nature.com сайтына кергәнегез өчен рәхмәт. Сез куллана торган браузер версиясендә CSS ярдәме чикләнгән. Иң яхшы тәҗрибә өчен, без сезгә браузерның соңгы версиясен кулланырга киңәш итәбез (яки Internet Explorer'да туры килүчәнлек режимын сүндерегез). Моннан тыш, даими ярдәм күрсәтү өчен, бу сайтта стильләр яки JavaScript булмаячак.
Тузан давыллары дөньяның күп илләре өчен авыл хуҗалыгына, кеше сәламәтлегенә, транспорт челтәрләренә һәм инфраструктурага җимергеч йогынтысы аркасында җитди куркыныч тудыра. Нәтиҗәдә, җил эрозиясе глобаль проблема дип санала. Җил эрозиясен чикләүнең экологик яктан чиста ысулларының берсе - микроблар тарафыннан индукцияләнгән карбонат явым-төшемнәре (MICP) куллану. Ләкин, карбамид деградациясенә нигезләнгән MICPның өстәмә продуктлары, мәсәлән, аммиак, күп күләмдә җитештерелгәндә идеаль түгел. Бу тикшеренүдә карбамид җитештермичә MICP деградациясе өчен кальций форматы бактерияләренең ике формуласы тәкъдим ителә һәм аларның эшчәнлеген аммиак җитештермәүче кальций ацетаты бактерияләренең ике формуласы белән комплекслы чагыштыра. Каралган бактерияләр - Bacillus subtilis һәм Bacillus amyloliquefaciens. Башта CaCO3 барлыкка килүен контрольдә тотучы факторларның оптимальләштерелгән кыйммәтләре билгеләнде. Аннары оптимальләштерелгән формулалар белән эшкәртелгән ком калкулыклары үрнәкләрендә җил туннеле сынаулары үткәрелде, җил эрозиясенә каршы торучанлык, чистарту бусагасы тизлеге һәм ком бомбасына каршы торучанлык үлчәнде. Кальций карбонаты (CaCO3) алломорфлары оптик микроскопия, сканерлаучы электрон микроскопиясе (SEM) һәм рентген дифракциясе анализы ярдәмендә бәяләнде. Кальций форматы нигезендәге формулалар кальций карбонаты барлыкка килү ягыннан ацетат нигезендәге формулаларга караганда күпкә яхшырак нәтиҗәләр күрсәтте. Моннан тыш, B. subtilis B. amyloliquefaciensка караганда күбрәк кальций карбонаты җитештерде. SEM микрографлары седиментация нәтиҗәсендә кальций карбонатына актив һәм актив булмаган бактерияләрнең бәйләнүен һәм басылуын ачык күрсәтте. Барлык формулалар да җил эрозиясен сизелерлек киметте.
Җил эрозиясе күптән инде АКШның көньяк-көнбатыш өлеше, Кытайның көнбатыш өлеше, Сахара Африкасы һәм Якын Көнчыгышның күп өлеше кебек коры һәм ярым коры төбәкләр алдында торган төп проблема буларак танылган1. Коры һәм гиперкоры климатта явым-төшемнең аз булуы бу төбәкләрнең зур өлешен чүлләргә, ком калкулыкларына һәм эшкәртелмәгән җирләргә әйләндерде. Җил эрозиясенең дәвам итүе транспорт челтәрләре, авыл хуҗалыгы җирләре һәм сәнәгать җирләре кебек инфраструктура өчен экологик куркыныч тудыра, бу исә бу төбәкләрдә начар яшәү шартларына һәм шәһәр төзелешенең югары чыгымнарына китерә2,3,4. Иң мөһиме, җил эрозиясе аның барлыкка килү урынына гына түгел, ә ерак җәмгыятьләрдә сәламәтлек һәм икътисади проблемалар тудыра, чөнки ул кисәкчәләрне җил белән чыганактан ерак районнарга ташый5,6.
Җил эрозиясен контрольдә тоту глобаль проблема булып кала. Җил эрозиясен контрольдә тоту өчен туфракны тотрыклыландыруның төрле ысуллары кулланыла. Бу ысулларга су куллану7, май мульчалары8, биополимерлар5, микроблар тарафыннан индукцияләнгән карбонат явым-төшемнәре (MICP)9,10,11,12 һәм ферментлар тарафыннан индукцияләнгән карбонат явым-төшемнәре (EICP)1 кебек материаллар керә. Туфракны дымландыру - кырда тузанны бастыруның стандарт ысулы. Ләкин аның тиз парга әйләнүе бу ысулның коры һәм ярым коры төбәкләрдә нәтиҗәлелеген чикли1. Май мульчалау кушылмаларын куллану комның берләшүен һәм кисәкчәләр арасындагы ышкылуны арттыра. Аларның берләшү үзенчәлеге ком бөртекләрен бер-берсенә бәйли; шулай да, май мульчалары башка проблемалар да тудыра; аларның караңгы төсе җылылык сеңүен арттыра һәм үсемлекләр һәм микроорганизмнарның үлеменә китерә. Аларның исе һәм парлары сулыш алу проблемаларына китерергә мөмкин, һәм иң мөһиме, аларның югары бәясе тагын бер киртә. Биополимерлер - җил эрозиясен киметү өчен күптән түгел тәкъдим ителгән экологик яктан чиста ысулларның берсе; алар үсемлекләр, хайваннар һәм бактерияләр кебек табигый чыганаклардан алына. Ксантан сагызы, гуар сагызы, хитозан һәм геллан сагызы - инженерлык кушымталарында иң еш кулланыла торган биополимерлар5. Шулай да, суда эри торган биополимерлар суга дучар булганда ныклыгын югалтырга һәм туфрактан агып чыгарга мөмкин13,14. EICP төрле кушымталар, шул исәптән асфальтланмаган юллар, калдыклар җыю урыннары һәм төзелеш мәйданчыклары өчен тузанны бастыруның нәтиҗәле ысулы булып тора. Нәтиҗәләре өметләндерерлек булса да, кайбер потенциаль кимчелекләрне исәпкә алырга кирәк, мәсәлән, бәя һәм нуклеация урыннары булмау (бу CaCO3 кристалларының формалашуын һәм утыруын тизләтә15,16).
