Terima kasih kerana melayari nature.com. Versi pelayar yang anda gunakan mempunyai sokongan CSS yang terhad. Untuk pengalaman terbaik, kami mengesyorkan anda menggunakan versi pelayar terkini (atau matikan mod keserasian dalam Internet Explorer). Selain itu, untuk memastikan sokongan berterusan, laman web ini tidak akan menyertakan gaya atau JavaScript.
Ribut habuk menimbulkan ancaman serius kepada banyak negara di seluruh dunia disebabkan oleh kesan merosakkannya terhadap pertanian, kesihatan manusia, rangkaian pengangkutan dan infrastruktur. Akibatnya, hakisan angin dianggap sebagai masalah global. Salah satu pendekatan mesra alam untuk membendung hakisan angin ialah penggunaan pemendakan karbonat teraruh mikrob (MICP). Walau bagaimanapun, hasil sampingan MICP berasaskan degradasi urea, seperti ammonia, tidak ideal apabila dihasilkan dalam kuantiti yang banyak. Kajian ini membentangkan dua formulasi bakteria kalsium format untuk degradasi MICP tanpa menghasilkan urea dan membandingkan prestasinya secara komprehensif dengan dua formulasi bakteria kalsium asetat bukan penghasil ammonia. Bakteria yang dipertimbangkan ialah Bacillus subtilis dan Bacillus amyloliquefaciens. Pertama, nilai optimum faktor yang mengawal pembentukan CaCO3 ditentukan. Ujian terowong angin kemudiannya dijalankan pada sampel bukit pasir yang dirawat dengan formulasi yang dioptimumkan, dan rintangan hakisan angin, halaju ambang pelucutan, dan rintangan pengeboman pasir diukur. Alomorf kalsium karbonat (CaCO3) dinilai menggunakan mikroskop optik, mikroskop elektron imbasan (SEM), dan analisis pembelauan sinar-X. Formulasi berasaskan kalsium format menunjukkan prestasi yang jauh lebih baik daripada formulasi berasaskan asetat dari segi pembentukan kalsium karbonat. Di samping itu, B. subtilis menghasilkan lebih banyak kalsium karbonat daripada B. amyloliquefaciens. Mikrograf SEM jelas menunjukkan pengikatan dan pencetakan bakteria aktif dan tidak aktif pada kalsium karbonat yang disebabkan oleh pemendapan. Semua formulasi mengurangkan hakisan angin dengan ketara.
Hakisan angin telah lama diiktiraf sebagai masalah utama yang dihadapi oleh kawasan gersang dan separa gersang seperti barat daya Amerika Syarikat, barat China, Afrika Sahara dan sebahagian besar Timur Tengah1. Curah hujan yang rendah di iklim gersang dan hiper-gersang telah mengubah sebahagian besar kawasan ini menjadi padang pasir, bukit pasir dan tanah yang tidak diusahakan. Hakisan angin yang berterusan menimbulkan ancaman alam sekitar kepada infrastruktur seperti rangkaian pengangkutan, tanah pertanian dan tanah perindustrian, yang membawa kepada keadaan hidup yang buruk dan kos pembangunan bandar yang tinggi di kawasan ini2,3,4. Yang penting, hakisan angin bukan sahaja memberi kesan kepada lokasi di mana ia berlaku, tetapi juga menyebabkan masalah kesihatan dan ekonomi di komuniti terpencil kerana ia mengangkut zarah melalui angin ke kawasan yang jauh dari sumber5,6.
Kawalan hakisan angin kekal sebagai masalah global. Pelbagai kaedah penstabilan tanah digunakan untuk mengawal hakisan angin. Kaedah-kaedah ini termasuk bahan-bahan seperti aplikasi air7, sungkupan minyak8, biopolimer5, pemendakan karbonat teraruh mikrob (MICP)9,10,11,12 dan pemendakan karbonat teraruh enzim (EICP)1. Pembasahan tanah adalah kaedah standard untuk penekanan habuk di lapangan. Walau bagaimanapun, penyejatannya yang cepat menjadikan kaedah ini terhad keberkesanannya di kawasan gersang dan separa gersang1. Penggunaan sebatian sungkupan minyak meningkatkan kepaduan pasir dan geseran antara zarah. Sifat kepaduannya mengikat butiran pasir bersama-sama; walau bagaimanapun, sungkupan minyak juga menimbulkan masalah lain; warna gelapnya meningkatkan penyerapan haba dan menyebabkan kematian tumbuhan dan mikroorganisma. Bau dan asapnya boleh menyebabkan masalah pernafasan, dan yang paling ketara, kosnya yang tinggi adalah satu lagi halangan. Biopolimer adalah salah satu kaedah mesra alam yang dicadangkan baru-baru ini untuk mengurangkan hakisan angin; ia diekstrak daripada sumber semula jadi seperti tumbuhan, haiwan dan bakteria. Gam xanthan, gam guar, kitosan dan gam gellan adalah biopolimer yang paling biasa digunakan dalam aplikasi kejuruteraan5. Walau bagaimanapun, biopolimer larut air boleh kehilangan kekuatan dan terlarut keluar dari tanah apabila terdedah kepada air13,14. EICP telah terbukti sebagai kaedah penindasan habuk yang berkesan untuk pelbagai aplikasi termasuk jalan raya tidak berturap, kolam sisa buangan dan tapak pembinaan. Walaupun hasilnya menggalakkan, beberapa kelemahan yang berpotensi mesti dipertimbangkan, seperti kos dan kekurangan tapak nukleasi (yang mempercepat pembentukan dan pemendakan hablur CaCO315,16).
