Gràcies per visitar nature.com. La versió del navegador que esteu utilitzant té compatibilitat limitada amb CSS. Per a una millor experiència, us recomanem que utilitzeu la darrera versió del navegador (o que desactiveu el mode de compatibilitat a l'Internet Explorer). A més, per garantir una compatibilitat continuada, aquest lloc no inclourà estils ni JavaScript.
Les tempestes de pols representen una greu amenaça per a molts països del món a causa del seu impacte destructiu en l'agricultura, la salut humana, les xarxes de transport i les infraestructures. Com a resultat, l'erosió eòlica es considera un problema global. Un dels enfocaments respectuosos amb el medi ambient per frenar l'erosió eòlica és l'ús de la precipitació de carbonat induïda per microbis (MICP). Tanmateix, els subproductes del MICP basat en la degradació de la urea, com l'amoníac, no són ideals quan es produeixen en grans quantitats. Aquest estudi presenta dues formulacions de bacteris de formiat de calci per a la degradació del MICP sense produir urea i compara exhaustivament el seu rendiment amb dues formulacions de bacteris d'acetat de calci no productors d'amoníac. Els bacteris considerats són Bacillus subtilis i Bacillus amyloliquefaciens. Primer, es van determinar els valors optimitzats dels factors que controlen la formació de CaCO3. A continuació, es van dur a terme proves de túnel de vent en mostres de dunes de sorra tractades amb les formulacions optimitzades, i es va mesurar la resistència a l'erosió eòlica, la velocitat llindar de despullament i la resistència al bombardeig de sorra. Els al·lomorfs de carbonat de calci (CaCO3) es van avaluar mitjançant microscòpia òptica, microscòpia electrònica de rastreig (SEM) i anàlisi de difracció de raigs X. Les formulacions basades en formiat de calci van tenir un rendiment significativament millor que les formulacions basades en acetat pel que fa a la formació de carbonat de calci. A més, B. subtilis va produir més carbonat de calci que B. amyloliquefaciens. Les micrografies SEM van mostrar clarament la unió i la impressió de bacteris actius i inactius sobre el carbonat de calci causada per la sedimentació. Totes les formulacions van reduir significativament l'erosió eòlica.
L'erosió eòlica fa temps que es reconeix com un problema important que afecten les regions àrides i semiàrides com el sud-oest dels Estats Units, l'oest de la Xina, l'Àfrica sahariana i gran part de l'Orient Mitjà1. La baixa pluja en climes àrids i hiperàrids ha transformat grans parts d'aquestes regions en deserts, dunes de sorra i terres no cultivades. L'erosió eòlica contínua representa amenaces ambientals per a infraestructures com ara les xarxes de transport, els terrenys agrícoles i els terrenys industrials, cosa que provoca males condicions de vida i elevats costos de desenvolupament urbà en aquestes regions2,3,4. És important destacar que l'erosió eòlica no només afecta la ubicació on es produeix, sinó que també causa problemes de salut i econòmics en comunitats remotes, ja que transporta partícules pel vent a zones allunyades de la font5,6.
El control de l'erosió eòlica continua sent un problema global. S'utilitzen diversos mètodes d'estabilització del sòl per controlar l'erosió eòlica. Aquests mètodes inclouen materials com l'aplicació d'aigua7, cobertes vegetals d'oli8, biopolímers5, precipitació de carbonat induïda per microbis (MICP)9,10,11,12 i precipitació de carbonat induïda per enzims (EICP)1. La humectació del sòl és un mètode estàndard de supressió de pols al camp. Tanmateix, la seva ràpida evaporació fa que aquest mètode tingui una eficàcia limitada a les regions àrides i semiàrides1. L'aplicació de compostos de coberta vegetal d'oli augmenta la cohesió de la sorra i la fricció entre partícules. La seva propietat cohesiva uneix els grans de sorra; tanmateix, les cobertes vegetals d'oli també plantegen altres problemes; el seu color fosc augmenta l'absorció de calor i provoca la mort de plantes i microorganismes. La seva olor i els seus fums poden causar problemes respiratoris i, sobretot, el seu alt cost és un altre obstacle. Els biopolímers són un dels mètodes ecològics proposats recentment per mitigar l'erosió eòlica; s'extreuen de fonts naturals com plantes, animals i bacteris. La goma xantana, la goma guar, el quitosà i la goma gellan són els biopolímers més utilitzats en aplicacions d'enginyeria5. Tanmateix, els biopolímers solubles en aigua poden perdre resistència i filtrar-se del sòl quan s'exposen a l'aigua13,14. S'ha demostrat que l'EICP és un mètode eficaç de supressió de pols per a una varietat d'aplicacions, com ara carreteres sense pavimentar, basses de residus i obres de construcció. Tot i que els seus resultats són encoratjadors, cal tenir en compte alguns inconvenients potencials, com ara el cost i la manca de llocs de nucleació (que accelera la formació i precipitació de cristalls de CaCO315,16).
