nature.com сайтына кіргеніңіз үшін рақмет. Сіз пайдаланып отырған браузер нұсқасында CSS қолдауы шектеулі. Ең жақсы тәжірибе алу үшін браузердің соңғы нұсқасын пайдалануды ұсынамыз (немесе Internet Explorer бағдарламасында үйлесімділік режимін өшіріңіз). Сонымен қатар, үздіксіз қолдауды қамтамасыз ету үшін бұл сайтта стильдер немесе JavaScript болмайды.
Шаңды дауылдар ауыл шаруашылығына, адам денсаулығына, көлік желілеріне және инфрақұрылымға зиянды әсеріне байланысты әлемнің көптеген елдеріне үлкен қауіп төндіреді. Нәтижесінде, жел эрозиясы жаһандық мәселе болып саналады. Жел эрозиясын тоқтатудың экологиялық таза тәсілдерінің бірі - микробтық карбонатты тұндыру (MICP) қолдану. Дегенмен, аммиак сияқты мочевина ыдырауына негізделген MICP қосалқы өнімдері көп мөлшерде өндірілген кезде өте қолайлы емес. Бұл зерттеуде мочевина өндірмей MICP ыдырауына арналған кальций форматы бактерияларының екі формуласы ұсынылған және олардың өнімділігі аммиак өндірмейтін кальций ацетаты бактерияларының екі формуласымен жан-жақты салыстырылған. Қарастырылып отырған бактериялар - Bacillus subtilis және Bacillus amyloliquefaciens. Алдымен CaCO3 түзілуін басқаратын факторлардың оңтайландырылған мәндері анықталды. Содан кейін оңтайландырылған формулалармен өңделген құм төбелерінің үлгілерінде жел туннелдерінің сынақтары жүргізілді, жел эрозиясына төзімділік, шекті жылдамдық және құм бомбалауына төзімділік өлшенді. Кальций карбонаты (CaCO3) алломорфтары оптикалық микроскопия, сканерлеуші ​​электронды микроскопия (SEM) және рентгендік дифракциялық талдау арқылы бағаланды. Кальций форматына негізделген құрамдар кальций карбонатының түзілуі тұрғысынан ацетатқа негізделген құрамдарға қарағанда айтарлықтай жақсы нәтиже көрсетті. Сонымен қатар, B. subtilis B. amyloliquefaciens-ке қарағанда көбірек кальций карбонатын өндірді. SEM микрографтары шөгінділердің пайда болуынан туындаған белсенді және белсенді емес бактериялардың кальций карбонатына байланысуын және басылуын анық көрсетті. Барлық құрамдар жел эрозиясын айтарлықтай азайтты.
Жел эрозиясы АҚШ-тың оңтүстік-батысы, Қытайдың батысы, Сахара Африкасы және Таяу Шығыстың көп бөлігі сияқты құрғақ және жартылай құрғақ аймақтардың басты проблемасы ретінде ұзақ уақыт бойы танылып келді1. Құрғақ және аса құрғақ климаттағы жауын-шашынның аз болуы бұл аймақтардың үлкен бөлігін шөлдерге, құм төбелеріне және егіссіз жерлерге айналдырды. Жел эрозиясы көлік желілері, ауылшаруашылық жерлері және өнеркәсіптік жерлер сияқты инфрақұрылымға экологиялық қауіп төндіреді, бұл осы аймақтарда өмір сүру жағдайларының нашарлауына және қала құрылысының жоғары шығындарына әкеледі2,3,4. Маңыздысы, жел эрозиясы тек оның болатын жеріне ғана емес, сонымен қатар алыс елді мекендерде денсаулық пен экономикалық мәселелерді тудырады, себебі ол бөлшектерді жел арқылы көзден алыс аймақтарға тасымалдайды5,6.
Жел эрозиясын бақылау жаһандық мәселе болып қала береді. Жел эрозиясын бақылау үшін топырақты тұрақтандырудың әртүрлі әдістері қолданылады. Бұл әдістерге су жағу7, майлы мульчалар8, биополимерлер5, микробтық индукцияланған карбонатты тұндыру (MICP)9,10,11,12 және ферменттік индукцияланған карбонатты тұндыру (EICP)1 сияқты материалдар жатады. Топырақты ылғалдандыру - далада шаңды басудың стандартты әдісі. Дегенмен, оның тез булануы бұл әдісті құрғақ және жартылай құрғақ аймақтарда тиімділігін шектейді1. Майлы мульча қосылыстарын қолдану құмның бірігуін және бөлшектер арасындағы үйкелісті арттырады. Олардың бірігу қасиеті құм түйірлерін бір-бірімен байланыстырады; дегенмен, майлы мульчалар басқа да мәселелер тудырады; олардың қара түсі жылу сіңіруін арттырады және өсімдіктер мен микроорганизмдердің өліміне әкеледі. Олардың иісі мен түтіні тыныс алу проблемаларын тудыруы мүмкін, және ең бастысы, олардың жоғары құны тағы бір кедергі болып табылады. Биополимерлер - жел эрозиясын азайтудың жақында ұсынылған экологиялық таза әдістерінің бірі; олар өсімдіктер, жануарлар және бактериялар сияқты табиғи көздерден алынады. Ксантан шайыры, гуар шайыры, хитозан және геллан шайыры - инженерлік қолданбаларда ең көп қолданылатын биополимерлер5. Дегенмен, суда еритін биополимерлер суға ұшыраған кезде беріктігін жоғалтып, топырақтан ағып кетуі мүмкін13,14. EICP асфальтталмаған жолдар, қалдық қоймалары және құрылыс алаңдары сияқты әртүрлі қолданбалар үшін шаңды басудың тиімді әдісі екені дәлелденді. Нәтижелері көңіл көншітетін болса да, құны және ядролану орындарының болмауы (бұл CaCO3 кристалдарының түзілуін және тұнбалануын жеделдетеді15,16) сияқты кейбір ықтимал кемшіліктерді ескеру қажет.
