Grazas por visitar nature.com. A versión do navegador que estás a usar ten compatibilidade limitada con CSS. Para obter a mellor experiencia, recomendámosche que uses a versión máis recente do navegador (ou que desactives o modo de compatibilidade en Internet Explorer). Ademais, para garantir a compatibilidade continua, este sitio non incluirá estilos nin JavaScript.
As tormentas de area supoñen unha seria ameaza para moitos países de todo o mundo debido ao seu impacto destrutivo na agricultura, a saúde humana, as redes de transporte e as infraestruturas. Como resultado, a erosión eólica considérase un problema global. Unha das abordaxes respectuosas co medio ambiente para frear a erosión eólica é o uso da precipitación de carbonato inducida por microbios (MICP). Non obstante, os subprodutos do MICP baseado na degradación da urea, como o amoníaco, non son ideais cando se producen en grandes cantidades. Este estudo presenta dúas formulacións de bacterias de formiato de calcio para a degradación do MICP sen producir urea e compara exhaustivamente o seu rendemento con dúas formulacións de bacterias de acetato de calcio non produtoras de amoníaco. As bacterias consideradas son Bacillus subtilis e Bacillus amyloliquefaciens. En primeiro lugar, determináronse os valores optimizados dos factores que controlan a formación de CaCO3. A continuación, realizáronse probas en túnel de vento en mostras de dunas de area tratadas coas formulacións optimizadas e medíronse a resistencia á erosión eólica, a velocidade limiar de desprendimento e a resistencia ao bombardeo de area. Os alomorfos de carbonato de calcio (CaCO3) avaliáronse mediante microscopía óptica, microscopía electrónica de varrido (SEM) e análise de difracción de raios X. As formulacións a base de formiato de calcio tiveron un rendemento significativamente mellor que as formulacións a base de acetato en termos de formación de carbonato de calcio. Ademais, B. subtilis produciu máis carbonato de calcio que B. amyloliquefaciens. As micrografías SEM mostraron claramente a unión e a impresión de bacterias activas e inactivas no carbonato de calcio causada pola sedimentación. Todas as formulacións reduciron significativamente a erosión eólica.
A erosión eólica recoñécese desde hai tempo como un problema importante que afecta as rexións áridas e semiáridas como o suroeste dos Estados Unidos, o oeste da China, a África sahariana e gran parte de Oriente Medio1. A escaseza de precipitacións en climas áridos e hiperáridos transformou gran parte destas rexións en desertos, dunas de area e terras baldías. A continua erosión eólica supón ameazas ambientais para as infraestruturas, como as redes de transporte, as terras agrícolas e as terras industriais, o que leva a malas condicións de vida e a altos custos de desenvolvemento urbano nestas rexións2,3,4. É importante destacar que a erosión eólica non só afecta o lugar onde se produce, senón que tamén causa problemas de saúde e económicos en comunidades remotas, xa que transporta partículas polo vento a zonas lonxe da fonte5,6.
O control da erosión eólica segue a ser un problema global. Empréganse varios métodos de estabilización do solo para controlar a erosión eólica. Estes métodos inclúen materiais como a aplicación de auga7, as capas de aceite8, os biopolímeros5, a precipitación de carbonato inducida por microbios (MICP)9,10,11,12 e a precipitación de carbonato inducida por encimas (EICP)1. A humectación do solo é un método estándar de supresión do po no campo. Non obstante, a súa rápida evaporación fai que este método teña unha eficacia limitada en rexións áridas e semiáridas1. A aplicación de compostos de cobertura de aceite aumenta a cohesión da area e a fricción entre partículas. A súa propiedade cohesiva une os grans de area; con todo, as capas de aceite tamén supoñen outros problemas; a súa cor escura aumenta a absorción de calor e leva á morte de plantas e microorganismos. O seu cheiro e os seus fumes poden causar problemas respiratorios e, sobre todo, o seu alto custo é outro obstáculo. Os biopolímeros son un dos métodos ecolóxicos propostos recentemente para mitigar a erosión eólica; extráense de fontes naturais como plantas, animais e bacterias. A goma xantana, a goma guar, a quitosana e a goma xelana son os biopolímeros máis utilizados en aplicacións de enxeñaría5. Non obstante, os biopolímeros solubles en auga poden perder resistencia e lixiviarse do solo cando se expoñen á auga13,14. Demostrouse que a EICP é un método eficaz de supresión de po para unha variedade de aplicacións, incluíndo estradas sen pavimentar, estanques de residuos e obras de construción. Aínda que os seus resultados son alentadores, débense ter en conta algúns inconvenientes potenciais, como o custo e a falta de sitios de nucleación (o que acelera a formación e precipitación de cristais de CaCO315,16).
