostratu in e Figure 14d-o, u CaCO3 precipitatu lega e particelle inseme; i cristalli sferichi di vaterite ponu ancu esse identificati in e micrografie SEM. I risultati di questu studiu è di studii precedenti indicanu chì i ligami CaCO3 furmati cum'è polimorfi di vaterite ponu ancu furnisce una resistenza meccanica ragionevule; i nostri risultati mostranu chì a resistenza superficiale aumenta à 350 kPa è a velocità di separazione di soglia aumenta da 4,32 à più di 25 m/s. Stu risultatu hè coerente cù i risultati di studii precedenti chì a matrice di CaCO3 precipitatu da MICP hè vaterite, chì hà una resistenza meccanica è una resistenza à l'erosione eolica ragionevuli13,40 è pò mantene una resistenza à l'erosione eolica ragionevuli ancu dopu à 180 ghjorni di esposizione à e cundizioni ambientali di u campu13.
(a, b) Micrografie SEM di terrenu micca trattatu, (c) cuntrollu di degradazione di l'urea MICP, (df) campioni trattati cù AA, (gi) campioni trattati cù AS, (jl) campioni trattati cù FA, è (mo) campioni trattati cù FS à una velocità di applicazione di 3 L/m2 à diversi ingrandimenti.
A figura 14d-f mostra chì dopu u trattamentu cù i cumposti AA, u carbonatu di calciu hè statu precipitatu nantu à a superficia è trà i granelli di sabbia, mentre chì sò stati osservati ancu alcuni granelli di sabbia senza rivestimentu. Per i cumpunenti AS, ancu s'è a quantità di CaCO3 furmata ùn hè micca aumentata significativamente (Fig. 6f), a quantità di cuntatti trà i granelli di sabbia causati da CaCO3 hè aumentata significativamente paragunata à i cumposti AA (Fig. 14g-i).
Da e Figure 14j-l è 14m-o hè chjaru chì l'usu di u formiatu di calciu cum'è fonte di calciu porta à un ulteriore aumentu di a precipitazione di CaCO3 paragunatu à u cumpostu AS, ciò chì hè coerente cù e misurazioni di u misuratore di calciu in a Figura 6f. Stu CaCO3 supplementu pare esse dipusitatu principalmente nantu à e particelle di sabbia è ùn migliora micca necessariamente a qualità di cuntattu. Questu cunfirma u cumpurtamentu osservatu prima: malgradu e differenze in a quantità di precipitazione di CaCO3 (Figura 6f), e trè formulazioni (AS, FA è FS) ùn differiscenu micca significativamente in termini di prestazioni anti-eoliche (ventu) (Figura 11) è resistenza superficiale (Figura 13a).
Per visualizà megliu e cellule batteriche rivestite di CaCO3 è l'impronta batterica nantu à i cristalli precipitati, sò state pigliate micrografie SEM à altu ingrandimentu è i risultati sò mostrati in a Figura 15. Cum'è mostratu, u carbonatu di calciu precipita nantu à e cellule batteriche è furnisce i nuclei richiesti per a precipitazione quì. A figura rapprisenta ancu i ligami attivi è inattivi indotti da CaCO3. Si pò cunclude chì qualsiasi aumentu di i ligami inattivi ùn porta micca necessariamente à un ulteriore miglioramentu di u cumpurtamentu meccanicu. Dunque, l'aumentu di a precipitazione di CaCO3 ùn porta micca necessariamente à una resistenza meccanica più elevata è u mudellu di precipitazione ghjoca un rolu impurtante. Questu puntu hè statu ancu studiatu in l'opere di Terzis è Laloui72 è Soghi è Al-Kabani45,73. Per esplorà ulteriormente a relazione trà u mudellu di precipitazione è a resistenza meccanica, sò raccomandati studii MICP chì utilizanu l'imaghjini µCT, chì hè fora di u scopu di questu studiu (vale à dì, introduce diverse cumminazzioni di fonte di calciu è batteri per MICP senza ammoniaca).
CaCO3 hà induttu ligami attivi è inattivi in ​​campioni trattati cù (a) cumpusizione AS è (b) cumpusizione FS è hà lasciatu una impronta di cellule batteriche nantu à u sedimentu.