MICP беренче тапкыр XIX гасыр ахырында Мюррей һәм Ирвин (1890) һәм Штайнманн (1901) тарафыннан диңгез микроорганизмнары тарафыннан мочевина деградациясен өйрәнүләрендә тасвирланган17. MICP - төрле микроб активлыкларын һәм химик процессларны үз эченә алган табигый биологик процесс, анда кальций карбонаты микроб метаболитларыннан карбонат ионнарының әйләнә-тирә мохиттәге кальций ионнары белән реакциясе нәтиҗәсендә чөкмәгә әйләнә18,19. Мочевинаны деградацияләүче азот циклын (мочевинаны деградацияләүче MICP) үз эченә алган MICP - микроблар тарафыннан индукцияләнгән карбонат чөкмәсенең иң еш очрый торган төре, анда бактерияләр тарафыннан җитештерелгән уреаза мочевинаның гидролизын катализлый20,21,22,23,24,25,26,27 түбәндәгечә:
Органик тоз оксидлашуының углерод циклын үз эченә алган MICPда (мочевина деградациясе булмаган MICP), гетеротроф бактерияләр карбонат минералларын җитештерү өчен энергия чыганаклары буларак ацетат, лактат, цитрат, сукцинат, оксалат, малат һәм глиоксилат кебек органик тозларны кулланалар28. Углерод чыганагы буларак кальций лактаты һәм кальций ионнары булганда, кальций карбонаты барлыкка килүнең химик реакциясе (5) тигезләмәдә күрсәтелгән.
MICP процессында бактерия күзәнәкләре кальций карбонатын чөктерү өчен аеруча мөһим булган нуклеация урыннарын тәэмин итә; бактерия күзәнәк өслеге тискәре зарядлы һәм кальций ионнары кебек ике валентлы катионнар өчен адсорбент булып хезмәт итә ала. Кальций ионнарын бактерия күзәнәкләренә адсорбцияләү юлы белән, карбонат ионнары концентрациясе җитәрлек булганда, кальций катионнары һәм карбонат анионнары реакциягә керә һәм кальций карбонаты бактерия өслегенә чөкмәгә эләгә29,30. Процессны түбәндәгечә кыскача күрсәтергә мөмкин31,32:
Биогенерацияләнгән кальций карбонаты кристалларын өч төргә бүлеп була: кальцит, ватерит һәм арагонит. Алар арасында кальцит һәм ватерит бактерияләр тарафыннан иң еш очрый торган кальций карбонаты алломорфлары33,34. Кальцит - термодинамик яктан иң тотрыклы кальций карбонаты алломорфы35. Ватеритның метастабиль булуы турында хәбәр ителсә дә, ул ахыр чиктә кальцитка әйләнә36,37. Ватерит - бу кристалларның иң тыгызы. Ул алты почмаклы кристалл, зуррак зурлыгы аркасында башка кальций карбонаты кристалларына караганда тишекләрне тутыру сәләте яхшырак38. Мочевина белән таркалган һәм мочевина белән таркалмаган MICP ватеритның утыруына китерергә мөмкин13,39,40,41.
MICP проблемалы туфракларны һәм җил эрозиясенә бирешүчән туфракларны тотрыклыландыруда өметле потенциал күрсәтсә дә42,43,44,45,46,47,48, карбамид гидролизының өстәмә продуктларының берсе - аммиак, ул тәэсир итү дәрәҗәсенә карап җиңел яки җитди сәламәтлек проблемаларына китерергә мөмкин49. Бу ян эффект бу конкрет технологияне куллануны бәхәсле итә, бигрәк тә зур мәйданнарны эшкәртергә кирәк булганда, мәсәлән, тузанны бастыру өчен. Моннан тыш, процесс югары куллану тизлегендә һәм зур күләмдә башкарылганда аммиак исе түзеп булмый, бу аның гамәли кулланылышына тәэсир итәргә мөмкин. Соңгы тикшеренүләр аммоний ионнарын струвит кебек башка продуктларга әйләндерү юлы белән киметергә мөмкин булуын күрсәтсә дә, бу ысуллар аммоний ионнарын тулысынча бетерми50. Шуңа күрә, аммоний ионнарын барлыкка китермәгән альтернатив чишелешләрне эзләү кирәк. MICP өчен карбамид булмаган деградация юлларын куллану җил эрозиясен киметү контекстында аз өйрәнелгән потенциаль чишелеш тәкъдим итә ала. Фаттахи һ.б. кальций ацетаты һәм Bacillus megaterium41 кулланып, карбамидсыз MICP таркалуын тикшерделәр, ә Mohebbi һ.б. кальций ацетаты һәм Bacillus amyloliquefaciens9 кулландылар. Ләкин аларның тикшеренүе җил эрозиясенә каршы торучанлыкны яхшырта алырлык башка кальций чыганаклары һәм гетеротрофик бактерияләр белән чагыштырылмаган. Шулай ук ​​җил эрозиясен киметүдә карбамидсыз таркалу юлларын карбамид таркалу юллары белән чагыштыручы әдәбият җитми.
Моннан тыш, җил эрозиясе һәм тузанны контрольдә тоту буенча күпчелек тикшеренүләр тигез өслекле туфрак үрнәкләрендә үткәрелде.1,51,52,53 Шулай да, тигез өслекләр табигатьтә калкулыклар һәм чокырларга караганда сирәгрәк очрый. Шуңа күрә ком калкулыклары чүл төбәкләрендә иң еш очрый торган ландшафт үзенчәлеге булып тора.