La MICP va ser descrita per primera vegada a finals del segle XIX per Murray i Irwin (1890) i Steinmann (1901) en el seu estudi de la degradació de la urea per microorganismes marins17. La MICP és un procés biològic natural que implica una varietat d'activitats microbianes i processos químics en què el carbonat de calci es precipita per la reacció dels ions carbonat dels metabòlits microbians amb els ions de calci del medi ambient18,19. La MICP que implica el cicle del nitrogen que degrada la urea (MICP que degrada la urea) és el tipus més comú de precipitació de carbonat induïda per microbis, en què la ureasa produïda pels bacteris catalitza la hidròlisi de la urea20,21,22,23,24,25,26,27 de la següent manera:
En la MICP que implica el cicle del carboni de l'oxidació de sals orgàniques (MICP sense degradació de la urea), els bacteris heteròtrofs utilitzen sals orgàniques com l'acetat, el lactat, el citrat, el succinat, l'oxalat, el malat i el glioxilat com a fonts d'energia per produir minerals de carbonat28. En presència de lactat de calci com a font de carboni i ions de calci, la reacció química de formació de carbonat de calci es mostra a l'equació (5).
En el procés MICP, les cèl·lules bacterianes proporcionen llocs de nucleació que són particularment importants per a la precipitació de carbonat de calci; la superfície de la cèl·lula bacteriana està carregada negativament i pot actuar com a adsorbent per a cations divalents com els ions de calci. En adsorbir ions de calci a les cèl·lules bacterianes, quan la concentració d'ions carbonat és suficient, els cations de calci i els anions carbonat reaccionen i el carbonat de calci es precipita a la superfície bacteriana29,30. El procés es pot resumir de la següent manera31,32:
Els cristalls de carbonat de calci biogenerats es poden dividir en tres tipus: calcita, vaterita i aragonita. Entre ells, la calcita i la vaterita són els al·lomorfs de carbonat de calci induïts per bacteris més comuns33,34. La calcita és l'al·lomorf de carbonat de calci termodinàmicament més estable35. Tot i que s'ha informat que la vaterita és metaestable, finalment es transforma en calcita36,37. La vaterita és el més dens d'aquests cristalls. És un cristall hexagonal que té una millor capacitat d'ompliment de porus que altres cristalls de carbonat de calci a causa de la seva mida més gran38. Tant el MICP degradat amb urea com el no degradat amb urea poden provocar la precipitació de vaterita13,39,40,41.
Tot i que el MICP ha demostrat un potencial prometedor per estabilitzar sòls problemàtics i sòls susceptibles a l'erosió eòlica42,43,44,45,46,47,48, un dels subproductes de la hidròlisi de la urea és l'amoníac, que pot causar problemes de salut lleus o greus depenent del nivell d'exposició49. Aquest efecte secundari fa que l'ús d'aquesta tecnologia en particular sigui controvertit, especialment quan cal tractar grans àrees, com ara per a la supressió de la pols. A més, l'olor de l'amoníac és intolerable quan el procés es duu a terme a altes taxes d'aplicació i grans volums, cosa que pot afectar la seva aplicabilitat pràctica. Tot i que estudis recents han demostrat que els ions d'amoni es poden reduir convertint-los en altres productes com l'estruvita, aquests mètodes no eliminen completament els ions d'amoni50. Per tant, encara cal explorar solucions alternatives que no generin ions d'amoni. L'ús de vies de degradació no eòliques per al MICP pot proporcionar una solució potencial que s'ha explorat poc en el context de la mitigació de l'erosió eòlica. Fattahi et al. van investigar la degradació de MICP sense urea utilitzant acetat de calci i Bacillus megaterium41, mentre que Mohebbi et al. van utilitzar acetat de calci i Bacillus amyloliquefaciens9. Tanmateix, el seu estudi no es va comparar amb altres fonts de calci i bacteris heteròtrofs que podrien millorar la resistència a l'erosió eòlica. També hi ha una manca de literatura que compari les vies de degradació sense urea amb les vies de degradació de la urea en la mitigació de l'erosió eòlica.
A més, la majoria dels estudis d'erosió eòlica i control de la pols s'han dut a terme en mostres de sòl amb superfícies planes.1,51,52,53 Tanmateix, les superfícies planes són menys comunes que els turons i les depressions. És per això que les dunes de sorra són l'element paisatgístic més comú a les regions desèrtiques.
Per superar les deficiències esmentades anteriorment, aquest estudi tenia com a objectiu introduir un nou conjunt d'agents bacterians no productors d'amoníac. Per a aquest propòsit, vam considerar vies MICP que no degraden la urea. Es va investigar l'eficiència de dues fonts de calci (formiat de calci i acetat de calci). Segons els autors, la precipitació de carbonat utilitzant dues combinacions de fonts de calci i bacteris (és a dir, formiat de calci-Bacillus subtilis i formiat de calci-Bacillus amyloliquefaciens) no s'ha investigat en estudis anteriors. L'elecció d'aquests bacteris es va basar en els enzims que produeixen i que catalitzen l'oxidació del formiat de calci i l'acetat de calci per formar precipitació de carbonat microbià. Vam dissenyar un estudi experimental exhaustiu per trobar els factors òptims com el pH, els tipus de bacteris i les fonts de calci i les seves concentracions, la proporció de bacteris a la solució de font de calci i el temps de curat. Finalment, es va investigar l'eficàcia d'aquest conjunt d'agents bacterians en la supressió de l'erosió eòlica a través de la precipitació de carbonat de calci mitjançant la realització d'una sèrie de proves en túnels de vent en dunes de sorra per determinar la magnitud de l'erosió eòlica, la velocitat llindar de ruptura i la resistència al bombardeig del vent de la sorra, i també es van realitzar mesures de penetròmetre i estudis microestructurals (per exemple, anàlisi de difracció de raigs X (XRD) i microscòpia electrònica de rastreig (SEM)).