A MICP foi descrita por primeira vez a finais do século XIX por Murray e Irwin (1890) e Steinmann (1901) no seu estudo da degradación da urea por microorganismos mariños17. A MICP é un proceso biolóxico natural que implica unha variedade de actividades microbianas e procesos químicos nos que o carbonato de calcio se precipita pola reacción dos ións carbonato dos metabolitos microbianos cos ións de calcio no ambiente18,19. A MICP que implica o ciclo do nitróxeno que degrada a urea (MICP que degrada a urea) é o tipo máis común de precipitación de carbonato inducida por microbios, na que a urease producida polas bacterias cataliza a hidrólise da urea20,21,22,23,24,25,26,27 do seguinte xeito:
Na MICP que implica o ciclo do carbono da oxidación de sales orgánicas (MICP sen degradación de urea do tipo), as bacterias heterótrofas usan sales orgánicas como acetato, lactato, citrato, succinato, oxalato, malato e glioxilato como fontes de enerxía para producir minerais de carbonato28. En presenza de lactato de calcio como fonte de carbono e ións de calcio, a reacción química de formación de carbonato de calcio móstrase na ecuación (5).
No proceso MICP, as células bacterianas proporcionan sitios de nucleación que son particularmente importantes para a precipitación de carbonato de calcio; a superficie celular bacteriana ten carga negativa e pode actuar como adsorbente para catións divalentes como os ións de calcio. Ao adsorber ións de calcio nas células bacterianas, cando a concentración de ións carbonato é suficiente, os catións de calcio e os anións carbonato reaccionan e o carbonato de calcio precipita na superficie bacteriana29,30. O proceso pódese resumir do seguinte xeito31,32:
Os cristais de carbonato de calcio bioxerados pódense dividir en tres tipos: calcita, vaterita e aragonita. Entre eles, a calcita e a vaterita son os alomorfos de carbonato de calcio inducidos por bacterias máis comúns33,34. A calcita é o alomorfo de carbonato de calcio máis termodinamicamente estable35. Aínda que se informou que a vaterita é metaestable, finalmente transfórmase en calcita36,37. A vaterita é o máis denso destes cristais. É un cristal hexagonal que ten unha mellor capacidade de enchido de poros que outros cristais de carbonato de calcio debido ao seu maior tamaño38. Tanto o MICP degradado con urea como o non degradado con urea poden levar á precipitación de vaterita13,39,40,41.
Aínda que o MICP demostrou un potencial prometedor na estabilización de solos problemáticos e solos susceptibles á erosión eólica42,43,44,45,46,47,48, un dos subprodutos da hidrólise da urea é o amoníaco, que pode causar problemas de saúde leves ou graves dependendo do nivel de exposición49. Este efecto secundario fai que o uso desta tecnoloxía en particular sexa controvertido, especialmente cando se precisan tratar grandes áreas, como para a supresión do po. Ademais, o cheiro a amoníaco é intolerable cando o proceso se leva a cabo a altas taxas de aplicación e grandes volumes, o que pode afectar a súa aplicabilidade práctica. Aínda que estudos recentes demostraron que os ións de amonio pódense reducir converténdoos noutros produtos como a estruvita, estes métodos non eliminan completamente os ións de amonio50. Polo tanto, aínda existe a necesidade de explorar solucións alternativas que non xeren ións de amonio. O uso de vías de degradación non urea para o MICP pode proporcionar unha solución potencial que foi pouco explorada no contexto da mitigación da erosión eólica. Fattahi et al. investigaron a degradación de MICP sen urea empregando acetato de calcio e Bacillus megaterium41, mentres que Mohebbi et al. empregaron acetato de calcio e Bacillus amyloliquefaciens9. Non obstante, o seu estudo non se comparou con outras fontes de calcio e bacterias heterótrofas que poderían mellorar en última instancia a resistencia á erosión eólica. Tamén hai unha falta de literatura que compare as vías de degradación sen urea coas vías de degradación da urea na mitigación da erosión eólica.
Ademais, a maioría dos estudos de control da erosión eólica e do po realizáronse en mostras de solo con superficies planas.1,51,52,53 Non obstante, as superficies planas son menos comúns na natureza que os outeiros e as depresións. É por iso que as dunas de area son o elemento paisaxístico máis común nas rexións desérticas.
Para superar as deficiencias mencionadas anteriormente, este estudo tivo como obxectivo introducir un novo conxunto de axentes bacterianos non produtores de amoníaco. Para este propósito, consideramos vías MICP non degradantes da urea. Investigouse a eficiencia de dúas fontes de calcio (formiato de calcio e acetato de calcio). Ata onde saben os autores, a precipitación de carbonato utilizando dúas combinacións de fontes de calcio e bacterias (é dicir, formiato de calcio-Bacillus subtilis e formiato de calcio-Bacillus amyloliquefaciens) non se investigou en estudos previos. A elección destas bacterias baseouse nos encimas que producen e que catalizan a oxidación do formiato de calcio e o acetato de calcio para formar precipitación de carbonato microbiano. Deseñamos un estudo experimental exhaustivo para atopar os factores óptimos, como o pH, os tipos de bacterias e as fontes de calcio e as súas concentracións, a proporción de bacterias e a solución de fonte de calcio e o tempo de curado. Finalmente, investigouse a eficacia deste conxunto de axentes bacterianos na supresión da erosión eólica mediante a precipitación de carbonato cálcico mediante a realización dunha serie de probas en túneles de vento en dunas de area para determinar a magnitude da erosión eólica, a velocidade limiar de ruptura e a resistencia ao bombardeo do vento da area, e tamén se realizaron medicións penetrométricas e estudos microestruturais (por exemplo, análise de difracción de raios X (XRD) e microscopía electrónica de varrido (SEM)).