Югарыда телгә алынган җитешсезлекләрне бетерү өчен, бу тикшеренү аммиак җитештермәүче бактерия агентларының яңа җыелмасын кертүне максат итеп куйды. Моның өчен без мочевинаны таркатмаучы MICP юлларын карадык. Ике кальций чыганагының (кальций форматы һәм кальций ацетаты) нәтиҗәлелеге тикшерелде. Авторларның белемнәре буенча, ике кальций чыганагы һәм бактерияләр комбинациясен (мәсәлән, кальций форматы-Bacillus subtilis һәм кальций форматы-Bacillus amyloliquefaciens) кулланып карбонат чөкмәсе алдагы тикшеренүләрдә тикшерелмәгән иде. Бу бактерияләрне сайлау алар җитештергән ферментларга нигезләнгән, алар кальций форматы һәм кальций ацетатының оксидлашуын катализлый һәм микроб карбонаты чөкмәсен барлыкка китерә. Без pH, бактерия төрләре һәм кальций чыганаклары һәм аларның концентрацияләре, бактерияләрнең кальций чыганагы эремәсенә нисбәте һәм катыру вакыты кебек оптималь факторларны табу өчен җентекле эксперименталь тикшеренү эшләдек. Ниһаять, кальций карбонаты явымы аша җил эрозиясен бастыруда бу бактериаль агентлар җыелмасының нәтиҗәлелеге ком калкулыкларында җил эрозиясенең зурлыгын, комның бүленеп чыгу тизлеген һәм җил бомбасына каршы торучанлыгын билгеләү өчен берничә җил туннеле сынаулары үткәрелеп тикшерелде, шулай ук ​​пенетрометр үлчәүләре һәм микроструктур тикшеренүләр (мәсәлән, рентген дифракциясе (XRD) анализы һәм сканерлаучы электрон микроскопиясе (SEM)) үткәрелде.
Кальций карбонаты җитештерү өчен кальций ионнары һәм карбонат ионнары кирәк. Кальций ионнарын төрле кальций чыганакларыннан, мәсәлән, кальций хлориды, кальций гидроксиды һәм майсыз сөт корысыннан алырга мөмкин54,55. Карбонат ионнарын төрле микроб ысуллары белән, мәсәлән, мочевина гидролизы һәм органик матдәләрнең аэроб яки анаэроб оксидлашуы56 белән алырга мөмкин. Бу тикшеренүдә карбонат ионнары формат һәм ацетатның оксидлашу реакциясеннән алынды. Моннан тыш, без саф кальций карбонатын алу өчен формат һәм ацетатның кальций тозларын кулландык, шулай итеп, өстәмә продуктлар буларак бары тик CO2 һәм H2O гына алынды. Бу процесста кальций чыганагы һәм карбонат чыганагы булып бары тик бер матдә генә хезмәт итә, һәм аммиак җитештерелми. Бу үзенчәлекләр без уйлаган кальций чыганагы һәм карбонат җитештерү ысулын бик өметле итә.
Кальций форматы һәм кальций ацетатының кальций карбонаты барлыкка китерү реакцияләре (7)-(14) формулаларында күрсәтелгән. (7)-(11) формулалары кальций форматының суда эрүе һәм формик кислота яки формат барлыкка китерүен күрсәтә. Шулай итеп, эремә ирекле кальций һәм гидроксид ионнары чыганагы булып тора (8 һәм 9 формулалар). Формик кислотасының оксидлашуы нәтиҗәсендә, формик кислотасындагы углерод атомнары углерод диоксидына әйләнә (10 формула). Кальций карбонаты ахыр чиктә барлыкка килә (11 һәм 12 формулалар).
Шулай ук, кальций карбонаты кальций ацетатыннан барлыкка килә (13–15 тигезләмәләр), ләкин кысла кислотасы урынына сиркә кислотасы яки ацетат барлыкка килә.
Ферментлар булмаганда, ацетат һәм формат бүлмә температурасында оксидлашып булмый. FDH (форматдегидрогеназа) һәм CoA (коэнзим А) формат һәм ацетатның оксидлашуын катализлый һәм углерод диоксидын барлыкка китерә (тигезләмәләр 16, 17) 57, 58, 59. Төрле бактерияләр бу ферментларны җитештерә ала, һәм бу тикшеренүдә гетеротрофик бактерияләр, атап әйткәндә, Bacillus subtilis (PTCC #1204 (Фарсы тибындагы культура коллекциясе), шулай ук ​​NCIMB #13061 (Бактерияләр, чүпрә, фаг, плазмидалар, үсемлек орлыклары һәм үсемлек күзәнәк тукымалары культураларының халыкара коллекциясе)) һәм Bacillus amyloliquefaciens (PTCC #1732, NCIMB #12077) кулланылды. Бу бактерияләр ит пептоны (5 г/л) һәм ит экстракты (3 г/л) булган мохиттә, туклыклы шулпа (NBR) дип атала (105443 Merck).
Шулай итеп, ике кальций чыганагы һәм ике бактерия кулланып, кальций карбонаты утырмасын китереп чыгару өчен дүрт формула әзерләнде: кальций форматы һәм Bacillus subtilis (FS), кальций форматы һәм Bacillus amyloliquefaciens (FA), кальций ацетаты һәм Bacillus subtilis (AS), һәм кальций ацетаты һәм Bacillus amyloliquefaciens (AA).
Эксперименталь проектның беренче өлешендә кальций карбонаты җитештерүне максимальләштерә торган оптималь комбинацияне билгеләү өчен сынаулар үткәрелде. Туфрак үрнәкләрендә кальций карбонаты булганлыктан, төрле комбинацияләр белән җитештерелгән CaCO3 ны төгәл үлчәү өчен алдан бәяләү сынаулары җыелмасы эшләнде, һәм культура мохите һәм кальций чыганагы эремәләренең катнашмалары бәяләнде. Кальций чыганагы һәм бактерия эремәсенең югарыда билгеләнгән һәр комбинациясе өчен (FS, FA, AS һәм AA) оптимальләштерү факторлары (кальций чыганагы концентрациясе, катыру вакыты, эремәнең оптик тыгызлыгы (OD) белән үлчәнгән бактерия эремәсенең концентрациясе, кальций чыганагының бактерия эремәсенә нисбәте һәм рН) алынды һәм түбәндәге бүлекләрдә тасвирланган ком калкулыкларын эшкәртү җил туннеле сынауларында кулланылды.
Һәрбер комбинация өчен CaCO3 утырту йогынтысын өйрәнү һәм төрле факторларны, атап әйткәндә, кальций чыганагы концентрациясен, катыру вакытын, бактерияләрнең OD кыйммәтен, кальций чыганагының бактерия эремәсенә нисбәтен һәм органик матдәләрнең аэроб оксидлашуы вакытында рНны бәяләү өчен 150 эксперимент үткәрелде (1 нче таблица). Оптимальләштерелгән процесс өчен рН диапазоны тизрәк үсеш алу өчен Bacillus subtilis һәм Bacillus amyloliquefaciens үсеш кәкреләренә нигезләнеп сайланды. Бу Нәтиҗәләр бүлегендә тулырак аңлатыла.