La producció de carbonat de calci requereix ions de calci i ions de carbonat. Els ions de calci es poden obtenir de diverses fonts de calci com el clorur de calci, l'hidròxid de calci i la llet desnatada en pols54,55. Els ions de carbonat es poden produir mitjançant diversos mètodes microbians com la hidròlisi de la urea i l'oxidació aeròbica o anaeròbica de la matèria orgànica56. En aquest estudi, els ions de carbonat es van obtenir de la reacció d'oxidació del formiat i l'acetat. A més, vam utilitzar sals de calci de formiat i acetat per produir carbonat de calci pur, de manera que només es va obtenir CO2 i H2O com a subproductes. En aquest procés, només una substància serveix com a font de calci i font de carbonat, i no es produeix amoníac. Aquestes característiques fan que el mètode de producció de font de calci i carbonat que vam considerar molt prometedor.
Les reaccions corresponents del formiat de calci i l'acetat de calci per formar carbonat de calci es mostren a les fórmules (7)-(14). Les fórmules (7)-(11) mostren que el formiat de calci es dissol en aigua per formar àcid fòrmic o formiat. La solució és, doncs, una font d'ions de calci i hidròxid lliures (fórmules 8 i 9). Com a resultat de l'oxidació de l'àcid fòrmic, els àtoms de carboni de l'àcid fòrmic es converteixen en diòxid de carboni (fórmula 10). Finalment es forma carbonat de calci (fórmules 11 i 12).
De la mateixa manera, el carbonat de calci es forma a partir de l'acetat de calci (equacions 13-15), excepte que es forma àcid acètic o acetat en lloc d'àcid fòrmic.
Sense la presència d'enzims, l'acetat i el formiat no es poden oxidar a temperatura ambient. La FDH (formiat deshidrogenasa) i el CoA (coenzim A) catalitzen l'oxidació del formiat i l'acetat per formar diòxid de carboni, respectivament (Eqs. 16, 17) 57, 58, 59. Diversos bacteris són capaços de produir aquests enzims, i en aquest estudi es van utilitzar bacteris heteròtrofs, concretament Bacillus subtilis (PTCC #1204 (Persian Type Culture Collection), també conegut com NCIMB #13061 (International Collection of Bacteries, Yeast, Phage, Plasmids, Plant Seeds and Plant Cell Tissue Cultures)) i Bacillus amyloliquefaciens (PTCC #1732, NCIMB #12077). Aquests bacteris es van cultivar en un medi que contenia peptona de carn (5 g/L) i extracte de carn (3 g/L), anomenat brou nutritiu (NBR) (105443 Merck).
Així doncs, es van preparar quatre formulacions per induir la precipitació de carbonat de calci utilitzant dues fonts de calci i dos bacteris: formiat de calci i Bacillus subtilis (FS), formiat de calci i Bacillus amyloliquefaciens (FA), acetat de calci i Bacillus subtilis (AS), i acetat de calci i Bacillus amyloliquefaciens (AA).
A la primera part del disseny experimental, es van dur a terme proves per determinar la combinació òptima que aconseguiria la màxima producció de carbonat de calci. Com que les mostres de sòl contenien carbonat de calci, es va dissenyar un conjunt de proves d'avaluació preliminar per mesurar amb precisió el CaCO3 produït per les diferents combinacions, i es van avaluar mescles de medi de cultiu i solucions de font de calci. Per a cada combinació de font de calci i solució bacteriana definida anteriorment (FS, FA, AS i AA), es van derivar factors d'optimització (concentració de la font de calci, temps de curat, concentració de la solució bacteriana mesurada per la densitat òptica de la solució (DO), relació font de calci i solució bacteriana i pH) i es van utilitzar en les proves de túnel de vent de tractament de dunes de sorra descrites a les seccions següents.
Per a cada combinació, es van dur a terme 150 experiments per estudiar l'efecte de la precipitació de CaCO3 i avaluar diversos factors, com ara la concentració de la font de calci, el temps de curació, el valor de la densitat ocular bacteriana, la relació entre la font de calci i la solució bacteriana i el pH durant l'oxidació aeròbica de la matèria orgànica (Taula 1). El rang de pH per al procés optimitzat es va seleccionar en funció de les corbes de creixement de Bacillus subtilis i Bacillus amyloliquefaciens per tal d'obtenir un creixement més ràpid. Això s'explica amb més detall a la secció Resultats.
