nature.com saytına daxil olduğunuz üçün təşəkkür edirik. İstifadə etdiyiniz brauzer versiyası məhdud CSS dəstəyinə malikdir. Ən yaxşı təcrübə üçün ən son brauzer versiyasından istifadə etməyinizi (və ya Internet Explorer-də uyğunluq rejimini söndürməyinizi) tövsiyə edirik. Bundan əlavə, davamlı dəstəyi təmin etmək üçün bu saytda stillər və ya JavaScript olmayacaq.
Toz fırtınaları kənd təsərrüfatına, insan sağlamlığına, nəqliyyat şəbəkələrinə və infrastruktura dağıdıcı təsir göstərdiyinə görə dünyanın bir çox ölkəsi üçün ciddi təhlükə yaradır. Nəticədə, külək eroziyası qlobal problem hesab olunur. Külək eroziyasının qarşısını almaq üçün ekoloji cəhətdən təmiz yanaşmalardan biri mikrobların yaratdığı karbonat çöküntülərinin (MICP) istifadəsidir. Lakin, ammonyak kimi karbamid parçalanmasına əsaslanan MICP-nin əlavə məhsulları çox miqdarda istehsal edildikdə ideal deyil. Bu tədqiqatda karbamid istehsal etmədən MICP-nin parçalanması üçün kalsium format bakteriyalarının iki formulu təqdim olunur və onların performansı ammonyak istehsal etməyən kalsium asetat bakteriyalarının iki formulu ilə hərtərəfli müqayisə edilir. Nəzərdən keçirilən bakteriyalar Bacillus subtilis və Bacillus amyloliquefaciens-dir. Əvvəlcə CaCO3 əmələ gəlməsini idarə edən amillərin optimallaşdırılmış dəyərləri müəyyən edilmişdir. Daha sonra optimallaşdırılmış formulalarla işlənmiş qum təpələri nümunələrində külək tunelləri sınaqları aparılmış və külək eroziyasına davamlılıq, soyma həddi sürəti və qum bombardmanına davamlılıq ölçülmüşdür. Kalsium karbonat (CaCO3) allomorfları optik mikroskopiya, skanlama elektron mikroskopiyası (SEM) və rentgen difraksiya analizi istifadə edilərək qiymətləndirilmişdir. Kalsium format əsaslı formulalar kalsium karbonat əmələ gəlməsi baxımından asetat əsaslı formulalardan xeyli yaxşı nəticə göstərmişdir. Bundan əlavə, B. subtilis, B. amyloliquefaciens-dən daha çox kalsium karbonat istehsal etmişdir. SEM mikroqrafları, çöküntü nəticəsində kalsium karbonat üzərində aktiv və qeyri-aktiv bakteriyaların bağlanmasını və izlənməsini aydın şəkildə göstərmişdir. Bütün formulalar külək eroziyasını əhəmiyyətli dərəcədə azaltmışdır.
Külək eroziyası uzun müddətdir ki, ABŞ-ın cənub-qərbi, Çinin qərbi, Sahara Afrikası və Yaxın Şərqin böyük hissəsi kimi quraq və yarımquraq bölgələrin üzləşdiyi əsas problem kimi tanınır1. Quraq və hiperquraq iqlimlərdə az yağıntı bu bölgələrin böyük hissələrini səhralara, qum təpələrinə və becərilməmiş torpaqlara çevirib. Davam edən külək eroziyası nəqliyyat şəbəkələri, kənd təsərrüfatı torpaqları və sənaye torpaqları kimi infrastruktur üçün ekoloji təhlükələr yaradır ki, bu da bu bölgələrdə pis yaşayış şəraitinə və şəhərsalmanın yüksək xərclərinə səbəb olur2,3,4. Əhəmiyyətli olan odur ki, külək eroziyası yalnız baş verdiyi yerə təsir etmir, həm də küləklə hissəcikləri mənbədən uzaq ərazilərə daşıdığı üçün ucqar icmalarda sağlamlıq və iqtisadi problemlərə səbəb olur5,6.
Külək eroziyasına nəzarət qlobal problem olaraq qalır. Külək eroziyasına nəzarət etmək üçün müxtəlif torpaq sabitləşdirmə üsullarından istifadə olunur. Bu üsullara su tətbiqi7, yağ malçları8, biopolimerlər5, mikrobların yaratdığı karbonat çöküntüsü (MICP)9,10,11,12 və fermentlərin yaratdığı karbonat çöküntüsü (EICP)1 kimi materiallar daxildir. Torpağın islanması sahədə tozun basdırılmasının standart üsuludur. Lakin onun sürətli buxarlanması bu üsulu quraq və yarımquraq bölgələrdə məhdud effektivliyə çevirir1. Yağ malçlama birləşmələrinin tətbiqi qumun birləşməsi və hissəciklərarası sürtünməni artırır. Onların birləşməsi xüsusiyyəti qum dənəciklərini bir-birinə bağlayır; lakin yağ malçları digər problemlər də yaradır; tünd rəngləri istilik udulmasını artırır və bitkilərin və mikroorqanizmlərin ölümünə səbəb olur. Onların qoxusu və buxarları tənəffüs problemlərinə səbəb ola bilər və ən əsası, onların yüksək qiyməti başqa bir maneədir. Biopolimerlər külək eroziyasının qarşısını almaq üçün bu yaxınlarda təklif olunan ekoloji cəhətdən təmiz üsullardan biridir; onlar bitkilər, heyvanlar və bakteriyalar kimi təbii mənbələrdən çıxarılır. Ksantan saqqızı, quar saqqızı, xitozan və gellan saqqızı mühəndislik tətbiqlərində ən çox istifadə edilən biopolimerlərdir5. Lakin, suda həll olan biopolimerlər suya məruz qaldıqda möhkəmliyini itirə və torpaqdan sıza bilər13,14. EICP-nin asfaltlanmamış yollar, tullantı gölməçələri və tikinti sahələri də daxil olmaqla müxtəlif tətbiqlər üçün təsirli toz basdırma metodu olduğu göstərilmişdir. Nəticələri ümidverici olsa da, bəzi potensial çatışmazlıqlar, məsələn, xərc və nüvələşmə yerlərinin olmaması (bu, CaCO3 kristallarının əmələ gəlməsini və çökməsini sürətləndirir15,16) nəzərə alınmalıdır.
