Salamat sa pagbisita sa nature.com. Ang bersyon sa browser nga imong gigamit adunay limitado nga suporta sa CSS. Para sa pinakamaayong kasinatian, among girekomendar nga gamiton nimo ang pinakabag-ong bersyon sa browser (o i-off ang compatibility mode sa Internet Explorer). Dugang pa, aron masiguro ang padayon nga suporta, kini nga site dili maglakip sa mga estilo o JavaScript.
Ang mga bagyo sa abog usa ka seryosong hulga sa daghang mga nasud sa tibuok kalibutan tungod sa ilang makadaot nga epekto sa agrikultura, panglawas sa tawo, mga network sa transportasyon, ug imprastraktura. Tungod niini, ang pagbanlas sa hangin giisip nga usa ka problema sa tibuok kalibutan. Usa sa mga pamaagi nga mahigalaon sa kalikopan aron mapugngan ang pagbanlas sa hangin mao ang paggamit sa microbial induced carbonate precipitation (MICP). Bisan pa, ang mga by-product sa urea-based degradation-based MICP, sama sa ammonia, dili sulundon kung gihimo sa daghang gidaghanon. Kini nga pagtuon nagpresentar sa duha ka pormulasyon sa calcium formate bacteria alang sa pagdaot sa MICP nga wala naghimo og urea ug komprehensibo nga nagtandi sa ilang performance sa duha ka pormulasyon sa non-ammonia-producing calcium acetate bacteria. Ang bacteria nga gikonsiderar mao ang Bacillus subtilis ug Bacillus amyloliquefaciens. Una, gitino ang gi-optimize nga mga kantidad sa mga hinungdan nga nagkontrol sa pagporma sa CaCO3. Ang mga pagsulay sa wind tunnel gihimo dayon sa mga sample sa balas nga gitambalan sa gi-optimize nga mga pormulasyon, ug gisukod ang resistensya sa pagbanlas sa hangin, stripping threshold velocity, ug resistensya sa pagbomba sa balas. Ang mga allomorph sa Calcium carbonate (CaCO3) gisusi gamit ang optical microscopy, scanning electron microscopy (SEM), ug X-ray diffraction analysis. Ang mga pormulasyon nga gibase sa calcium formate mas maayo og performance kay sa mga pormulasyon nga gibase sa acetate kon bahin sa pagporma sa calcium carbonate. Dugang pa, ang B. subtilis nakamugna og mas daghang calcium carbonate kay sa B. amyloliquefaciens. Klaro nga gipakita sa mga SEM micrograph ang pagbugkos ug pag-imprinta sa aktibo ug dili aktibo nga bakterya sa calcium carbonate nga gipahinabo sa sedimentation. Ang tanan nga mga pormulasyon nakapakunhod pag-ayo sa wind erosion.
Ang erosyon sa hangin dugay nang giila nga usa ka dakong problema nga giatubang sa mga uga ug semi-uga nga rehiyon sama sa habagatan-kasadpang Estados Unidos, kasadpang Tsina, Saharan Africa, ug kadaghanan sa Middle East1. Ang ubos nga ulan sa uga ug hyper-uga nga mga klima nakapausab sa daghang bahin niining mga rehiyon ngadto sa mga disyerto, mga bungtod sa balas, ug mga yuta nga wala matikad. Ang padayon nga erosyon sa hangin naghatag og mga hulga sa kalikopan sa imprastraktura sama sa mga network sa transportasyon, yuta sa agrikultura, ug yuta sa industriya, nga mosangpot sa dili maayo nga kondisyon sa pamuyo ug taas nga gasto sa pag-uswag sa kasyudaran niining mga rehiyon2,3,4. Importante, ang erosyon sa hangin dili lamang makaapekto sa lokasyon diin kini mahitabo, apan hinungdan usab sa mga problema sa panglawas ug ekonomiya sa mga hilit nga komunidad samtang kini nagdala sa mga partikulo pinaagi sa hangin ngadto sa mga lugar nga layo sa tinubdan5,6.
Ang pagkontrol sa erosyon sa hangin nagpabilin nga usa ka problema sa tibuok kalibutan. Nagkalain-laing mga pamaagi sa pagpalig-on sa yuta ang gigamit aron makontrol ang erosyon sa hangin. Kini nga mga pamaagi naglakip sa mga materyales sama sa paggamit og tubig7, oil mulches8, biopolymers5, microbial induced carbonate precipitation (MICP)9,10,11,12 ug enzyme induced carbonate precipitation (EICP)1. Ang pagbasa sa yuta usa ka standard nga pamaagi sa pagpugong sa abog sa uma. Bisan pa, ang paspas nga pag-alisngaw niini naghimo niini nga pamaagi nga limitado ang pagkaepektibo sa mga uga ug semi-arid nga mga rehiyon1. Ang paggamit sa oil mulching compounds nagdugang sa sand cohesion ug interparticle friction. Ang ilang cohesive properties nagbugkos sa mga lugas sa balas; bisan pa, ang oil mulches naghatag usab og ubang mga problema; ang ilang itom nga kolor nagdugang sa pagsuhop sa kainit ug mosangpot sa pagkamatay sa mga tanom ug mga mikroorganismo. Ang ilang baho ug aso mahimong hinungdan sa mga problema sa respiratoryo, ug labi na, ang ilang taas nga gasto usa pa ka babag. Ang mga biopolymer usa sa bag-o lang gisugyot nga eco-friendly nga mga pamaagi alang sa pagpakunhod sa erosyon sa hangin; kini gikuha gikan sa natural nga mga tinubdan sama sa mga tanom, hayop ug bakterya. Ang Xanthan gum, guar gum, chitosan ug gellan gum mao ang labing kasagarang gigamit nga biopolymer sa mga aplikasyon sa engineering5. Apan, ang mga biopolymer nga matunaw sa tubig mahimong mawad-an og kusog ug mogawas sa yuta kon maladlad sa tubig13,14. Ang EICP napamatud-an nga usa ka epektibo nga pamaagi sa pagpugong sa abog alang sa lainlaing mga aplikasyon lakip ang mga wala pa sementadong dalan, mga lim-aw sa tailings ug mga lugar sa konstruksyon. Bisan kung ang mga resulta niini makapadasig, ang pipila ka potensyal nga mga disbentaha kinahanglan nga tagdon, sama sa gasto ug ang kakulang sa mga lugar sa nucleation (nga nagpadali sa pagporma ug pag-ulan sa mga kristal sa CaCO315,16).