A produción de carbonato de calcio require ións de calcio e ións de carbonato. Os ións de calcio pódense obter de diversas fontes de calcio, como o cloruro de calcio, o hidróxido de calcio e o leite desnatado en po54,55. Os ións de carbonato pódense producir mediante varios métodos microbianos, como a hidrólise da urea e a oxidación aeróbica ou anaeróbica da materia orgánica56. Neste estudo, os ións de carbonato obtivéronse a partir da reacción de oxidación do formiato e o acetato. Ademais, empregamos sales de calcio de formiato e acetato para producir carbonato de calcio puro, polo que só se obtiveron CO2 e H2O como subprodutos. Neste proceso, só unha substancia serve como fonte de calcio e fonte de carbonato, e non se produce amoníaco. Estas características fan que o método de produción de fonte de calcio e carbonato que consideramos sexa moi prometedor.
As reaccións correspondentes do formiato de calcio e o acetato de calcio para formar carbonato de calcio móstranse nas fórmulas (7)-(14). As fórmulas (7)-(11) mostran que o formiato de calcio se disolve en auga para formar ácido fórmico ou formiato. Polo tanto, a solución é unha fonte de ións de calcio e hidróxido libres (fórmulas 8 e 9). Como resultado da oxidación do ácido fórmico, os átomos de carbono do ácido fórmico convértense en dióxido de carbono (fórmula 10). Finalmente, fórmase carbonato de calcio (fórmulas 11 e 12).
Do mesmo xeito, o carbonato de calcio fórmase a partir do acetato de calcio (ecuacións 13–15), agás que en lugar de ácido fórmico se forma ácido acético ou acetato.
Sen a presenza de encimas, o acetato e o formiato non se poden oxidar á temperatura ambiente. A FDH (formiato deshidroxenase) e o CoA (coenzima A) catalizan a oxidación do formiato e do acetato para formar dióxido de carbono, respectivamente (Ecs. 16, 17) 57, 58, 59. Varias bacterias son capaces de producir estas encimas, e neste estudo empregáronse bacterias heterótrofas, concretamente Bacillus subtilis (PTCC #1204 (Persian Type Culture Collection), tamén coñecida como NCIMB #13061 (International Collection of Bacteria, Yeast, Phage, Plasmids, Plant Seeds and Plant Cell Tissue Cultures)) e Bacillus amyloliquefaciens (PTCC #1732, NCIMB #12077). Estas bacterias cultiváronse nun medio que contiña peptona de carne (5 g/L) e extracto de carne (3 g/L), chamado caldo nutritivo (NBR) (105443 Merck).
Así, preparáronse catro formulacións para inducir a precipitación de carbonato cálcico empregando dúas fontes de calcio e dúas bacterias: formiato cálcico e Bacillus subtilis (FS), formiato cálcico e Bacillus amyloliquefaciens (FA), acetato cálcico e Bacillus subtilis (AS) e acetato cálcico e Bacillus amyloliquefaciens (AA).
Na primeira parte do deseño experimental, realizáronse probas para determinar a combinación óptima que acadaría a máxima produción de carbonato de calcio. Dado que as mostras de solo contiñan carbonato de calcio, deseñouse un conxunto de probas de avaliación preliminar para medir con precisión o CaCO3 producido polas diferentes combinacións e avaliáronse as mesturas de medio de cultivo e solucións de fonte de calcio. Para cada combinación de fonte de calcio e solución bacteriana definida anteriormente (FS, FA, AS e AA), deriváronse factores de optimización (concentración da fonte de calcio, tempo de curado, concentración da solución bacteriana medida pola densidade óptica da solución (DO), proporción entre a fonte de calcio e a solución bacteriana e pH) e utilizáronse nas probas de tratamento de dunas de area que se describen nas seguintes seccións.
Para cada combinación, realizáronse 150 experimentos para estudar o efecto da precipitación de CaCO3 e avaliar varios factores, concretamente a concentración da fonte de calcio, o tempo de curado, o valor da densidade óptica bacteriana, a proporción entre a fonte de calcio e a solución bacteriana e o pH durante a oxidación aeróbica da materia orgánica (Táboa 1). O rango de pH para o proceso optimizado seleccionouse en función das curvas de crecemento de Bacillus subtilis e Bacillus amyloliquefaciens para obter un crecemento máis rápido. Isto explícase con máis detalle na sección de Resultados.