Оптимальләштерү фазасына үрнәкләрне әзерләү өчен түбәндәге адымнар кулланылды. MICP эремәсе башта культура мохитенең башлангыч рН дәрәҗәсен көйләү юлы белән әзерләнде, аннары 121 °C температурада 15 минут автоклавланды. Аннары штамм ламинар һава агымына кертелде һәм 30 °C температурада һәм 180 әйләнү/мин температурада селкетү инкубаторында тотылды. Бактерияләрнең OD кирәкле дәрәҗәгә җиткәч, ул кальций чыганагы эремәсе белән кирәкле пропорциядә кушылды (1a рәсем). MICP эремәсе максатчан кыйммәткә җиткән вакыт эчендә 220 әйләнү/мин һәм 30 °C температурада селкетү инкубаторында реакциягә кертелде һәм катыланды. Чөкмәгә кергән CaCO3 6000 г температурада 5 минут центрифугалаганнан соң аерылды, аннары үрнәкләрне кальциметр сынауы өчен әзерләү өчен 40 °C температурада киптерелде (1b рәсем). Аннары CaCO3 чүп-чарлары Бернард кальциметры ярдәмендә үлчәнде, анда CaCO3 порошогы 1,0 N HCl (ASTM-D4373-02) белән реакциягә кереп, CO2 барлыкка китерә, һәм бу газның күләме CaCO3 күләменең үлчәме булып тора (1c рәсем). CO2 күләмен CaCO3 күләменә әйләндерү өчен, саф CaCO3 порошогын 1 N HCl белән юу һәм аны бүленеп чыккан CO2 белән чагыштыру юлы белән калибрлау кәкресе булдырылды. Чөкмәгә эләккән CaCO3 порошогының морфологиясе һәм сафлыгы SEM сурәтләү һәм рентген анализы ярдәмендә тикшерелде. Бактерияләр тирәсендә кальций карбонаты барлыкка килүен, барлыкка килгән кальций карбонаты фазасын һәм бактерияләрнең активлыгын өйрәнү өчен 1000 зурлыктагы оптик микроскоп кулланылды.
Дежег бассейны - Иранның көньяк-көнбатыш Фарс провинциясендәге танылган, югары дәрәҗәдә эрозиягә дучар булган төбәк, һәм тикшеренүчеләр бу төбәктән җил эрозиясенә дучар булган туфрак үрнәкләрен җыйдылар. Үрнәкләр тикшеренү өчен туфрак өслегеннән алынды. Туфрак үрнәкләрендәге индикатор сынаулары туфракның начар сортланган комлы туфрак булуын һәм Бердәм Туфрак Классификациясе Системасы (USC) буенча SP-SM дип классификацияләнгәнен күрсәтте (2a рәсем). Рентген рентгенографиясе анализы Дежег туфрагының нигездә кальцит һәм кварцтан торганлыгын күрсәтте (2b рәсем). Моннан тыш, EDX анализы Al, K һәм Fe кебек башка элементларның да кечерәк күләмдә булуын күрсәтте.
Лаборатория ком калкулыкларын җил эрозиясен тикшерү өчен әзерләү өчен, туфрак 170 мм биеклектән 10 мм диаметрлы воронка аша каты өслеккә кадәр вакланган, нәтиҗәдә биеклеге 60 мм һәм диаметры 210 мм булган типик ком калкулыгы барлыкка килгән. Табигатьтә иң түбән тыгызлыктагы ком калкулыклары эол процесслары белән барлыкка килә. Шулай ук, югарыдагы процедура ярдәмендә әзерләнгән үрнәкнең чагыштырмача тыгызлыгы иң түбән булган, γ = 14,14 кН/м³, ул ​​якынча 29,7° лы горизонталь өслектә утырган ком конусын барлыкка китергән.
Алдагы бүлектә алынган оптималь MICP эремәсе ком кырыена 1, 2 һәм 3 лм-2 куллану тизлегендә сиптерелде, аннары үрнәкләр 30 °C температурада (3 нче рәсем) инкубаторда 9 көн сакланды (ягъни оптималь катыру вакыты) һәм аннары җил туннелен сынау өчен чыгарылды.
Һәр эшкәртү өчен дүрт үрнәк әзерләнде, берсе кальций карбонаты микъдарын һәм өслек ныклыгын пенетрометр ярдәмендә үлчәү өчен, ә калган өч үрнәк өч төрле тизлектә эрозия сынаулары өчен кулланылды. Җил туннеле сынауларында эрозия күләме төрле җил тизлегендә билгеләнде, аннары һәр эшкәртү үрнәге өчен чик аерылу тизлеге эрозия күләменең җил тизлегенә карата график ярдәмендә билгеләнде. Җил эрозиясе сынауларыннан тыш, эшкәртелгән үрнәкләр ком бомбасына (ягъни сикерү экспериментларына) дучар ителде. Моның өчен 2 һәм 3 л м−2 куллану тизлегендә тагын ике үрнәк әзерләнде. Ком бомбасына сынау 15 минут дәвам итте, 120 гм−1 агым белән, бу алдагы тикшеренүләрдә сайланган кыйммәтләр диапазонында60,61,62. Абразив сопло белән ком төбе арасындагы горизонталь ара 800 мм иде, ул туннель төбеннән 100 мм югарырак урнашкан иде. Бу позиция барлык сикерүче ком кисәкчәләре диярлек ком төбенә төшәрлек итеп урнаштырылган.
Аэродинамика тоннелен сынау озынлыгы 8 м, киңлеге 0,4 м һәм биеклеге 1 м булган ачык аэродинамика тоннелендә үткәрелде (4а рәсем). Аэродинамика тоннеле гальванизацияләнгән корыч битләрдән эшләнгән һәм 25 м/с кадәр җил тизлеген булдыра ала. Моннан тыш, җилләткеч ешлыгын көйләү һәм максатчан җил тизлеген алу өчен ешлыкны әкренләп арттыру өчен ешлык үзгәрткече кулланыла. 4б рәсемдә җил белән эрозияләнгән ком калкулыкларының схемасы һәм аэродинамика тоннелендә үлчәнгән җил тизлеге профиле күрсәтелгән.
