Gratias tibi ago quod nature.com invisisti. Versio navigatri quam uteris limitatam sustentationem CSS habet. Pro optima experientia, commendamus ut recentissimam versionem navigatri utaris (vel modum compatibilitatis in Internet Explorer deactivas). Praeterea, ut continua sustentatio praestetur, hic situs stilos vel JavaScript non continebit.
Procellae pulveris gravem minam multis terris toto orbe terrarum afferunt propter effectum destructivum in agriculturam, salutem humanam, retia vecturae et infrastructuram. Quam ob rem, erosio venti problema globale habetur. Una ex rationibus ecologicis ad erosionem venti coercendam est usus praecipitationis carbonatis a microbialibus inductae (MICP). Attamen, producta secundaria MICP degradationis ureae fundatae, ut ammonia, non sunt idealia cum magnis quantitatibus producuntur. Hoc studium duas formulas bacteriorum formiati calcii ad degradationem MICP sine urea producenda exhibet et earum efficaciam cum duabus formulationibus bacteriorum acetatis calcii non ammoniam producentium plene comparat. Bacteria considerata sunt *Bacillus subtilis* et *Bacillus amyloliquefaciens*. Primo, valores optimizati factorum formationem CaCO3 moderantium determinati sunt. Deinde probationes in cuniculo venti in exemplaribus dunarum arenosarum cum formulationibus optimizatis tractatis peractae sunt, et resistentia erosionis venti, velocitas liminis exuendi, et resistentia bombardamenti arenae mensuratae sunt. Allomorpha calcii carbonatis (CaCO3) per microscopiam opticam, microscopiam electronicam perlustrantem (SEM), et analysin diffractionis radiorum X aestimata sunt. Formulae formatae calcii in formatione carbonatis calcii significanter melius quam formulae acetatae se praebuerunt. Praeterea, *B. subtilis* plus carbonatis calcii quam *B. amyloliquefaciens* produxit. Micrographae SEM clare ostenderunt nexum et impressionem bacteriorum activorum et inactivorum in carbonatem calcii, sedimentatione effectam. Omnes formulae erosionem venti significanter minuerunt.
Erosio venti diu agnita est ut problema grave regionibus aridis et semiaridis, ut Civitatibus Foederatis Americae austro-occidentalibus, Sinis occidentalibus, Africa Saharana, et magna parte Orientis Medii, afficientibus. Pluviae exiguae in climatibus aridis et hyperaridis magnas partes harum regionum in deserta, dunas arenosas, et terras incultas transformaverunt. Continua erosio venti minas ambientales infrastructuris, ut retibus vecturae, terris agricolis, et terris industrialibus, imponit, quod ad condiciones vitae malas et sumptus altos progressionis urbanae in his regionibus ducit2,3,4. Magni momenti est quod erosio venti non solum locum ubi fit afficit, sed etiam problemata sanitatis et oeconomica in communitatibus remotis causat, cum particulas vento ad areas longe a fonte transportat5,6.
Coercitio erosionis venti manet problema globale. Variae rationes stabilizationis soli adhibentur ad erosionem venti coercendam. Hae rationes includunt materias ut applicatio aquae7, stramenta olei8, biopolymera5, praecipitatio carbonatica microbica inducta (MICP)9,10,11,12 et praecipitatio carbonatica enzymatica inducta (EICP)1. Humectatio soli est ratio communis suppressionis pulveris in agro. Tamen, eius rapida evaporatio hanc rationem limitatae efficaciae in regionibus aridis et semiaridis facit1. Applicatio compositorum stramenti olei cohaesionem arenae et frictionem inter particulas auget. Eorum proprietas cohaesiva grana arenae inter se ligat; tamen stramenta olei etiam alia problemata ponunt; eorum color obscurus absorptionem caloris auget et ad mortem plantarum et microorganismorum ducit. Eorum odor et vapores problemata respiratoria causare possunt, et imprimis, eorum sumptus altus est aliud impedimentum. Biopolymera sunt una ex methodis oecologicis nuper propositis ad erosionem venti mitigandam; extrahuntur ex fontibus naturalibus ut plantis, animalibus et bacteriis. Xanthan gum, guar gum, chitosan et gellan gum sunt biopolymera frequentissime adhibita in applicationibus machinalibus5. Biopolymera autem aquae solubilia, cum aquae exponuntur, robur amittere et e solo exsilire possunt13,14. EICP methodus pulveris suppressionis efficax demonstrata est ad varia usus, inter quos viae non stratae, stagna sterilium et loca constructionis. Quamquam eventus eius promittentes sunt, nonnulla incommoda potentialia consideranda sunt, ut sumptus et absentia locorum nucleationis (quae formationem et praecipitationem crystallorum CaCO3 accelerat15,16).