MICP pertama kali diterangkan pada akhir abad ke-19 oleh Murray dan Irwin (1890) dan Steinmann (1901) dalam kajian mereka tentang degradasi urea oleh mikroorganisma marin17. MICP ialah proses biologi yang berlaku secara semula jadi yang melibatkan pelbagai aktiviti mikrob dan proses kimia di mana kalsium karbonat dimendakkan oleh tindak balas ion karbonat daripada metabolit mikrob dengan ion kalsium dalam persekitaran18,19. MICP yang melibatkan kitaran nitrogen penguraian urea (MICP penguraian urea) ialah jenis pemendakan karbonat yang disebabkan oleh mikrob yang paling biasa, di mana urease yang dihasilkan oleh bakteria memangkinkan hidrolisis urea20,21,22,23,24,25,26,27 seperti berikut:
Dalam MICP yang melibatkan kitaran karbon pengoksidaan garam organik (MICP tanpa jenis degradasi urea), bakteria heterotrofik menggunakan garam organik seperti asetat, laktat, sitrat, suksinat, oksalat, malat dan glioksilat sebagai sumber tenaga untuk menghasilkan mineral karbonat28. Dengan kehadiran kalsium laktat sebagai sumber karbon dan ion kalsium, tindak balas kimia pembentukan kalsium karbonat ditunjukkan dalam persamaan (5).
Dalam proses MICP, sel bakteria menyediakan tapak nukleasi yang amat penting untuk pemendakan kalsium karbonat; permukaan sel bakteria bercas negatif dan boleh bertindak sebagai penjerap untuk kation divalen seperti ion kalsium. Dengan menyerap ion kalsium ke atas sel bakteria, apabila kepekatan ion karbonat mencukupi, kation kalsium dan anion karbonat bertindak balas dan kalsium karbonat termendak pada permukaan bakteria29,30. Proses ini boleh diringkaskan seperti berikut31,32:
Kristal kalsium karbonat yang dijana secara bio boleh dibahagikan kepada tiga jenis: kalsit, vaterit, dan aragonit. Antaranya, kalsit dan vaterit adalah alomorf kalsium karbonat yang paling biasa diaruh secara bakteria33,34. Kalsit adalah alomorf kalsium karbonat yang paling stabil secara termodinamik35. Walaupun vaterit telah dilaporkan metastabil, ia akhirnya berubah menjadi kalsit36,37. Vaterit adalah kristal yang paling padat antara semua ini. Ia adalah kristal heksagon yang mempunyai keupayaan pengisian liang yang lebih baik daripada kristal kalsium karbonat lain kerana saiznya yang lebih besar38. Kedua-dua MICP yang terdegradasi urea dan terdegradasi urea boleh menyebabkan pemendakan vaterit13,39,40,41.
Walaupun MICP telah menunjukkan potensi yang menjanjikan dalam menstabilkan tanah yang bermasalah dan tanah yang mudah terdedah kepada hakisan angin42,43,44,45,46,47,48, salah satu hasil sampingan hidrolisis urea ialah ammonia, yang boleh menyebabkan masalah kesihatan yang ringan hingga teruk bergantung pada tahap pendedahan49. Kesan sampingan ini menjadikan penggunaan teknologi khusus ini kontroversi, terutamanya apabila kawasan yang luas perlu dirawat, seperti untuk penindasan habuk. Di samping itu, bau ammonia tidak dapat ditoleransi apabila proses dijalankan pada kadar aplikasi yang tinggi dan isipadu yang besar, yang mungkin menjejaskan kebolehgunaannya secara praktikal. Walaupun kajian terbaru menunjukkan bahawa ion ammonium boleh dikurangkan dengan menukarkannya kepada produk lain seperti struvit, kaedah ini tidak dapat menyingkirkan ion ammonium sepenuhnya50. Oleh itu, masih terdapat keperluan untuk meneroka penyelesaian alternatif yang tidak menghasilkan ion ammonium. Penggunaan laluan degradasi bukan urea untuk MICP mungkin memberikan penyelesaian berpotensi yang kurang diterokai dalam konteks mitigasi hakisan angin. Fattahi et al. mengkaji degradasi MICP bebas urea menggunakan kalsium asetat dan Bacillus megaterium41, manakala Mohebbi et al. menggunakan kalsium asetat dan Bacillus amyloliquefaciens9. Walau bagaimanapun, kajian mereka tidak dibandingkan dengan sumber kalsium lain dan bakteria heterotrofik yang akhirnya boleh meningkatkan rintangan hakisan angin. Terdapat juga kekurangan literatur yang membandingkan laluan degradasi bebas urea dengan laluan degradasi urea dalam mitigasi hakisan angin.
Di samping itu, kebanyakan kajian hakisan angin dan kawalan habuk telah dijalankan ke atas sampel tanah dengan permukaan rata.1,51,52,53 Walau bagaimanapun, permukaan rata kurang biasa di alam semula jadi berbanding bukit dan lekukan. Inilah sebabnya mengapa bukit pasir merupakan ciri landskap yang paling biasa di kawasan gurun.