Ниһаять, бу тикшеренүдә тәкъдим ителгән уреалитик булмаган MICP формуласы нәтиҗәләрен уреалитик MICP контроль тесты нәтиҗәләре белән чагыштыру өчен, ком дөмнәре үрнәкләре дә әзерләнде һәм мочевина, кальций хлориды һәм Sporosarcina pasteurii булган биологик эремә белән эшкәртелде (чөнки Sporosarcina pasteurii уреаза җитештерү сәләтенә ия63). Бактериаль эремәнең оптик тыгызлыгы 1,5 иде, ә мочевина һәм кальций хлориды концентрацияләре 1 М иде (алдагы тикшеренүләрдә тәкъдим ителгән кыйммәтләр нигезендә сайланды36,64,65). Культура мохите туклыклы матдәләр шулпасыннан (8 г/л) һәм мочевинадан (20 г/л) торды. Бактериаль эремә ком дөмнәре өслегенә сиптерелде һәм бактерияләрне беркетү өчен 24 сәгатькә калдырылды. 24 сәгать беркеткәннән соң, цементлаштыру эремәсе (кальций хлориды һәм мочевина) сиптерелде. Уреалитик MICP контроль тесты алга таба UMC дип атала. Уреалитик һәм уреалитик булмаган эшкәртелгән туфрак үрнәкләрендә кальций карбонаты күләме Чой һ.б. тарафыннан тәкъдим ителгән процедура буенча юу юлы белән алынган.66
5 нче рәсемдә башлангыч рН диапазоны 5 тән 10 га кадәр булган культура мохитендә (туклыклы эремә) Bacillus amyloliquefaciens һәм Bacillus subtilis үсеш сызыклары күрсәтелгән. Рәсемдә күрсәтелгәнчә, Bacillus amyloliquefaciens һәм Bacillus subtilis рН 6-8 һәм 7-9 булганда тизрәк үскән. Шуңа күрә бу рН диапазоны оптимизация этабында кулланылган.
Туклыклы мохитнең төрле башлангыч рН кыйммәтләрендә (а) Bacillus amyloliquefaciens һәм (b) Bacillus subtilis үсеш кәкреләре.
6 нчы рәсемдә Бернард лаймметрында барлыкка килгән углекислый газ күләме күрсәтелгән, ул утырма кальций карбонатын (CaCO3) күрсәтә. Һәр комбинациядә бер фактор фиксацияләнгән һәм башка факторлар төрле булганлыктан, бу графиклардагы һәр нокта бу тәҗрибәләр җыелмасындагы углекислый газның максималь күләменә туры килә. Рәсемдә күрсәтелгәнчә, кальций чыганагы концентрациясе арткан саен, кальций карбонаты җитештерү арткан. Шуңа күрә кальций чыганагы концентрациясе кальций карбонаты җитештерүгә турыдан-туры тәэсир итә. Кальций чыганагы һәм углерод чыганагы бер үк булганлыктан (ягъни, кальций форматы һәм кальций ацетаты), күбрәк кальций ионнары бүленеп чыккан саен, күбрәк кальций карбонаты барлыкка килә (6а рәсем). AS һәм AA формулаларында кальций карбонаты җитештерү катыру вакыты арту белән артуын дәвам иткән, 9 көннән соң утырма күләме диярлек үзгәрмәгәнче. FA формуласында катыру вакыты 6 көннән артып киткәч, кальций карбонаты барлыкка килү тизлеге кимегән. Башка формулалар белән чагыштырганда, FS формуласы 3 көннән соң чагыштырмача түбән кальций карбонаты барлыкка килү тизлеген күрсәткән (6б рәсем). FA һәм FS формулаларында кальций карбонаты җитештерүнең гомуми күләменең 70% һәм 87% өч көннән соң алынган, ә AA һәм AS формулаларында бу нисбәт якынча 46% һәм 45% тәшкил иткән. Бу, ацетат нигезендәге формула белән чагыштырганда, башлангыч этапта кубыз кислотасы нигезендәге формуланың CaCO3 формалашу тизлеге югарырак булуын күрсәтә. Ләкин, формалашу тизлеге катыру вакыты арткан саен әкренәя. 6c рәсеменнән шуны әйтергә мөмкин: хәтта OD1 дән югарырак бактерия концентрацияләрендә дә кальций карбонаты формалашуына зур өлеш керми.
Бернард кальциметры белән үлчәнгән CO2 күләменең үзгәреше (һәм аңа туры килә торган CaCO3 күләме) (а) кальций чыганагы концентрациясе, (б) кату вакыты, (в) OD, (г) башлангыч рН, (д) ​​кальций чыганагының бактерия эремәсенә нисбәте (һәр формула өчен); һәм (е) кальций чыганагы һәм бактерияләрнең һәр комбинациясе өчен җитештерелгән кальций карбонатының максималь күләме.