MICP primum saeculo XIX exeunte a Murray et Irwin (1890) et Steinmann (1901) in studio degradationis ureae a microorganismis marinis descriptum est17. MICP est processus biologicus naturalis qui varietatem actionum microbicarum et processuum chemicorum implicat, in quo calcii carbonas praecipitatur per reactionem ionum carbonatis a metabolitis microbialibus cum ionibus calcii in ambitu18,19. MICP cyclum nitrogenii urea-degradantis (MICP urea-degradans) implicans est genus frequentissimum praecipitationis carbonatis microbialiter inductae, in quo ureasis a bacteriis producta hydrolysim ureae catalyzat20,21,22,23,24,25,26,27 ut sequitur:
In MICP (Microprocessing and Chloride Processing) quae cyclum carbonii oxidationis salium organicorum (MICP sine degradatione ureae) involvit, bacteria heterotropha sales organicos, ut acetatum, lactatum, citratum, succinatum, oxalatum, malatum et glyoxylatum, ut fontes energiae ad mineralia carbonata producenda utuntur28. Praesente lactato calcii ut fonte carbonii et ionibus calcii, reactio chemica formationis carbonatis calcii in aequatione (5) ostenditur.
In processu MICP, cellulae bacteriales locos nucleationis praebent qui imprimis magni momenti sunt ad praecipitationem calcii carbonatis; superficies cellulae bacterialis negative onerata est et adsorbens cationes bivalentes, ut ione calcii, fungi potest. Adsorbendo ione calcii in cellulas bacteriales, cum concentratio ionum carbonatis sufficiens est, cationes calcii et aniones carbonatis reagunt et calcium carbonatis in superficie bacteriali praecipitatur29,30. Processus sic summari potest31,32:
Crystalli calcii carbonatis biogenerati in tres typos dividi possunt: ​​calcitem, vateritem, et aragonitem. Inter eos, calcites et vaterites sunt allomorphi calcii carbonatis bacterialiter inducti frequentissimi33,34. Calcites est allomorphus calcii carbonatis thermodynamicē stabilissimus35. Quamquam vaterites metastabilis esse relata est, tandem in calcitem transformatur36,37. Vaterites est horum crystallorum densissimus. Est crystallus hexagonalis qui meliorem facultatem poros implendi quam alii crystalli calcii carbonatis habet propter magnitudinem suam maiorem38. Tam MICP urea degradata quam urea non degradata ad praecipitationem vateritae ducere possunt13,39,40,41.
Quamquam MICP potentiam promittentem in stabiliendis solis problematicis et solis erosioni venti obnoxiis demonstravit42,43,44,45,46,47,48, unum e productis secundariis hydrolysis ureae est ammonia, quae problemata sanitatis a levibus ad graves causare potest, pro gradu expositionis49. Hic effectus secundarius usum huius technologiae controversum reddit, praesertim cum areae magnae tractandae sunt, ut ad pulverem supprimendum. Praeterea, odor ammoniae intolerabilis est cum processus magnis applicationis ratibus et magnis voluminibus perficitur, quod eius applicationem practicam afficere potest. Quamquam studia recentiora demonstraverunt iones ammonii reduci posse convertendo eos in alia producta ut struvitum, hae methodi iones ammonii non plene removent50. Ergo, adhuc necesse est explorare solutiones alternativas quae iones ammonii non generant. Usus viarum degradationis non-ureae pro MICP solutionem potentialem praebere potest quae parum explorata est in contextu mitigationis erosionis venti. Fattahi et al. Degradationem MICP sine urea utens acetato calcii et Bacillus megaterium41 investigaverunt, dum Mohebbi et al. acetato calcii et Bacillus amyloliquefaciens9 usurpaverunt. Attamen studium eorum non comparatum est cum aliis fontibus calcii et bacteriis heterotrophis quae denique resistentiam erosionis venti emendare possent. Etiam desunt litterae comparantes vias degradationis sine urea cum viis degradationis ureae in mitigatione erosionis venti.