Ang MICP unang gihulagway sa ulahing bahin sa ika-19 nga siglo nila ni Murray ug Irwin (1890) ug Steinmann (1901) sa ilang pagtuon sa pagkadaot sa urea sa mga mikroorganismo sa dagat17. Ang MICP usa ka natural nga nahitabo nga proseso sa biyolohikal nga naglambigit sa lainlaing mga kalihokan sa mikrobyo ug mga proseso sa kemikal diin ang calcium carbonate gipahinabo sa reaksyon sa mga carbonate ion gikan sa mga metabolite sa mikrobyo nga adunay mga calcium ion sa palibot18,19. Ang MICP nga naglambigit sa siklo sa nitroheno nga nagdaot sa urea (urea-degrading MICP) mao ang labing komon nga klase sa carbonate precipitation nga gipahinabo sa mikrobyo, diin ang urease nga gihimo sa bakterya nag-catalyze sa hydrolysis sa urea20,21,22,23,24,25,26,27 sama sa mosunod:
Sa MICP nga naglambigit sa carbon cycle sa organic salt oxidation (MICP nga walay urea degradation type), ang heterotrophic bacteria mogamit og organic salts sama sa acetate, lactate, citrate, succinate, oxalate, malate ug glyoxylate isip tinubdan sa enerhiya aron makahimo og carbonate minerals28. Sa presensya sa calcium lactate isip tinubdan sa carbon ug calcium ions, ang kemikal nga reaksyon sa pagporma sa calcium carbonate gipakita sa equation (5).
Sa proseso sa MICP, ang mga selula sa bakterya naghatag og mga nucleation site nga labi ka importante alang sa pag-precipitate sa calcium carbonate; ang nawong sa selula sa bakterya negatibo nga gikarga ug mahimong molihok isip adsorbent alang sa mga divalent cation sama sa calcium ions. Pinaagi sa pag-adsorb sa mga calcium ions ngadto sa mga selula sa bakterya, kung igo na ang konsentrasyon sa carbonate ion, ang mga calcium cation ug carbonate anion mo-react ug ang calcium carbonate ma-precipitate sa nawong sa bakterya29,30. Ang proseso mahimong masumaryo sama sa mosunod31,32:
Ang mga biogenerated calcium carbonate crystals mahimong bahinon sa tulo ka klase: calcite, vaterite, ug aragonite. Lakip niini, ang calcite ug vaterite mao ang labing komon nga bacterial induced calcium carbonate allomorphs33,34. Ang Calcite mao ang labing thermodynamically stable nga calcium carbonate allomorph35. Bisan tuod ang vaterite gitaho nga metastable, kini sa kadugayan mausab ngadto sa calcite36,37. Ang Vaterite mao ang pinakadasok niini nga mga kristal. Kini usa ka hexagonal crystal nga adunay mas maayo nga pore filling ability kaysa ubang calcium carbonate crystals tungod sa mas dako nga gidak-on niini38. Ang urea-degraded ug urea-undegraded MICP parehong mahimong mosangpot sa pag-ulan sa vaterite13,39,40,41.
Bisan tuod ang MICP nagpakita og maayong potensyal sa pagpalig-on sa mga problemadong yuta ug mga yuta nga daling maapektuhan sa pagbanlas sa hangin42,43,44,45,46,47,48, usa sa mga by-product sa urea hydrolysis mao ang ammonia, nga mahimong hinungdan sa malumo ngadto sa grabe nga mga problema sa panglawas depende sa lebel sa exposure49. Kini nga side effect naghimo sa paggamit niining partikular nga teknolohiya nga kontrobersyal, ilabi na kung ang dagkong mga lugar kinahanglan nga trataron, sama sa pagpugong sa abog. Dugang pa, ang baho sa ammonia dili maagwanta kung ang proseso gihimo sa taas nga rate sa aplikasyon ug daghang volume, nga mahimong makaapekto sa praktikal nga paggamit niini. Bisan tuod ang bag-o nga mga pagtuon nagpakita nga ang mga ammonium ion mahimong maminusan pinaagi sa pag-convert niini ngadto sa ubang mga produkto sama sa struvite, kini nga mga pamaagi dili hingpit nga makatangtang sa mga ammonium ion50. Busa, adunay gihapon panginahanglan sa pagsuhid sa alternatibong mga solusyon nga dili makamugna og mga ammonium ion. Ang paggamit sa mga non-urea degradation pathways para sa MICP mahimong makahatag og potensyal nga solusyon nga wala pa kaayo masusi sa konteksto sa pagpamenos sa pagbanlas sa hangin. Fattahi et al. Gisusi ang urea-free MICP degradation gamit ang calcium acetate ug Bacillus megaterium41, samtang si Mohebbi et al. migamit og calcium acetate ug Bacillus amyloliquefaciens9. Apan, ang ilang pagtuon wala gitandi sa ubang mga tinubdan sa calcium ug heterotrophic bacteria nga sa katapusan makapauswag sa resistensya sa wind erosion. Adunay usab kakulang sa literatura nga nagtandi sa urea-free degradation pathways sa urea degradation pathways sa wind erosion mitigation.
Dugang pa, kadaghanan sa mga pagtuon sa pagbanlas sa hangin ug pagkontrol sa abog gihimo sa mga sample sa yuta nga adunay patag nga mga nawong.1,51,52,53 Bisan pa, ang patag nga mga nawong dili kaayo komon sa kinaiyahan kaysa mga bungtod ug mga depresyon. Mao kini ang hinungdan nga ang mga bungtod sa balas mao ang labing komon nga bahin sa talan-awon sa mga rehiyon sa disyerto.