Es van seguir els passos següents per preparar les mostres per a la fase d'optimització. La solució MICP es va preparar primer ajustant el pH inicial del medi de cultiu i després es va autoclavar a 121 °C durant 15 min. A continuació, es va inocular la soca en un flux d'aire laminar i es va mantenir en una incubadora amb agitació a 30 °C i 180 rpm. Un cop la densitat òptica (DO) dels bacteris va assolir el nivell desitjat, es va barrejar amb la solució font de calci en la proporció desitjada (Figura 1a). Es va deixar que la solució MICP reaccionés i solidificés en una incubadora amb agitació a 220 rpm i 30 °C durant un temps que va assolir el valor objectiu. El CaCO3 precipitat es va separar després de centrifugació a 6000 g durant 5 min i després es va assecar a 40 °C per preparar les mostres per a la prova del calcímetre (Figura 1b). La precipitació de CaCO3 es va mesurar amb un calcímetre Bernard, on la pols de CaCO3 reacciona amb HCl 1.0 N (ASTM-D4373-02) per produir CO2, i el volum d'aquest gas és una mesura del contingut de CaCO3 (Figura 1c). Per convertir el volum de CO2 a contingut de CaCO3, es va generar una corba de calibratge rentant pols de CaCO3 pur amb HCl 1 N i representant-la gràficament contra el CO2 evolucionat. La morfologia i la puresa de la pols de CaCO3 precipitada es van investigar mitjançant imatges SEM i anàlisi XRD. Es va utilitzar un microscopi òptic amb un augment de 1000 per estudiar la formació de carbonat de calci al voltant dels bacteris, la fase del carbonat de calci format i l'activitat dels bacteris.
La conca de Dejegh és una coneguda regió altament erosionada a la província sud-oest de Fars, a l'Iran, i els investigadors van recollir mostres de sòl erosionat pel vent de la zona. Les mostres es van prendre de la superfície del sòl per a l'estudi. Les proves indicadores de les mostres de sòl van mostrar que el sòl era un sòl sorrenc mal classificat amb llim i es va classificar com a SP-SM segons el Sistema Unificat de Classificació de Sòls (USC) (Figura 2a). L'anàlisi XRD va mostrar que el sòl de Dejegh estava compost principalment de calcita i quars (Figura 2b). A més, l'anàlisi EDX va mostrar que altres elements com l'Al, el K i el Fe també hi eren presents en proporcions més petites.
Per preparar les dunes de laboratori per a les proves d'erosió eòlica, el sòl es va triturar des d'una alçada de 170 mm a través d'un embut de 10 mm de diàmetre fins a una superfície ferma, donant com a resultat una duna típica de 60 mm d'alçada i 210 mm de diàmetre. A la natura, les dunes de sorra de menor densitat es formen mitjançant processos eòlics. De la mateixa manera, la mostra preparada mitjançant el procediment anterior tenia la densitat relativa més baixa, γ = 14,14 kN/m³, formant un con de sorra dipositat sobre una superfície horitzontal amb un angle de repòs d'aproximadament 29,7°.
La solució òptima de MICP obtinguda a la secció anterior es va ruixar sobre el vessant dunar a taxes d'aplicació d'1, 2 i 3 lm-2 i després les mostres es van emmagatzemar en una incubadora a 30 °C (Fig. 3) durant 9 dies (és a dir, el temps òptim de curat) i després es van treure per a proves en túnel de vent.
Per a cada tractament, es van preparar quatre mostres, una per mesurar el contingut de carbonat de calci i la resistència superficial mitjançant un penetròmetre, i les tres mostres restants es van utilitzar per a proves d'erosió a tres velocitats diferents. A les proves del túnel de vent, la quantitat d'erosió es va determinar a diferents velocitats del vent i, a continuació, es va determinar la velocitat llindar de ruptura per a cada mostra de tractament mitjançant un gràfic de la quantitat d'erosió en funció de la velocitat del vent. A més de les proves d'erosió eòlica, les mostres tractades van ser sotmeses a bombardeig de sorra (és a dir, experiments de salt). Es van preparar dues mostres addicionals per a aquest propòsit a taxes d'aplicació de 2 i 3 L m−2. La prova de bombardeig de sorra va durar 15 min amb un flux de 120 gm−1, que es troba dins del rang de valors seleccionats en estudis anteriors60,61,62. La distància horitzontal entre la boquilla abrasiva i la base de la duna era de 800 mm, situada 100 mm per sobre del fons del túnel. Aquesta posició es va establir de manera que gairebé totes les partícules de sorra de salt caiguessin sobre la duna.
La prova del túnel de vent es va dur a terme en un túnel de vent obert amb una longitud de 8 m, una amplada de 0,4 m i una alçada d'1 m (Figura 4a). El túnel de vent està fet de xapes d'acer galvanitzat i pot generar una velocitat del vent de fins a 25 m/s. A més, s'utilitza un convertidor de freqüència per ajustar la freqüència del ventilador i augmentar gradualment la freqüència per obtenir la velocitat del vent objectiu. La figura 4b mostra el diagrama esquemàtic de les dunes de sorra erosionades pel vent i el perfil de velocitat del vent mesurat al túnel de vent.