Untuk mengatasi kekurangan yang dinyatakan di atas, kajian ini bertujuan untuk memperkenalkan satu set agen bakteria penghasil bukan ammonia yang baharu. Untuk tujuan ini, kami mempertimbangkan laluan MICP penguraian bukan urea. Kecekapan dua sumber kalsium (kalsium format dan kalsium asetat) telah dikaji. Setahu penulis, pemendakan karbonat menggunakan dua kombinasi sumber kalsium dan bakteria (iaitu kalsium format-Bacillus subtilis dan kalsium format-Bacillus amyloliquefaciens) belum dikaji dalam kajian terdahulu. Pemilihan bakteria ini adalah berdasarkan enzim yang dihasilkannya yang memangkinkan pengoksidaan kalsium format dan kalsium asetat untuk membentuk pemendakan karbonat mikrob. Kami mereka bentuk satu kajian eksperimen yang menyeluruh untuk mencari faktor optimum seperti pH, jenis bakteria dan sumber kalsium serta kepekatannya, nisbah bakteria kepada larutan sumber kalsium dan masa pengawetan. Akhir sekali, keberkesanan set agen bakteria ini dalam menyekat hakisan angin melalui pemendakan kalsium karbonat telah dikaji dengan menjalankan beberapa ujian terowong angin di atas bukit pasir untuk menentukan magnitud hakisan angin, halaju ambang pemecahan dan rintangan pengeboman angin pasir, dan pengukuran penetrometer dan kajian mikrostruktur (contohnya analisis pembelauan sinar-X (XRD) dan mikroskopi elektron imbasan (SEM)) juga telah dijalankan.
Penghasilan kalsium karbonat memerlukan ion kalsium dan ion karbonat. Ion kalsium boleh diperolehi daripada pelbagai sumber kalsium seperti kalsium klorida, kalsium hidroksida dan serbuk susu skim54,55. Ion karbonat boleh dihasilkan melalui pelbagai kaedah mikrob seperti hidrolisis urea dan pengoksidaan aerobik atau anaerobik bahan organik56. Dalam kajian ini, ion karbonat diperoleh daripada tindak balas pengoksidaan format dan asetat. Di samping itu, kami menggunakan garam kalsium format dan asetat untuk menghasilkan kalsium karbonat tulen, justeru hanya CO2 dan H2O yang diperoleh sebagai hasil sampingan. Dalam proses ini, hanya satu bahan yang berfungsi sebagai sumber kalsium dan sumber karbonat, dan tiada ammonia dihasilkan. Ciri-ciri ini menjadikan kaedah penghasilan sumber kalsium dan karbonat yang kami anggap sangat menjanjikan.
Tindak balas kalsium format dan kalsium asetat yang sepadan untuk membentuk kalsium karbonat ditunjukkan dalam formula (7)-(14). Formula (7)-(11) menunjukkan bahawa kalsium format larut dalam air untuk membentuk asid formik atau format. Oleh itu, larutan tersebut merupakan sumber ion kalsium dan hidroksida bebas (formula 8 dan 9). Hasil daripada pengoksidaan asid formik, atom karbon dalam asid formik ditukar menjadi karbon dioksida (formula 10). Kalsium karbonat akhirnya terbentuk (formula 11 dan 12).
Begitu juga, kalsium karbonat terbentuk daripada kalsium asetat (persamaan 13–15), kecuali asid asetik atau asetat terbentuk dan bukannya asid formik.
Tanpa kehadiran enzim, asetat dan format tidak boleh dioksidakan pada suhu bilik. FDH (format dehidrogenase) dan CoA (koenzim A) masing-masing memangkinkan pengoksidaan format dan asetat untuk membentuk karbon dioksida (Persamaan 16, 17) 57, 58, 59. Pelbagai bakteria mampu menghasilkan enzim ini, dan bakteria heterotrofik, iaitu Bacillus subtilis (PTCC #1204 (Koleksi Kultur Jenis Parsi), juga dikenali sebagai NCIMB #13061 (Koleksi Antarabangsa Bakteria, Yis, Faj, Plasmid, Benih Tumbuhan dan Kultur Tisu Sel Tumbuhan)) dan Bacillus amyloliquefaciens (PTCC #1732, NCIMB #12077), telah digunakan dalam kajian ini. Bakteria ini dikultur dalam medium yang mengandungi pepton daging (5 g/L) dan ekstrak daging (3 g/L), yang dipanggil sup nutrien (NBR) (105443 Merck).
Oleh itu, empat formulasi telah disediakan untuk mendorong pemendakan kalsium karbonat menggunakan dua sumber kalsium dan dua bakteria: kalsium format dan Bacillus subtilis (FS), kalsium format dan Bacillus amyloliquefaciens (FA), kalsium asetat dan Bacillus subtilis (AS), dan kalsium asetat dan Bacillus amyloliquefaciens (AA).
Dalam bahagian pertama reka bentuk eksperimen, ujian telah dijalankan untuk menentukan kombinasi optimum yang akan mencapai penghasilan kalsium karbonat maksimum. Memandangkan sampel tanah mengandungi kalsium karbonat, satu set ujian penilaian awal telah direka bentuk untuk mengukur CaCO3 yang dihasilkan dengan tepat oleh kombinasi yang berbeza, dan campuran medium kultur dan larutan sumber kalsium telah dinilai. Bagi setiap kombinasi larutan sumber kalsium dan bakteria yang ditakrifkan di atas (FS, FA, AS, dan AA), faktor pengoptimuman (kepekatan sumber kalsium, masa pengawetan, kepekatan larutan bakteria yang diukur dengan ketumpatan optik larutan (OD), nisbah larutan sumber kalsium kepada bakteria, dan pH) telah diperoleh dan digunakan dalam ujian terowong angin rawatan bukit pasir yang diterangkan dalam bahagian berikut.
Bagi setiap kombinasi, 150 eksperimen telah dijalankan untuk mengkaji kesan pemendakan CaCO3 dan menilai pelbagai faktor, iaitu kepekatan sumber kalsium, masa pengawetan, nilai OD bakteria, nisbah sumber kalsium kepada larutan bakteria dan pH semasa pengoksidaan aerobik bahan organik (Jadual 1). Julat pH untuk proses yang dioptimumkan telah dipilih berdasarkan lengkung pertumbuhan Bacillus subtilis dan Bacillus amyloliquefaciens untuk mendapatkan pertumbuhan yang lebih pantas. Ini dijelaskan dengan lebih terperinci dalam bahagian Keputusan.