MICP алғаш рет 19 ғасырдың соңында Мюррей мен Ирвин (1890) және Штайнманн (1901) теңіз микроорганизмдерінің мочевинаның ыдырауын зерттеу барысында сипаттаған17. MICP - бұл әртүрлі микробтық белсенділіктер мен химиялық процестерді қамтитын табиғи түрде жүретін биологиялық процесс, онда кальций карбонаты микробтық метаболиттерден алынған карбонат иондарының қоршаған ортадағы кальций иондарымен реакциясы арқылы тұндырылады18,19. Мочевинаны ыдырататын азот циклін (мочевинаны ыдырататын MICP) қамтитын MICP - микробтық индукцияланған карбонатты тұнбаның ең көп таралған түрі, онда бактериялар шығаратын уреаза мочевинаның гидролизін катализдейді20,21,22,23,24,25,26,27 келесідей:
Органикалық тұздардың тотығуының көміртек циклін қамтитын MICP-де (мочевинаның ыдырау түрі жоқ MICP) гетеротрофты бактериялар карбонат минералдарын өндіру үшін энергия көзі ретінде ацетат, лактат, цитрат, сукцинат, оксалат, малат және глиоксилат сияқты органикалық тұздарды пайдаланады28. Көміртек көзі ретінде кальций лактаты және кальций иондары болған кезде кальций карбонатының түзілуінің химиялық реакциясы (5) теңдеуде көрсетілген.
MICP процесінде бактериялық жасушалар кальций карбонатының тұнбаға түсуі үшін ерекше маңызды нуклеация орындарын қамтамасыз етеді; бактериялық жасуша беті теріс зарядталған және кальций иондары сияқты екі валентті катиондар үшін адсорбент ретінде әрекет ете алады. Карбонат иондарының концентрациясы жеткілікті болған кезде, кальций катиондары мен карбонат аниондары әрекеттеседі және кальций карбонаты бактерия бетінде тұнбаға түседі29,30. Процесті келесідей қорытындылауға болады31,32:
Биогенді кальций карбонаты кристалдарын үш түрге бөлуге болады: кальцит, ватерит және арагонит. Олардың ішінде кальцит пен ватерит бактериялық индукцияланған кальций карбонаты алломорфтарының ең көп таралған түрі болып табылады33,34. Кальцит - термодинамикалық тұрғыдан ең тұрақты кальций карбонаты алломорфы35. Ватерит метастабильді деп хабарланғанымен, ол ақырында кальцитке айналады36,37. Ватерит - осы кристалдардың ішіндегі ең тығызы. Бұл үлкен өлшеміне байланысты басқа кальций карбонаты кристалдарына қарағанда кеуекті толтыру қабілеті жақсы алтыбұрышты кристал38. Мочевинамен ыдыраған және мочевинамен ыдырамаған MICP ватериттің тұнбасына әкелуі мүмкін13,39,40,41.
MICP проблемалы топырақтарды және жел эрозиясына бейім топырақтарды тұрақтандыруда перспективалы әлеует көрсеткенімен42,43,44,45,46,47,48, мочевина гидролизінің қосалқы өнімдерінің бірі - аммиак, ол әсер ету деңгейіне байланысты жеңіл және ауыр денсаулық проблемаларын тудыруы мүмкін49. Бұл жанама әсер осы нақты технологияны пайдалануды даулы етеді, әсіресе шаңды басу сияқты үлкен аумақтарды өңдеу қажет болған кезде. Сонымен қатар, процесс жоғары қолдану жылдамдығымен және үлкен көлемде жүргізілген кезде аммиактың иісі шыдамсыз болады, бұл оның практикалық қолданылуына әсер етуі мүмкін. Жақында жүргізілген зерттеулер аммоний иондарын струвит сияқты басқа өнімдерге айналдыру арқылы азайтуға болатынын көрсеткенімен, бұл әдістер аммоний иондарын толығымен жоя алмайды50. Сондықтан, аммоний иондарын түзбейтін балама шешімдерді зерттеу қажеттілігі әлі де бар. MICP үшін мочевина емес ыдырау жолдарын пайдалану жел эрозиясын азайту тұрғысынан аз зерттелген әлеуетті шешімді ұсынуы мүмкін. Фаттахи және т.б. Мочевинасыз MICP ыдырауын кальций ацетаты мен Bacillus megaterium41 көмегімен зерттеді, ал Мохебби және т.б. кальций ацетаты мен Bacillus amyloliquefaciens9 қолданды. Дегенмен, олардың зерттеуі жел эрозиясына төзімділікті жақсарта алатын басқа кальций көздерімен және гетеротрофты бактериялармен салыстырылмады. Сондай-ақ, жел эрозиясын азайтуда мочевинасыз ыдырау жолдарын мочевинаның ыдырау жолдарымен салыстыратын әдебиеттер жетіспейді.
Сонымен қатар, жел эрозиясы мен шаңды бақылау бойынша зерттеулердің көпшілігі тегіс беті бар топырақ үлгілерінде жүргізілді.1,51,52,53 Дегенмен, тегіс беттер табиғатта төбелер мен ойпаттарға қарағанда сирек кездеседі. Сондықтан құм төбелері шөлді аймақтарда ең көп таралған ландшафт ерекшелігі болып табылады.