Praeterea, pleraque studia erosionis venti et pulveris coercitionis in exemplaribus soli cum superficiebus planis facta sunt.1,51,52,53 Attamen superficies planae in natura minus communes sunt quam colles et depressiones. Quam ob rem dunae arenosae sunt elementum regionis deserticae frequentissimum.
Ad defectus supra memoratos superandos, hoc studium proposuit novum genus agentium bacterialium non ammoniam producentium introducere. Hoc consilio, vias MICP non uream degradantes consideravimus. Efficacia duarum fontium calcii (formiati calcii et acetati calcii) investigata est. Quantum sciunt auctores, praecipitatio carbonatis utens duabus combinationibus fontium calcii et bacteriorum (i.e., formiato calcii cum Bacillus subtilis et formiato calcii cum Bacillus amyloliquefaciens) in studiis prioribus non investigata est. Electio harum bacteriorum in enzymis quae producunt fundata est, quae oxidationem formiati calcii et acetati calcii ad praecipitationem carbonatis microbialem formandam catalyzant. Studium experimentale diligenter designavimus ut factores optimos, ut pH, genera bacteriorum et fontes calcii eorumque concentrationes, rationem bacteriorum ad solutionem fontis calcii et tempus curationis, inveniremus. Denique efficacia huius seriei agentium bacterialium in supprimenda erosione venti per praecipitationem calcii carbonatis investigata est per seriem probationum in cuniculo venti in dunis arenosis ad magnitudinem erosionis venti, velocitatem liminalem eruptionis et resistentiam bombardamenti venti arenae determinandam, necnon mensurae penetrometricae et studia microstructuralia (e.g., analysis diffractionis radiorum X (XRD) et microscopia electronica scandentis (SEM)) etiam peracta sunt.
Productio calcii carbonatis requirit iones calcii et iones carbonatis. Iones calcii ex variis fontibus calcii, ut calcii chlorido, calcii hydroxido, et lactis pulveris exempti54,55, obtineri possunt. Iones carbonatis variis methodis microbialibus, ut hydrolysi ureae et oxidatione aerobica vel anaerobica materiae organicae56, produci possunt. In hoc studio, iones carbonatis ex reactione oxidationis formiati et acetati obtenti sunt. Praeterea, sales calcii formiati et acetati adhibuimus ad purum calcii carbonatem producendum, ita solum CO2 et H2O ut producta secundaria obtenta sunt. In hoc processu, una tantum substantia ut fons calcii et fons carbonatis fungitur, et nulla ammonia producitur. Hae proprietates fontem calcii et methodum productionis carbonatis, quam habuimus, valde promittentem faciunt.
Reactiones correspondentes formiati calcii et acetati calcii ad formandum carbonatem calcii in formulis (7)-(14) monstrantur. Formulae (7)-(11) ostendunt formiatum calcii in aqua dissolvi ad acidum formicum vel formiatum formandum. Solutio ergo fons est ionum calcii et hydroxidi liberi (formulae 8 et 9). Propter oxidationem acidi formici, atomi carbonii in acido formico in dioxidum carbonii convertuntur (formula 10). Carbonas calcii tandem formatur (formulae 11 et 12).
Similiter, calcii carbonas ex calcii acetato formatur (aequationes 13–15), nisi quod acidum aceticum vel acetas loco acidi formici formatur.