Langkah-langkah berikut telah digunakan untuk menyediakan sampel bagi fasa pengoptimuman. Larutan MICP terlebih dahulu disediakan dengan melaraskan pH awal medium kultur dan kemudian diautoklaf pada suhu 121 °C selama 15 minit. Strain kemudiannya diinokulasi dalam aliran udara laminar dan dikekalkan dalam inkubator penggoncang pada suhu 30 °C dan 180 rpm. Setelah OD bakteria mencapai tahap yang diingini, ia dicampurkan dengan larutan sumber kalsium dalam perkadaran yang diingini (Rajah 1a). Larutan MICP dibenarkan bertindak balas dan memejal dalam inkubator penggoncang pada kelajuan 220 rpm dan 30 °C untuk tempoh yang mencapai nilai sasaran. CaCO3 yang termendak diasingkan selepas sentrifugasi pada 6000 g selama 5 minit dan kemudian dikeringkan pada suhu 40 °C untuk menyediakan sampel bagi ujian kalsimeter (Rajah 1b). Pemendakan CaCO3 kemudiannya diukur menggunakan kalsimeter Bernard, di mana serbuk CaCO3 bertindak balas dengan 1.0 N HCl (ASTM-D4373-02) untuk menghasilkan CO2, dan isipadu gas ini merupakan ukuran kandungan CaCO3 (Rajah 1c). Untuk menukar isipadu CO2 kepada kandungan CaCO3, lengkung penentukuran dijana dengan membasuh serbuk CaCO3 tulen dengan 1 N HCl dan memplotkannya terhadap CO2 yang terhasil. Morfologi dan ketulenan serbuk CaCO3 yang termendak telah dikaji menggunakan pengimejan SEM dan analisis XRD. Mikroskop optik dengan pembesaran 1000 telah digunakan untuk mengkaji pembentukan kalsium karbonat di sekeliling bakteria, fasa kalsium karbonat yang terbentuk, dan aktiviti bakteria.
Lembangan Dejegh merupakan kawasan yang terkenal dengan hakisan yang tinggi di barat daya Wilayah Fars, Iran, dan para penyelidik telah mengumpul sampel tanah yang terhakis angin dari kawasan tersebut. Sampel diambil dari permukaan tanah untuk kajian ini. Ujian penunjuk pada sampel tanah menunjukkan bahawa tanah tersebut adalah tanah berpasir yang kurang tersusun dengan kelodak dan dikelaskan sebagai SP-SM mengikut Sistem Pengelasan Tanah Bersepadu (USC) (Rajah 2a). Analisis XRD menunjukkan bahawa tanah Dejegh terutamanya terdiri daripada kalsit dan kuarza (Rajah 2b). Di samping itu, analisis EDX menunjukkan bahawa unsur-unsur lain seperti Al, K, dan Fe juga terdapat dalam perkadaran yang lebih kecil.
Untuk menyediakan bukit pasir makmal bagi ujian hakisan angin, tanah telah dihancurkan dari ketinggian 170 mm melalui corong berdiameter 10 mm ke permukaan yang kukuh, menghasilkan bukit pasir tipikal setinggi 60 mm dan berdiameter 210 mm. Secara semula jadi, bukit pasir berketumpatan terendah dibentuk oleh proses aeolian. Begitu juga, sampel yang disediakan menggunakan prosedur di atas mempunyai ketumpatan relatif terendah, γ = 14.14 kN/m³, membentuk kon pasir yang termendap pada permukaan mendatar dengan sudut rehat kira-kira 29.7°.
Larutan MICP optimum yang diperoleh dalam bahagian sebelumnya telah disembur ke atas cerun bukit pasir pada kadar penggunaan 1, 2 dan 3 lm-2 dan kemudian sampel disimpan dalam inkubator pada suhu 30 °C (Rajah 3) selama 9 hari (iaitu masa pengawetan optimum) dan kemudian dibawa keluar untuk ujian terowong angin.
Bagi setiap rawatan, empat spesimen telah disediakan, satu untuk mengukur kandungan kalsium karbonat dan kekuatan permukaan menggunakan penetrometer, dan tiga spesimen yang tinggal digunakan untuk ujian hakisan pada tiga halaju berbeza. Dalam ujian terowong angin, jumlah hakisan ditentukan pada kelajuan angin yang berbeza, dan kemudian halaju pemecahan ambang untuk setiap spesimen rawatan ditentukan menggunakan plot jumlah hakisan berbanding kelajuan angin. Selain ujian hakisan angin, spesimen yang dirawat telah menjalani pengeboman pasir (iaitu, eksperimen lompatan). Dua spesimen tambahan telah disediakan untuk tujuan ini pada kadar aplikasi 2 dan 3 L m−2. Ujian pengeboman pasir berlangsung selama 15 minit dengan fluks 120 gm−1, yang berada dalam julat nilai yang dipilih dalam kajian terdahulu60,61,62. Jarak mendatar antara muncung kasar dan dasar bukit pasir ialah 800 mm, terletak 100 mm di atas dasar terowong. Kedudukan ini ditetapkan supaya hampir semua zarah pasir yang melompat jatuh di atas bukit pasir.
Ujian terowong angin telah dijalankan di dalam terowong angin terbuka dengan panjang 8 m, lebar 0.4 m dan tinggi 1 m (Rajah 4a). Terowong angin diperbuat daripada kepingan keluli tergalvani dan boleh menghasilkan kelajuan angin sehingga 25 m/s. Di samping itu, penukar frekuensi digunakan untuk melaraskan frekuensi kipas dan meningkatkan frekuensi secara beransur-ansur untuk mendapatkan kelajuan angin sasaran. Rajah 4b menunjukkan gambarajah skematik bukit pasir yang terhakis oleh angin dan profil kelajuan angin yang diukur di dalam terowong angin.