MICP ilk dəfə 19-cu əsrin sonlarında Murray və Irwin (1890) və Steinmann (1901) tərəfindən dəniz mikroorqanizmləri tərəfindən karbamid parçalanması tədqiqatlarında təsvir edilmişdir17. MICP, müxtəlif mikrob fəaliyyətlərini və kimyəvi prosesləri əhatə edən təbii olaraq baş verən bioloji bir prosesdir, burada kalsium karbonatı mikrob metabolitlərindən karbonat ionlarının ətraf mühitdə kalsium ionları ilə reaksiyası ilə çökdürülür18,19. Karbamid parçalayan azot dövrünü (karbamid parçalayan MICP) əhatə edən MICP, bakteriyalar tərəfindən istehsal olunan ureaza karbamidin hidrolizini katalizləşdirdiyi mikrobların yaratdığı karbonat çöküntüsünün ən çox yayılmış növüdür20,21,22,23,24,25,26,27 aşağıdakı kimi:
Üzvi duz oksidləşməsinin karbon dövrünü əhatə edən MICP-də (karbamid parçalanma növü olmayan MICP), heterotrof bakteriyalar karbonat mineralları istehsal etmək üçün enerji mənbəyi kimi asetat, laktat, sitrat, suksinat, oksalat, malat və qlioksilat kimi üzvi duzlardan istifadə edirlər28. Karbon mənbəyi kimi kalsium laktat və kalsium ionlarının iştirakı ilə kalsium karbonat əmələ gəlməsinin kimyəvi reaksiyası (5) tənliyində göstərilir.
MICP prosesində bakteriya hüceyrələri kalsium karbonatının çökməsi üçün xüsusilə vacib olan nüvələşmə sahələri təmin edir; bakteriya hüceyrə səthi mənfi yüklüdür və kalsium ionları kimi ikivalentli kationlar üçün adsorbent kimi çıxış edə bilər. Karbonat ion konsentrasiyası kifayət olduqda, kalsium ionlarını bakteriya hüceyrələrinə adsorbsiya etməklə kalsium kationları və karbonat anionları reaksiyaya girir və kalsium karbonat bakteriya səthində çökür29,30. Prosesi aşağıdakı kimi ümumiləşdirmək olar31,32:
Biogenerasiya olunmuş kalsium karbonat kristallarını üç növə bölmək olar: kalsit, vaterit və aragonit. Bunların arasında kalsit və vaterit ən çox yayılmış bakteriya tərəfindən induksiya olunmuş kalsium karbonat allomorflarıdır33,34. Kalsit termodinamik cəhətdən ən sabit kalsium karbonat allomorfudur35. Vateritin metastabil olduğu bildirilsə də, nəticədə kalsitə çevrilir36,37. Vaterit bu kristalların ən sıxıdır. Daha böyük ölçüsünə görə digər kalsium karbonat kristallarına nisbətən daha yaxşı məsamə doldurma qabiliyyətinə malik olan altıbucaqlı kristaldır38. Həm karbamidlə parçalanmış, həm də karbamidlə parçalanmamış MICP vateritin çökməsinə səbəb ola bilər13,39,40,41.
MICP problemli torpaqların və külək eroziyasına həssas torpaqların sabitləşdirilməsində perspektivli potensial göstərsə də42,43,44,45,46,47,48, karbamid hidrolizinin yan məhsullarından biri ammonyakdır və bu, məruz qalma səviyyəsindən asılı olaraq yüngül və ağır sağlamlıq problemlərinə səbəb ola bilər49. Bu yan təsir, xüsusən də tozun basdırılması kimi böyük sahələrin təmizlənməsi lazım olduqda, bu xüsusi texnologiyanın istifadəsini mübahisəli edir. Bundan əlavə, proses yüksək tətbiq sürətində və böyük həcmdə aparıldıqda ammonyakın qoxusu dözülməzdir ki, bu da onun praktik tətbiqinə təsir göstərə bilər. Son tədqiqatlar ammonium ionlarının struvit kimi digər məhsullara çevrilməsi ilə azaldıla biləcəyini göstərsə də, bu üsullar ammonium ionlarını tamamilə aradan qaldırmır50. Buna görə də, ammonium ionları yaratmayan alternativ həlləri araşdırmağa ehtiyac var. MICP üçün karbamid olmayan parçalanma yollarının istifadəsi külək eroziyasının azaldılması kontekstində zəif araşdırılmış potensial bir həll yolu təmin edə bilər. Fattahi və başqaları. kalsium asetat və Bacillus megaterium41 istifadə edərək karbamidsiz MICP parçalanmasını araşdırdı, Mohebbi və digərləri isə kalsium asetat və Bacillus amyloliquefaciens9 istifadə etdilər. Lakin onların tədqiqatı külək eroziyasına qarşı müqaviməti nəticə etibarilə yaxşılaşdıra biləcək digər kalsium mənbələri və heterotrof bakteriyalarla müqayisə edilmədi. Külək eroziyasının azaldılmasında karbamidsiz parçalanma yollarını karbamid parçalanma yolları ilə müqayisə edən ədəbiyyat da azdır.
Bundan əlavə, külək eroziyası və toz nəzarəti üzrə tədqiqatların əksəriyyəti düz səthli torpaq nümunələri üzərində aparılmışdır.1,51,52,53 Lakin düz səthlərə təbiətdə təpələr və çökəkliklərə nisbətən daha az rast gəlinir. Buna görə də qum təpələri səhra bölgələrində ən çox yayılmış landşaft xüsusiyyətidir.