Cum'è mostratu in e Figure 14j-o è 15b, ci hè una pellicola di CaCO3 (secondu l'analisi EDX, a cumpusizione percentuale di ogni elementu in a pellicola hè carbone 11%, ossigenu 46,62% è calciu 42,39%, chì hè assai vicinu à a percentuale di CaCO3 in a Figura 16). Questa pellicola copre i cristalli di vaterite è e particelle di u terrenu, aiutendu à mantene l'integrità di u sistema terrenu-sedimentu. A presenza di sta pellicola hè stata osservata solu in i campioni trattati cù a formulazione à basa di formiatu.
A Tavula 2 paraguna a resistenza superficiale, a velocità di distaccu di soglia è u cuntenutu di CaCO3 bioinduttu di i terreni trattati cù percorsi MICP chì degradanu l'urea è micca l'urea in studii precedenti è questu studiu. I studii nantu à a resistenza à l'erosione eolica di i campioni di dune trattati cù MICP sò limitati. Meng et al. anu investigatu a resistenza à l'erosione eolica di i campioni di dune chì degradanu l'urea trattati cù MICP utilizendu un soffiatore di foglie,13 mentre chì in questu studiu, i campioni di dune chì ùn degradanu micca l'urea (è ancu i cuntrolli chì degradanu l'urea) sò stati testati in una galleria di u ventu è trattati cù quattru diverse cumminazzioni di batteri è sustanze.
Cum'è si pò vede, certi studii precedenti anu cunsideratu tassi d'applicazione elevati chì superanu i 4 L/m213,41,74. Hè da nutà chì i tassi d'applicazione elevati ùn ponu micca esse facilmente applicabili in u campu da un puntu di vista ecunomicu per via di i costi assuciati à l'approvvigionamentu d'acqua, u trasportu è l'applicazione di grandi volumi d'acqua. I tassi d'applicazione più bassi cum'è 1,62-2 L/m2 anu ancu ottenutu resistenze superficiali abbastanza bone finu à 190 kPa è TDV superiori à 25 m/s. In u presente studiu, e dune trattate cù MICP à basa di formiatu senza degradazione di l'urea anu ottenutu resistenze superficiali elevate chì eranu paragunabili à quelle ottenute cù a via di degradazione di l'urea in a listessa gamma di tassi d'applicazione (vale à dì, i campioni trattati cù MICP à basa di formiatu senza degradazione di l'urea sò stati ancu capaci di ottene a listessa gamma di valori di resistenza superficiale cum'è riportatu da Meng et al., 13, Figura 13a) à tassi d'applicazione più elevati. Si pò ancu vede chì à u ritmu d'applicazione di 2 L/m2, u rendimentu di carbonatu di calciu per a mitigazione di l'erosione eolica à una velocità di u ventu di 25 m/s era di 2,25% per u MICP à basa di formiatu senza degradazione di l'urea, chì hè assai vicinu à a quantità necessaria di CaCO3 (vale à dì 2,41%) paragunatu à e dune trattate cù u MICP di cuntrollu cù degradazione di l'urea à u listessu ritmu d'applicazione è a listessa velocità di u ventu (25 m/s).
Cusì, si pò cunclude da sta tavula chì sia a via di degradazione di l'urea sia a via di degradazione senza urea ponu furnisce prestazioni abbastanza accettabili in termini di resistenza superficiale è TDV. A principale differenza hè chì a via di degradazione senza urea ùn cuntene micca ammonia è dunque hà un impattu ambientale più bassu. Inoltre, u metudu MICP basatu annantu à u formiatu senza degradazione di l'urea prupostu in questu studiu pare avè prestazioni megliu cà u metudu MICP basatu annantu à l'acetatu senza degradazione di l'urea. Ancu s'è Mohebbi et al. anu studiatu u metudu MICP basatu annantu à l'acetatu senza degradazione di l'urea, u so studiu hà inclusu campioni nantu à superfici piane9. A causa di u più altu gradu di erosione causatu da a furmazione di vortici intornu à i campioni di dune è u risultante tagliu, chì si traduce in un TDV più bassu, si prevede chì l'erosione eolica di i campioni di dune sia più evidente chè quella di e superfici piane à a listessa velocità.