Жоғарыда аталған кемшіліктерді жою үшін бұл зерттеу аммиак түзбейтін бактериялық агенттердің жаңа жиынтығын енгізуді мақсат етті. Осы мақсатта біз мочевинаны ыдыратпайтын MICP жолдарын қарастырдық. Екі кальций көзінің (кальций форматы және кальций ацетаты) тиімділігі зерттелді. Авторлардың білуінше, екі кальций көзі мен бактериялардың комбинациясын (яғни, кальций форматы-Bacillus subtilis және кальций форматы-Bacillus amyloliquefaciens) пайдаланып карбонатты тұндыру бұрынғы зерттеулерде зерттелмеген. Бұл бактерияларды таңдау олар шығаратын ферменттерге негізделген, олар кальций форматы мен кальций ацетатының тотығуын катализдейді, микробтық карбонатты тұндыру түзеді. Біз рН, бактериялардың түрлері мен кальций көздері және олардың концентрациясы, бактериялардың кальций көзі ерітіндісіне қатынасы және қатаю уақыты сияқты оңтайлы факторларды табу үшін мұқият эксперименттік зерттеу жүргіздік. Соңында, кальций карбонатының тұндыру арқылы жел эрозиясын басудағы осы бактериялық агенттер жиынтығының тиімділігі құм төбелерінде жел эрозиясының шамасын, шекті бөліну жылдамдығын және құмның жел бомбалауына төзімділігін анықтау үшін бірқатар жел туннельдерін сынау арқылы зерттелді, сондай-ақ пенетрометрлік өлшеулер мен микроқұрылымдық зерттеулер (мысалы, рентгендік дифракция (XRD) талдауы және сканерлеуші ​​​​электрондық микроскопия (SEM)) жүргізілді.
Кальций карбонатын өндіру үшін кальций иондары мен карбонат иондары қажет. Кальций иондарын кальций хлориді, кальций гидроксиді және майсыз құрғақ сүт сияқты әртүрлі кальций көздерінен алуға болады54,55. Карбонат иондарын мочевина гидролизі және органикалық заттардың аэробты немесе анаэробты тотығуы сияқты әртүрлі микробтық әдістермен алуға болады56. Бұл зерттеуде карбонат иондары формат пен ацетатты тотығу реакциясынан алынды. Сонымен қатар, біз таза кальций карбонатын алу үшін формат пен ацетаттың кальций тұздарын қолдандық, осылайша тек CO2 және H2O қосалқы өнімдер ретінде алынды. Бұл процесте тек бір зат кальций көзі және карбонат көзі ретінде қызмет етеді және аммиак өндірілмейді. Бұл сипаттамалар біз қарастырған кальций көзі мен карбонат өндіру әдісін өте перспективалы етеді.
Кальций форматы мен кальций ацетатының кальций карбонатын түзуге сәйкес реакциялары (7)-(14) формулаларында көрсетілген. (7)-(11) формулалары кальций форматының суда еріп, құмырсқа қышқылын немесе формат түзетінін көрсетеді. Осылайша, ерітінді бос кальций мен гидроксид иондарының көзі болып табылады (8 және 9 формулалар). Құмырсқа қышқылының тотығуы нәтижесінде құмырсқа қышқылындағы көміртек атомдары көмірқышқыл газына айналады (10 формула). Кальций карбонаты ақырында түзіледі (11 және 12 формулалар).
Сол сияқты, кальций карбонаты кальций ацетатынан түзіледі (13-15 теңдеулер), бірақ құмырсқа қышқылының орнына сірке қышқылы немесе ацетат түзіледі.
Ферменттердің қатысуынсыз ацетат пен форматты бөлме температурасында тотығу мүмкін емес. FDH (форматдегидрогеназа) және CoA (коэнзим А) формат пен ацетатты тотығуды катализдейді, сәйкесінше көмірқышқыл газын түзеді (16, 17) 57, 58, 59 теңдеулер. Әртүрлі бактериялар бұл ферменттерді өндіре алады, ал бұл зерттеуде гетеротрофты бактериялар, атап айтқанда Bacillus subtilis (PTCC #1204 (Парсы типті дақылдар жинағы), сонымен қатар NCIMB #13061 (Бактериялар, ашытқылар, фагтар, плазмидалар, өсімдік тұқымдары және өсімдік жасушаларының тіндерінің халықаралық жинағы) деп те аталады) және Bacillus amyloliquefaciens (PTCC #1732, NCIMB #12077) пайдаланылды. Бұл бактериялар ет пептоны (5 г/л) және ет сығындысы (3 г/л) бар, ол қоректік сорпа (NBR) (105443 Merck) деп аталатын ортада өсірілді.
Осылайша, екі кальций көзін және екі бактерияны пайдаланып, кальций карбонатының тұнбасын тудыру үшін төрт құрам дайындалды: кальций форматы және Bacillus subtilis (FS), кальций форматы және Bacillus amyloliquefaciens (FA), кальций ацетаты және Bacillus subtilis (AS), және кальций ацетаты және Bacillus amyloliquefaciens (AA).
Тәжірибелік жобаның бірінші бөлігінде кальций карбонатын максималды өндіруге қол жеткізетін оңтайлы комбинацияны анықтау үшін сынақтар жүргізілді. Топырақ үлгілерінде кальций карбонаты болғандықтан, әртүрлі комбинациялар арқылы өндірілген CaCO3 мөлшерін дәл өлшеу үшін алдын ала бағалау сынақтарының жиынтығы жасалды және қоректік орта мен кальций көзі ерітінділерінің қоспалары бағаланды. Жоғарыда анықталған кальций көзі мен бактерия ерітіндісінің әрбір комбинациясы үшін (FS, FA, AS және AA) оңтайландыру коэффициенттері (кальций көзі концентрациясы, қатаю уақыты, ерітіндінің оптикалық тығыздығымен (OD) өлшенген бактерия ерітіндісінің концентрациясы, кальций көзі мен бактерия ерітіндісінің қатынасы және рН) келесі бөлімдерде сипатталған құм төбелерін өңдеудің аэродинамикалық сынақтарында алынды және қолданылды.
Әрбір комбинация үшін CaCO3 тұндыру әсерін зерттеу және әртүрлі факторларды, атап айтқанда кальций көзінің концентрациясын, қатаю уақытын, бактериялық OD мәнін, кальций көзінің бактериялық ерітіндіге қатынасын және органикалық заттардың аэробты тотығуы кезіндегі рН мәнін бағалау үшін 150 тәжірибе жүргізілді (1-кесте). Оңтайландырылған процесс үшін рН диапазоны Bacillus subtilis және Bacillus amyloliquefaciens өсу қисықтары негізінде таңдалды, бұл жылдам өсуді қамтамасыз етеді. Бұл «Нәтижелер» бөлімінде толығырақ түсіндіріледі.