Finalment, per comparar els resultats de la formulació MICP no ureolítica proposada en aquest estudi amb els resultats de la prova de control MICP ureolítica, també es van preparar mostres de dunes i es van tractar amb una solució biològica que contenia urea, clorur de calci i Sporosarcina pasteurii (ja que Sporosarcina pasteurii té una capacitat significativa per produir ureasa63). La densitat òptica de la solució bacteriana va ser d'1,5, i les concentracions d'urea i clorur de calci van ser d'1 M (seleccionades en funció dels valors recomanats en estudis anteriors36,64,65). El medi de cultiu consistia en brou nutritiu (8 g/L) i urea (20 g/L). La solució bacteriana es va ruixar sobre la superfície de la duna i es va deixar durant 24 hores per a l'adhesió bacteriana. Després de 24 hores d'adhesió, es va ruixar una solució cimentant (clorur de calci i urea). La prova de control MICP ureolítica es denominarà d'ara endavant UMC. El contingut de carbonat de calci de mostres de sòl tractades ureàliticament i no ureàliticament es va obtenir rentant-les segons el procediment proposat per Choi et al.66
La figura 5 mostra les corbes de creixement de Bacillus amyloliquefaciens i Bacillus subtilis en el medi de cultiu (solució nutritiva) amb un rang de pH inicial de 5 a 10. Com es mostra a la figura, Bacillus amyloliquefaciens i Bacillus subtilis van créixer més ràpidament a pH 6-8 i 7-9, respectivament. Per tant, aquest rang de pH es va adoptar en l'etapa d'optimització.
Corbes de creixement de (a) Bacillus amyloliquefaciens i (b) Bacillus subtilis a diferents valors de pH inicials del medi nutritiu.
La figura 6 mostra la quantitat de diòxid de carboni produït al calcímetre Bernard, que representa el carbonat de calci precipitat (CaCO3). Com que un factor es va fixar en cada combinació i els altres factors es van variar, cada punt d'aquests gràfics correspon al volum màxim de diòxid de carboni en aquest conjunt d'experiments. Com es mostra a la figura, a mesura que augmentava la concentració de la font de calci, augmentava la producció de carbonat de calci. Per tant, la concentració de la font de calci afecta directament la producció de carbonat de calci. Com que la font de calci i la font de carboni són les mateixes (és a dir, formiat de calci i acetat de calci), com més ions de calci s'alliberen, més carbonat de calci es forma (Figura 6a). En les formulacions AS i AA, la producció de carbonat de calci va continuar augmentant amb l'augment del temps de curat fins que la quantitat de precipitat gairebé no va canviar després de 9 dies. En la formulació FA, la taxa de formació de carbonat de calci va disminuir quan el temps de curat va superar els 6 dies. En comparació amb altres formulacions, la formulació FS va mostrar una taxa de formació de carbonat de calci relativament baixa després de 3 dies (Figura 6b). En les formulacions FA i FS, el 70% i el 87% de la producció total de carbonat de calci es va obtenir després de tres dies, mentre que en les formulacions AA i AS, aquesta proporció era només d'un 46% i un 45%, respectivament. Això indica que la formulació basada en àcid fòrmic té una taxa de formació de CaCO3 més alta en la fase inicial en comparació amb la formulació basada en acetat. Tanmateix, la velocitat de formació disminueix a mesura que augmenta el temps de curat. Es pot concloure de la Figura 6c que, fins i tot a concentracions bacterianes superiors a la DO1, no hi ha cap contribució significativa a la formació de carbonat de calci.
Canvi en el volum de CO2 (i el contingut corresponent de CaCO3) mesurat pel calcímetre de Bernard en funció de (a) la concentració de la font de calci, (b) el temps d'enduriment, (c) la densitat óptica (DO), (d) el pH inicial, (e) la relació entre la font de calci i la solució bacteriana (per a cada formulació); i (f) la quantitat màxima de carbonat de calci produït per a cada combinació de font de calci i bacteris.