Aron mabuntog ang nahisgutang mga kakulangan, kini nga pagtuon nagtumong sa pagpaila sa usa ka bag-ong hugpong sa mga ahente sa bakterya nga dili nagpatunghag ammonia. Alang niini nga katuyoan, among gikonsiderar ang mga agianan sa MICP nga dili nagdaot sa urea. Gisusi ang kahusayan sa duha ka tinubdan sa calcium (calcium formate ug calcium acetate). Sa labing maayo nga nahibal-an sa mga tagsulat, ang carbonate precipitation gamit ang duha ka kombinasyon sa tinubdan sa calcium ug bakterya (ie calcium formate-Bacillus subtilis ug calcium formate-Bacillus amyloliquefaciens) wala pa masusi sa mga nangaging pagtuon. Ang pagpili niini nga mga bakterya gibase sa mga enzyme nga ilang gihimo nga nag-catalyze sa oksihenasyon sa calcium formate ug calcium acetate aron maporma ang microbial carbonate precipitation. Nagdisenyo kami og usa ka hingpit nga eksperimental nga pagtuon aron makit-an ang labing maayo nga mga hinungdan sama sa pH, mga klase sa bakterya ug mga tinubdan sa calcium ug ang ilang mga konsentrasyon, ang ratio sa bakterya sa solusyon sa tinubdan sa calcium ug oras sa pag-ayo. Sa katapusan, ang kaepektibo niining hugpong sa mga bacterial agent sa pagpugong sa pagbanlas sa hangin pinaagi sa calcium carbonate precipitation gisusi pinaagi sa pagpahigayon og sunod-sunod nga mga pagsulay sa wind tunnel sa mga bungtod sa balas aron mahibal-an ang gidak-on sa pagbanlas sa hangin, threshold breakaway velocity ug wind bombardment resistance sa balas, ug gihimo usab ang mga pagsukod sa penetrometer ug mga pagtuon sa microstructural (pananglitan ang X-ray diffraction (XRD) analysis ug scanning electron microscopy (SEM)).
Ang produksiyon sa calcium carbonate nanginahanglan og calcium ions ug carbonate ions. Ang calcium ions makuha gikan sa lain-laing tinubdan sa calcium sama sa calcium chloride, calcium hydroxide, ug skim milk powder54,55. Ang carbonate ions mahimong maprodyus pinaagi sa lain-laing microbial nga pamaagi sama sa urea hydrolysis ug aerobic o anaerobic oxidation sa organic matter56. Niini nga pagtuon, ang carbonate ions nakuha gikan sa oxidation reaction sa formate ug acetate. Dugang pa, migamit kami og calcium salts sa formate ug acetate aron makahimo og puro nga calcium carbonate, busa ang CO2 ug H2O lamang ang nakuha isip by-products. Niini nga proseso, usa ra ka substansiya ang nagsilbing tinubdan sa calcium ug tinubdan sa carbonate, ug walay ammonia nga maprodyus. Kini nga mga kinaiya naghimo sa tinubdan sa calcium ug pamaagi sa produksiyon sa carbonate nga among giisip nga maayo kaayo.
Ang katugbang nga mga reaksyon sa calcium formate ug calcium acetate aron maporma ang calcium carbonate gipakita sa mga pormula (7)-(14). Ang mga pormula (7)-(11) nagpakita nga ang calcium formate matunaw sa tubig aron maporma ang formic acid o formate. Busa, ang solusyon usa ka tinubdan sa libre nga calcium ug hydroxide ions (mga pormula 8 ug 9). Ingon usa ka resulta sa oksihenasyon sa formic acid, ang mga atomo sa carbon sa formic acid nakabig ngadto sa carbon dioxide (pormula 10). Sa katapusan, ang calcium carbonate maporma (mga pormula 11 ug 12).
Susama, ang calcium carbonate naporma gikan sa calcium acetate (mga ekwasyon 13–15), gawas nga ang acetic acid o acetate ang naporma imbes nga formic acid.
Kung walay mga enzyme, ang acetate ug formate dili ma-oxidize sa temperatura sa kwarto. Ang FDH (formate dehydrogenase) ug CoA (coenzyme A) mo-catalyze sa oksihenasyon sa formate ug acetate aron maporma ang carbon dioxide, matag usa (Eqs. 16, 17) 57, 58, 59. Nagkalain-laing bakterya ang makahimo niining mga enzyme, ug ang heterotrophic bacteria, nga mao ang Bacillus subtilis (PTCC #1204 (Persian Type Culture Collection), nailhan usab nga NCIMB #13061 (International Collection of Bacteria, Yeast, Phage, Plasmids, Plant Seeds and Plant Cell Tissue Cultures)) ug Bacillus amyloliquefaciens (PTCC #1732, NCIMB #12077), gigamit niini nga pagtuon. Kini nga mga bakterya gipatubo sa usa ka medium nga adunay peptone sa karne (5 g/L) ug katas sa karne (3 g/L), nga gitawag og nutrient broth (NBR) (105443 Merck).
Busa, upat ka pormulasyon ang giandam aron maaghat ang calcium carbonate precipitation gamit ang duha ka tinubdan sa calcium ug duha ka bakterya: calcium formate ug Bacillus subtilis (FS), calcium formate ug Bacillus amyloliquefaciens (FA), calcium acetate ug Bacillus subtilis (AS), ug calcium acetate ug Bacillus amyloliquefaciens (AA).
Sa unang bahin sa eksperimental nga disenyo, gihimo ang mga pagsulay aron mahibal-an ang labing maayo nga kombinasyon nga makab-ot ang labing taas nga produksiyon sa calcium carbonate. Tungod kay ang mga sample sa yuta adunay calcium carbonate, usa ka hugpong sa pasiunang mga pagsulay sa pagtimbang-timbang ang gidisenyo aron tukma nga masukod ang CaCO3 nga gihimo sa lainlaing mga kombinasyon, ug gisusi ang mga sagol sa culture medium ug calcium source solution. Alang sa matag kombinasyon sa calcium source ug bacteria solution nga gihubit sa ibabaw (FS, FA, AS, ug AA), ang mga optimization factor (konsentrasyon sa calcium source, oras sa pag-ayo, konsentrasyon sa bacteria solution nga gisukod sa optical density sa solusyon (OD), ratio sa calcium source ngadto sa bacteria solution, ug pH) gikuha ug gigamit sa mga pagsulay sa wind tunnel sa pagtambal sa balas nga gihulagway sa mosunod nga mga seksyon.
Alang sa matag kombinasyon, 150 ka eksperimento ang gihimo aron tun-an ang epekto sa CaCO3 precipitation ug susihon ang lainlaing mga hinungdan, sama sa calcium source concentration, curing time, bacterial OD value, calcium source to bacterial solution ratio ug pH atol sa aerobic oxidation sa organic matter (Table 1). Ang pH range para sa optimized nga proseso gipili base sa growth curves sa Bacillus subtilis ug Bacillus amyloliquefaciens aron makakuha og mas paspas nga pagtubo. Kini gipasabut nga mas detalyado sa Results section.