Мохитнең башлангыч pH йогынтысына килгәндә, 6d рәсемдә FA һәм FS өчен CaCO3 җитештерү pH 7 дә максималь кыйммәткә җиткәне күрсәтелгән. Бу күзәтү FDH ферментларының pH 7-6,7 дә иң тотрыклы булуы турындагы элеккеге тикшеренүләр белән туры килә. Ләкин, AA һәм AS өчен, pH 7 дән артып киткәч, CaCO3 утырмасы арткан. Элегрәк үткәрелгән тикшеренүләр шулай ук ​​CoA ферменты активлыгы өчен оптималь pH диапазоны 8 дән 9,2-6,8 гә кадәр булуын күрсәтте. CoA ферменты активлыгы һәм B. amyloliquefaciens үсеше өчен оптималь pH диапазоннары (8-9,2) һәм (6-8) булуын исәпкә алганда (5a рәсем), AA формуласының оптималь pHы 8 булыр дип көтелә, һәм ике pH диапазоны каплана. Бу факт, 6d рәсемдә күрсәтелгәнчә, экспериментлар белән расланган. B. subtilis үсеше өчен оптималь рН 7-9 булганлыктан (5b рәсем) һәм CoA ферменты активлыгы өчен оптималь рН 8-9,2 булганлыктан, CaCO3 явым-төшеменең максималь күләме 8-9 рН диапазонында булачак дип көтелә, бу 6d рәсем белән раслана (ягъни, явым-төшемнең оптималь рН 9). 6e рәсемдә күрсәтелгән нәтиҗәләр ацетат һәм формат эремәләре өчен кальций чыганагы эремәсенең бактерия эремәсенә оптималь нисбәте 1 булуын күрсәтә. Чагыштыру өчен, төрле формулаларның (мәсәлән, AA, AS, FA һәм FS) нәтиҗәлелеге төрле шартларда максималь CaCO3 җитештерү нигезендә бәяләнде (ягъни кальций чыганагы концентрациясе, катыру вакыты, OD, кальций чыганагының бактерия эремәсенә нисбәте һәм башлангыч рН). Өйрәнелгән формулалар арасында FS формуласы иң югары CaCO3 җитештерүенә ия булды, бу AA формуласыннан якынча өч тапкыр артык иде (6f рәсем). Ике кальций чыганагы өчен дә дүрт бактериясез контроль эксперимент үткәрелде һәм 30 көннән соң CaCO3 явым-төшеме күзәтелмәде.
Барлык формулаларның оптик микроскопия рәсемнәре күрсәткәнчә, ватерит кальций карбонаты барлыкка килгән төп фаза булган (7 нче рәсем). Ватерит кристаллары сферик формада булган69,70,71. Кальций карбонаты бактерия күзәнәкләренә утыра, чөнки бактерия күзәнәкләренең өслеге тискәре зарядлы булган һәм ике валентлы катионнар өчен адсорбент булып хезмәт итә алган. Бу тикшеренүдә FS формуласын мисал итеп алсак, 24 сәгатьтән соң кайбер бактерия күзәнәкләрендә кальций карбонаты барлыкка килә башлаган (7а рәсем), һәм 48 сәгатьтән соң кальций карбонаты белән капланган бактерия күзәнәкләре саны сизелерлек арткан. Моннан тыш, 7б рәсемдә күрсәтелгәнчә, ватерит кисәкчәләрен дә ачыкларга мөмкин. Ниһаять, 72 сәгатьтән соң күп санлы бактерияләр ватерит кристаллары белән бәйләнгән кебек тоелган, һәм ватерит кисәкчәләре саны сизелерлек арткан (7в рәсем).
FS составларында CaCO3 явым-төшеменең вакыт эчендә оптик микроскопия күзәтүләре: (а) 24, (б) 48 һәм (в) 72 сәгать.
Чөкмә фазасының морфологиясен алга таба тикшерү өчен, порошокларның рентген дифракциясе (XRD) һәм SEM анализлары үткәрелде. XRD спектрлары (8а рәсем) һәм SEM микрографлары (8б, в рәсем) ватерит кристалларының булуын раслады, чөнки алар салатсыман формада иде һәм ватерит чокырлары белән утырма чокырлары арасында туры килү күзәтелде.
(а) Хасил булган CaCO3 һәм ватеритның рентген дифракция спектрларын чагыштыру. (b) 1 кГц һәм (c) 5,27 кГц зурайтудагы ватеритның SEM микрографияләре.
Аэродинамика туннеле сынаулары нәтиҗәләре 9a, b рәсемнәрендә күрсәтелгән. 9a рәсеменнән күренгәнчә, эшкәртелмәгән комның эрозия бусагасы тизлеге (TDV) якынча 4,32 м/с тәшкил итә. 1 л/м² куллану тизлегендә (9a рәсем), FA, FS, AA һәм UMC фракцияләре өчен туфрак югалту тизлеге сызыкларының авышлыклары эшкәртелмәгән ком калкулыгы белән якынча бер үк. Бу куллану тизлегендә эшкәртүнең нәтиҗәсез булуын һәм җил тизлеге TDVдан арту белән, юка туфрак кабыгы юкка чыгуын һәм ком калкулыгы эрозиясе тизлеге эшкәртелмәгән ком калкулыгы белән бер үк булуын күрсәтә. AS фракциясенең эрозия авышлыгы да түбәнрәк абциссалы (ягъни TDV) башка фракцияләргә караганда түбәнрәк (9a рәсем). 9b рәсемендәге уклар 25 м/с максималь җил тизлегендә эшкәртелгән ком калкулыкларында 2 һәм 3 л/м² куллану тизлегендә эрозия булмавын күрсәтә. Икенче төрле әйткәндә, FS, FA, AS һәм UMC өчен, комлыклар CaCO³ утырмасыннан килеп чыккан җил эрозиясенә 2 һәм 3 л/м² куллану тизлегендә максималь җил тизлегенә (мәсәлән, 25 м/с) караганда күбрәк чыдам булган. Шулай итеп, бу сынауларда алынган 25 м/с TDV кыйммәте 9b рәсемдә күрсәтелгән куллану тизлекләре өчен түбән чик булып тора, AA очрагыннан тыш, анда TDV максималь җил туннеле тизлегенә диярлек тигез.
Җил эрозиясе тесты (а) Авырлык югалтуның җил тизлегенә карата чагыштырмасы (куллану тизлеге 1 л/м2), (б) Сыну тизлегенең чик чигенә карата куллану тизлегенә һәм формуласына карата чагыштырмасы (кальций ацетаты өчен CA, кальций форматы өчен CF).
10 нчы рәсемдә ком белән бомбага тоту сынавыннан соң төрле формулалар белән эшкәртелгән ком калкулыкларының өслек эрозиясе һәм куллану тизлеге күрсәтелгән, ә санлы нәтиҗәләр 11 нче рәсемдә күрсәтелгән. Эшкәртелмәгән очрак күрсәтелмәгән, чөнки ул каршылык күрсәтмәгән һәм ком белән бомбага тоту сынавы вакытында тулысынча эрозияләнгән (тулы масса югалту). 11 нче рәсемнән күренгәнчә, AA биокомпозициясы белән эшкәртелгән үрнәк 2 л/м2 куллану тизлегендә үз авырлыгының 83,5% югалткан, ә башка барлык үрнәкләр ком белән бомбага тоту процессында 30% тан кимрәк эрозия күрсәткән. Куллану тизлеге 3 л/м2 га кадәр арттырылганда, барлык эшкәртелгән үрнәкләр үз авырлыгының 25% тан кимрәк югалткан. Ике куллану тизлегендә дә FS кушылмасы ком белән бомбага тотуга иң яхшы каршылык күрсәткән. FS һәм AA белән эшкәртелгән үрнәкләрдәге максималь һәм минималь бомбага тотуга каршы торучанлыкны аларның максималь һәм минималь CaCO3 явым-төшеме белән бәйләргә мөмкин (6f рәсем).