Sine praesentia enzymorum, acetas et formiatum temperatura ambiente oxidari non possunt. FDH (formati dehydrogenasis) et CoA (coenzyma A) oxidationem formiati et acetati ad dioxidum carbonis formandum, respective, catalyzant (Aeq. 16, 17) 57, 58, 59. Varia bacteria haec enzyma producere possunt, et bacteria heterotropha, nempe Bacillus subtilis (PTCC #1204 (Persian Type Culture Collection), etiam notus ut NCIMB #13061 (International Collection of Bacteria, Yeast, Phage, Plasmids, Plant Seeds and Plant Cell Tissue Cultures)) et Bacillus amyloliquefaciens (PTCC #1732, NCIMB #12077), in hoc studio adhibita sunt. Haec bacteria in medio continenti peptonum carnis (5 g/L) et extractum carnis (3 g/L), quod ius nutriens (NBR) (105443 Merck) appellatur, culta sunt.
Itaque quattuor formulae paratae sunt ad praecipitationem calcii carbonatis inducendam, duabus fontibus calcii et duabus bacteriis utens: calcii formiato et Bacillus subtilis (FS), calcii formiato et Bacillus amyloliquefaciens (FA), calcii acetato et Bacillus subtilis (AS), et calcii acetato et Bacillus amyloliquefaciens (AA).
In prima parte consilii experimentalis, probationes peractae sunt ad optimam combinationem determinandam quae maximam calcii carbonatis productionem assequeretur. Cum exempla soli calcii carbonatem continerent, series probationum aestimationis praeliminaris designata est ad accurate metiendum CaCO3 a variis combinationibus productum, et mixturae medii culturae et solutionum fontis calcii aestimatae sunt. Pro unaquaque combinatione fontis calcii et solutionis bacteriorum supra definitae (FS, FA, AS, et AA), factores optimizationis (concentratio fontis calcii, tempus curationis, concentratio solutionis bacteriorum mensurata per densitatem opticam solutionis (OD), proportio fontis calcii ad solutionem bacteriorum, et pH) derivati ​​et in probationibus in cuniculo venti curationis dunarum arenosarum in sectionibus sequentibus descriptis usi sunt.
Pro qualibet combinatione, 150 experimenta peracta sunt ad effectum praecipitationis CaCO3 investigandum et ad varios factores aestimandos, videlicet concentrationem fontis calcii, tempus curationis, valorem OD bacterialem, rationem fontis calcii ad solutionem bacterialem et pH per oxidationem aerobicam materiae organicae (Tabula 1). Ambitus pH pro processu optimizato selectus est secundum curvas accretionis Bacilli subtilis et Bacilli amyloliquefaciens ut accretio celerior obtineretur. Hoc fusius explicatur in sectione Resultatorum.
Hae gradus adhibitae sunt ad exempla pro periodo optimizationis praeparanda. Solutio MICP primum praeparata est pH initiale medii culturae adaptando, deinde in autoclave ad 121°C per 15 minuta siccatur. Stirps deinde in fluxu aereo laminari inoculata est et in incubatore agitato ad 30°C et 180 rpm conservata. Postquam densitas optica bacteriorum gradum desideratum attigit, cum solutione fontis calcii proportione desiderata mixta est (Figura 1a). Solutio MICP in incubatore agitato ad 220 rpm et 30°C per tempus quod valorem destinatum attigit reagere et solidificare permissa est. CaCO3 praecipitatum post centrifugationem ad 6000 g per 5 minuta separatum est et deinde ad 40°C siccatum ad exempla pro probatione calcimetri praeparanda (Figura 1b). Praecipitatio CaCO3 deinde mensurata est utens calcimetro Bernard, ubi pulvis CaCO3 cum 1.0 N HCl (ASTM-D4373-02) reagit ad CO2 producendum, et volumen huius gasis est mensura contenti CaCO3 (Figura 1c). Ad convertendum volumen CO2 in contentum CaCO3, curva calibrationis generata est lavando pulverem CaCO3 purum cum 1 N HCl et eum contra CO2 evolutum graphice repraesentando. Morphologia et puritas pulveris CaCO3 praecipitati investigatae sunt utens imaginibus SEM et analysi XRD. Microscopium opticum cum magnificatione 1000 adhibitum est ad formationem carbonatis calcii circa bacteria, phasim carbonatis calcii formatti, et actionem bacteriorum investigandam.