Ang mosunod nga mga lakang gigamit aron maandam ang mga sample alang sa hugna sa pag-optimize. Ang solusyon sa MICP unang giandam pinaagi sa pag-adjust sa inisyal nga pH sa culture medium ug dayon gi-autoclave sa 121 °C sulod sa 15 minutos. Ang strain dayon gi-inoculate sa usa ka laminar air flow ug gimentinar sa usa ka shaking incubator sa 30 °C ug 180 rpm. Sa dihang ang OD sa bacteria nakaabot na sa gitinguha nga lebel, kini gisagol sa calcium source solution sa gitinguha nga proporsyon (Figure 1a). Ang solusyon sa MICP gitugotan nga mo-react ug mo-solidify sa usa ka shaking incubator sa 220 rpm ug 30 °C sulod sa usa ka panahon nga nakaabot sa target nga kantidad. Ang precipitated CaCO3 gibulag human sa centrifugation sa 6000 g sulod sa 5 minutos ug dayon gipauga sa 40 °C aron maandam ang mga sample alang sa calcimeter test (Figure 1b). Ang presipitasyon sa CaCO3 gisukod dayon gamit ang Bernard calcimeter, diin ang CaCO3 powder mo-react sa 1.0 N HCl (ASTM-D4373-02) aron makahimo og CO2, ug ang gidaghanon niini nga gas usa ka sukod sa sulod sa CaCO3 (Figure 1c). Aron mabag-o ang gidaghanon sa CO2 ngadto sa sulod sa CaCO3, usa ka calibration curve ang gihimo pinaagi sa paghugas sa puro nga CaCO3 powder gamit ang 1 N HCl ug pag-plot niini batok sa na-evolve nga CO2. Ang morphology ug purity sa na-precipitate nga CaCO3 powder gisusi gamit ang SEM imaging ug XRD analysis. Usa ka optical microscope nga adunay magnification nga 1000 ang gigamit aron tun-an ang pagkaporma sa calcium carbonate sa palibot sa bacteria, ang phase sa naporma nga calcium carbonate, ug ang kalihokan sa bacteria.
Ang Dejegh Basin usa ka ilado nga rehiyon nga adunay taas nga erosyon sa habagatan-kasadpang Fars Province sa Iran, ug ang mga tigdukiduki nagkolekta og mga sample sa yuta nga nadaot sa hangin gikan sa lugar. Ang mga sample gikuha gikan sa nawong sa yuta alang sa pagtuon. Ang mga indicator test sa mga sample sa yuta nagpakita nga ang yuta dili maayo nga pagkahan-ay sa balas nga yuta nga adunay lapok ug giklasipikar nga SP-SM sumala sa Unified Soil Classification System (USC) (Figure 2a). Ang XRD analysis nagpakita nga ang yuta sa Dejegh gilangkoban sa calcite ug quartz (Figure 2b). Dugang pa, ang EDX analysis nagpakita nga ang ubang mga elemento sama sa Al, K, ug Fe anaa usab sa mas gagmay nga proporsyon.
Aron maandam ang mga bungdo sa balas sa laboratoryo para sa pagsulay sa pagbanlas sa hangin, ang yuta gidugmok gikan sa gitas-on nga 170 mm agi sa usa ka funnel nga may diyametro nga 10 mm ngadto sa usa ka lig-on nga nawong, nga miresulta sa usa ka tipikal nga bungdo nga may gitas-on nga 60 mm ug diyametro nga 210 mm. Sa kinaiyahan, ang labing ubos nga densidad nga mga bungdo sa balas naporma pinaagi sa mga proseso sa aeolian. Sa susama, ang sample nga giandam gamit ang pamaagi sa ibabaw adunay labing ubos nga relatibong densidad, γ = 14.14 kN/m³, nga nagporma og usa ka sand cone nga gibutang sa usa ka pinahigda nga nawong nga adunay anggulo sa pahulay nga gibana-bana nga 29.7°.
Ang labing maayong MICP solution nga nakuha sa miaging seksyon gi-spray sa bakilid sa balas sa gikusgon nga 1, 2 ug 3 lm-2 ug dayon ang mga sample gitipigan sa usa ka incubator sa 30 °C (Fig. 3) sulod sa 9 ka adlaw (ie ang labing maayong oras sa pag-uga) ug dayon gidala alang sa pagsulay sa wind tunnel.
Alang sa matag pagtambal, upat ka mga ispesimen ang giandam, usa alang sa pagsukod sa sulud sa calcium carbonate ug kusog sa nawong gamit ang penetrometer, ug ang nahabilin nga tulo ka mga ispesimen gigamit alang sa mga pagsulay sa erosyon sa tulo ka lainlaing katulin. Sa mga pagsulay sa wind tunnel, ang kantidad sa erosyon gitino sa lainlaing katulin sa hangin, ug dayon ang threshold breakaway velocity alang sa matag ispesimen sa pagtambal gitino gamit ang usa ka plot sa kantidad sa erosyon batok sa katulin sa hangin. Gawas pa sa mga pagsulay sa erosyon sa hangin, ang mga gitambalan nga ispesimen gipailalom sa pagpamomba sa balas (ie, mga eksperimento sa paglukso). Duha pa ka mga ispesimen ang giandam alang niini nga katuyoan sa mga rate sa aplikasyon nga 2 ug 3 L m−2. Ang pagsulay sa pagpamomba sa balas milungtad og 15 minuto nga adunay flux nga 120 gm−1, nga naa sa sulod sa range sa mga kantidad nga gipili sa miaging mga pagtuon60,61,62. Ang pinahigda nga distansya tali sa abrasive nozzle ug sa base sa dune kay 800 mm, nga nahimutang 100 mm ibabaw sa ilawom sa tunnel. Kini nga posisyon gibutang aron hapit tanan nga naglukso nga mga partikulo sa balas mahulog sa dune.