Yuxarıda qeyd olunan çatışmazlıqları aradan qaldırmaq üçün bu tədqiqatın məqsədi ammonyak istehsal etməyən yeni bir bakteriya agenti dəstini təqdim etmək idi. Bu məqsədlə, karbamid parçalamayan MICP yollarını nəzərdən keçirdik. İki kalsium mənbəyinin (kalsium format və kalsium asetat) səmərəliliyi araşdırıldı. Müəlliflərin bildiyi qədər, iki kalsium mənbəyi və bakteriya kombinasiyasından (məsələn, kalsium format-Bacillus subtilis və kalsium format-Bacillus amyloliquefaciens) istifadə edərək karbonat çökdürmə əvvəlki tədqiqatlarda araşdırılmamışdır. Bu bakteriyaların seçimi, onların istehsal etdiyi fermentlərə əsaslanaraq kalsium format və kalsium asetatın oksidləşməsini katalizləşdirərək mikrob karbonat çöküntüsü əmələ gətirirdi. Biz pH, bakteriya növləri və kalsium mənbələri və onların konsentrasiyaları, bakteriyaların kalsium mənbəyi məhluluna nisbəti və bərkimə müddəti kimi optimal amilləri tapmaq üçün hərtərəfli eksperimental tədqiqat hazırladıq. Nəhayət, bu bakterial agentlər dəstinin kalsium karbonat çöküntüsü vasitəsilə külək eroziyasının qarşısını almaqdakı effektivliyi qum təpələrində bir sıra külək tuneli sınaqları aparmaqla araşdırıldı və qumun külək eroziyasının miqyasını, həddini aşma sürətini və külək bombardmanına davamlılığını təyin etmək üçün penetrometr ölçmələri və mikrostruktur tədqiqatları (məsələn, rentgen difraksiyası (XRD) analizi və skanlama elektron mikroskopiyası (SEM)) də aparıldı.
Kalsium karbonat istehsalı üçün kalsium ionları və karbonat ionları tələb olunur. Kalsium ionları kalsium xlorid, kalsium hidroksid və yağsız süd tozu kimi müxtəlif kalsium mənbələrindən əldə edilə bilər54,55. Karbonat ionları karbamid hidrolizi və üzvi maddələrin aerob və ya anaerob oksidləşməsi kimi müxtəlif mikrob üsulları ilə istehsal edilə bilər56. Bu tədqiqatda karbonat ionları format və asetatın oksidləşmə reaksiyasından əldə edilmişdir. Bundan əlavə, təmiz kalsium karbonat istehsal etmək üçün format və asetatın kalsium duzlarından istifadə etdik, beləliklə, yalnız CO2 və H2O yan məhsullar kimi əldə edildi. Bu prosesdə yalnız bir maddə kalsium mənbəyi və karbonat mənbəyi kimi xidmət edir və ammonyak istehsal olunmur. Bu xüsusiyyətlər hesab etdiyimiz kalsium mənbəyi və karbonat istehsal üsulunu çox perspektivli edir.
Kalsium format və kalsium asetatın kalsium karbonat əmələ gətirmək üçün uyğun reaksiyaları (7)-(14) düsturlarında göstərilmişdir. (7)-(11) düsturları göstərir ki, kalsium format suda həll olub qarışqa turşusu və ya format əmələ gətirir. Beləliklə, məhlul sərbəst kalsium və hidroksid ionlarının mənbəyidir (düsturlar 8 və 9). Qarışqa turşusunun oksidləşməsi nəticəsində qarışqa turşusundakı karbon atomları karbon qazına çevrilir (düsturlar 10). Kalsium karbonat nəticədə əmələ gəlir (düsturlar 11 və 12).
Eynilə, kalsium karbonat kalsium asetatdan əmələ gəlir (tənliklər 13-15), lakin qarışqa turşusu əvəzinə sirkə turşusu və ya asetat əmələ gəlir.
Fermentlərin iştirakı olmadan asetat və format otaq temperaturunda oksidləşə bilməz. FDH (formate dehidrogenaza) və CoA (koenzim A) müvafiq olaraq karbon qazı əmələ gətirmək üçün format və asetatın oksidləşməsini katalizləşdirir (Tənliklər 16, 17) 57, 58, 59). Müxtəlif bakteriyalar bu fermentləri istehsal edə bilir və bu tədqiqatda heterotrof bakteriyalar, yəni Bacillus subtilis (PTCC #1204 (Fars Tipli Mədəniyyət Kolleksiyası), həmçinin NCIMB #13061 (Beynəlxalq Bakteriya, Maya, Faq, Plazmidlər, Bitki Toxumları və Bitki Hüceyrə Toxuması Mədəniyyətləri Kolleksiyası) kimi də tanınır) və Bacillus amyloliquefaciens (PTCC #1732, NCIMB #12077) istifadə edilmişdir. Bu bakteriyalar ət peptonu (5 q/L) və ət ekstraktı (3 q/L) olan qida bulyonu (NBR) adlanan bir mühitdə becərilmişdir (105443 Merck).
Beləliklə, iki kalsium mənbəyi və iki bakteriya istifadə edərək kalsium karbonat çöküntüsünü induksiya etmək üçün dörd formula hazırlanmışdır: kalsium format və Bacillus subtilis (FS), kalsium format və Bacillus amyloliquefaciens (FA), kalsium asetat və Bacillus subtilis (AS) və kalsium asetat və Bacillus amyloliquefaciens (AA).
Təcrübə dizaynının birinci hissəsində maksimum kalsium karbonat istehsalına nail olacaq optimal kombinasiyanı müəyyən etmək üçün sınaqlar aparılmışdır. Torpaq nümunələrində kalsium karbonat olduğundan, müxtəlif kombinasiyalar tərəfindən istehsal olunan CaCO3-ü dəqiq ölçmək üçün bir sıra ilkin qiymətləndirmə sınaqları hazırlanmışdır və mədəni mühit və kalsium mənbəyi məhlullarının qarışıqları qiymətləndirilmişdir. Yuxarıda müəyyən edilmiş kalsium mənbəyi və bakteriya məhlulunun hər bir kombinasiyası üçün (FS, FA, AS və AA) optimallaşdırma amilləri (kalsium mənbəyi konsentrasiyası, bərkimə müddəti, məhlulun optik sıxlığı (OD) ilə ölçülən bakteriya məhlulunun konsentrasiyası, kalsium mənbəyinin bakteriya məhluluna nisbəti və pH) əldə edilmiş və aşağıdakı bölmələrdə təsvir edilən qum təpələri təmizlənməsi külək tuneli sınaqlarında istifadə edilmişdir.
Hər kombinasiya üçün CaCO3 çöküntüsünün təsirini öyrənmək və müxtəlif amilləri, yəni kalsium mənbəyinin konsentrasiyasını, bərkimə müddətini, bakteriya OD dəyərini, kalsium mənbəyinin bakteriya məhluluna nisbətini və üzvi maddələrin aerob oksidləşməsi zamanı pH-ı qiymətləndirmək üçün 150 təcrübə aparılmışdır (Cədvəl 1). Optimallaşdırılmış proses üçün pH diapazonu daha sürətli böyümə əldə etmək üçün Bacillus subtilis və Bacillus amyloliquefaciens-in böyümə əyrilərinə əsasən seçilmişdir. Bu, Nəticələr bölməsində daha ətraflı izah olunur.