Оңтайландыру кезеңіне үлгілерді дайындау үшін келесі қадамдар қолданылды. MICP ерітіндісі алдымен қоректік ортаның бастапқы рН мәнін реттеу арқылы дайындалды, содан кейін 121 °C температурада 15 минут автоклавталды. Содан кейін штамм ламинарлы ауа ағынына егіліп, 30 °C және 180 айн/мин температурада шайқау инкубаторында ұсталды. Бактериялардың OD қажетті деңгейге жеткеннен кейін, ол кальций көзі ерітіндісімен қажетті пропорцияда араластырылды (1a-сурет). MICP ерітіндісі 220 айн/мин және 30 °C температурада шайқау инкубаторында мақсатты мәнге жеткен уақыт ішінде әрекеттесіп, қатып қалды. Тұнбаға түскен CaCO3 6000 г температурада 5 минут центрифугалаудан кейін бөлініп, содан кейін кальциметрлік сынаққа үлгілерді дайындау үшін 40 °C температурада кептірілді (1b-сурет). Содан кейін CaCO3 тұнбасы Бернард кальциметрін пайдаланып өлшенді, мұнда CaCO3 ұнтағы 1,0 N HCl-мен (ASTM-D4373-02) әрекеттесіп, CO2 түзеді, ал бұл газдың көлемі CaCO3 құрамының өлшемі болып табылады (1c-сурет). CO2 көлемін CaCO3 құрамына түрлендіру үшін таза CaCO3 ұнтағын 1 N HCl-мен жуып, оны бөлініп шыққан CO2-ге қарсы салу арқылы калибрлеу қисығы жасалды. Тұнбаға түскен CaCO3 ұнтағының морфологиясы мен тазалығы SEM бейнелеу және рентгендік резонанс талдауы арқылы зерттелді. Бактериялардың айналасындағы кальций карбонатының түзілуін, түзілген кальций карбонатының фазасын және бактериялардың белсенділігін зерттеу үшін 1000 үлкейтуі бар оптикалық микроскоп қолданылды.
Дежег бассейні Иранның оңтүстік-батысындағы Фарс провинциясындағы танымал эрозияға ұшыраған аймақ болып табылады, және зерттеушілер аймақтан жел эрозиясына ұшыраған топырақ үлгілерін жинады. Зерттеу үшін үлгілер топырақ бетінен алынды. Топырақ үлгілеріне жүргізілген индикаторлық сынақтар топырақтың нашар сұрыпталған құмды топырақ екенін және Бірыңғай топырақ жіктеу жүйесіне (USC) сәйкес SP-SM ретінде жіктелгенін көрсетті (2a-сурет). Рентгендік рентгендік талдау Дежег топырағының негізінен кальцит пен кварцтан тұратынын көрсетті (2b-сурет). Сонымен қатар, EDX талдауы Al, K және Fe сияқты басқа элементтердің де аз мөлшерде болатынын көрсетті.
Зертханалық құм төбелерін жел эрозиясын сынауға дайындау үшін топырақ 170 мм биіктіктен 10 мм диаметрлі воронка арқылы қатты бетке дейін ұсақталды, нәтижесінде биіктігі 60 мм және диаметрі 210 мм болатын типтік құм төбесі пайда болды. Табиғатта ең төмен тығыздықтағы құм төбелері эолдық процестер арқылы түзіледі. Сол сияқты, жоғарыда аталған процедураны пайдаланып дайындалған үлгі ең төмен салыстырмалы тығыздыққа ие болды, γ = 14,14 кН/м³, шамамен 29,7° көлденең бетке құм конусын түзді.
Алдыңғы бөлімде алынған оңтайлы MICP ерітіндісі құм төбесіне 1, 2 және 3 лм-2 қолдану жылдамдығымен шашылды, содан кейін үлгілер инкубаторда 30 °C температурада (3-сурет) 9 күн бойы (яғни оңтайлы қатаю уақыты) сақталды, содан кейін аэродинамикалық туннельді сынау үшін шығарылды.
Әрбір өңдеу үшін төрт үлгі дайындалды, біреуі кальций карбонатының құрамын және беттік беріктігін пенетрометрді пайдаланып өлшеуге арналған, ал қалған үш үлгі үш түрлі жылдамдықтағы эрозия сынақтары үшін пайдаланылды. Аэродинамикалық туннель сынақтарында эрозия мөлшері әртүрлі жел жылдамдықтарында анықталды, содан кейін әрбір өңдеу үлгісі үшін шекті бөліну жылдамдығы эрозия мөлшерінің жел жылдамдығына қатысты графигін пайдаланып анықталды. Жел эрозиясына сынақтардан басқа, өңделген үлгілер құм бомбалауына (яғни, секіру эксперименттеріне) ұшырады. Осы мақсатта 2 және 3 л м−2 қолдану жылдамдығымен тағы екі үлгі дайындалды. Құм бомбалау сынағы 120 гм−1 ағынмен 15 минутқа созылды, бұл алдыңғы зерттеулерде таңдалған мәндер диапазонында60,61,62. Абразивті саптама мен құм төбесінің негізі арасындағы көлденең қашықтық туннель түбінен 100 мм жоғары орналасқан 800 мм болды. Бұл позиция секіретін құм бөлшектерінің барлығы дерлік құм төбесіне түсетіндей етіп орнатылды.
Аэротекс сынағы ұзындығы 8 м, ені 0,4 м және биіктігі 1 м ашық аэроэкологиялық туннельде жүргізілді (4a-сурет). Аэротекс мырышталған болат парақтарынан жасалған және 25 м/с дейін жел жылдамдығын тудыра алады. Сонымен қатар, желдеткіш жиілігін реттеу және мақсатты жел жылдамдығын алу үшін жиілікті біртіндеп арттыру үшін жиілік түрлендіргіші қолданылады. 4b-суретте жел эрозиясына ұшыраған құм төбелерінің схемалық диаграммасы және аэроэкологиялық туннельде өлшенген жел жылдамдығының профилі көрсетілген.