Ang pagsulay sa wind tunnel gihimo sa usa ka bukas nga wind tunnel nga may gitas-on nga 8 m, gilapdon nga 0.4 m ug gitas-on nga 1 m (Figure 4a). Ang wind tunnel hinimo sa galvanized steel sheets ug makamugna og gikusgon sa hangin nga hangtod sa 25 m/s. Dugang pa, usa ka frequency converter ang gigamit aron ma-adjust ang fan frequency ug hinayhinay nga madugangan ang frequency aron makuha ang target nga gikusgon sa hangin. Ang Figure 4b nagpakita sa schematic diagram sa mga balas nga nadaot sa hangin ug ang wind speed profile nga gisukod sa wind tunnel.
Sa katapusan, aron itandi ang mga resulta sa non-urealytic MICP formulation nga gisugyot niini nga pagtuon sa mga resulta sa urealytic MICP control test, ang mga sample sa dune giandam usab ug gitambalan gamit ang biological solution nga adunay urea, calcium chloride ug Sporosarcina pasteurii (tungod kay ang Sporosarcina pasteurii adunay dakong abilidad sa paghimo og urease63). Ang optical density sa bacterial solution kay 1.5, ug ang konsentrasyon sa urea ug calcium chloride kay 1 M (gipili base sa mga kantidad nga girekomenda sa miaging mga pagtuon36,64,65). Ang culture medium gilangkoban sa nutrient broth (8 g/L) ug urea (20 g/L). Ang bacterial solution gi-spray sa ibabaw sa dune ug gibiyaan sulod sa 24 oras para sa bacterial attachment. Human sa 24 oras nga attachment, usa ka cementing solution (calcium chloride ug urea) ang gi-spray. Ang urealytic MICP control test dinhi gitawag nga UMC. Ang calcium carbonate content sa mga sample sa yuta nga gi-urealytically ug wala gi-urealytically gi-treat nakuha pinaagi sa paghugas sumala sa pamaagi nga gisugyot ni Choi et al.66
Ang Figure 5 nagpakita sa mga kurba sa pagtubo sa Bacillus amyloliquefaciens ug Bacillus subtilis sa culture medium (nutrient solution) nga adunay inisyal nga pH range nga 5 hangtod 10. Sama sa gipakita sa figure, ang Bacillus amyloliquefaciens ug Bacillus subtilis mas paspas nga mitubo sa pH 6-8 ug 7-9, matag usa. Busa, kini nga pH range gigamit sa optimization stage.
Mga kurba sa pagtubo sa (a) Bacillus amyloliquefaciens ug (b) Bacillus subtilis sa lain-laing inisyal nga pH nga kantidad sa nutrient medium.
Ang Figure 6 nagpakita sa gidaghanon sa carbon dioxide nga namugna sa Bernard limemeter, nga nagrepresentar sa precipitated calcium carbonate (CaCO3). Tungod kay ang usa ka factor gitakda sa matag kombinasyon ug ang ubang mga factor giusab-usab, ang matag punto niini nga mga graph katumbas sa pinakataas nga gidaghanon sa carbon dioxide sa maong hugpong sa mga eksperimento. Sama sa gipakita sa figure, samtang nagkadaghan ang konsentrasyon sa tinubdan sa calcium, nagkadaghan usab ang produksiyon sa calcium carbonate. Busa, ang konsentrasyon sa tinubdan sa calcium direktang makaapekto sa produksiyon sa calcium carbonate. Tungod kay ang tinubdan sa calcium ug ang tinubdan sa carbon parehas ra (ie, calcium formate ug calcium acetate), kon mas daghang calcium ions ang gipagawas, mas daghang calcium carbonate ang naporma (Figure 6a). Sa mga pormulasyon sa AS ug AA, ang produksiyon sa calcium carbonate nagpadayon sa pagtaas uban sa pagtaas sa oras sa pag-ayo hangtod nga ang gidaghanon sa precipitate halos wala mausab pagkahuman sa 9 ka adlaw. Sa pormulasyon sa FA, ang rate sa pagporma sa calcium carbonate mikunhod sa dihang ang oras sa pag-ayo milapas sa 6 ka adlaw. Kung itandi sa ubang mga pormulasyon, ang pormulasyon sa FS nagpakita og medyo ubos nga rate sa pagporma sa calcium carbonate pagkahuman sa 3 ka adlaw (Figure 6b). Sa mga pormulasyon nga FA ug FS, 70% ug 87% sa kinatibuk-ang produksiyon sa calcium carbonate ang nakuha human sa tulo ka adlaw, samtang sa mga pormulasyon nga AA ug AS, kini nga proporsyon mga 46% ug 45% lamang, matag usa. Kini nagpakita nga ang pormulasyon nga gibase sa formic acid adunay mas taas nga rate sa pagporma sa CaCO3 sa inisyal nga yugto kon itandi sa pormulasyon nga gibase sa acetate. Bisan pa, ang rate sa pagporma mohinay uban sa pagtaas sa oras sa pag-ayo. Mahibal-an gikan sa Figure 6c nga bisan sa mga konsentrasyon sa bakterya nga labaw sa OD1, walay hinungdanon nga kontribusyon sa pagporma sa calcium carbonate.
Pagbag-o sa gidaghanon sa CO2 (ug ang katugbang nga sulod sa CaCO3) nga gisukod sa Bernard calcimeter isip function sa (a) konsentrasyon sa tinubdan sa calcium, (b) oras sa pagtakda, (c) OD, (d) inisyal nga pH, (e) ratio sa tinubdan sa calcium ngadto sa solusyon sa bakterya (alang sa matag pormulasyon); ug (f) pinakataas nga gidaghanon sa calcium carbonate nga gihimo alang sa matag kombinasyon sa tinubdan sa calcium ug bakterya.