Nümunələri optimallaşdırma mərhələsinə hazırlamaq üçün aşağıdakı addımlardan istifadə edilmişdir. MICP məhlulu əvvəlcə kultura mühitinin ilkin pH-nı tənzimləməklə hazırlanmış və sonra 121 °C-də 15 dəqiqə avtoklavlanmışdır. Daha sonra ştamm laminar hava axınına inokulyasiya edilmiş və 30 °C və 180 dövr/dəq-də silkələmə inkubatorunda saxlanılmışdır. Bakteriyaların OD-si istənilən səviyyəyə çatdıqdan sonra, istənilən nisbətdə kalsium mənbəyi məhlulu ilə qarışdırılmışdır (Şəkil 1a). MICP məhlulunun reaksiyaya girməsinə və hədəf dəyərinə çatan müddət ərzində 220 dövr/dəq və 30 °C-də silkələmə inkubatorunda bərkiməsinə icazə verilmişdir. Çökmüş CaCO3, 6000 q-da 5 dəqiqə santrifüqdən sonra ayrılmış və sonra nümunələri kalsimetr sınağı üçün hazırlamaq üçün 40 °C-də qurudulmuşdur (Şəkil 1b). Daha sonra CaCO3-ün çökməsi Bernard kalsimetri ilə ölçüldü, burada CaCO3 tozu 1,0 N HCl (ASTM-D4373-02) ilə reaksiyaya girərək CO2 əmələ gətirir və bu qazın həcmi CaCO3 tərkibinin ölçüsüdür (Şəkil 1c). CO2 həcmini CaCO3 tərkibinə çevirmək üçün təmiz CaCO3 tozunu 1 N HCl ilə yuyub ayrılmış CO2 ilə müqayisə etməklə kalibrləmə əyrisi yaradıldı. Çökmüş CaCO3 tozunun morfologiyası və təmizliyi SEM görüntüləmə və rentgen analizi istifadə edilərək araşdırıldı. Bakteriyaların ətrafında kalsium karbonat əmələ gəlməsini, əmələ gələn kalsium karbonat fazasını və bakteriyaların aktivliyini öyrənmək üçün 1000 böyüdücülü optik mikroskop istifadə edildi.
Dejegh hövzəsi İranın cənub-qərbi Fars əyalətində yüksək dərəcədə eroziyaya uğramış tanınmış bir bölgədir və tədqiqatçılar ərazidən küləklə eroziyaya uğramış torpaq nümunələri toplayıblar. Nümunələr tədqiqat üçün torpaq səthindən götürülüb. Torpaq nümunələri üzərində aparılan indikator testləri göstərib ki, torpaq zəif çeşidlənmiş qumlu torpaqdır və lil ilə örtülmüşdür (Vahid Torpaq Təsnifat Sisteminə (USC) görə SP-SM kimi təsnif edilib (Şəkil 2a). XRD analizi göstərib ki, Dejegh torpağı əsasən kalsit və kvarsdan ibarətdir (Şəkil 2b). Bundan əlavə, EDX analizi göstərib ki, Al, K və Fe kimi digər elementlər də daha kiçik nisbətlərdə mövcuddur.
Laboratoriya qum təpələrini külək eroziyası sınaqlarına hazırlamaq üçün torpaq 170 mm hündürlükdən 10 mm diametrli qıf vasitəsilə möhkəm bir səthə qədər əzilmiş və nəticədə hündürlüyü 60 mm və diametri 210 mm olan tipik qum təpələri əmələ gəlmişdir. Təbiətdə ən aşağı sıxlıqlı qum təpələri eol prosesləri ilə əmələ gəlir. Eynilə, yuxarıdakı prosedurdan istifadə edərək hazırlanmış nümunə ən aşağı nisbi sıxlığa, γ = 14.14 kN/m³ malik olmuş və təxminən 29.7° əyilmə bucağı olan üfüqi bir səthdə çökmüş qum konusunu əmələ gətirmişdir.
Əvvəlki hissədə əldə edilən optimal MICP məhlulu qum təpəsinin yamacına 1, 2 və 3 lm-2 tətbiq nisbətlərində püskürdü və sonra nümunələr 9 gün ərzində (yəni optimal bərkimə müddəti) 30 °C-də (Şəkil 3) inkubatorda saxlanıldı və sonra külək tunelinin sınağı üçün çıxarıldı.
Hər bir emal üçün dörd nümunə hazırlanmışdır, biri penetrometr istifadə edərək kalsium karbonat tərkibini və səth möhkəmliyini ölçmək üçün, qalan üç nümunə isə üç fərqli sürətlə eroziya testləri üçün istifadə edilmişdir. Külək tuneli testlərində eroziyanın miqdarı müxtəlif külək sürətlərində müəyyən edilmiş və sonra hər bir emal nümunəsi üçün həddi qırılma sürəti eroziya miqdarının külək sürətinə nisbəti qrafiki istifadə edilərək müəyyən edilmişdir. Külək eroziyası testlərinə əlavə olaraq, emal olunmuş nümunələr qum bombardmanına (yəni tullanma təcrübələrinə) məruz qalmışdır. Bu məqsədlə 2 və 3 L m−2 tətbiq sürəti ilə iki əlavə nümunə hazırlanmışdır. Qum bombardmanı testi əvvəlki tədqiqatlarda seçilmiş dəyərlər diapazonunda olan 120 gm−1 axınla 15 dəqiqə davam etmişdir60,61,62. Aşındırıcı burun və qum təpəsinin bazası arasındakı üfüqi məsafə tunelin dibindən 100 mm yuxarıda yerləşən 800 mm idi. Bu mövqe elə qurulmuşdu ki, demək olar ki, bütün tullanma qum hissəcikləri qum təpəsinə düşsün.
Külək tunelinin sınağı uzunluğu 8 m, eni 0,4 m və hündürlüyü 1 m olan açıq külək tunelində aparılmışdır (Şəkil 4a). Külək tuneli sinklənmiş polad təbəqələrdən hazırlanmışdır və 25 m/s-yə qədər külək sürəti yarada bilər. Bundan əlavə, ventilyator tezliyini tənzimləmək və hədəf külək sürətini əldə etmək üçün tezliyi tədricən artırmaq üçün tezlik çeviricisindən istifadə olunur. Şəkil 4b-də külək tərəfindən aşınmış qum təpələrinin sxematik diaqramı və külək tunelində ölçülən külək sürəti profili göstərilir.