Akhir sekali, untuk membandingkan keputusan formulasi MICP bukan urealitik yang dicadangkan dalam kajian ini dengan keputusan ujian kawalan MICP urealitik, sampel bukit pasir juga disediakan dan dirawat dengan larutan biologi yang mengandungi urea, kalsium klorida dan Sporosarcina pasteurii (memandangkan Sporosarcina pasteurii mempunyai keupayaan yang ketara untuk menghasilkan urease63). Ketumpatan optik larutan bakteria ialah 1.5, dan kepekatan urea dan kalsium klorida ialah 1 M (dipilih berdasarkan nilai yang disyorkan dalam kajian terdahulu36,64,65). Medium kultur terdiri daripada sup nutrien (8 g/L) dan urea (20 g/L). Larutan bakteria disembur pada permukaan bukit pasir dan dibiarkan selama 24 jam untuk pelekatan bakteria. Selepas 24 jam pelekatan, larutan penyimenan (kalsium klorida dan urea) disembur. Ujian kawalan MICP urealitik selepas ini dirujuk sebagai UMC. Kandungan kalsium karbonat sampel tanah yang dirawat secara urealitik dan bukan urealitik diperoleh dengan mencuci mengikut prosedur yang dicadangkan oleh Choi et al.66
Rajah 5 menunjukkan lengkung pertumbuhan Bacillus amyloliquefaciens dan Bacillus subtilis dalam medium kultur (larutan nutrien) dengan julat pH awal 5 hingga 10. Seperti yang ditunjukkan dalam rajah, Bacillus amyloliquefaciens dan Bacillus subtilis masing-masing tumbuh lebih cepat pada pH 6-8 dan 7-9. Oleh itu, julat pH ini telah diguna pakai dalam peringkat pengoptimuman.
Lengkung pertumbuhan (a) Bacillus amyloliquefaciens dan (b) Bacillus subtilis pada nilai pH awal medium nutrien yang berbeza.
Rajah 6 menunjukkan jumlah karbon dioksida yang dihasilkan dalam limemeter Bernard, yang mewakili kalsium karbonat termendak (CaCO3). Oleh kerana satu faktor ditetapkan dalam setiap kombinasi dan faktor lain diubah, setiap titik pada graf ini sepadan dengan isipadu maksimum karbon dioksida dalam set eksperimen tersebut. Seperti yang ditunjukkan dalam rajah, apabila kepekatan sumber kalsium meningkat, penghasilan kalsium karbonat juga meningkat. Oleh itu, kepekatan sumber kalsium secara langsung mempengaruhi penghasilan kalsium karbonat. Oleh kerana sumber kalsium dan sumber karbon adalah sama (iaitu, kalsium format dan kalsium asetat), semakin banyak ion kalsium dibebaskan, semakin banyak kalsium karbonat terbentuk (Rajah 6a). Dalam formulasi AS dan AA, penghasilan kalsium karbonat terus meningkat dengan peningkatan masa pengawetan sehingga jumlah mendakan hampir tidak berubah selepas 9 hari. Dalam formulasi FA, kadar pembentukan kalsium karbonat menurun apabila masa pengawetan melebihi 6 hari. Berbanding dengan formulasi lain, formulasi FS menunjukkan kadar pembentukan kalsium karbonat yang agak rendah selepas 3 hari (Rajah 6b). Dalam formulasi FA dan FS, 70% dan 87% daripada jumlah penghasilan kalsium karbonat diperoleh selepas tiga hari, manakala dalam formulasi AA dan AS, perkadaran ini masing-masing hanya kira-kira 46% dan 45%. Ini menunjukkan bahawa formulasi berasaskan asid formik mempunyai kadar pembentukan CaCO3 yang lebih tinggi pada peringkat awal berbanding formulasi berasaskan asetat. Walau bagaimanapun, kadar pembentukan menjadi perlahan dengan peningkatan masa pengawetan. Dapat disimpulkan daripada Rajah 6c bahawa walaupun pada kepekatan bakteria melebihi OD1, tiada sumbangan yang ketara kepada pembentukan kalsium karbonat.
Perubahan dalam isipadu CO2 (dan kandungan CaCO3 yang sepadan) diukur oleh kalsimeter Bernard sebagai fungsi (a) kepekatan sumber kalsium, (b) masa penetapan, (c) OD, (d) pH awal, (e) nisbah sumber kalsium kepada larutan bakteria (untuk setiap formulasi); dan (f) jumlah maksimum kalsium karbonat yang dihasilkan untuk setiap kombinasi sumber kalsium dan bakteria.