Seguiuse o seguinte paso para preparar as mostras para a fase de optimización. A solución MICP preparouse primeiro axustando o pH inicial do medio de cultivo e logo esterilizouse en autoclave a 121 °C durante 15 minutos. A continuación, inoculouse a cepa nun fluxo laminar de aire e mantívose nunha incubadora con axitación a 30 °C e 180 rpm. Unha vez que a densidade óptica (DO) das bacterias alcanzou o nivel desexado, mesturouse coa solución fonte de calcio na proporción desexada (Figura 1a). Deixouse que a solución MICP reaccionase e solidificase nunha incubadora con axitación a 220 rpm e 30 °C durante un tempo que alcanzase o valor obxectivo. O CaCO3 precipitado separouse despois da centrifugación a 6000 g durante 5 minutos e logo secouse a 40 °C para preparar as mostras para a proba do calcímetro (Figura 1b). A precipitación de CaCO3 mediuse entón cun calcímetro Bernard, no que o po de CaCO3 reacciona con HCl 1,0 N (ASTM-D4373-02) para producir CO2, e o volume deste gas é unha medida do contido de CaCO3 (Figura 1c). Para converter o volume de CO2 en contido de CaCO3, xerouse unha curva de calibración lavando po de CaCO3 puro con HCl 1 N e representándoa graficamente fronte ao CO2 evolucionado. A morfoloxía e a pureza do po de CaCO3 precipitado investigáronse mediante imaxes SEM e análise XRD. Utilizouse un microscopio óptico cun aumento de 1000 para estudar a formación de carbonato de calcio arredor das bacterias, a fase do carbonato de calcio formado e a actividade das bacterias.
A conca de Dejegh é unha coñecida rexión altamente erosionada no suroeste da provincia de Fars de Irán, e os investigadores recolleron mostras de solo erosionado polo vento da zona. As mostras tomáronse da superficie do solo para o estudo. As probas indicadoras nas mostras de solo mostraron que o solo era un solo areoso mal clasificado con limo e clasificouse como SP-SM segundo o Sistema Unificado de Clasificación de Solos (USC) (Figura 2a). A análise de XRD mostrou que o solo de Dejegh estaba composto principalmente de calcita e cuarzo (Figura 2b). Ademais, a análise EDX mostrou que outros elementos como Al, K e Fe tamén estaban presentes en proporcións menores.
Para preparar as dunas de laboratorio para as probas de erosión eólica, o solo foi esmagado desde unha altura de 170 mm a través dun funil de 10 mm de diámetro ata unha superficie firme, o que resultou nunha duna típica de 60 mm de altura e 210 mm de diámetro. Na natureza, as dunas de area de menor densidade fórmanse por procesos eólicos. Do mesmo xeito, a mostra preparada mediante o procedemento anterior tivo a densidade relativa máis baixa, γ = 14,14 kN/m³, formando un cono de area depositado sobre unha superficie horizontal cun ángulo de repouso de aproximadamente 29,7°.
A solución óptima de MICP obtida na sección anterior pulverizouse sobre a ladeira da duna a taxas de aplicación de 1, 2 e 3 lm-2 e, a continuación, as mostras almacenáronse nunha incubadora a 30 °C (Fig. 3) durante 9 días (é dicir, o tempo óptimo de curado) e logo sacáronse para probas no túnel de vento.
Para cada tratamento, preparáronse catro mostras, unha para medir o contido de carbonato de calcio e a resistencia superficial mediante un penetrómetro, e as tres mostras restantes utilizáronse para probas de erosión a tres velocidades diferentes. Nas probas no túnel de vento, determinouse a cantidade de erosión a diferentes velocidades do vento e, a continuación, determinouse a velocidade limiar de ruptura para cada mostra de tratamento mediante un gráfico da cantidade de erosión fronte á velocidade do vento. Ademais das probas de erosión eólica, as mostras tratadas foron sometidas a bombardeo de area (é dicir, experimentos de salto). Preparáronse dúas mostras adicionais para este propósito a taxas de aplicación de 2 e 3 L m−2. A proba de bombardeo de area durou 15 minutos cun fluxo de 120 gm−1, que está dentro do rango de valores seleccionados en estudos anteriores60,61,62. A distancia horizontal entre a boquilla abrasiva e a base da duna foi de 800 mm, situada a 100 mm por riba do fondo do túnel. Esta posición axustouse de xeito que case todas as partículas de area de salto caesen sobre a duna.
A proba no túnel de vento realizouse nun túnel de vento aberto cunha lonxitude de 8 m, unha anchura de 0,4 m e unha altura de 1 m (Figura 4a). O túnel de vento está feito de chapas de aceiro galvanizado e pode xerar unha velocidade do vento de ata 25 m/s. Ademais, utilízase un convertidor de frecuencia para axustar a frecuencia do ventilador e aumentar gradualmente a frecuencia para obter a velocidade do vento desexada. A Figura 4b mostra o diagrama esquemático das dunas de area erosionadas polo vento e o perfil de velocidade do vento medido no túnel de vento.