Lacus Dejegh est regio valde erosa bene nota in provincia Fars Iraniae austro-occidentali, et investigatores exempla soli vento erosae inde collegerunt. Exempla e superficie soli ad studium sumpta sunt. Experimenta indicatoria in exemplaribus soli ostenderunt solum esse solum arenosum male selectum cum limo et secundum Systema Classificationis Soli Unificatum (USC) ut SP-SM classificatum esse (Figura 2a). Analysis XRD ostendit solum Dejegh praecipue ex calcite et quarzo compositum esse (Figura 2b). Praeterea, analysis EDX demonstravit alia elementa ut Al, K, et Fe etiam in minoribus proportionibus praesentes esse.
Ad dunas laboratorium ad probationes erosionis venti praeparandas, solum ex altitudine 170 mm per infundibulum 10 mm diametri ad superficiem firmam contritum est, unde duna typica 60 mm alta et 210 mm diametri effecta est. In natura, dunae arenosae minimae densitatis per processus aeolicos formantur. Similiter, exemplum hac methodo paratum minimam densitatem relativam, γ = 14.14 kN/m³, habuit, conum arenae in superficie horizontali depositum cum angulo quietis circiter 29.7° formans.
Optima solutio MICP, in sectione praecedenti obtenta, in clivum dunarum aspersa est rationibus applicationis 1, 2 et 3 lm-2, deinde exempla in incubatore ad 30°C (Fig. 3) per 9 dies (id est, tempus optimum curationis) conservata et deinde ad probationem in cuniculo venti exportata sunt.
Pro singulis curationibus, quattuor exempla parata sunt, unum ad mensurandum contentum calcii carbonatis et firmitatem superficialem penetrometro utens, et reliqua tria exempla ad probationes erosionis tribus velocitatibus diversis adhibita sunt. In probationibus in cuniculo venti, quantitas erosionis ad diversas velocitates venti determinata est, deinde limen velocitatis eruptionis pro quolibet exemplo curationis determinatum est utens graphico quantitatis erosionis contra celeritatem venti. Praeter probationes erosionis venti, exempla tractata bombardamento arenae (i.e., experimentis saltationis) subiecta sunt. Duo exempla addita ad hoc parata sunt ad rationes applicationis 2 et 3 L m−2. Probatio bombardamenti arenae 15 min duravit cum fluxu 120 gm−1, quod intra limites valorum selectorum in studiis prioribus est60,61,62. Distantia horizontalis inter rostrum abrasivum et basin dunae 800 mm erat, sita 100 mm supra fundum cuniculi. Haec positio ita constituta est ut fere omnes particulae arenae saltationis in dunam caderent.
Experimentum in cuniculo venti peractum est in cuniculo venti aperto, longitudine 8 m, latitudine 0.4 m, et altitudine 1 m (Figura 4a). Cuniculus venti ex laminis chalybis galvanizatis constructus est et celeritatem venti usque ad 25 m/s generare potest. Praeterea, convertor frequentiae ad frequentiam ventilatoris adaptandam et gradatim frequentiam augendam adhibetur, ut celeritas venti desiderata obtineatur. Figura 4b schema dunarum arenosarum vento erosarum et figuram celeritatis venti in cuniculo venti mensuratam ostendit.
Denique, ad comparanda eventa formulae MICP non-urealyticae, in hoc studio propositae, cum eventibus probationis MICP urealyticae moderatricis, exempla dunarum etiam praeparata et tractata sunt solutione biologica uream, calcii chloridum et Sporosarcina pasteurii continenti (cum Sporosarcina pasteurii facultatem significantem ureasem producendi habeat63). Densitas optica solutionis bacterialis erat 1.5, et concentrationes ureae et calcii chloridi erant 1 M (secundum valores in studiis prioribus commendatos36,64,65) selecti. Medium culturae constabat ex iure nutriente (8 g/L) et urea (20 g/L). Solutio bacterialis in superficiem dunarum aspersa est et per 24 horas relicta ad adhaesionem bacterialem. Post 24 horas adhaesionis, solutio cementicia (calcii chloridum et urea) aspersa est. Probatio moderatrix MICP urealytica deinceps UMC appellabitur. Quantitas calcii carbonatis in exemplaribus soli urealytice et non-urelytice tractatis per lavacrum secundum modum a Choi et al. propositum obtenta est.