Mahitungod sa epekto sa inisyal nga pH sa medium, ang Figure 6d nagpakita nga alang sa FA ug FS, ang produksiyon sa CaCO3 nakaabot sa kinatas-ang kantidad sa pH 7. Kini nga obserbasyon nahiuyon sa nangaging mga pagtuon nga ang mga enzyme sa FDH labing lig-on sa pH 7-6.7. Bisan pa, alang sa AA ug AS, ang presipitasyon sa CaCO3 misaka sa dihang ang pH milapas sa 7. Ang nangaging mga pagtuon nagpakita usab nga ang labing maayo nga range sa pH alang sa kalihokan sa enzyme sa CoA gikan sa 8 hangtod 9.2-6.8. Tungod kay ang labing maayo nga mga range sa pH alang sa kalihokan sa enzyme sa CoA ug pagtubo sa B. amyloliquefaciens mao ang (8-9.2) ug (6-8), matag usa (Figure 5a), ang labing maayo nga pH sa pormulasyon sa AA gilauman nga 8, ug ang duha ka range sa pH nagsapaw. Kini nga kamatuoran gikumpirma sa mga eksperimento, sama sa gipakita sa Figure 6d. Tungod kay ang labing maayo nga pH para sa pagtubo sa B. subtilis kay 7-9 (Figure 5b) ug ang labing maayo nga pH para sa kalihokan sa enzyme sa CoA kay 8-9.2, ang pinakataas nga ani sa presipitasyon sa CaCO3 gilauman nga naa sa pH range nga 8-9, nga gikumpirma sa Figure 6d (ie, ang labing maayo nga pH sa presipitasyon kay 9). Ang mga resulta nga gipakita sa Figure 6e nagpakita nga ang labing maayo nga ratio sa solusyon sa tinubdan sa calcium ngadto sa solusyon sa bakterya kay 1 para sa parehong solusyon sa acetate ug formate. Para sa pagtandi, ang performance sa lain-laing mga pormulasyon (ie, AA, AS, FA, ug FS) gisusi base sa pinakataas nga produksiyon sa CaCO3 ubos sa lain-laing mga kondisyon (ie, konsentrasyon sa tinubdan sa calcium, oras sa pag-ayo, OD, ratio sa tinubdan sa calcium ngadto sa solusyon sa bakterya, ug inisyal nga pH). Lakip sa mga pormulasyon nga gitun-an, ang pormulasyon nga FS adunay pinakataas nga produksiyon sa CaCO3, nga gibana-bana nga tulo ka pilo kaysa sa pormulasyon nga AA (Figure 6f). Upat ka eksperimento sa pagkontrol nga walay bakterya ang gihimo para sa duha ka tinubdan sa calcium ug walay presipitasyon sa CaCO3 nga naobserbahan human sa 30 ka adlaw.
Ang mga hulagway sa optical microscopy sa tanang pormulasyon nagpakita nga ang vaterite mao ang pangunang hugna diin naporma ang calcium carbonate (Figure 7). Ang mga kristal sa vaterite lingin ang porma69,70,71. Nakaplagan nga ang calcium carbonate mi-precipitate sa mga selula sa bakterya tungod kay ang nawong sa mga selula sa bakterya negatibo nga nakarga ug mahimong molihok isip adsorbent alang sa divalent cations. Gamit ang pormulasyon nga FS isip ehemplo niini nga pagtuon, human sa 24 ka oras, ang calcium carbonate nagsugod sa pagporma sa pipila ka mga selula sa bakterya (Figure 7a), ug human sa 48 ka oras, ang gidaghanon sa mga selula sa bakterya nga gitabonan sa calcium carbonate misaka pag-ayo. Dugang pa, sama sa gipakita sa Figure 7b, ang mga partikulo sa vaterite nakita usab. Sa katapusan, human sa 72 ka oras, daghang bakterya ang daw nahigot sa mga kristal sa vaterite, ug ang gidaghanon sa mga partikulo sa vaterite misaka pag-ayo (Figure 7c).
Mga obserbasyon sa optical microscopy sa presipitasyon sa CaCO3 sa mga komposisyon sa FS sa paglabay sa panahon: (a) 24, (b) 48 ug (c) 72 ka oras.
Aron mas masusi ang morpolohiya sa precipitated phase, gihimo ang X-ray diffraction (XRD) ug SEM analyses sa mga pulbos. Ang XRD spectra (Fig. 8a) ug SEM micrographs (Fig. 8b, c) nagpamatuod sa presensya sa mga kristal sa vaterite, tungod kay kini adunay porma nga sama sa letsugas ug usa ka pagkatugma tali sa mga taluktok sa vaterite ug sa mga taluktok sa precipitate ang naobserbahan.
(a) Pagtandi sa X-ray diffraction spectra sa naporma nga CaCO3 ug vaterite. Mga SEM micrograph sa vaterite sa (b) 1 kHz ug (c) 5.27 kHz nga pagpadako, matag usa.
Ang mga resulta sa mga pagsulay sa wind tunnel gipakita sa Figure 9a, b. Makita gikan sa Figure 9a nga ang threshold erosion velocity (TDV) sa wala matambali nga balas mga 4.32 m/s. Sa application rate nga 1 l/m² (Figure 9a), ang mga bakilid sa soil loss rate lines para sa mga fraction nga FA, FS, AA ug UMC halos parehas ra sa wala matambali nga dune. Kini nagpakita nga ang treatment niining application rate dili epektibo ug sa diha nga ang gikusgon sa hangin molapas sa TDV, ang nipis nga soil crust mawala ug ang dune erosion rate parehas ra sa wala matambali nga dune. Ang erosion slope sa fraction AS mas ubos usab kaysa sa ubang mga fraction nga adunay mas ubos nga abscissas (ie TDV) (Figure 9a). Ang mga pana sa Figure 9b nagpakita nga sa pinakataas nga gikusgon sa hangin nga 25 m/s, walay erosion nga nahitabo sa gitambal nga mga dune sa application rate nga 2 ug 3 l/m². Sa ato pa, para sa FS, FA, AS ug UMC, ang mga balas mas makasugakod sa pagbanlas sa hangin nga gipahinabo sa CaCO³ deposition sa application rates nga 2 ug 3 l/m² kaysa sa pinakataas nga gikusgon sa hangin (ie 25 m/s). Busa, ang TDV value nga 25 m/s nga nakuha niining mga pagsulay mao ang ubos nga limitasyon para sa application rates nga gipakita sa Figure 9b, gawas sa kaso sa AA, diin ang TDV halos katumbas sa pinakataas nga gikusgon sa wind tunnel.
Pagsulay sa erosyon sa hangin (a) Pagkunhod sa timbang batok sa gikusgon sa hangin (gidaghanon sa aplikasyon 1 l/m2), (b) Tulin sa pagtangtang sa ambang batok sa gikusgon sa aplikasyon ug pormulasyon (CA para sa calcium acetate, CF para sa calcium formate).