Finalmente, para comparar os resultados da formulación MICP non ureáltica proposta neste estudo cos resultados da proba de control MICP ureáltica, tamén se prepararon mostras de dunas e tratáronse cunha solución biolóxica que contiña urea, cloruro de calcio e Sporosarcina pasteurii (xa que Sporosarcina pasteurii ten unha capacidade significativa para producir urease63). A densidade óptica da solución bacteriana foi de 1,5 e as concentracións de urea e cloruro de calcio foron de 1 M (seleccionadas en función dos valores recomendados en estudos previos36,64,65). O medio de cultivo consistiu en caldo nutritivo (8 g/L) e urea (20 g/L). A solución bacteriana pulverizouse sobre a superficie da duna e deixouse repousar durante 24 horas para a adhesión bacteriana. Despois de 24 horas de adhesión, pulverizouse unha solución cementante (cloruro de calcio e urea). A proba de control MICP ureáltica denominarase en diante UMC. O contido de carbonato cálcico de mostras de solo tratadas urealiticamente e non urealiticamente obtívose mediante lavado segundo o procedemento proposto por Choi et al.66
A figura 5 mostra as curvas de crecemento de Bacillus amyloliquefaciens e Bacillus subtilis no medio de cultivo (solución nutritiva) cun rango de pH inicial de 5 a 10. Como se mostra na figura, Bacillus amyloliquefaciens e Bacillus subtilis creceron máis rápido a pH 6-8 e 7-9, respectivamente. Polo tanto, este rango de pH adoptouse na fase de optimización.
Curvas de crecemento de (a) Bacillus amyloliquefaciens e (b) Bacillus subtilis a diferentes valores de pH iniciais do medio nutritivo.
A figura 6 mostra a cantidade de dióxido de carbono producida no calcímetro de Bernard, que representa o carbonato de calcio precipitado (CaCO3). Dado que un factor se fixou en cada combinación e os outros factores se variaron, cada punto destes gráficos corresponde ao volume máximo de dióxido de carbono nese conxunto de experimentos. Como se mostra na figura, a medida que aumentaba a concentración da fonte de calcio, aumentaba a produción de carbonato de calcio. Polo tanto, a concentración da fonte de calcio afecta directamente á produción de carbonato de calcio. Dado que a fonte de calcio e a fonte de carbono son as mesmas (é dicir, formiato de calcio e acetato de calcio), cantos máis ións de calcio se liberen, máis carbonato de calcio se forma (Figura 6a). Nas formulacións AS e AA, a produción de carbonato de calcio continuou a aumentar co tempo de curado ata que a cantidade de precipitado case non cambiou despois de 9 días. Na formulación FA, a taxa de formación de carbonato de calcio diminuíu cando o tempo de curado superou os 6 días. En comparación con outras formulacións, a formulación FS mostrou unha taxa de formación de carbonato de calcio relativamente baixa despois de 3 días (Figura 6b). Nas formulacións FA e FS, obtívose o 70 % e o 87 % da produción total de carbonato de calcio despois de tres días, mentres que nas formulacións AA e AS, esta proporción foi só do 46 % e o 45 %, respectivamente. Isto indica que a formulación a base de ácido fórmico ten unha maior taxa de formación de CaCO3 na fase inicial en comparación coa formulación a base de acetato. Non obstante, a velocidade de formación diminúe ao aumentar o tempo de curado. Da Figura 6c pódese concluír que mesmo a concentracións bacterianas superiores á DO1, non hai unha contribución significativa á formación de carbonato de calcio.
Cambio no volume de CO2 (e contido de CaCO3 correspondente) medido polo calcímetro de Bernard en función de (a) concentración da fonte de calcio, (b) tempo de fraguado, (c) densidade óptica (DO), (d) pH inicial, (e) proporción entre a fonte de calcio e a solución bacteriana (para cada formulación); e (f) cantidade máxima de carbonato de calcio producido para cada combinación de fonte de calcio e bacterias.