Pel que fa a l'efecte del pH inicial del medi, la Figura 6d mostra que per a FA i FS, la producció de CaCO3 va assolir un valor màxim a pH 7. Aquesta observació és coherent amb estudis anteriors que els enzims FDH són més estables a pH 7-6,7. Tanmateix, per a AA i AS, la precipitació de CaCO3 va augmentar quan el pH va superar els 7. Estudis anteriors també van mostrar que el rang de pH òptim per a l'activitat enzimàtica del CoA és de 8 a 9,2-6,8. Tenint en compte que els rangs de pH òptims per a l'activitat enzimàtica del CoA i el creixement de B. amyloliquefaciens són (8-9,2) i (6-8), respectivament (Figura 5a), s'espera que el pH òptim de la formulació d'AA sigui de 8, i els dos rangs de pH se superposen. Aquest fet es va confirmar mitjançant experiments, com es mostra a la Figura 6d. Com que el pH òptim per al creixement de B. subtilis és de 7-9 (Figura 5b) i el pH òptim per a l'activitat enzimàtica del CoA és de 8-9,2, s'espera que el rendiment màxim de precipitació de CaCO3 estigui en el rang de pH de 8-9, cosa que confirma la Figura 6d (és a dir, el pH òptim de precipitació és de 9). Els resultats que es mostren a la Figura 6e indiquen que la relació òptima entre la solució de font de calci i la solució bacteriana és d'1 tant per a les solucions d'acetat com de formiat. A tall de comparació, es va avaluar el rendiment de diferents formulacions (és a dir, AA, AS, FA i FS) en funció de la producció màxima de CaCO3 en diferents condicions (és a dir, concentració de la font de calci, temps de curat, densitat òptica, relació entre la font de calci i la solució bacteriana i pH inicial). Entre les formulacions estudiades, la formulació FS va tenir la producció més alta de CaCO3, que va ser aproximadament tres vegades superior a la de la formulació AA (Figura 6f). Es van dur a terme quatre experiments de control sense bacteris per a ambdues fonts de calci i no es va observar precipitació de CaCO3 després de 30 dies.
Les imatges de microscòpia òptica de totes les formulacions van mostrar que la vaterita era la fase principal en què es va formar el carbonat de calci (Figura 7). Els cristalls de vaterita tenien forma esfèrica69,70,71. Es va trobar que el carbonat de calci precipitava sobre les cèl·lules bacterianes perquè la superfície de les cèl·lules bacterianes estava carregada negativament i podia actuar com a adsorbent per a cations divalents. Prenent la formulació FS com a exemple en aquest estudi, després de 24 hores, el carbonat de calci va començar a formar-se en algunes cèl·lules bacterianes (Figura 7a), i després de 48 hores, el nombre de cèl·lules bacterianes recobertes amb carbonat de calci va augmentar significativament. A més, com es mostra a la Figura 7b, també es van poder detectar partícules de vaterita. Finalment, després de 72 hores, un gran nombre de bacteris semblava estar unit pels cristalls de vaterita, i el nombre de partícules de vaterita va augmentar significativament (Figura 7c).
Observacions de microscòpia òptica de la precipitació de CaCO3 en composicions de FS al llarg del temps: (a) 24, (b) 48 i (c) 72 h.
Per investigar més a fons la morfologia de la fase precipitada, es van realitzar anàlisis de difracció de raigs X (XRD) i SEM de les pols. Els espectres XRD (Fig. 8a) i les micrografies SEM (Fig. 8b, c) van confirmar la presència de cristalls de vaterita, ja que tenien una forma semblant a la d'enciam i es va observar una correspondència entre els pics de vaterita i els pics del precipitat.
(a) Comparació dels espectres de difracció de raigs X del CaCO3 format i la vaterita. Micrografies SEM de vaterita a (b) 1 kHz i (c) 5,27 kHz d'augment, respectivament.
Els resultats de les proves al túnel de vent es mostren a la Figura 9a, b. Es pot veure a la Figura 9a que la velocitat llindar d'erosió (TDV) de la sorra sense tractament és d'uns 4,32 m/s. A la taxa d'aplicació d'1 l/m² (Figura 9a), els pendents de les línies de taxa de pèrdua de sòl per a les fraccions FA, FS, AA i UMC són aproximadament els mateixos que per a la duna sense tractament. Això indica que el tractament a aquesta taxa d'aplicació és ineficaç i tan bon punt la velocitat del vent supera la TDV, la fina crosta del sòl desapareix i la taxa d'erosió de la duna és la mateixa que per a la duna sense tractament. El pendent d'erosió de la fracció AS també és inferior al de les altres fraccions amb abscisses més baixes (és a dir, TDV) (Figura 9a). Les fletxes de la Figura 9b indiquen que a la velocitat màxima del vent de 25 m/s, no es va produir erosió a les dunes tractades a les taxes d'aplicació de 2 i 3 l/m². En altres paraules, per a FS, FA, AS i UMC, les dunes van ser més resistents a l'erosió eòlica causada per la deposició de CaCO³ a les taxes d'aplicació de 2 i 3 l/m² que a la velocitat màxima del vent (és a dir, 25 m/s). Per tant, el valor de la TDV de 25 m/s obtingut en aquestes proves és el límit inferior per a les taxes d'aplicació que es mostren a la Figura 9b, excepte en el cas d'AA, on la TDV és gairebé igual a la velocitat màxima del túnel de vent.
Prova d'erosió eòlica (a) Pèrdua de pes en funció de la velocitat del vent (dosi d'aplicació 1 l/m2), (b) Velocitat llindar d'arrencada en funció de la dosi d'aplicació i la formulació (CA per a l'acetat de calci, CF per al formiat de calci).