Nəhayət, bu tədqiqatda təklif olunan qeyri-urealitik MICP formulasiyasının nəticələrini urealitik MICP nəzarət testinin nəticələri ilə müqayisə etmək üçün qum təpələri nümunələri də hazırlanmış və tərkibində üre, kalsium xlorid və Sporosarcina pasteurii olan bioloji məhlul ilə işlənmişdir (çünki Sporosarcina pasteurii üreaza63 istehsal etmək qabiliyyətinə malikdir). Bakterial məhlulun optik sıxlığı 1,5, üre və kalsium xlorid konsentrasiyaları isə 1 M olmuşdur (əvvəlki tədqiqatlarda tövsiyə olunan dəyərlərə əsasən seçilmişdir36,64,65). Mədəniyyət mühiti qida bulyonundan (8 q/L) və üredən (20 q/L) ibarət idi. Bakterial məhlul qum təpələrinin səthinə püskürdülmüş və bakteriyaların bərkidilməsi üçün 24 saat saxlanılmışdır. 24 saatlıq bərkidmədən sonra sementləşdirici məhlul (kalsium xlorid və üre) püskürdülmüşdür. Urealitik MICP nəzarət testi bundan sonra UMC adlanır. Urealitik və qeyri-urealitik müalicə olunmuş torpaq nümunələrinin kalsium karbonat tərkibi Çoy və digərləri tərəfindən təklif edilən prosedura uyğun olaraq yuyulmaqla əldə edilmişdir.66
Şəkil 5, ilkin pH diapazonu 5 ilə 10 arasında olan kultura mühitində (qida məhlulu) Bacillus amyloliquefaciens və Bacillus subtilis-in böyümə əyrilərini göstərir. Şəkildə göstərildiyi kimi, Bacillus amyloliquefaciens və Bacillus subtilis müvafiq olaraq pH 6-8 və 7-9-da daha sürətli böyüdülər. Buna görə də, bu pH diapazonu optimallaşdırma mərhələsində qəbul edildi.
Qida mühitinin müxtəlif ilkin pH dəyərlərində (a) Bacillus amyloliquefaciens və (b) Bacillus subtilis-in böyümə əyriləri.
Şəkil 6-da Bernard əhəngölçənində əmələ gələn karbon qazının miqdarı göstərilir ki, bu da çökmüş kalsium karbonatını (CaCO3) təmsil edir. Hər kombinasiyada bir amil sabit olduğundan və digər amillər dəyişdiyindən, bu qrafiklərdəki hər nöqtə həmin təcrübələr dəstindəki karbon qazının maksimum həcminə uyğundur. Şəkildə göstərildiyi kimi, kalsium mənbəyinin konsentrasiyası artdıqca kalsium karbonatının istehsalı artmışdır. Buna görə də, kalsium mənbəyinin konsentrasiyası kalsium karbonatının istehsalına birbaşa təsir göstərir. Kalsium mənbəyi və karbon mənbəyi eyni olduğundan (yəni, kalsium format və kalsium asetat), nə qədər çox kalsium ionu buraxılırsa, bir o qədər çox kalsium karbonat əmələ gəlir (Şəkil 6a). AS və AA formulalarında kalsium karbonat istehsalı 9 gündən sonra çöküntü miqdarı demək olar ki, dəyişməyənə qədər bərkimə müddətinin artması ilə artmağa davam etmişdir. FA formulasında, bərkimə müddəti 6 gündən çox olduqda kalsium karbonat əmələ gəlmə sürəti azalmışdır. Digər formulalarla müqayisədə FS formulası 3 gündən sonra nisbətən aşağı kalsium karbonat əmələ gəlmə sürəti göstərmişdir (Şəkil 6b). FA və FS formulalarında ümumi kalsium karbonat istehsalının 70%-i və 87%-i üç gündən sonra əldə edilmişdir, AA və AS formulalarında isə bu nisbət müvafiq olaraq yalnız 46% və 45% təşkil etmişdir. Bu, qarışqa turşusu əsaslı formulanın asetat əsaslı formula ilə müqayisədə ilkin mərhələdə daha yüksək CaCO3 əmələ gəlmə sürətinə malik olduğunu göstərir. Lakin, əmələ gəlmə sürəti artan bərkimə müddəti ilə yavaşlayır. Şəkil 6c-dən belə nəticəyə gəlmək olar ki, OD1-dən yuxarı bakteriya konsentrasiyalarında belə, kalsium karbonat əmələ gəlməsinə əhəmiyyətli bir töhfə yoxdur.
Bernard kalsimetri ilə ölçülən CO2 həcmindəki dəyişiklik (və müvafiq CaCO3 tərkibi) (a) kalsium mənbəyinin konsentrasiyası, (b) bərkimə müddəti, (c) OD, (d) ilkin pH, (e) kalsium mənbəyinin bakteriya məhluluna nisbəti (hər bir formulasiya üçün); və (f) kalsium mənbəyi və bakteriyaların hər bir kombinasiyası üçün istehsal olunan maksimum kalsium karbonat miqdarının funksiyası kimi.