En canto ao efecto do pH inicial do medio, a Figura 6d mostra que para FA e FS, a produción de CaCO3 alcanzou un valor máximo a pH 7. Esta observación é consistente con estudos previos que indican que os encimas FDH son máis estables a pH 7-6,7. Non obstante, para AA e AS, a precipitación de CaCO3 aumentou cando o pH superou 7. Estudos previos tamén mostraron que o rango de pH óptimo para a actividade encimática do CoA é de 8 a 9,2-6,8. Tendo en conta que os rangos de pH óptimos para a actividade encimática do CoA e o crecemento de B. amyloliquefaciens son (8-9,2) e (6-8), respectivamente (Figura 5a), espérase que o pH óptimo da formulación de AA sexa 8, e os dous rangos de pH solapanse. Este feito confirmouse mediante experimentos, como se mostra na Figura 6d. Dado que o pH óptimo para o crecemento de B. subtilis é de 7 a 9 (Figura 5b) e o pH óptimo para a actividade encimática do CoA é de 8 a 9,2, espérase que o rendemento máximo de precipitación de CaCO3 estea no rango de pH de 8 a 9, o que se confirma na Figura 6d (é dicir, o pH óptimo de precipitación é de 9). Os resultados mostrados na Figura 6e indican que a proporción óptima de solución de fonte de calcio a solución bacteriana é de 1 tanto para as solucións de acetato como de formiato. A modo de comparación, o rendemento de diferentes formulacións (é dicir, AA, AS, FA e FS) avaliouse en función da produción máxima de CaCO3 en diferentes condicións (é dicir, concentración da fonte de calcio, tempo de curado, densidade óptima, proporción de fonte de calcio a solución bacteriana e pH inicial). Entre as formulacións estudadas, a formulación FS tivo a maior produción de CaCO3, que foi aproximadamente tres veces maior que a da formulación AA (Figura 6f). Realizáronse catro experimentos de control libres de bacterias para ambas as fontes de calcio e non se observou precipitación de CaCO3 despois de 30 días.
As imaxes de microscopía óptica de todas as formulacións mostraron que a vaterita era a fase principal na que se formaba o carbonato de calcio (Figura 7). Os cristais de vaterita tiñan forma esférica69,70,71. Descubriuse que o carbonato de calcio precipitou nas células bacterianas porque a superficie das células bacterianas estaba cargada negativamente e podía actuar como adsorbente para catións divalentes. Tomando a formulación FS como exemplo neste estudo, despois de 24 horas, o carbonato de calcio comezou a formarse nalgunhas células bacterianas (Figura 7a) e, despois de 48 horas, o número de células bacterianas recubertas con carbonato de calcio aumentou significativamente. Ademais, como se mostra na Figura 7b, tamén se puideron detectar partículas de vaterita. Finalmente, despois de 72 horas, un gran número de bacterias parecía estar unida polos cristais de vaterita e o número de partículas de vaterita aumentou significativamente (Figura 7c).
Observacións por microscopía óptica da precipitación de CaCO3 en composicións de FS ao longo do tempo: (a) 24, (b) 48 e (c) 72 h.
Para investigar máis a fondo a morfoloxía da fase precipitada, realizáronse análises de difracción de raios X (XRD) e SEM dos pós. Os espectros de XRD (Fig. 8a) e as micrografías SEM (Fig. 8b, c) confirmaron a presenza de cristais de vaterita, xa que tiñan unha forma similar á dunha leituga e observouse unha correspondencia entre os picos de vaterita e os picos do precipitado.
(a) Comparación dos espectros de difracción de raios X do CaCO3 formado e da vaterita. Micrografías SEM da vaterita a (b) 1 kHz e (c) 5,27 kHz de aumento, respectivamente.
Os resultados das probas no túnel de vento móstranse na Figura 9a, b. Na Figura 9a pódese ver que a velocidade limiar de erosión (TDV) da area sen tratar é duns 4,32 m/s. Coa taxa de aplicación de 1 l/m² (Figura 9a), as pendentes das liñas de taxa de perda de solo para as fraccións FA, FS, AA e UMC son aproximadamente as mesmas que para a duna sen tratar. Isto indica que o tratamento a esta taxa de aplicación é ineficaz e, en canto a velocidade do vento supera a TDV, a fina codia do solo desaparece e a taxa de erosión da duna é a mesma que para a duna sen tratar. A pendente de erosión da fracción AS tamén é menor que a das outras fraccións con abscisas máis baixas (é dicir, TDV) (Figura 9a). As frechas da Figura 9b indican que coa velocidade máxima do vento de 25 m/s, non se produciu erosión nas dunas tratadas coas taxas de aplicación de 2 e 3 l/m². Noutras palabras, para FS, FA, AS e UMC, as dunas foron máis resistentes á erosión eólica causada pola deposición de CaCO³ ás taxas de aplicación de 2 e 3 l/m² que á velocidade máxima do vento (é dicir, 25 m/s). Polo tanto, o valor da TDV de 25 m/s obtido nestas probas é o límite inferior para as taxas de aplicación que se mostran na Figura 9b, agás no caso de AA, onde a TDV é case igual á velocidade máxima do túnel de vento.
Proba de erosión eólica (a) Perda de peso fronte á velocidade do vento (taxa de aplicación 1 l/m2), (b) Velocidade limiar de arranque fronte á taxa de aplicación e formulación (CA para acetato de calcio, CF para formiato de calcio).