2 һәм 3 л/м2 агым тизлегендә төрле составлы ком калкулыкларын бомбага тоту нәтиҗәләре (уклар җил юнәлешен, хачлар рәсем яссылыгына перпендикуляр җил юнәлешен күрсәтә).
12 нче рәсемдә күрсәтелгәнчә, куллану тизлеге 1 л/м² тан 3 л/м² ка кадәр арткан саен, барлык формулаларның кальций карбонаты күләме арткан. Моннан тыш, барлык куллану тизлекләрендә дә кальций карбонаты күләме иң югары булган формула FS булган, аннан соң FA һәм UMC килгән. Бу бу формулаларның өслек каршылыгы югарырак булырга мөмкин дигәнне аңлата.
13а рәсемдә пермеаметр белән үлчәнгән эшкәртелмәгән, контроль һәм эшкәртелгән туфрак үрнәкләренең өслек каршылыгы үзгәрүе күрсәтелгән. Бу рәсемнән күренгәнчә, UMC, AS, FA һәм FS формулаларының өслек каршылыгы куллану тизлеге арткан саен сизелерлек арткан. Ләкин, AA формуласында өслек ныклыгы артуы чагыштырмача аз булган. Рәсемдә күрсәтелгәнчә, мочевина белән таркалмаган MICPның FA һәм FS формулалары мочевина белән таркалган MICP белән чагыштырганда өслек үткәрүчәнлеге яхшырак. 13б рәсемдә туфрак өслеге каршылыгы белән TDV үзгәрүе күрсәтелгән. Бу рәсемнән күренгәнчә, өслек каршылыгы 100 кПа дан артык булган комнар өчен, чикләү тизлеге 25 м/с дан артып китәчәк. Урындагы өслек каршылыгын пермеаметр белән җиңел үлчәп булганлыктан, бу белем җил туннелен сынау булмаганда TDVны бәяләргә ярдәм итә ала, шуның белән кыр кушымталары өчен сыйфат контроле күрсәткече булып хезмәт итә.
SEM нәтиҗәләре 14 нче рәсемдә күрсәтелгән. 14a-b рәсемнәрендә эшкәртелмәгән туфрак үрнәгенең зурайган кисәкчәләре күрсәтелгән, бу аның бербөтен булуын һәм табигый бәйләнеш яки цементлашу булмавын ачык күрсәтә. 14c рәсемендә мочевина белән таркалган MICP белән эшкәртелгән контроль үрнәгенең SEM микрографиясе күрсәтелгән. Бу рәсемдә CaCO3 утырмаларының кальцит полиморфлары буларак булуы күрсәтелгән. 14d-o рәсемнәрендә күрсәтелгәнчә, утырмага эләккән CaCO3 кисәкчәләрне бер-берсенә бәйли; SEM микрографияләрендә сферик ватерит кристалларын да ачыкларга мөмкин. Бу тикшеренү һәм алдагы тикшеренүләр нәтиҗәләре ватерит полиморфлары буларак барлыкка килгән CaCO3 бәйләнешләренең дә механик ныклык бирә алуын күрсәтә; безнең нәтиҗәләр өслек каршылыгының 350 кПа га кадәр артуын һәм бусага аерылу тизлегенең 4,32 дән 25 м/с га кадәр артуын күрсәтә. Бу нәтиҗә MICP белән чөкмәләнгән CaCO3 матрицасы ватерит булуын күрсәтүче алдагы тикшеренүләр нәтиҗәләре белән туры килә, ул механик ныклыкка һәм җил эрозиясенә каршы торучанлыкка ия13,40 һәм кыр мохите шартларына 180 көн дучар булганнан соң да җил эрозиясенә каршы торучанлыкны саклый ала13.
(a, b) Эшкәртелмәгән туфракның SEM микрографияләре, (c) MICP мочевина деградациясен контрольдә тоту, (df) AA белән эшкәртелгән үрнәкләр, (gi) AS белән эшкәртелгән үрнәкләр, (jl) FA белән эшкәртелгән үрнәкләр һәм (mo) FS белән эшкәртелгән үрнәкләр төрле зурайтуларда 3 л/м2 куллану тизлегендә.
14d-f рәсемендә AA кушылмалары белән эшкәртелгәннән соң, өслектә һәм ком бөртекләре арасында кальций карбонаты утырмага эләккән, шул ук вакытта кайбер капланмаган ком бөртекләре дә күзәтелгән. AS компонентлары өчен, барлыкка килгән CaCO3 күләме сизелерлек артмаса да (6f рәсем), CaCO3 аркасында ком бөртекләре арасындагы контактлар күләме AA кушылмалары белән чагыштырганда сизелерлек арткан (14g-i рәсем).
14j-l һәм 14m-o рәсемнәреннән күренгәнчә, кальций форматын кальций чыганагы буларак куллану AS кушылмасы белән чагыштырганда CaCO3 утырмаларының тагын да артуына китерә, бу 6f рәсемендәге кальций үлчәү җайланмалары белән туры килә. Бу өстәмә CaCO3, нигездә, ком кисәкчәләренә утыра кебек һәм контакт сыйфатын яхшыртмый. Бу элек күзәтелгән тәртипне раслый: CaCO3 утырмалары күләмендәге аермаларга карамастан (6f рәсем), өч формула (AS, FA һәм FS) эолга каршы (җил) күрсәткечләре (11 рәсем) һәм өслеккә каршы торучанлык (13a рәсем) буенча сизелерлек аерылмый.