Ortamın ilkin pH-nın təsirinə gəldikdə, Şəkil 6d göstərir ki, FA və FS üçün CaCO3 istehsalı pH 7-də maksimum dəyərə çatıb. Bu müşahidə FDH fermentlərinin pH 7-6.7-də ən sabit olduğuna dair əvvəlki tədqiqatlarla uyğun gəlir. Lakin, AA və AS üçün pH 7-ni keçdikdə CaCO3 çöküntüsü artıb. Əvvəlki tədqiqatlar da göstərib ki, CoA ferment aktivliyi üçün optimal pH diapazonu 8-dən 9.2-6.8-ə qədərdir. CoA ferment aktivliyi və B. amyloliquefaciens böyüməsi üçün optimal pH diapazonlarının müvafiq olaraq (8-9.2) və (6-8) olduğunu nəzərə alsaq (Şəkil 5a), AA formulasiyasının optimal pH-ının 8 olması və iki pH diapazonunun üst-üstə düşməsi gözlənilir. Şəkil 6d-də göstərildiyi kimi, bu fakt təcrübələrlə təsdiqlənib. B. subtilis böyüməsi üçün optimal pH 7-9 (Şəkil 5b) və CoA ferment aktivliyi üçün optimal pH 8-9.2 olduğundan, maksimum CaCO3 çöküntü məhsuldarlığının 8-9 pH diapazonunda olması gözlənilir ki, bu da Şəkil 6d ilə təsdiqlənir (yəni, optimal çöküntü pH 9-dur). Şəkil 6e-də göstərilən nəticələr göstərir ki, həm asetat, həm də format məhlulları üçün kalsium mənbəyi məhlulunun bakterial məhlula optimal nisbəti 1-dir. Müqayisə üçün, müxtəlif formulaların (yəni AA, AS, FA və FS) performansı müxtəlif şəraitdə (yəni, kalsium mənbəyi konsentrasiyası, bərkimə müddəti, OD, kalsium mənbəyinin bakterial məhlula nisbəti və ilkin pH) maksimum CaCO3 istehsalına əsasən qiymətləndirilmişdir. Tədqiq olunan formulalar arasında FS formulası ən yüksək CaCO3 istehsalına malik idi ki, bu da AA formulasından təxminən üç dəfə çox idi (Şəkil 6f). Hər iki kalsium mənbəyi üçün dörd bakteriyasız nəzarət təcrübəsi aparıldı və 30 gündən sonra CaCO3 çöküntüsü müşahidə edilmədi.
Bütün formulaların optik mikroskopiya şəkilləri göstərir ki, vaterit kalsium karbonatın əmələ gəldiyi əsas fazadır (Şəkil 7). Vaterit kristalları sferik formada idi69,70,71. Bakteriya hüceyrələrinin səthi mənfi yüklü olduğundan və iki valentli kationlar üçün adsorbent kimi çıxış edə bildiyi üçün kalsium karbonatının bakteriya hüceyrələrində çökdüyü aşkar edilmişdir. Bu tədqiqatda FS formulasını nümunə götürsək, 24 saatdan sonra bəzi bakteriya hüceyrələrində kalsium karbonat əmələ gəlməyə başladı (Şəkil 7a) və 48 saatdan sonra kalsium karbonatla örtülmüş bakteriya hüceyrələrinin sayı əhəmiyyətli dərəcədə artdı. Bundan əlavə, Şəkil 7b-də göstərildiyi kimi, vaterit hissəcikləri də aşkar edilə bildi. Nəhayət, 72 saatdan sonra çox sayda bakteriya vaterit kristalları ilə bağlanmış kimi görünürdü və vaterit hissəciklərinin sayı əhəmiyyətli dərəcədə artdı (Şəkil 7c).
FS tərkiblərində CaCO3 çöküntüsünün zamanla optik mikroskopiya müşahidələri: (a) 24, (b) 48 və (c) 72 saat.
Çöküntü fazasının morfologiyasını daha da araşdırmaq üçün tozların rentgen difraksiyası (XRD) və SEM analizləri aparılmışdır. XRD spektrləri (Şəkil 8a) və SEM mikroqrafları (Şəkil 8b, c) vaterit kristallarının mövcudluğunu təsdiqlədi, çünki onlar kahı formasına malik idi və vaterit zirvələri ilə çöküntü zirvələri arasında uyğunluq müşahidə edildi.
(a) Formalaşan CaCO3 və vateritin rentgen difraksiya spektrlərinin müqayisəsi. Vateritin müvafiq olaraq (b) 1 kHz və (c) 5.27 kHz böyütməsində SEM mikroqrafları.
Külək tunelinin sınaqlarının nəticələri Şəkil 9a, b-də göstərilmişdir. Şəkil 9a-dan görünür ki, təmizlənməmiş qumun eşik eroziya sürəti (TDV) təxminən 4,32 m/s-dir. 1 l/m² tətbiq sürətində (Şəkil 9a), FA, FS, AA və UMC fraksiyaları üçün torpaq itkisi sürəti xətlərinin yamacları təmizlənməmiş qum təpələri ilə təxminən eynidir. Bu, bu tətbiq sürətində müalicənin təsirsiz olduğunu və küləyin sürəti TDV-ni keçdikdən sonra nazik torpaq qabığının yox olduğunu və qum təpələrinin eroziya sürətinin təmizlənməmiş qum təpələri ilə eyni olduğunu göstərir. AS fraksiyasının eroziya yamacı da daha aşağı absissə (yəni TDV) malik digər fraksiyalardan daha aşağıdır (Şəkil 9a). Şəkil 9b-dəki oxlar göstərir ki, maksimum 25 m/s külək sürətində təmizlənmiş qum təpələrində 2 və 3 l/m² tətbiq sürətlərində heç bir eroziya baş verməyib. Başqa sözlə, FS, FA, AS və UMC üçün, qum təpələri, maksimum külək sürətində (yəni 25 m/s) olduğundan 2 və 3 l/m² tətbiq sürətlərində CaCO³ çöküntüsünün yaratdığı külək eroziyasına daha davamlı idi. Beləliklə, bu sınaqlarda əldə edilən 25 m/s TDV dəyəri, TDV-nin demək olar ki, maksimum külək tunelinin sürətinə bərabər olduğu AA halı istisna olmaqla, Şəkil 9b-də göstərilən tətbiq sürətləri üçün aşağı hədddir.
Külək eroziyası testi (a) Çəki itkisi və küləyin sürəti (tətbiq sürəti 1 l/m2), (b) Hədd qopma sürəti və tətbiq sürəti (kalsium asetat üçün CA, kalsium format üçün CF).
Şəkil 10-da qum bombardmanı sınağından sonra müxtəlif formulalarla işlənmiş qum təpələrinin səthi eroziyası və tətbiq nisbətləri göstərilir və kəmiyyət nəticələri Şəkil 11-də göstərilib. Müalicə olunmamış hal göstərilməyib, çünki o, heç bir müqavimət göstərməyib və qum bombardmanı sınağı zamanı tamamilə aşınıb (ümumi kütlə itkisi). Şəkil 11-dən aydın olur ki, biokompozisiya AA ilə işlənmiş nümunə 2 l/m2 tətbiq nisbətində çəkisinin 83,5%-ni itirib, digər bütün nümunələr isə qum bombardmanı prosesində 30%-dən az eroziya göstərib. Tətbiq nisbəti 3 l/m2-ə qədər artırıldıqda, bütün işlənmiş nümunələr çəkilərinin 25%-dən azını itirib. Hər iki tətbiq nisbətində birləşmə FS qum bombardmanına ən yaxşı müqavimət göstərib. FS və AA ilə işlənmiş nümunələrdə maksimum və minimum bombardman müqaviməti onların maksimum və minimum CaCO3 çöküntüsü ilə əlaqələndirilə bilər (Şəkil 6f).