Berkenaan kesan pH awal medium, Rajah 6d menunjukkan bahawa untuk FA dan FS, penghasilan CaCO3 mencapai nilai maksimum pada pH 7. Pemerhatian ini selaras dengan kajian terdahulu bahawa enzim FDH paling stabil pada pH 7-6.7. Walau bagaimanapun, untuk AA dan AS, pemendakan CaCO3 meningkat apabila pH melebihi 7. Kajian terdahulu juga menunjukkan bahawa julat pH optimum untuk aktiviti enzim CoA adalah dari 8 hingga 9.2-6.8. Memandangkan julat pH optimum untuk aktiviti enzim CoA dan pertumbuhan B. amyloliquefaciens masing-masing adalah (8-9.2) dan (6-8) (Rajah 5a), pH optimum formulasi AA dijangka menjadi 8, dan kedua-dua julat pH bertindih. Fakta ini disahkan oleh eksperimen, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 6d. Oleh kerana pH optimum untuk pertumbuhan B. subtilis ialah 7-9 (Rajah 5b) dan pH optimum untuk aktiviti enzim CoA ialah 8-9.2, hasil pemendakan CaCO3 maksimum dijangka berada dalam julat pH 8-9, yang disahkan oleh Rajah 6d (iaitu, pH pemendakan optimum ialah 9). Keputusan yang ditunjukkan dalam Rajah 6e menunjukkan bahawa nisbah optimum larutan sumber kalsium kepada larutan bakteria ialah 1 untuk kedua-dua larutan asetat dan format. Sebagai perbandingan, prestasi formulasi yang berbeza (iaitu, AA, AS, FA, dan FS) dinilai berdasarkan penghasilan CaCO3 maksimum di bawah keadaan yang berbeza (iaitu, kepekatan sumber kalsium, masa pengawetan, OD, nisbah sumber kalsium kepada larutan bakteria, dan pH awal). Antara formulasi yang dikaji, formulasi FS mempunyai penghasilan CaCO3 tertinggi, iaitu kira-kira tiga kali ganda daripada formulasi AA (Rajah 6f). Empat eksperimen kawalan bebas bakteria telah dijalankan untuk kedua-dua sumber kalsium dan tiada pemendakan CaCO3 diperhatikan selepas 30 hari.
Imej mikroskopi optik bagi semua formulasi menunjukkan bahawa vaterit merupakan fasa utama pembentukan kalsium karbonat (Rajah 7). Kristal vaterit berbentuk sfera69,70,71. Didapati bahawa kalsium karbonat termendak pada sel bakteria kerana permukaan sel bakteria bercas negatif dan boleh bertindak sebagai penjerap untuk kation divalen. Dengan mengambil formulasi FS sebagai contoh dalam kajian ini, selepas 24 jam, kalsium karbonat mula terbentuk pada beberapa sel bakteria (Rajah 7a), dan selepas 48 jam, bilangan sel bakteria yang disalut dengan kalsium karbonat meningkat dengan ketara. Di samping itu, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 7b, zarah vaterit juga dapat dikesan. Akhirnya, selepas 72 jam, sebilangan besar bakteria nampaknya terikat oleh kristal vaterit, dan bilangan zarah vaterit meningkat dengan ketara (Rajah 7c).
Pemerhatian mikroskopi optik bagi pemendakan CaCO3 dalam komposisi FS dari semasa ke semasa: (a) 24, (b) 48 dan (c) 72 jam.
Untuk mengkaji morfologi fasa termendak dengan lebih lanjut, analisis pembelauan sinar-X (XRD) dan SEM serbuk telah dijalankan. Spektrum XRD (Rajah 8a) dan mikrograf SEM (Rajah 8b, c) mengesahkan kehadiran kristal vaterit, kerana ia mempunyai bentuk seperti salad dan kesepadanan antara puncak vaterit dan puncak mendakan telah diperhatikan.
(a) Perbandingan spektrum pembelauan sinar-X bagi CaCO3 dan vaterit yang terbentuk. Mikrograf SEM bagi vaterit pada pembesaran (b) 1 kHz dan (c) 5.27 kHz, masing-masing.
Keputusan ujian terowong angin ditunjukkan dalam Rajah 9a, b. Dapat dilihat daripada Rajah 9a bahawa halaju hakisan ambang (TDV) pasir yang tidak dirawat adalah kira-kira 4.32 m/s. Pada kadar aplikasi 1 l/m² (Rajah 9a), cerun garisan kadar kehilangan tanah untuk pecahan FA, FS, AA dan UMC adalah lebih kurang sama seperti untuk bukit pasir yang tidak dirawat. Ini menunjukkan bahawa rawatan pada kadar aplikasi ini tidak berkesan dan sebaik sahaja kelajuan angin melebihi TDV, kerak tanah nipis hilang dan kadar hakisan bukit pasir adalah sama seperti untuk bukit pasir yang tidak dirawat. Cerun hakisan pecahan AS juga lebih rendah daripada pecahan lain dengan absis yang lebih rendah (iaitu TDV) (Rajah 9a). Anak panah dalam Rajah 9b menunjukkan bahawa pada kelajuan angin maksimum 25 m/s, tiada hakisan berlaku di bukit pasir yang dirawat pada kadar aplikasi 2 dan 3 l/m². Dalam erti kata lain, bagi FS, FA, AS dan UMC, bukit pasir lebih tahan terhadap hakisan angin yang disebabkan oleh pemendapan CaCO³ pada kadar aplikasi 2 dan 3 l/m² berbanding pada kelajuan angin maksimum (iaitu 25 m/s). Oleh itu, nilai TDV 25 m/s yang diperoleh dalam ujian ini adalah had bawah untuk kadar aplikasi yang ditunjukkan dalam Rajah 9b, kecuali bagi kes AA, di mana TDV hampir sama dengan kelajuan terowong angin maksimum.
Ujian hakisan angin (a) Penurunan berat lawan kelajuan angin (kadar aplikasi 1 l/m2), (b) Kelajuan koyakan ambang lawan kadar aplikasi dan formulasi (CA untuk kalsium asetat, CF untuk kalsium format).
Rajah 10 menunjukkan hakisan permukaan bukit pasir yang dirawat dengan formulasi dan kadar aplikasi yang berbeza selepas ujian pengeboman pasir dan keputusan kuantitatif ditunjukkan dalam Rajah 11. Kes yang tidak dirawat tidak ditunjukkan kerana ia tidak menunjukkan rintangan dan telah terhakis sepenuhnya (jumlah kehilangan jisim) semasa ujian pengeboman pasir. Jelas daripada Rajah 11 bahawa sampel yang dirawat dengan biokomposisi AA kehilangan 83.5% daripada beratnya pada kadar aplikasi 2 l/m2 manakala semua sampel lain menunjukkan hakisan kurang daripada 30% semasa proses pengeboman pasir. Apabila kadar aplikasi ditingkatkan kepada 3 l/m2, semua sampel yang dirawat kehilangan kurang daripada 25% daripada beratnya. Pada kedua-dua kadar aplikasi, sebatian FS menunjukkan rintangan terbaik terhadap pengeboman pasir. Rintangan pengeboman maksimum dan minimum dalam sampel yang dirawat FS dan AA boleh dikaitkan dengan pemendakan CaCO3 maksimum dan minimumnya (Rajah 6f).