CaCO3 белән капланган бактерия күзәнәкләрен һәм утырма кристаллардагы бактерия эзен яхшырак күзаллау өчен, югары зурлыктагы SEM микрографияләре алынды һәм нәтиҗәләр 15 нче рәсемдә күрсәтелгән. Күрсәтелгәнчә, кальций карбонаты бактерия күзәнәкләренә утыра һәм андагы төшү өчен кирәкле төшләрне тәэмин итә. Рәсемдә шулай ук ​​CaCO3 тарафыннан индукцияләнгән актив һәм актив булмаган бәйләнешләр күрсәтелгән. Актив булмаган бәйләнешләрнең артуы механик тәртипнең тагын да яхшыруына китерми дигән нәтиҗә ясарга мөмкин. Шуңа күрә CaCO3 төшүен арттыру механик ныклыкның югарырак булуына китерми һәм төшү схемасы мөһим роль уйный. Бу нокта шулай ук ​​Терзис һәм Лалуи72, һәм Соги һәм Әл-Кабани45,73 хезмәтләрендә дә өйрәнелгән. Төшү схемасы һәм механик ныклык арасындагы бәйләнешне тагын да тирәнрәк өйрәнү өчен, µCT сурәтләү ысулын кулланып MICP тикшеренүләре тәкъдим ителә, бу тикшеренүнең чикләреннән чыга (ягъни, аммиаксыз MICP өчен кальций чыганагы һәм бактерияләрнең төрле комбинацияләрен кертү).
CaCO3 (а) AS һәм (б) FS составы белән эшкәртелгән үрнәкләрдә актив һәм актив булмаган бәйләнешләр барлыкка китергән һәм утырмада бактерия күзәнәкләре эзе калдырган.
14j-o һәм 15b рәсемнәрендә күрсәтелгәнчә, CaCO пленкасы бар (EDX анализы буенча, пленкадагы һәр элементның процент составы 11% углерод, 46,62% кислород һәм 42,39% кальций тәшкил итә, бу 16 нчы рәсемдәге CaCO процентына бик якын). Бу пленка ватерит кристалларын һәм туфрак кисәкчәләрен каплап ала, туфрак-утырма системасының бөтенлеген сакларга ярдәм итә. Бу пленканың булуы формат нигезендәге формула белән эшкәртелгән үрнәкләрдә генә күзәтелде.
2 нче таблицада алдагы тикшеренүләрдә һәм бу тикшеренүдә мочевинаны таркатучы һәм мочевинаны таркатмаучы MICP юллары белән эшкәртелгән туфракның өслек ныклыгы, бусага аерылу тизлеге һәм биологик яктан индукцияләнгән CaCO3 күләме чагыштырыла. MICP белән эшкәртелгән ком үрмәләренең җил эрозиясенә чыдамлыгы буенча тикшеренүләр чикләнгән. Менг һ.б. MICP белән эшкәртелгән мочевинаны таркатучы ком үрмәләренең җил эрозиясенә чыдамлыгын яфрак өргеч ярдәмендә тикшерделәр,13 ә бу тикшеренүдә мочевинаны таркатмаучы ком үрмәләре (шулай ук ​​мочевинаны таркатучы контроль төркемнәр) җил туннелендә тикшерелде һәм дүрт төрле бактерия һәм матдәләр комбинациясе белән эшкәртелде.
Күренгәнчә, кайбер алдагы тикшеренүләрдә 4 л/м213,41,74 тан артык югары куллану күрсәткечләре каралган. Шунысын да билгеләп үтәргә кирәк, югары куллану күрсәткечләре икътисади яктан кырда җиңел кулланылырга мөмкин түгел, чөнки су белән тәэмин итү, ташу һәм зур күләмдәге су куллану белән бәйле чыгымнар бар. 1,62-2 л/м2 кебек түбән куллану күрсәткечләре дә 190 кПа га кадәр яхшы өслек ныклыгына һәм TDV 25 м/с дан артыкка иреште. Бу тикшеренүдә, мочевина деградацияләнмәгән формат нигезендәге MICP белән эшкәртелгән комнар югары өслек ныклыгына ирештеләр, бу шул ук куллану күрсәткечләре диапазонында мочевина деградациясе юлы белән алынганнарга охшаш иде (ягъни, мочевина деградацияләнмәгән формат нигезендәге MICP белән эшкәртелгән үрнәкләр дә Менг һ.б., 13, 13а рәсеме хәбәр иткәнчә, шул ук өслек ныклыгы кыйммәтләренә ирешә алдылар). Шулай ук ​​2 л/м2 куллану тизлегендә, 25 м/с җил тизлегендә җил эрозиясен йомшарту өчен кальций карбонаты чыгышы мочевина деградацияләнмәгән формат нигезендәге MICP өчен 2,25% тәшкил иткәнен күрергә мөмкин, бу контроль MICP белән эшкәртелгән комлы калкулыклар белән чагыштырганда, шул ук куллану тизлегендә һәм шул ук җил тизлегендә (25 м/с) мочевина деградациясе белән чагыштырганда, кирәкле CaCO3 күләменә бик якын (ягъни 2,41%).
Шулай итеп, бу таблицадан мочевина деградациясе юлы да, мочевинасыз деградация юлы да өслек каршылыгы һәм TDV ягыннан шактый кабул итәрлек нәтиҗәләр бирә ала дигән нәтиҗә ясарга мөмкин. Төп аерма шунда ки, мочевинасыз деградация юлы аммиакны үз эченә алмый һәм шуңа күрә әйләнә-тирә мохиткә түбәнрәк йогынты ясый. Моннан тыш, бу тикшеренүдә тәкъдим ителгән мочевина деградациясе булмаган формат нигезендәге MICP ысулы мочевина деградациясе булмаган ацетат нигезендәге MICP ысулына караганда яхшырак эшли кебек. Мохебби һ.б. мочевина деградациясе булмаган ацетат нигезендәге MICP ысулын өйрәнсәләр дә, аларның тикшеренүе тигез өслекләрдәге үрнәкләрне үз эченә алган9. Дюн үрнәкләре тирәсендәге агым барлыкка килү һәм нәтиҗәдә кисү аркасында эрозиянең югарырак дәрәҗәсе аркасында, бу TDV түбәнрәк булуына китерә, дюн үрнәкләренең җил эрозиясе бер үк тизлектә тигез өслекләргә караганда ачыграк булачак дип көтелә.