Соңында, осы зерттеуде ұсынылған уреалитті емес MICP формуласының нәтижелерін уреалитті MICP бақылау сынағының нәтижелерімен салыстыру үшін құм төбелерінің үлгілері де дайындалып, мочевина, кальций хлориді және Sporosarcina pasteurii бар биологиялық ерітіндімен өңделді (өйткені Sporosarcina pasteurii уреазаны63 өндіруге айтарлықтай қабілетті). Бактериялық ерітіндінің оптикалық тығыздығы 1,5, ал мочевина мен кальций хлоридінің концентрациясы 1 М болды (алдыңғы зерттеулерде ұсынылған мәндер негізінде таңдалды36,64,65). Өсіру ортасы қоректік сорпадан (8 г/л) және мочевинадан (20 г/л) тұрды. Бактериялық ерітінді құм төбелерінің бетіне шашылып, бактерияларды бекіту үшін 24 сағатқа қалдырылды. 24 сағат бекітілгеннен кейін цементтеу ерітіндісі (кальций хлориді және мочевина) шашылды. Уреалитті MICP бақылау сынағы бұдан әрі UMC деп аталады. Уреалитикалық және уреалитикалық емес өңделген топырақ үлгілеріндегі кальций карбонатының мөлшері Чой және т.б. ұсынған процедураға сәйкес жуу арқылы алынды.66
5-суретте бастапқы рН диапазоны 5-тен 10-ға дейінгі қоректік ортадағы (қоректік ерітінді) Bacillus amyloliquefaciens және Bacillus subtilis өсу қисықтары көрсетілген. Суретте көрсетілгендей, Bacillus amyloliquefaciens және Bacillus subtilis сәйкесінше рН 6-8 және 7-9 болғанда жылдам өсті. Сондықтан, бұл рН диапазоны оңтайландыру сатысында қабылданды.
Қоректік ортаның әртүрлі бастапқы рН мәндеріндегі (a) Bacillus amyloliquefaciens және (b) Bacillus subtilis өсу қисықтары.
6-суретте Бернард лаймметрінде түзілген көмірқышқыл газының мөлшері көрсетілген, ол тұнбаға түскен кальций карбонатын (CaCO3) білдіреді. Әрбір комбинацияда бір фактор бекітілгендіктен және басқа факторлар өзгергендіктен, бұл графиктердегі әрбір нүкте сол тәжірибелер жиынтығындағы көмірқышқыл газының максималды көлеміне сәйкес келеді. Суретте көрсетілгендей, кальций көзінің концентрациясы артқан сайын кальций карбонатының өндірісі артты. Сондықтан кальций көзінің концентрациясы кальций карбонатының өндірісіне тікелей әсер етеді. Кальций көзі мен көміртегі көзі бірдей болғандықтан (яғни, кальций форматы және кальций ацетаты), кальций иондары неғұрлым көп бөлінсе, соғұрлым көп кальций карбонаты түзіледі (6a-сурет). AS және AA құрамдарында кальций карбонаты өндірісі 9 күннен кейін тұнба мөлшері өзгермегенше қатаю уақыты артуымен артып отырды. FA құрамында қатаю уақыты 6 күннен асқан кезде кальций карбонатының түзілу жылдамдығы төмендеді. Басқа құрамдармен салыстырғанда, FS құрам 3 күннен кейін кальций карбонатының түзілу жылдамдығының салыстырмалы түрде төмен екенін көрсетті (6b-сурет). FA және FS құрамдарында кальций карбонатының жалпы өндірісінің 70% және 87% үш күннен кейін алынды, ал AA және AS құрамдарында бұл үлес сәйкесінше шамамен 46% және 45% құрады. Бұл құмырсқа қышқылына негізделген құрамның бастапқы кезеңде ацетатқа негізделген құраммен салыстырғанда CaCO3 түзілу жылдамдығы жоғары екенін көрсетеді. Дегенмен, түзілу жылдамдығы қатаю уақыты ұзарған сайын баяулайды. 6c-суреттен бактериялардың OD1-ден жоғары концентрацияларында да кальций карбонатының түзілуіне айтарлықтай үлес қосылмайтыны туралы қорытынды жасауға болады.
Бернард кальциметрімен өлшенген CO2 көлемінің (және тиісті CaCO3 құрамының) өзгеруі (а) кальций көзінің концентрациясына, (b) қату уақытына, (c) OD, (d) бастапқы рН мәніне, (e) кальций көзінің бактериялық ерітіндіге қатынасына (әрбір құрам үшін); және (f) кальций көзі мен бактериялардың әрбір комбинациясы үшін түзілетін кальций карбонатының ең көп мөлшері.