A figura 10 mostra a erosión superficial das dunas de area tratadas con diferentes formulacións e taxas de aplicación despois da proba de bombardeo con area e os resultados cuantitativos móstranse na figura 11. O caso sen tratamento non se mostra porque non mostrou resistencia e erosionouse completamente (perda de masa total) durante a proba de bombardeo con area. Na figura 11 despréndese claramente que a mostra tratada con biocomposición AA perdeu o 83,5 % do seu peso coa taxa de aplicación de 2 l/m2, mentres que todas as demais mostras mostraron menos do 30 % de erosión durante o proceso de bombardeo con area. Cando a taxa de aplicación se aumentou a 3 l/m2, todas as mostras tratadas perderon menos do 25 % do seu peso. En ambas as taxas de aplicación, o composto FS mostrou a mellor resistencia ao bombardeo con area. A resistencia máxima e mínima ao bombardeo nas mostras tratadas con FS e AA pódese atribuír á súa precipitación máxima e mínima de CaCO3 (figura 6f).
Resultados do bombardeo de dunas de area de diferentes composicións a caudais de 2 e 3 l/m2 (as frechas indican a dirección do vento, as cruces indican a dirección do vento perpendicular ao plano do debuxo).
Como se mostra na Figura 12, o contido de carbonato cálcico de todas as fórmulas aumentou a medida que a taxa de aplicación pasaba de 1 L/m² a 3 L/m². Ademais, en todas as taxas de aplicación, a fórmula co maior contido de carbonato cálcico foi FS, seguida de FA e UMC. Isto suxire que estas fórmulas poden ter unha maior resistencia superficial.
A figura 13a mostra o cambio na resistencia superficial de mostras de solo sen tratar, de control e tratadas medidas mediante proba de permeámetro. Nesta figura, é evidente que a resistencia superficial das formulacións UMC, AS, FA e FS aumentou significativamente co aumento da taxa de aplicación. Non obstante, o aumento da resistencia superficial foi relativamente pequeno na formulación AA. Como se mostra na figura, as formulacións FA e FS de MICP non degradado con urea teñen unha mellor permeabilidade superficial en comparación co MICP degradado con urea. A figura 13b mostra o cambio na TDV coa resistencia superficial do solo. Nesta figura, é claramente evidente que para as dunas cunha resistencia superficial superior a 100 kPa, o limiar de velocidade de desprendimento superará os 25 m/s. Dado que a resistencia superficial in situ pódese medir facilmente mediante permeámetro, este coñecemento pode axudar a estimar a TDV en ausencia de probas en túnel de vento, servindo así como indicador de control de calidade para aplicacións de campo.
Os resultados do SEM móstranse na Figura 14. As Figuras 14a-b mostran as partículas ampliadas da mostra de solo sen tratar, o que indica claramente que é cohesiva e non ten enlaces nin cementación naturais. A Figura 14c mostra a micrografía SEM da mostra de control tratada con MICP degradado con urea. Esta imaxe mostra a presenza de precipitados de CaCO3 como polimorfos de calcita. Como se mostra nas Figuras 14d-o, o CaCO3 precipitado une as partículas; tamén se poden identificar cristais esféricos de vaterita nas micrografías SEM. Os resultados deste estudo e estudos previos indican que os enlaces de CaCO3 formados como polimorfos de vaterita tamén poden proporcionar unha resistencia mecánica razoable; os nosos resultados mostran que a resistencia superficial aumenta a 350 kPa e a velocidade de separación limiar aumenta de 4,32 a máis de 25 m/s. Este resultado é consistente cos resultados de estudos previos que indican que a matriz de CaCO3 precipitado con MICP é vaterita, que ten unha resistencia mecánica e á erosión eólica razoables13,40 e pode manter unha resistencia razoable á erosión eólica mesmo despois de 180 días de exposición ás condicións ambientais de campo13.
(a, b) Micrografías SEM de solo sen tratar, (c) Control da degradación da urea con MICP, (df) mostras tratadas con AA, (gi) mostras tratadas con AS, (jl) mostras tratadas con FA e (mo) mostras tratadas con FS a unha taxa de aplicación de 3 L/m2 a diferentes aumentos.
A figura 14d-f mostra que, despois do tratamento con compostos de AA, precipitou carbonato de calcio na superficie e entre os grans de area, mentres que tamén se observaron algúns grans de area sen revestir. Para os compoñentes de AS, aínda que a cantidade de CaCO3 formada non aumentou significativamente (Fig. 6f), a cantidade de contactos entre os grans de area causados ​​polo CaCO3 aumentou significativamente en comparación cos compostos de AA (Fig. 14g-i).
Das figuras 14j-l e 14m-o despréndese claramente que o uso de formiato de calcio como fonte de calcio leva a un aumento adicional da precipitación de CaCO3 en comparación co composto AS, o que é consistente coas medicións do medidor de calcio na figura 6f. Este CaCO3 adicional parece depositarse principalmente nas partículas de area e non mellora necesariamente a calidade do contacto. Isto confirma o comportamento observado previamente: a pesar das diferenzas na cantidade de precipitación de CaCO3 (figura 6f), as tres formulacións (AS, FA e FS) non difiren significativamente en termos de rendemento antieólico (vento) (figura 11) e resistencia superficial (figura 13a).