Keputusan pengeboman bukit pasir dengan komposisi yang berbeza pada kadar aliran 2 dan 3 l/m2 (anak panah menunjukkan arah angin, palang menunjukkan arah angin serenjang dengan satah lukisan).
Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 12, kandungan kalsium karbonat bagi semua formula meningkat apabila kadar aplikasi meningkat daripada 1 L/m² kepada 3 L/m². Di samping itu, pada semua kadar aplikasi, formula dengan kandungan kalsium karbonat tertinggi ialah FS, diikuti oleh FA dan UMC. Ini menunjukkan bahawa formula ini mungkin mempunyai rintangan permukaan yang lebih tinggi.
Rajah 13a menunjukkan perubahan rintangan permukaan sampel tanah yang tidak dirawat, kawalan dan dirawat yang diukur melalui ujian permeameter. Daripada rajah ini, jelas bahawa rintangan permukaan formulasi UMC, AS, FA dan FS meningkat dengan ketara dengan peningkatan kadar aplikasi. Walau bagaimanapun, peningkatan kekuatan permukaan adalah agak kecil dalam formulasi AA. Seperti yang ditunjukkan dalam rajah, formulasi FA dan FS bagi MICP yang tidak terdegradasi urea mempunyai kebolehtelapan permukaan yang lebih baik berbanding MICP yang terdegradasi urea. Rajah 13b menunjukkan perubahan dalam TDV dengan rintangan permukaan tanah. Daripada rajah ini, jelas bahawa bagi bukit pasir dengan rintangan permukaan lebih besar daripada 100 kPa, halaju pelucutan ambang akan melebihi 25 m/s. Memandangkan rintangan permukaan in situ boleh diukur dengan mudah menggunakan permeameter, pengetahuan ini dapat membantu menganggarkan TDV tanpa ujian terowong angin, sekali gus berfungsi sebagai penunjuk kawalan kualiti untuk aplikasi lapangan.
Keputusan SEM ditunjukkan dalam Rajah 14. Rajah 14a-b menunjukkan zarah yang diperbesarkan daripada sampel tanah yang tidak dirawat, yang jelas menunjukkan bahawa ia adalah kohesif dan tiada ikatan atau penyimenan semula jadi. Rajah 14c menunjukkan mikrograf SEM bagi sampel kawalan yang dirawat dengan MICP terdegradasi urea. Imej ini menunjukkan kehadiran CaCO3 mendak sebagai polimorf kalsit. Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 14d-o, CaCO3 yang mendak mengikat zarah-zarah tersebut bersama-sama; kristal vaterit sfera juga boleh dikenal pasti dalam mikrograf SEM. Keputusan kajian ini dan kajian terdahulu menunjukkan bahawa ikatan CaCO3 yang terbentuk sebagai polimorf vaterit juga boleh memberikan kekuatan mekanikal yang munasabah; keputusan kami menunjukkan bahawa rintangan permukaan meningkat kepada 350 kPa dan halaju pemisahan ambang meningkat daripada 4.32 kepada lebih daripada 25 m/s. Keputusan ini selaras dengan keputusan kajian terdahulu bahawa matriks CaCO3 yang dimendakkan MICP adalah vaterit, yang mempunyai kekuatan mekanikal dan rintangan hakisan angin yang munasabah13,40 dan boleh mengekalkan rintangan hakisan angin yang munasabah walaupun selepas 180 hari terdedah kepada keadaan persekitaran lapangan13.
(a, b) Mikrograf SEM tanah yang tidak dirawat, (c) Kawalan degradasi urea MICP, (df) sampel yang dirawat AA, (gi) sampel yang dirawat AS, (jl) sampel yang dirawat FA, dan (mo) sampel yang dirawat FS pada kadar aplikasi 3 L/m2 pada pembesaran yang berbeza.
Rajah 14d-f menunjukkan bahawa selepas rawatan dengan sebatian AA, kalsium karbonat telah termendak di permukaan dan di antara butiran pasir, manakala beberapa butiran pasir yang tidak bersalut juga diperhatikan. Bagi komponen AS, walaupun jumlah CaCO3 yang terbentuk tidak meningkat dengan ketara (Rajah 6f), jumlah sentuhan antara butiran pasir yang disebabkan oleh CaCO3 meningkat dengan ketara berbanding sebatian AA (Rajah 14g-i).
Daripada Rajah 14j-l dan 14m-o, jelas bahawa penggunaan kalsium format sebagai sumber kalsium membawa kepada peningkatan selanjutnya dalam pemendakan CaCO3 berbanding sebatian AS, yang selaras dengan ukuran meter kalsium dalam Rajah 6f. CaCO3 tambahan ini nampaknya termendap terutamanya pada zarah pasir dan tidak semestinya meningkatkan kualiti sentuhan. Ini mengesahkan tingkah laku yang diperhatikan sebelum ini: walaupun terdapat perbezaan dalam jumlah pemendakan CaCO3 (Rajah 6f), ketiga-tiga formulasi (AS, FA dan FS) tidak berbeza dengan ketara dari segi prestasi anti-eolian (angin) (Rajah 11) dan rintangan permukaan (Rajah 13a).