Figura V curvas accretionis *Bacilli amyloliquefaciens* et *Bacilli subtilis* in medio culturae (solutione nutriente) cum initiali pH intervallo 5 ad 10 ostendit. Ut in figura demonstratur, *Bacilli amyloliquefaciens* et *Bacilli subtilis* celerius ad pH 6-8 et 7-9 respective creverunt. Quapropter, hoc pH intervallum in stadio optimizationis adhibitum est.
Curvae accretionis (a) Bacilli amyloliquefacientis et (b) Bacilli subtilis ad diversos valores pH initiales medii nutrientis.
Figura 6 quantitatem dioxidi carbonis in calcemetro Bernard productam ostendit, quae calcii carbonatem praecipitatum (CaCO3) repraesentat. Cum unus factor in unaquaque combinatione fixus sit et alii factores variati, unumquodque punctum in his graphis volumini maximo dioxidi carbonis in illa serie experimentorum respondet. Ut in figura demonstratur, cum concentratio fontis calcii augebatur, productio carbonatis calcii augebatur. Ergo, concentratio fontis calcii productionem carbonatis calcii directe afficit. Cum fons calcii et fons carbonis idem sint (i.e., formias calcii et acetas calcii), quo plures iones calcii liberantur, eo plus carbonatis calcii formatur (Figura 6a). In formulationibus AS et AA, productio carbonatis calcii crescere pergebat cum tempore curationis crescente, donec quantitas praecipitati post 9 dies fere immutata esset. In formulatione FA, celeritas formationis carbonatis calcii decrevit cum tempus curationis 6 dies excederet. Comparata cum aliis formulationibus, formulatio FS celeritatem formationis carbonatis calcii relative humilem post 3 dies ostendit (Figura 6b). In formulationibus FA et FS, 70% et 87% totius productionis calcii carbonatis post tres dies obtenta est, dum in formulationibus AA et AS, haec proportio tantum circiter 46% et 45% respective erat. Hoc indicat formulationem acido formico fundatam maiorem formationis CaCO3 ratem in stadio initiali habere comparatam cum formulatione acetato fundata. Attamen, celeritas formationis tardat crescente tempore curationis. Ex Figura 6c concludi potest etiam ad concentrationes bacteriales supra OD1, nullam contributionem significantem ad formationem calcii carbonatis esse.
Mutatio voluminis CO2 (et correspondentis contenti CaCO3) a calcimetro Bernard mensurata pro functione (a) concentrationis fontis calcii, (b) temporis solidificationis, (c) depositionis opticae (OD), (d) pH initialis, (e) rationis fontis calcii ad solutionem bacterialem (pro unaquaque formulatione); et (f) maximae quantitatis calcii carbonatis productae pro unaquaque combinatione fontis calcii et bacteriorum.
De effectu pH initialis medii, Figura 6d ostendit pro FA et FS productionem CaCO3 valorem maximum attigisse ad pH 7. Haec observatio congruit cum studiis prioribus quae enzyma FDH maxime stabilia esse ad pH 7-6.7. Attamen, pro AA et AS, praecipitatio CaCO3 aucta est cum pH 7 excessit. Studia priora etiam demonstraverunt intervallum pH optimum pro activitate enzymi CoA esse ab 8 ad 9.2-6.8. Cum intervalla pH optima pro activitate enzymi CoA et accretione B. amyloliquefaciens sint (8-9.2) et (6-8) respective (Figura 5a), pH optimus formulae AA expectatur esse 8, et duo intervalla pH se intersecant. Hoc experimentis confirmatum est, ut in Figura 6d demonstratur. Cum pH optimum ad B. subtilis crescendum sit 7-9 (Figura 5b) et pH optimum ad actionem enzymaticam CoA sit 8-9.2, maxima praecipitationis CaCO3 proventus in pH 8-9 esse expectatur, quod Figura 6d confirmat (id est, pH optimum praecipitationis est 9). Resultata in Figura 6e ostensa indicant rationem optimam solutionis fontis calcii ad solutionem bacterialem esse 1 pro solutionibus tam acetatis quam formiati. Ad comparationem, effectus diversarum formulationum (id est, AA, AS, FA, et FS) aestimatus est secundum maximam productionem CaCO3 sub diversis condicionibus (id est, concentratio fontis calcii, tempus curationis, OD, proportio fontis calcii ad solutionem bacterialem, et pH initiale). Inter formulationes studiatas, formulatio FS maximam productionem CaCO3 habuit, quae fere triplo maior erat quam formulatio AA (Figura 6f). Quattuor experimenta moderatoria sine bacteriis pro ambobus fontibus calcii peracta sunt et nulla praecipitatio CaCO3 post 30 dies observata est.