Para visualizar mellor as células bacterianas recubertas de CaCO3 e a pegada bacteriana nos cristais precipitados, realizáronse micrografías SEM de alta ampliación e os resultados móstranse na Figura 15. Como se mostra, o carbonato de calcio precipita nas células bacterianas e proporciona os núcleos necesarios para a precipitación alí. A figura tamén representa as ligazóns activas e inactivas inducidas polo CaCO3. Pódese concluír que calquera aumento das ligazóns inactivas non leva necesariamente a unha maior mellora no comportamento mecánico. Polo tanto, o aumento da precipitación de CaCO3 non leva necesariamente a unha maior resistencia mecánica e o patrón de precipitación xoga un papel importante. Este punto tamén foi estudado nos traballos de Terzis e Laloui72 e Soghi e Al-Kabani45,73. Para explorar máis a fondo a relación entre o patrón de precipitación e a resistencia mecánica, recoméndanse estudos MICP mediante imaxes µCT, o que está fóra do alcance deste estudo (é dicir, introducir diferentes combinacións de fonte de calcio e bacterias para MICP sen amoníaco).
O CaCO3 induciu enlaces activos e inactivos en mostras tratadas con (a) composición de AS e (b) composición de FS e deixou unha pegada de células bacterianas no sedimento.
Como se mostra nas figuras 14j-o e 15b, existe unha película de CaCO3 (segundo a análise EDX, a composición porcentual de cada elemento na película é carbono 11 %, osíxeno 46,62 % e calcio 42,39 %, o que é moi próximo á porcentaxe de CaCO3 da figura 16). Esta película cobre os cristais de vaterita e as partículas do solo, axudando a manter a integridade do sistema solo-sedimento. A presenza desta película observouse só nas mostras tratadas coa formulación a base de formiato.
A Táboa 2 compara a resistencia superficial, a velocidade limiar de desprendemento e o contido de CaCO3 bioinducido de solos tratados con vías MICP que degradan e non degradan a urea en estudos previos e neste estudo. Os estudos sobre a resistencia á erosión eólica de mostras de dunas tratadas con MICP son limitados. Meng et al. investigaron a resistencia á erosión eólica de mostras de dunas que degradan a urea tratadas con MICP usando un soprador de follas,13 mentres que neste estudo, as mostras de dunas que non degradan a urea (así como os controis que degradan a urea) foron probadas nun túnel de vento e tratadas con catro combinacións diferentes de bacterias e substancias.
Como se pode observar, algúns estudos previos consideraron altas taxas de aplicación superiores a 4 L/m213,41,74. Cómpre sinalar que as altas taxas de aplicación poden non ser facilmente aplicables no campo desde un punto de vista económico debido aos custos asociados ao abastecemento de auga, o transporte e a aplicación de grandes volumes de auga. Taxas de aplicación máis baixas, como 1,62-2 L/m2, tamén acadaron resistencias superficiais bastante boas de ata 190 kPa e unha TDV superior a 25 m/s. No presente estudo, as dunas tratadas con MICP baseado en formiato sen degradación da urea acadaron altas resistencias superficiais que foron comparables ás obtidas coa vía de degradación da urea no mesmo rango de taxas de aplicación (é dicir, as mostras tratadas con MICP baseado en formiato sen degradación da urea tamén puideron acadar o mesmo rango de valores de resistencia superficial que os informados por Meng et al., 13, Figura 13a) a taxas de aplicación máis altas. Tamén se pode observar que, cunha taxa de aplicación de 2 L/m2, o rendemento de carbonato de calcio para a mitigación da erosión eólica a unha velocidade do vento de 25 m/s foi do 2,25 % para o MICP baseado en formiato sen degradación da urea, o que está moi preto da cantidade necesaria de CaCO3 (é dicir, o 2,41 %) en comparación coas dunas tratadas co MICP de control con degradación da urea á mesma taxa de aplicación e á mesma velocidade do vento (25 m/s).
Polo tanto, pódese concluír desta táboa que tanto a vía de degradación da urea como a vía de degradación sen urea poden proporcionar un rendemento bastante aceptable en termos de resistencia superficial e TDV. A principal diferenza é que a vía de degradación sen urea non contén amoníaco e, polo tanto, ten un menor impacto ambiental. Ademais, o método MICP baseado en formiato sen degradación da urea proposto neste estudo parece ter un mellor rendemento que o método MICP baseado en acetato sen degradación da urea. Aínda que Mohebbi et al. estudaron o método MICP baseado en acetato sen degradación da urea, o seu estudo incluíu mostras en superficies planas9. Debido ao maior grao de erosión causado pola formación de remuíños arredor das mostras de dunas e o cizallamento resultante, que resulta nun menor TDV, espérase que a erosión eólica das mostras de dunas sexa máis evidente que a das superficies planas á mesma velocidade.