Ang Figure 10 nagpakita sa pagkaguba sa ibabaw sa mga balas nga gitratar gamit ang lain-laing mga pormulasyon ug mga rate sa aplikasyon human sa sand bombardment test ug ang quantitative nga mga resulta gipakita sa Figure 11. Ang wala matambali nga kaso wala gipakita tungod kay wala kini nagpakita og resistensya ug hingpit nga naguba (total mass loss) atol sa sand bombardment test. Klaro gikan sa Figure 11 nga ang sample nga gitambalan gamit ang biocomposition AA nawad-an og 83.5% sa gibug-aton niini sa rate sa aplikasyon nga 2 l/m2 samtang ang tanan nga uban pang mga sample nagpakita og ubos sa 30% nga pagkaguba atol sa proseso sa sand bombardment. Sa dihang ang rate sa aplikasyon gipataas ngadto sa 3 l/m2, ang tanan nga gitambalan nga mga sample nawad-an og ubos sa 25% sa ilang gibug-aton. Sa duha ka rate sa aplikasyon, ang compound FS nagpakita sa labing maayo nga resistensya sa sand bombardment. Ang maximum ug minimum nga resistensya sa bombardment sa mga sample nga gitambalan sa FS ug AA mahimong ikapasangil sa ilang maximum ug minimum nga CaCO3 precipitation (Figure 6f).
Mga resulta sa pagpamomba sa mga bungtod sa balas nga lain-laing komposisyon sa gikusgon sa pag-agos nga 2 ug 3 l/m2 (ang mga pana nagpakita sa direksyon sa hangin, ang mga krus nagpakita sa direksyon sa hangin nga patindog sa patag sa drowing).
Sama sa gipakita sa Figure 12, ang calcium carbonate content sa tanang pormula misaka samtang ang application rate misaka gikan sa 1 L/m² ngadto sa 3 L/m². Dugang pa, sa tanang application rate, ang pormula nga adunay pinakataas nga calcium carbonate content mao ang FS, gisundan sa FA ug UMC. Kini nagsugyot nga kini nga mga pormula mahimong adunay mas taas nga surface resistance.
Ang Figure 13a nagpakita sa pagbag-o sa resistensya sa nawong sa wala matambalan, kontrolado, ug gitambalan nga mga sample sa yuta nga gisukod pinaagi sa permeameter test. Gikan niini nga figure, klaro nga ang resistensya sa nawong sa mga pormulasyon sa UMC, AS, FA, ug FS misaka pag-ayo uban sa pagtaas sa rate sa aplikasyon. Bisan pa, ang pagtaas sa kusog sa nawong medyo gamay sa pormulasyon sa AA. Sama sa gipakita sa figure, ang mga pormulasyon sa FA ug FS sa dili-urea-degraded nga MICP adunay mas maayo nga permeability sa nawong kon itandi sa urea-degraded nga MICP. Ang Figure 13b nagpakita sa pagbag-o sa TDV uban sa resistensya sa nawong sa yuta. Gikan niini nga figure, klaro nga klaro nga alang sa mga dunes nga adunay resistensya sa nawong nga labaw sa 100 kPa, ang threshold stripping velocity molapas sa 25 m/s. Tungod kay ang in situ surface resistance dali nga masukod pinaagi sa permeameter, kini nga kahibalo makatabang sa pagbanabana sa TDV kung wala ang pagsulay sa wind tunnel, sa ingon nagsilbi nga usa ka timailhan sa pagkontrol sa kalidad alang sa mga aplikasyon sa uma.
Ang mga resulta sa SEM gipakita sa Figure 14. Ang Figures 14a-b nagpakita sa gipadako nga mga partikulo sa wala matambalan nga sample sa yuta, nga klaro nga nagpakita nga kini cohesive ug walay natural nga bonding o cementation. Ang Figure 14c nagpakita sa SEM micrograph sa control sample nga gitambalan gamit ang urea-degraded MICP. Kini nga imahe nagpakita sa presensya sa CaCO3 precipitates isip calcite polymorphs. Sama sa gipakita sa Figures 14d-o, ang precipitated CaCO3 nagbugkos sa mga partikulo; ang spherical vaterite crystals mahimo usab nga mailhan sa SEM micrographs. Ang mga resulta niini nga pagtuon ug sa nangaging mga pagtuon nagpakita nga ang CaCO3 bonds nga naporma isip vaterite polymorphs makahatag usab og makatarunganon nga mekanikal nga kusog; ang among mga resulta nagpakita nga ang resistensya sa nawong motaas ngadto sa 350 kPa ug ang threshold separation velocity motaas gikan sa 4.32 ngadto sa labaw sa 25 m/s. Kini nga resulta nahiuyon sa mga resulta sa nangaging mga pagtuon nga ang matrix sa MICP-precipitated CaCO3 kay vaterite, nga adunay igong mekanikal nga kusog ug resistensya sa erosyon sa hangin13,40 ug makapadayon sa igong resistensya sa erosyon sa hangin bisan human sa 180 ka adlaw nga pagkaladlad sa mga kondisyon sa palibot sa uma13.
(a, b) SEM micrographs sa wala matambali nga yuta, (c) MICP urea degradation control, (df) AA-treated samples, (gi) AS-treated samples, (jl) FA-treated samples, ug (mo) FS-treated samples sa application rate nga 3 L/m2 sa lain-laing magnifications.
Ang Figure 14d-f nagpakita nga human sa pagtambal gamit ang mga AA compound, ang calcium carbonate mipreserbar sa ibabaw ug taliwala sa mga lugas sa balas, samtang ang pipila ka wala mataboni nga mga lugas sa balas naobserbahan usab. Alang sa mga sangkap sa AS, bisan kung ang gidaghanon sa CaCO3 nga naporma wala motaas pag-ayo (Fig. 6f), ang gidaghanon sa mga kontak tali sa mga lugas sa balas nga gipahinabo sa CaCO3 misaka pag-ayo kon itandi sa mga AA compound (Fig. 14g-i).
Gikan sa mga Hulagway 14j-l ug 14m-o, klaro nga ang paggamit sa calcium formate isip tinubdan sa calcium mosangpot sa dugang nga pagtaas sa CaCO3 precipitation kon itandi sa AS compound, nga nahiuyon sa mga sukod sa calcium meter sa Hulagway 6f. Kini nga dugang nga CaCO3 daw nadeposito sa mga partikulo sa balas ug dili kinahanglan nga makapauswag sa kalidad sa kontak. Gikumpirma niini ang naobserbahan kaniadto nga kinaiya: bisan pa sa mga kalainan sa gidaghanon sa CaCO3 precipitation (Hulagway 6f), ang tulo ka pormulasyon (AS, FA ug FS) wala magkalahi pag-ayo sa mga termino sa anti-eolian (hangin) nga performance (Hulagway 11) ug resistensya sa nawong (Hulagway 13a).