Untuk menggambarkan sel bakteria bersalut CaCO3 dengan lebih baik dan jejak bakteria pada kristal yang termendak, mikrograf SEM pembesaran tinggi telah diambil dan hasilnya ditunjukkan dalam Rajah 15. Seperti yang ditunjukkan, kalsium karbonat termendak pada sel bakteria dan menyediakan nukleus yang diperlukan untuk pemendakan di sana. Rajah tersebut juga menggambarkan ikatan aktif dan tidak aktif yang disebabkan oleh CaCO3. Dapat disimpulkan bahawa sebarang peningkatan ikatan tidak aktif tidak semestinya membawa kepada peningkatan selanjutnya dalam tingkah laku mekanikal. Oleh itu, peningkatan pemendakan CaCO3 tidak semestinya membawa kepada kekuatan mekanikal yang lebih tinggi dan corak pemendakan memainkan peranan penting. Perkara ini juga telah dikaji dalam karya Terzis dan Laloui72 dan Soghi dan Al-Kabani45,73. Untuk meneroka lebih lanjut hubungan antara corak pemendakan dan kekuatan mekanikal, kajian MICP menggunakan pengimejan µCT disyorkan, yang berada di luar skop kajian ini (iaitu, memperkenalkan kombinasi sumber kalsium dan bakteria yang berbeza untuk MICP bebas ammonia).
CaCO3 telah mendorong ikatan aktif dan tidak aktif dalam sampel yang dirawat dengan (a) komposisi AS dan (b) komposisi FS dan meninggalkan kesan sel bakteria pada sedimen.
Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 14j-o dan 15b, terdapat filem CaCO (mengikut analisis EDX, peratusan komposisi setiap unsur dalam filem tersebut ialah karbon 11%, oksigen 46.62% dan kalsium 42.39%, yang sangat hampir dengan peratusan CaCO dalam Rajah 16). Filem ini meliputi kristal vaterit dan zarah tanah, membantu mengekalkan integriti sistem tanah-sedimen. Kehadiran filem ini hanya diperhatikan dalam sampel yang dirawat dengan formulasi berasaskan format.
Jadual 2 membandingkan kekuatan permukaan, halaju ambang detasmen, dan kandungan CaCO3 teraruh bio bagi tanah yang dirawat dengan laluan MICP penguraian urea dan bukan penguraian urea dalam kajian terdahulu dan kajian ini. Kajian mengenai rintangan hakisan angin bagi sampel bukit pasir yang dirawat MICP adalah terhad. Meng et al. mengkaji rintangan hakisan angin bagi sampel bukit pasir penguraian urea yang dirawat MICP menggunakan peniup daun,13 manakala dalam kajian ini, sampel bukit pasir yang tidak mengurai urea (serta kawalan penguraian urea) telah diuji dalam terowong angin dan dirawat dengan empat kombinasi bakteria dan bahan yang berbeza.
Seperti yang dapat dilihat, beberapa kajian terdahulu telah mempertimbangkan kadar aplikasi yang tinggi melebihi 4 L/m213,41,74. Perlu diingatkan bahawa kadar aplikasi yang tinggi mungkin tidak mudah diaplikasikan di lapangan dari sudut pandangan ekonomi disebabkan oleh kos yang berkaitan dengan bekalan air, pengangkutan dan penggunaan isipadu air yang besar. Kadar aplikasi yang lebih rendah seperti 1.62-2 L/m2 juga mencapai kekuatan permukaan yang agak baik sehingga 190 kPa dan TDV melebihi 25 m/s. Dalam kajian ini, bukit pasir yang dirawat dengan MICP berasaskan format tanpa degradasi urea mencapai kekuatan permukaan yang tinggi yang setanding dengan yang diperoleh dengan laluan degradasi urea dalam julat kadar aplikasi yang sama (iaitu, sampel yang dirawat dengan MICP berasaskan format tanpa degradasi urea juga dapat mencapai julat nilai kekuatan permukaan yang sama seperti yang dilaporkan oleh Meng et al., 13, Rajah 13a) pada kadar aplikasi yang lebih tinggi. Ia juga dapat dilihat bahawa pada kadar aplikasi 2 L/m2, hasil kalsium karbonat untuk mitigasi hakisan angin pada kelajuan angin 25 m/s adalah 2.25% untuk MICP berasaskan format tanpa degradasi urea, yang sangat hampir dengan jumlah CaCO3 yang diperlukan (iaitu 2.41%) berbanding bukit pasir yang dirawat dengan MICP kawalan dengan degradasi urea pada kadar aplikasi yang sama dan kelajuan angin yang sama (25 m/s).
Oleh itu, dapat disimpulkan dari jadual ini bahawa kedua-dua laluan degradasi urea dan laluan degradasi bebas urea dapat memberikan prestasi yang agak boleh diterima dari segi rintangan permukaan dan TDV. Perbezaan utamanya ialah laluan degradasi bebas urea tidak mengandungi ammonia dan oleh itu mempunyai impak alam sekitar yang lebih rendah. Di samping itu, kaedah MICP berasaskan format tanpa degradasi urea yang dicadangkan dalam kajian ini nampaknya berfungsi lebih baik daripada kaedah MICP berasaskan asetat tanpa degradasi urea. Walaupun Mohebbi et al. mengkaji kaedah MICP berasaskan asetat tanpa degradasi urea, kajian mereka merangkumi sampel pada permukaan rata9. Disebabkan oleh tahap hakisan yang lebih tinggi yang disebabkan oleh pembentukan pusaran di sekitar sampel bukit pasir dan ricih yang terhasil, yang mengakibatkan TDV yang lebih rendah, hakisan angin sampel bukit pasir dijangka lebih jelas daripada permukaan rata pada kelajuan yang sama.