2 və 3 l/m2 axın sürətində müxtəlif tərkibli qum təpələrinin bombardmanının nəticələri (oxlar küləyin istiqamətini, xaçlar isə rəsmin müstəvisinə perpendikulyar küləyin istiqamətini göstərir).
Şəkil 12-də göstərildiyi kimi, tətbiq nisbəti 1 L/m²-dən 3 L/m²-ə qədər artdıqca bütün düsturların kalsium karbonat tərkibi də artmışdır. Bundan əlavə, bütün tətbiq nisbətlərində ən yüksək kalsium karbonat tərkibinə malik düstur FS, ardınca FA və UMC olmuşdur. Bu, bu düsturların daha yüksək səth müqavimətinə malik ola biləcəyini göstərir.
Şəkil 13a, permeametr sınağı ilə ölçülən təmizlənməmiş, nəzarət və təmizlənmiş torpaq nümunələrinin səth müqavimətindəki dəyişikliyi göstərir. Bu şəkildən aydın olur ki, UMC, AS, FA və FS formulalarının səth müqaviməti tətbiq nisbətinin artması ilə əhəmiyyətli dərəcədə artmışdır. Lakin, AA formulasında səth möhkəmliyindəki artım nisbətən az olmuşdur. Şəkildə göstərildiyi kimi, karbamid parçalanmamış MICP-nin FA və FS formulaları, karbamid parçalanmamış MICP-yə nisbətən daha yaxşı səth keçiriciliyinə malikdir. Şəkil 13b, torpaq səth müqaviməti ilə TDV-dəki dəyişikliyi göstərir. Bu şəkildən aydın olur ki, səth müqaviməti 100 kPa-dan çox olan qum təpələri üçün eşik soyma sürəti 25 m/s-dən çox olacaq. Yerində səth müqaviməti permeametr ilə asanlıqla ölçülə bildiyindən, bu məlumat külək tunelinin sınağı olmadığı təqdirdə TDV-ni qiymətləndirməyə kömək edə bilər və bununla da sahə tətbiqləri üçün keyfiyyətə nəzarət göstəricisi kimi xidmət edə bilər.
SEM nəticələri Şəkil 14-də göstərilib. Şəkil 14a-b-də emal olunmamış torpaq nümunəsinin böyüdülmüş hissəcikləri göstərilir ki, bu da onun birləşmiş olduğunu və təbii birləşməsi və ya sementləşməsi olmadığını açıq şəkildə göstərir. Şəkil 14c-də karbamidlə parçalanmış MICP ilə emal edilmiş nəzarət nümunəsinin SEM mikroqrafı göstərilir. Bu təsvirdə CaCO3 çöküntülərinin kalsit polimorfları kimi mövcudluğu göstərilir. Şəkil 14d-o-da göstərildiyi kimi, çökmüş CaCO3 hissəcikləri bir-birinə bağlayır; SEM mikroqraflarında sferik vaterit kristalları da müəyyən edilə bilər. Bu tədqiqatın və əvvəlki tədqiqatların nəticələri göstərir ki, vaterit polimorfları kimi əmələ gələn CaCO3 bağları da ağlabatan mexaniki möhkəmlik təmin edə bilər; nəticələrimiz göstərir ki, səth müqaviməti 350 kPa-ya qədər artır və eşik ayrılma sürəti 4,32-dən 25 m/s-dən çoxa qədər artır. Bu nəticə, MICP ilə çökdürülmüş CaCO3 matrisinin vaterit olması və ağlabatan mexaniki möhkəmliyə və külək eroziyasına davamlılığa malik olması və 180 günlük sahə mühit şəraitinə məruz qaldıqdan sonra belə külək eroziyasına qarşı kifayət qədər müqavimət göstərə bilməsi ilə bağlı əvvəlki tədqiqatların nəticələri ilə uyğun gəlir13.
(a, b) Təmizlənməmiş torpağın SEM mikroqrafları, (c) MICP karbamid parçalanmasına nəzarət, (df) AA ilə işlənmiş nümunələr, (gi) AS ilə işlənmiş nümunələr, (jl) FA ilə işlənmiş nümunələr və (mo) FS ilə işlənmiş nümunələr müxtəlif böyütmələrdə 3 L/m2 tətbiq sürətində.
Şəkil 14d-f göstərir ki, AA birləşmələri ilə işləndikdən sonra səthdə və qum dənəcikləri arasında kalsium karbonat çökmüş, eyni zamanda bəzi örtülməmiş qum dənəcikləri də müşahidə edilmişdir. AS komponentləri üçün əmələ gələn CaCO3 miqdarı əhəmiyyətli dərəcədə artmasa da (Şəkil 6f), CaCO3-ün qum dənəcikləri arasında yaratdığı təmas miqdarı AA birləşmələri ilə müqayisədə əhəmiyyətli dərəcədə artmışdır (Şəkil 14g-i).
Şəkil 14j-l və 14m-o-dan aydın olur ki, kalsium formatının kalsium mənbəyi kimi istifadəsi AS birləşməsinə nisbətən CaCO3 çöküntüsünün daha da artmasına səbəb olur ki, bu da Şəkil 6f-dəki kalsium ölçən cihazın ölçmələri ilə uyğun gəlir. Bu əlavə CaCO3 əsasən qum hissəciklərinin üzərinə çökmüş kimi görünür və mütləq təmas keyfiyyətini yaxşılaşdırmır. Bu, əvvəllər müşahidə olunan davranışı təsdiqləyir: CaCO3 çöküntüsünün miqdarındakı fərqlərə baxmayaraq (Şəkil 6f), üç formulasiya (AS, FA və FS) anti-eol (külək) performansı (Şəkil 11) və səth müqaviməti (Şəkil 13a) baxımından əhəmiyyətli dərəcədə fərqlənmir.