Ортаның бастапқы рН әсеріне келетін болсақ, 6d-суретте FA және FS үшін CaCO3 өндірісі рН 7 кезінде максималды мәнге жеткені көрсетілген. Бұл бақылау FDH ферменттерінің рН 7-6,7 кезінде ең тұрақты екендігі туралы бұрынғы зерттеулермен сәйкес келеді. Дегенмен, AA және AS үшін рН 7-ден асқан кезде CaCO3 тұнбасы артты. Алдыңғы зерттеулер сонымен қатар CoA ферментінің белсенділігі үшін оңтайлы рН диапазоны 8-ден 9,2-6,8-ге дейін екенін көрсетті. CoA ферментінің белсенділігі мен B. amyloliquefaciens өсуі үшін оңтайлы рН диапазондары сәйкесінше (8-9,2) және (6-8) екенін ескерсек (5a-сурет), AA формуласының оңтайлы рН мәні 8 болады деп күтілуде және екі рН диапазоны бір-біріне сәйкес келеді. Бұл факт 6d-суретте көрсетілгендей, тәжірибелермен расталды. B. subtilis өсуі үшін оңтайлы рН 7-9 (5b-сурет) және CoA ферментінің белсенділігі үшін оңтайлы рН 8-9,2 болғандықтан, CaCO3 тұндыруының максималды өнімділігі 8-9 рН диапазонында болады деп күтілуде, бұл 6d-суретпен расталады (яғни, тұндыруының оңтайлы рН 9). 6e-суретте көрсетілген нәтижелер ацетат және формат ерітінділері үшін кальций көзі ерітіндісінің бактериялық ерітіндіге оңтайлы қатынасы 1 екенін көрсетеді. Салыстыру үшін әртүрлі құрамдардың (яғни, AA, AS, FA және FS) өнімділігі әртүрлі жағдайларда CaCO3 өндірісінің максималды көлеміне негізделіп бағаланды (яғни, кальций көзі концентрациясы, қатаю уақыты, OD, кальций көзі мен бактериялық ерітіндінің қатынасы және бастапқы рН). Зерттелген құрамдардың ішінде FS құрамдас бөлігі ең жоғары CaCO3 өндірісіне ие болды, бұл AA құрамдас бөлігінің шамамен үш есесіне тең болды (6f-сурет). Кальций көздері үшін де төрт бактериясыз бақылау эксперименті жүргізілді және 30 күннен кейін CaCO3 тұндыру байқалмады.
Барлық құрамдардың оптикалық микроскопиялық суреттері ватериттің кальций карбонаты түзілген негізгі фаза екенін көрсетті (7-сурет). Ватерит кристалдары сфералық пішінде болды69,70,71. Кальций карбонаты бактерия жасушаларында тұнбаға түсетіні анықталды, себебі бактерия жасушаларының беті теріс зарядталған және екі валентті катиондар үшін адсорбент ретінде әрекет ете алады. Осы зерттеуде FS құрамасын мысал ретінде алсақ, 24 сағаттан кейін кейбір бактерия жасушаларында кальций карбонаты түзіле бастады (7a-сурет), ал 48 сағаттан кейін кальций карбонатымен қапталған бактерия жасушаларының саны айтарлықтай артты. Сонымен қатар, 7b-суретте көрсетілгендей, ватерит бөлшектерін де анықтауға болады. Соңында, 72 сағаттан кейін көптеген бактериялар ватерит кристалдарымен байланысқан сияқты болды, ал ватерит бөлшектерінің саны айтарлықтай артты (7c-сурет).
FS құрамдарындағы CaCO3 тұнбасының уақыт бойынша оптикалық микроскопиялық бақылаулары: (a) 24, (b) 48 және (c) 72 сағат.
Тұнба фазасының морфологиясын одан әрі зерттеу үшін ұнтақтардың рентгендік дифракциясы (XRD) және SEM талдаулары жүргізілді. XRD спектрлері (8a-сурет) және SEM микрографтары (8b, c-сурет) ватерит кристалдарының бар екенін растады, себебі олар салат тәрізді пішінге ие болды және ватерит шыңдары мен тұнба шыңдары арасындағы сәйкестік байқалды.
(a) Түзілген CaCO3 және ватериттің рентгендік дифракциялық спектрлерін салыстыру. Ватериттің (b) 1 кГц және (c) 5,27 кГц үлкейтудегі SEM микрографиялары.
Аэротоньдік туннель сынақтарының нәтижелері 9a, b суреттерінде көрсетілген. 9a суретінен өңделмеген құмның шекті эрозия жылдамдығы (TDV) шамамен 4,32 м/с екенін көруге болады. 1 л/м² қолдану жылдамдығында (9a сурет) FA, FS, AA және UMC фракциялары үшін топырақтың жоғалу жылдамдығы сызықтарының еңістері өңделмеген құм төбесімен шамамен бірдей. Бұл қолдану жылдамдығындағы өңдеудің тиімсіз екенін және жел жылдамдығы TDV-ден асқаннан кейін жұқа топырақ қабығы жоғалып, құм төбесінің эрозия жылдамдығы өңделмеген құм төбесімен бірдей екенін көрсетеді. AS фракциясының эрозия көлбеуі де абсциссалары (яғни TDV) төмен басқа фракцияларға қарағанда төмен (9a сурет). 9b суретіндегі көрсеткілер желдің максималды жылдамдығы 25 м/с болғанда, өңделген құм төбелерінде 2 және 3 л/м² қолдану жылдамдығында эрозия болмағанын көрсетеді. Басқаша айтқанда, FS, FA, AS және UMC үшін құм төбелері CaCO³ шөгіндісінен туындаған жел эрозиясына желдің максималды жылдамдығына (яғни 25 м/с) қарағанда 2 және 3 л/м² қолдану жылдамдығында төзімдірек болды. Осылайша, осы сынақтарда алынған 25 м/с TDV мәні 9b-суретте көрсетілген қолдану жылдамдығының төменгі шегі болып табылады, AA жағдайын қоспағанда, мұнда TDV жел туннелінің максималды жылдамдығына дерлік тең.
Жел эрозиясын сынау (а) Салмақ жоғалту және жел жылдамдығы (қолдану жылдамдығы 1 л/м2), (b) Шектік жұлу жылдамдығы және қолдану жылдамдығы (кальций ацетаты үшін CA, кальций форматы үшін CF).
10-суретте құммен бомбалау сынағынан кейін әртүрлі құрамдармен өңделген құм төбелерінің беткі эрозиясы және қолдану жылдамдығы көрсетілген, ал сандық нәтижелер 11-суретте көрсетілген. Өңделмеген жағдай көрсетілмеген, себебі ол ешқандай төзімділік көрсетпеді және құммен бомбалау сынағы кезінде толығымен эрозияға ұшырады (жалпы масса жоғалуы). 11-суретте AA биокомпозициясымен өңделген үлгі 2 л/м2 қолдану жылдамдығында салмағының 83,5%-ын жоғалтқаны, ал басқа барлық үлгілер құммен бомбалау процесінде 30%-дан аз эрозия көрсеткені анық көрсетілген. Қолдану жылдамдығы 3 л/м2-ге дейін арттырылған кезде, барлық өңделген үлгілер салмағының 25%-дан азын жоғалтты. Екі қолдану жылдамдығында да FS қосылысы құммен бомбалауға ең жақсы төзімділік көрсетті. FS және AA өңделген үлгілердегі максималды және минималды бомбалауға төзімділікті олардың максималды және минималды CaCO3 жауын-шашынымен байланыстыруға болады (6f-сурет).