La figura 10 mostra l'erosió superficial de les dunes de sorra tractades amb diferents formulacions i taxes d'aplicació després de la prova de bombardeig de sorra i els resultats quantitatius es mostren a la figura 11. El cas sense tractament no es mostra perquè no va mostrar resistència i es va erosionar completament (pèrdua de massa total) durant la prova de bombardeig de sorra. A la figura 11 es desprèn que la mostra tractada amb biocomposició AA va perdre el 83,5% del seu pes a la taxa d'aplicació de 2 l/m2, mentre que totes les altres mostres van mostrar menys del 30% d'erosió durant el procés de bombardeig de sorra. Quan la taxa d'aplicació es va augmentar a 3 l/m2, totes les mostres tractades van perdre menys del 25% del seu pes. A ambdues taxes d'aplicació, el compost FS va mostrar la millor resistència al bombardeig de sorra. La resistència màxima i mínima al bombardeig de les mostres tractades amb FS i AA es pot atribuir a la seva precipitació màxima i mínima de CaCO3 (figura 6f).
Resultats del bombardeig de dunes de sorra de diferents composicions a cabals de 2 i 3 l/m2 (les fletxes indiquen la direcció del vent, les creus indiquen la direcció del vent perpendicular al pla del dibuix).
Com es mostra a la Figura 12, el contingut de carbonat de calci de totes les fórmules va augmentar a mesura que la taxa d'aplicació augmentava d'1 L/m² a 3 L/m². A més, en totes les taxes d'aplicació, la fórmula amb el contingut més alt de carbonat de calci va ser FS, seguida de FA i UMC. Això suggereix que aquestes fórmules poden tenir una resistència superficial més alta.
La figura 13a mostra el canvi en la resistència superficial de mostres de sòl sense tractament, control i tractat mesurades mitjançant una prova de permeàmetre. A partir d'aquesta figura, és evident que la resistència superficial de les formulacions UMC, AS, FA i FS va augmentar significativament amb l'augment de la taxa d'aplicació. Tanmateix, l'augment de la resistència superficial va ser relativament petit en la formulació AA. Com es mostra a la figura, les formulacions FA i FS de MICP no degradat amb urea tenen una millor permeabilitat superficial en comparació amb el MICP degradat amb urea. La figura 13b mostra el canvi en la TDV amb la resistència superficial del sòl. A partir d'aquesta figura, és clarament evident que per a les dunes amb una resistència superficial superior a 100 kPa, la velocitat llindar de desprendiment superarà els 25 m/s. Com que la resistència superficial in situ es pot mesurar fàcilment mitjançant un permeàmetre, aquest coneixement pot ajudar a estimar la TDV en absència de proves de túnel de vent, servint així com a indicador de control de qualitat per a aplicacions de camp.
Els resultats del SEM es mostren a la Figura 14. Les figures 14a-b mostren les partícules ampliades de la mostra de sòl no tractada, cosa que indica clarament que és cohesiva i no té enllaços ni cimentació naturals. La figura 14c mostra la micrografia SEM de la mostra de control tractada amb MICP degradat amb urea. Aquesta imatge mostra la presència de precipitats de CaCO3 com a polimorfs de calcita. Com es mostra a les figures 14d-o, el CaCO3 precipitat uneix les partícules; també es poden identificar cristalls esfèrics de vaterita a les micrografies SEM. Els resultats d'aquest estudi i estudis anteriors indiquen que els enllaços de CaCO3 formats com a polimorfs de vaterita també poden proporcionar una resistència mecànica raonable; els nostres resultats mostren que la resistència superficial augmenta fins a 350 kPa i la velocitat de separació llindar augmenta de 4,32 a més de 25 m/s. Aquest resultat és coherent amb els resultats d'estudis previs que la matriu de CaCO3 precipitat amb MICP és vaterita, que té una resistència mecànica i a l'erosió eòlica raonables13,40 i pot mantenir una resistència raonable a l'erosió eòlica fins i tot després de 180 dies d'exposició a les condicions ambientals de camp13.
(a, b) Micrografies SEM de sòl sense tractament, (c) Control de la degradació de la urea amb MICP, (df) Mostres tractades amb AA, (gi) Mostres tractades amb AS, (jl) Mostres tractades amb FA i (mo) Mostres tractades amb FS a una taxa d'aplicació de 3 L/m2 a diferents augments.
La figura 14d-f mostra que després del tractament amb compostos AA, el carbonat de calci va precipitar a la superfície i entre els grans de sorra, mentre que també es van observar alguns grans de sorra sense recobrir. Per als components AS, tot i que la quantitat de CaCO3 formada no va augmentar significativament (Fig. 6f), la quantitat de contactes entre els grans de sorra causats pel CaCO3 va augmentar significativament en comparació amb els compostos AA (Fig. 14g-i).
De les figures 14j-l i 14m-o es desprèn que l'ús de formiat de calci com a font de calci condueix a un augment addicional de la precipitació de CaCO3 en comparació amb el compost AS, la qual cosa és coherent amb les mesures del mesurador de calci de la figura 6f. Aquest CaCO3 addicional sembla que es diposita principalment sobre les partícules de sorra i no necessàriament millora la qualitat del contacte. Això confirma el comportament observat anteriorment: malgrat les diferències en la quantitat de precipitació de CaCO3 (figura 6f), les tres formulacions (AS, FA i FS) no difereixen significativament pel que fa al rendiment antieòlic (vent) (figura 11) i la resistència superficial (figura 13a).