CaCO3 ilə örtülmüş bakteriya hüceyrələrini və çökmüş kristallardakı bakteriya izini daha yaxşı vizuallaşdırmaq üçün yüksək böyüdücü SEM mikroqrafları çəkildi və nəticələr Şəkil 15-də göstərilib. Göstərildiyi kimi, kalsium karbonat bakteriya hüceyrələrində çökür və orada çökmə üçün lazım olan nüvələri təmin edir. Şəkildə həmçinin CaCO3 tərəfindən induksiya edilən aktiv və qeyri-aktiv əlaqələr təsvir edilmişdir. Belə bir nəticəyə gəlmək olar ki, qeyri-aktiv əlaqələrdə hər hansı bir artım mütləq mexaniki davranışın daha da yaxşılaşmasına səbəb olmur. Buna görə də, CaCO3 çökməsinin artması mütləq daha yüksək mexaniki möhkəmliyə səbəb olmur və çökmə nümunəsi mühüm rol oynayır. Bu məqam həmçinin Terzis və Laloui72 və Soghi və Al-Kabani45,73-ün əsərlərində də öyrənilmişdir. Çökmə nümunəsi ilə mexaniki möhkəmlik arasındakı əlaqəni daha da araşdırmaq üçün µCT görüntüləməsindən istifadə edən MICP tədqiqatları tövsiyə olunur ki, bu da bu tədqiqatın əhatə dairəsindən kənardır (yəni, ammonyaksız MICP üçün kalsium mənbəyi və bakteriyaların müxtəlif kombinasiyalarının tətbiqi).
CaCO3 (a) AS tərkibi və (b) FS tərkibi ilə işlənmiş nümunələrdə aktiv və qeyri-aktiv rabitələr əmələ gətirmiş və çöküntü üzərində bakteriya hüceyrələrinin izini qoymuşdur.
Şəkil 14j-o və 15b-də göstərildiyi kimi, CaCO3 təbəqəsi mövcuddur (EDX analizinə görə, təbəqədəki hər bir elementin faiz tərkibi karbon 11%, oksigen 46,62% və kalsium 42,39% təşkil edir ki, bu da Şəkil 16-dakı CaCO3 faizinə çox yaxındır). Bu təbəqə vaterit kristallarını və torpaq hissəciklərini əhatə edir və torpaq-çöküntü sisteminin bütövlüyünü qorumağa kömək edir. Bu təbəqənin mövcudluğu yalnız format əsaslı formula ilə işlənmiş nümunələrdə müşahidə edilmişdir.
Cədvəl 2, əvvəlki tədqiqatlarda və bu tədqiqatda karbamid parçalayan və parçalamayan MICP yolları ilə işlənmiş torpaqların səth möhkəmliyini, eşik qopma sürətini və bioloji induksiyalı CaCO3 tərkibini müqayisə edir. MICP ilə işlənmiş qum təpələri nümunələrinin külək eroziyasına davamlılığına dair tədqiqatlar məhduddur. Menq və digərləri yarpaq üfürücü istifadə edərək MICP ilə işlənmiş karbamid parçalayan qum təpələri nümunələrinin külək eroziyasına davamlılığını araşdırdılar,13 halbuki bu tədqiqatda karbamid parçalamayan qum təpələri nümunələri (həmçinin karbamid parçalayan nəzarət nümunələri) külək tunelində sınaqdan keçirildi və dörd fərqli bakteriya və maddə kombinasiyası ilə işləndi.
Göründüyü kimi, əvvəlki bəzi tədqiqatlarda 4 L/m2-dən çox yüksək tətbiq nisbətləri nəzərdən keçirilmişdir. Qeyd etmək lazımdır ki, su təchizatı, daşınması və böyük həcmdə suyun tətbiqi ilə bağlı xərclər səbəbindən yüksək tətbiq nisbətləri iqtisadi baxımdan sahədə asanlıqla tətbiq olunmaya bilər. 1,62-2 L/m2 kimi daha aşağı tətbiq nisbətləri də 190 kPa-ya qədər və TDV 25 m/s-dən çox olan kifayət qədər yaxşı səth möhkəmliklərinə nail olmuşdur. Bu tədqiqatda, karbamid parçalanmadan format əsaslı MICP ilə işlənmiş qum təpələri, eyni tətbiq nisbətləri diapazonunda (yəni, karbamid parçalanmadan format əsaslı MICP ilə işlənmiş nümunələr də Meng və digərləri tərəfindən bildirilən eyni səth möhkəmliyi dəyərlərinə nail ola bilmişdir) daha yüksək tətbiq nisbətlərində karbamid parçalanma yolu ilə əldə edilənlərlə müqayisə edilə bilən yüksək səth möhkəmliklərinə nail olmuşdur. 13, Şəkil 13a. Həmçinin, 2 L/m2 tətbiq sürətində, 25 m/s külək sürətində külək eroziyasının azaldılması üçün kalsium karbonatının məhsuldarlığının, karbamid parçalanması olmadan format əsaslı MICP üçün 2,25% təşkil etdiyini görmək olar ki, bu da eyni tətbiq sürətində və eyni külək sürətində (25 m/s) karbamid parçalanması ilə nəzarət MICP ilə işlənmiş qum təpələri ilə müqayisədə tələb olunan CaCO3 miqdarına (yəni 2,41%) çox yaxındır.
Beləliklə, bu cədvəldən belə bir nəticəyə gəlmək olar ki, həm karbamid parçalanma yolu, həm də karbamidsiz parçalanma yolu səth müqaviməti və TDV baxımından olduqca məqbul bir performans təmin edə bilər. Əsas fərq, karbamidsiz parçalanma yolunun ammonyak ehtiva etməməsi və buna görə də ətraf mühitə daha az təsir göstərməsidir. Bundan əlavə, bu tədqiqatda təklif olunan karbamid parçalanmadan format əsaslı MICP metodu, karbamid parçalanmadan asetat əsaslı MICP metodundan daha yaxşı nəticə göstərir. Mohebbi və digərləri, karbamid parçalanmadan asetat əsaslı MICP metodunu araşdırsalar da, onların tədqiqatına düz səthlərdəki nümunələr daxil idi9. Qum nümunələrinin ətrafında burulğan əmələ gəlməsi və nəticədə yaranan kəsilmə nəticəsində daha yüksək dərəcədə eroziya səbəbindən, daha aşağı TDV ilə nəticələnən qum nümunələrinin külək eroziyasının eyni sürətlə düz səthlərdəkindən daha aydın olacağı gözlənilir.