2 және 3 л/м2 ағын жылдамдығымен әртүрлі құрамдағы құм төбелерін бомбалау нәтижелері (көрсеткілер желдің бағытын, ал кресттер сызба жазықтығына перпендикуляр желдің бағытын көрсетеді).
12-суретте көрсетілгендей, барлық формулалардағы кальций карбонатының мөлшері қолдану жылдамдығы 1 л/м²-ден 3 л/м²-ге дейін артқан сайын артты. Сонымен қатар, барлық қолдану жылдамдықтарында кальций карбонатының мөлшері ең жоғары формула FS, одан кейін FA және UMC болды. Бұл формулалардың беттік кедергісі жоғары болуы мүмкін екенін көрсетеді.
13a суретте пермеметр сынағымен өлшенген өңделмеген, бақылау және өңделген топырақ үлгілерінің беттік кедергісінің өзгеруі көрсетілген. Бұл суреттен UMC, AS, FA және FS құрамдарының беттік кедергісі қолдану жылдамдығының артуымен айтарлықтай өскені айқын көрінеді. Дегенмен, AA құрамында беттік беріктіктің артуы салыстырмалы түрде аз болды. Суретте көрсетілгендей, мочевинамен ыдырамаған MICP FA және FS құрамдары мочевинамен ыдыраған MICP-мен салыстырғанда беттік өткізгіштігі жақсырақ. 13b суретте топырақ бетінің кедергісімен TDV өзгерісі көрсетілген. Бұл суреттен беттік кедергісі 100 кПа-дан асатын құм төбелер үшін шекті жолақ жылдамдығы 25 м/с-тан асатыны анық көрінеді. Орнындағы беттік кедергіні пермеметрмен оңай өлшеуге болатындықтан, бұл білім аэродинамикалық туннельді сынау болмаған кезде TDV бағалауға көмектеседі, осылайша далалық қолданбалар үшін сапаны бақылау индикаторы ретінде қызмет етеді.
SEM нәтижелері 14-суретте көрсетілген. 14a-b суреттерінде өңделмеген топырақ үлгісінің үлкейген бөлшектері көрсетілген, бұл оның біртекті екенін және табиғи байланысы немесе цементтелуі жоқ екенін анық көрсетеді. 14c суретінде мочевинамен ыдыраған MICP-мен өңделген бақылау үлгісінің SEM микрографиясы көрсетілген. Бұл суретте CaCO3 тұнбаларының кальцит полиморфтары ретінде болуы көрсетілген. 14d-o суреттерінде көрсетілгендей, тұнбаға түскен CaCO3 бөлшектерді бір-бірімен байланыстырады; SEM микрографтарында сфералық ватерит кристалдарын да анықтауға болады. Бұл зерттеудің және алдыңғы зерттеулердің нәтижелері ватерит полиморфтары ретінде түзілген CaCO3 байланыстарының да механикалық беріктік бере алатынын көрсетеді; біздің нәтижелеріміз беттік кедергінің 350 кПа-ға дейін артатынын және шекті бөлу жылдамдығының 4,32-ден 25 м/с-тан астамға дейін артатынын көрсетеді. Бұл нәтиже MICP-тұнбаға түскен CaCO3 матрицасы ватерит болып табылатындығы, оның механикалық беріктігі мен жел эрозиясына төзімділігі13,40 және далалық орта жағдайларына 180 күн әсер еткеннен кейін де жел эрозиясына төзімділігінің қалыпты деңгейін сақтай алатындығы туралы алдыңғы зерттеулердің нәтижелерімен сәйкес келеді13.
(a, b) Өңделмеген топырақтың SEM микрографиялары, (c) MICP мочевинасының ыдырауын бақылау, (df) AA-мен өңделген үлгілер, (gi) AS-пен өңделген үлгілер, (jl) FA-мен өңделген үлгілер және (mo) FS-пен өңделген үлгілер әртүрлі үлкейтулерде 3 л/м2 қолдану жылдамдығымен.
14d-f суретінде AA қосылыстарымен өңделгеннен кейін құм түйірлерінің бетінде және арасында кальций карбонаты тұнбаға түскені, сонымен қатар кейбір жабылмаған құм түйірлерінің де байқалғаны көрсетілген. AS компоненттері үшін түзілген CaCO3 мөлшері айтарлықтай артпаса да (6f сурет), CaCO3 тудырған құм түйірлері арасындағы жанасу мөлшері AA қосылыстарымен салыстырғанда айтарлықтай артты (14g-i сурет).
14j-l және 14m-o суреттерінен кальций форматын кальций көзі ретінде пайдалану AS қосылысымен салыстырғанда CaCO3 тұнбасының одан әрі артуына әкелетіні анық, бұл 6f суретіндегі кальций өлшегішінің өлшемдеріне сәйкес келеді. Бұл қосымша CaCO3 негізінен құм бөлшектеріне тұнған сияқты және жанасу сапасын міндетті түрде жақсартпайды. Бұл бұрын байқалған мінез-құлықты растайды: CaCO3 тұнбасының мөлшеріндегі айырмашылықтарға қарамастан (6f сурет), үш құрам (AS, FA және FS) эолға қарсы (желге) төзімділік (11 сурет) және беттік кедергі (13a сурет) тұрғысынан айтарлықтай ерекшеленбейді.