Per tal de visualitzar millor les cèl·lules bacterianes recobertes de CaCO3 i l'empremta bacteriana sobre els cristalls precipitats, es van prendre micrografies SEM d'alt augment i els resultats es mostren a la Figura 15. Com es mostra, el carbonat de calci precipita a les cèl·lules bacterianes i proporciona els nuclis necessaris per a la precipitació allà. La figura també representa els enllaços actius i inactius induïts per CaCO3. Es pot concloure que qualsevol augment dels enllaços inactius no condueix necessàriament a una millora addicional del comportament mecànic. Per tant, augmentar la precipitació de CaCO3 no condueix necessàriament a una major resistència mecànica i el patró de precipitació juga un paper important. Aquest punt també s'ha estudiat en els treballs de Terzis i Laloui72 i Soghi i Al-Kabani45,73. Per explorar més a fons la relació entre el patró de precipitació i la resistència mecànica, es recomanen estudis MICP mitjançant imatges µCT, cosa que està fora de l'abast d'aquest estudi (és a dir, introduir diferents combinacions de font de calci i bacteris per a MICP sense amoníac).
El CaCO3 va induir enllaços actius i inactius en mostres tractades amb (a) composició d'AS i (b) composició de FS i va deixar una empremta de cèl·lules bacterianes al sediment.
Com es mostra a les figures 14j-o i 15b, hi ha una pel·lícula de CaCO3 (segons l'anàlisi EDX, la composició percentual de cada element de la pel·lícula és carboni 11%, oxigen 46,62% i calci 42,39%, cosa que és molt propera al percentatge de CaCO3 de la figura 16). Aquesta pel·lícula cobreix els cristalls de vaterita i les partícules del sòl, ajudant a mantenir la integritat del sistema sòl-sediment. La presència d'aquesta pel·lícula només es va observar en les mostres tractades amb la formulació basada en formiat.
La Taula 2 compara la resistència superficial, la velocitat llindar de despreniment i el contingut de CaCO3 bioinduït de sòls tractats amb vies MICP que degraden la urea i no la degraden en estudis anteriors i en aquest estudi. Els estudis sobre la resistència a l'erosió eòlica de mostres de dunes tractades amb MICP són limitats. Meng et al. van investigar la resistència a l'erosió eòlica de mostres de dunes que degraden la urea tractades amb MICP utilitzant un bufador de fulles,13 mentre que en aquest estudi, les mostres de dunes que no degraden la urea (així com els controls que degraden la urea) es van provar en un túnel de vent i es van tractar amb quatre combinacions diferents de bacteris i substàncies.
Com es pot veure, alguns estudis previs han considerat taxes d'aplicació elevades superiors a 4 L/m213,41,74. Cal destacar que les taxes d'aplicació elevades poden no ser fàcilment aplicables al camp des d'un punt de vista econòmic a causa dels costos associats amb el subministrament d'aigua, el transport i l'aplicació de grans volums d'aigua. Taxes d'aplicació més baixes, com ara 1,62-2 L/m2, també van aconseguir resistències superficials força bones de fins a 190 kPa i una TDV superior a 25 m/s. En el present estudi, les dunes tractades amb MICP basat en formiat sense degradació de la urea van aconseguir resistències superficials elevades que eren comparables a les obtingudes amb la via de degradació de la urea en el mateix rang de taxes d'aplicació (és a dir, les mostres tractades amb MICP basat en formiat sense degradació de la urea també van poder aconseguir el mateix rang de valors de resistència superficial que van informar Meng et al., 13, Figura 13a) a taxes d'aplicació més altes. També es pot veure que a una taxa d'aplicació de 2 L/m2, el rendiment de carbonat de calci per a la mitigació de l'erosió eòlica a una velocitat del vent de 25 m/s va ser del 2,25% per al MICP basat en formiat sense degradació de la urea, cosa que és molt propera a la quantitat necessària de CaCO3 (és a dir, 2,41%) en comparació amb les dunes tractades amb el MICP de control amb degradació de la urea a la mateixa taxa d'aplicació i la mateixa velocitat del vent (25 m/s).
Així doncs, es pot concloure d'aquesta taula que tant la via de degradació de la urea com la via de degradació sense urea poden proporcionar un rendiment força acceptable pel que fa a la resistència superficial i la TDV. La principal diferència és que la via de degradació sense urea no conté amoníac i, per tant, té un impacte ambiental menor. A més, el mètode MICP basat en formiat sense degradació de la urea proposat en aquest estudi sembla tenir un millor rendiment que el mètode MICP basat en acetat sense degradació de la urea. Tot i que Mohebbi et al. van estudiar el mètode MICP basat en acetat sense degradació de la urea, el seu estudi va incloure mostres en superfícies planes9. A causa del major grau d'erosió causada per la formació de remolins al voltant de les mostres de dunes i el cisallament resultant, que resulta en una TDV més baixa, s'espera que l'erosió eòlica de les mostres de dunes sigui més evident que la de les superfícies planes a la mateixa velocitat.