Aron mas makita ang mga selula sa bakterya nga giputos sa CaCO3 ug ang bacterial imprint sa mga kristal nga namuo, gikuha ang mga high magnification SEM micrograph ug ang mga resulta gipakita sa Figure 15. Sama sa gipakita, ang calcium carbonate mo-precipitate sa mga selula sa bakterya ug maghatag sa nuclei nga gikinahanglan alang sa presipitasyon didto. Gipakita usab sa figure ang aktibo ug dili aktibo nga mga linkage nga gipahinabo sa CaCO3. Mahimong mahinuha nga ang bisan unsang pagtaas sa dili aktibo nga mga linkage dili kinahanglan nga mosangpot sa dugang nga pag-uswag sa mekanikal nga pamatasan. Busa, ang pagdugang sa presipitasyon sa CaCO3 dili kinahanglan nga mosangpot sa mas taas nga mekanikal nga kusog ug ang sumbanan sa presipitasyon adunay hinungdanon nga papel. Kini nga punto gitun-an usab sa mga buhat ni Terzis ug Laloui72 ug Soghi ug Al-Kabani45,73. Aron mas masusi ang relasyon tali sa sumbanan sa presipitasyon ug mekanikal nga kusog, girekomenda ang mga pagtuon sa MICP gamit ang µCT imaging, nga lapas sa sakup niini nga pagtuon (ie, pagpaila sa lainlaing mga kombinasyon sa gigikanan sa calcium ug bakterya alang sa walay ammonia nga MICP).
Ang CaCO3 nagpahinabog aktibo ug dili aktibo nga mga bugkos sa mga sample nga gitambalan gamit ang (a) komposisyon sa AS ug (b) komposisyon sa FS ug nagbilin ug marka sa mga selula sa bakterya sa sediment.
Sama sa gipakita sa mga Figure 14j-o ug 15b, adunay CaCO film (sumala sa EDX analysis, ang porsyento sa komposisyon sa matag elemento sa film kay carbon 11%, oxygen 46.62% ug calcium 42.39%, nga duol kaayo sa porsyento sa CaCO sa Figure 16). Kini nga film nagtabon sa mga kristal sa vaterite ug mga partikulo sa yuta, nga makatabang sa pagmintinar sa integridad sa sistema sa yuta-sediment. Ang presensya niini nga film naobserbahan lamang sa mga sample nga gitambalan gamit ang formate-based formulation.
Ang Talaan 2 nagtandi sa kalig-on sa nawong, threshold detachment velocity, ug bioinduced CaCO3 content sa mga yuta nga gitambalan og urea-degrading ug non-urea-degrading MICP pathways sa miaging mga pagtuon ug niini nga pagtuon. Limitado ang mga pagtuon sa resistensya sa wind erosion sa mga sample sa dune nga gitambalan og MICP. Gisusi ni Meng et al. ang resistensya sa wind erosion sa mga sample sa dune nga gitambalan og MICP gamit ang leaf blower,13 samtang niini nga pagtuon, ang mga sample sa dune nga dili urea-degrading (ingon man ang mga kontrol sa urea-degrading) gisulayan sa usa ka wind tunnel ug gitambalan og upat ka lain-laing kombinasyon sa bakterya ug mga substansiya.
Sama sa makita, ang pipila ka nangaging mga pagtuon nagkonsiderar sa taas nga rate sa aplikasyon nga molapas sa 4 L/m213,41,74. Angayan nga matikdan nga ang taas nga rate sa aplikasyon mahimong dili dali magamit sa natad gikan sa punto sa ekonomiya tungod sa mga gasto nga nalangkit sa suplay sa tubig, transportasyon ug aplikasyon sa daghang gidaghanon sa tubig. Ang mas ubos nga rate sa aplikasyon sama sa 1.62-2 L/m2 nakab-ot usab ang maayo nga kusog sa nawong nga hangtod sa 190 kPa ug TDV nga molapas sa 25 m/s. Sa kasamtangang pagtuon, ang mga balas nga gitambalan gamit ang formate-based MICP nga walay urea degradation nakab-ot ang taas nga kusog sa nawong nga ikatandi sa nakuha gamit ang urea degradation pathway sa parehas nga range sa mga rate sa aplikasyon (ie, ang mga sample nga gitambalan gamit ang formate-based MICP nga walay urea degradation nakab-ot usab ang parehas nga range sa mga kantidad sa kusog sa nawong sama sa gitaho ni Meng et al., 13, Figure 13a) sa mas taas nga rate sa aplikasyon. Makita usab nga sa application rate nga 2 L/m2, ang ani sa calcium carbonate para sa pagpamenos sa erosyon sa hangin sa gikusgon sa hangin nga 25 m/s kay 2.25% para sa formate-based MICP nga walay urea degradation, nga duol ra kaayo sa gikinahanglan nga gidaghanon sa CaCO3 (ie 2.41%) kon itandi sa mga dunes nga gitambalan sa control MICP nga adunay urea degradation sa parehas nga application rate ug parehas nga gikusgon sa hangin (25 m/s).
Busa, mahimong mahinuha gikan niini nga talaan nga ang urea degradation pathway ug ang urea-free degradation pathway makahatag og madawat nga performance sa mga termino sa surface resistance ug TDV. Ang pangunang kalainan mao nga ang urea-free degradation pathway walay ammonia ug busa adunay mas ubos nga epekto sa kalikopan. Dugang pa, ang formate-based MICP method nga walay urea degradation nga gisugyot niini nga pagtuon daw mas maayo ang performance kay sa acetate-based MICP method nga walay urea degradation. Bisan tuod gitun-an ni Mohebbi et al. ang acetate-based MICP method nga walay urea degradation, ang ilang pagtuon naglakip sa mga sample sa patag nga mga nawong9. Tungod sa mas taas nga degree sa erosion nga gipahinabo sa eddy formation sa palibot sa mga dune sample ug ang resulta nga shear, nga miresulta sa mas ubos nga TDV, ang wind erosion sa mga dune sample gilauman nga mas klaro kay sa patag nga mga nawong sa parehas nga speed.