CaCO3 қапталған бактериялық жасушаларды және тұнбаға түскен кристалдардағы бактериялық ізді жақсырақ визуализациялау үшін жоғары үлкейтілген SEM микрографиялары алынды және нәтижелері 15-суретте көрсетілген. Көрсетілгендей, кальций карбонаты бактериялық жасушаларда тұнбаға түседі және сол жерде тұнбаға түсу үшін қажетті ядроларды қамтамасыз етеді. Суретте CaCO3 тудыратын белсенді және белсенді емес байланыстар да көрсетілген. Белсенді емес байланыстардың кез келген артуы міндетті түрде механикалық мінез-құлықтың одан әрі жақсаруына әкелмейді деген қорытынды жасауға болады. Сондықтан, CaCO3 тұнбасының артуы міндетті түрде механикалық беріктіктің жоғарылауына әкелмейді және тұнбаға түсу үлгісі маңызды рөл атқарады. Бұл мәселе Терзис пен Лалуидің еңбектерінде де зерттелген72 және Соги мен Әл-Кабанидің45,73 еңбектерінде де зерттелген. Тұнбаға түсу үлгісі мен механикалық беріктік арасындағы байланысты одан әрі зерттеу үшін µCT бейнелеуін қолданатын MICP зерттеулері ұсынылады, бұл осы зерттеудің шеңберінен тыс (яғни, аммиаксыз MICP үшін кальций көзі мен бактериялардың әртүрлі комбинацияларын енгізу).
CaCO3 (а) AS құрамымен және (b) FS құрамымен өңделген үлгілерде белсенді және белсенді емес байланыстарды тудырды және шөгіндіде бактериялық жасушалардың ізін қалдырды.
14j-o және 15b суреттерінде көрсетілгендей, CaCO қабықшасы бар (EDX талдауына сәйкес, қабықшадағы әрбір элементтің пайыздық құрамы көміртегі 11%, оттегі 46,62% және кальций 42,39% құрайды, бұл 16-суреттегі CaCO пайызына өте жақын). Бұл қабықша ватерит кристалдары мен топырақ бөлшектерін жауып, топырақ-шөгінді жүйесінің тұтастығын сақтауға көмектеседі. Бұл қабықшаның болуы тек формат негізіндегі формуламен өңделген үлгілерде байқалды.
2-кестеде алдыңғы зерттеулерде және осы зерттеуде мочевинаны ыдырататын және мочевинаны ыдыратпайтын MICP жолдарымен өңделген топырақтардың беткі беріктігі, шекті бөліну жылдамдығы және биоиндукцияланған CaCO3 мөлшері салыстырылады. MICP-мен өңделген құм төбе үлгілерінің жел эрозиясына төзімділігі бойынша зерттеулер шектеулі. Менг және т.б. MICP-мен өңделген мочевинаны ыдырататын құм төбе үлгілерінің жел эрозиясына төзімділігін жапырақ үрлегішті пайдаланып зерттеді,13 ал бұл зерттеуде мочевинаны ыдыратпайтын құм төбе үлгілері (сонымен қатар мочевинаны ыдырататын бақылаулар) жел туннелінде сыналды және бактериялар мен заттардың төрт түрлі комбинациясымен өңделді.
Көріп отырғанымыздай, алдыңғы зерттеулердің кейбірінде 4 л/м2-ден асатын жоғары қолдану көрсеткіштері қарастырылған. Айта кету керек, жоғары қолдану көрсеткіштері экономикалық тұрғыдан далалық жағдайда оңай қолданыла алмауы мүмкін, себебі сумен жабдықтау, тасымалдау және көп көлемдегі суды қолдану шығындары бар. 1,62-2 л/м2 сияқты төмен қолдану көрсеткіштері де 190 кПа-ға дейінгі жақсы беттік беріктікке және TDV 25 м/с-тан асатын абсолютті жоғары беріктікке қол жеткізді. Осы зерттеуде мочевинаның ыдырауынсыз формат негізіндегі MICP-мен өңделген құм төбелері мочевинаның ыдырау жолымен алынғандармен салыстыруға болатын жоғары беттік беріктікке қол жеткізді (яғни, мочевинаның ыдырауынсыз формат негізіндегі MICP-мен өңделген үлгілер де Менг және т.б., 13, 13a суретінде хабарлағандай беттік беріктік мәндерінің бірдей диапазонына қол жеткізе алды). Сондай-ақ, 2 л/м2 қолдану жылдамдығында, 25 м/с жел жылдамдығында жел эрозиясын азайту үшін кальций карбонатының өнімділігі мочевинаның ыдырауынсыз формат негізіндегі MICP үшін 2,25% құрағанын көруге болады, бұл бақылау MICP-мен өңделген құм төбелерімен салыстырғанда, бірдей қолдану жылдамдығында және бірдей жел жылдамдығында (25 м/с) мочевинаның ыдырауын қамтамасыз ететін құм төбелерімен салыстырғанда CaCO3 қажетті мөлшеріне (яғни 2,41%) өте жақын.
Осылайша, осы кестеден мочевинаның ыдырау жолы да, мочевинасыз ыдырау жолы да беттік кедергі және TDV тұрғысынан өте қолайлы өнімділік бере алатыны туралы қорытынды жасауға болады. Негізгі айырмашылық - мочевинасыз ыдырау жолында аммиак жоқ және сондықтан қоршаған ортаға әсері аз. Сонымен қатар, осы зерттеуде ұсынылған мочевинаның ыдырауынсыз формат негізіндегі MICP әдісі мочевинаның ыдырауынсыз ацетат негізіндегі MICP әдісіне қарағанда жақсы нәтиже беретін сияқты. Мохебби және т.б. мочевинаның ыдырауынсыз ацетат негізіндегі MICP әдісін зерттегенімен, олардың зерттеуіне тегіс беттердегі үлгілер кірді9. Құм төбелеріндегі үлгілердің айналасында құйындылардың пайда болуынан және нәтижесінде пайда болған ығысудан туындаған эрозияның жоғары дәрежесіне байланысты, бұл TDV-нің төмендеуіне әкеледі, құм төбелеріндегі үлгілердің жел эрозиясы бірдей жылдамдықта тегіс беттерге қарағанда айқынырақ болады деп күтілуде.