Imagines microscopiae opticae omnium formulationum ostenderunt vateritum esse phasin principalem in qua calcii carbonas formatum est (Figura 7). Crystalli vateriti forma sphaerica erant69,70,71. Inventum est calcii carbonas in cellulis bacterialibus praecipitari quia superficies cellularum bacterialium negative onerata erat et adsorbens cationes bivalentes agere poterat. Formulationem FS ut exemplum in hoc studio sumptam, post 24 horas, calcii carbonas in quibusdam cellulis bacterialibus formari coepit (Figura 7a), et post 48 horas, numerus cellularum bacterialium calcio carbonato obductarum significanter auctus est. Praeterea, ut in Figura 7b demonstratur, particulae vateriti etiam detegi potuerunt. Denique, post 72 horas, magnus numerus bacteriorum a crystallis vateriti vinctus esse videbatur, et numerus particularum vateriti significanter auctus est (Figura 7c).
Observationes microscopiae opticae praecipitationis CaCO3 in compositionibus FS per tempus: (a) 24, (b) 48 et (c) 72 h.
Ad morphologiam phasis praecipitatae ulterius investigandam, analyses pulverum per diffrctionem radiorum X (XRD) et micrographia SEM peractae sunt. Spectra XRD (Fig. 8a) et micrographia SEM (Fig. 8b, c) praesentiam crystallorum vateriti confirmaverunt, cum formam lactucae similem haberent et correspondentia inter cacumina vateriti et cacumina praecipitata observata esset.
(a) Comparatio spectrorum diffractionis radiorum X CaCO3 formati et vateriti. Micrographa SEM vateriti ad (b) 1 kHz et (c) amplificationem 5.27 kHz, respective.
Resultatus probationum in cuniculo venti in Figura 9a, b monstrantur. Ex Figura 9a videri potest celeritatem erosionis liminalem (TDV) arenae non tractatae esse circiter 4.32 m/s. Ad applicationem 1 l/m² (Figura 9a), inclinationes linearum iacturae soli pro fractionibus FA, FS, AA et UMC sunt fere eaedem ac pro duna non tractata. Hoc indicat tractationem ad hanc applicationem inefficacem esse et simulac celeritas venti TDV excedit, tenuem crustam soli evanescere et ratem erosionis dunae eandem esse ac pro duna non tractata. Inclinatio erosionis fractionis AS etiam inferior est quam aliarum fractionum cum abscissis inferioribus (i.e. TDV) (Figura 9a). Sagittae in Figura 9b indicant ad maximam celeritatem venti 25 m/s, nullam erosionem in dunis tractatis ad applicationes 2 et 3 l/m² accidisse. Aliis verbis, pro FS, FA, AS et UMC, dunae erosioni venti a depositione CaCO³ causatae ad rationes applicationis 2 et 3 l/m² resistentiores erant quam ad maximam venti celeritatem (i.e. 25 m/s). Ergo, valor TDV 25 m/s in his probationibus inventus est limes inferior pro rationibus applicationis in Figura 9b monstratis, excepto casu AA, ubi TDV fere aequalis est maximae celeritati cuniculi venti.
Experimentum erosionis venti (a) Ponderis amissio contra celeritatem venti (ratio applicationis 1 l/m2), (b) Limina celeritatis avulsionis contra ratem applicationis et formulationem (CA pro calcii acetato, CF pro calcii formiato).
Figura X erosionem superficiei dunarum arenosarum, variis formulis et applicationibus ratibus tractatarum post experimentum bombardamenti arenae, ostendit, et eventus quantitativi in ​​Figura XI monstrantur. Casus non tractatus non monstratur, quia nullam resistentiam ostendit et omnino erosum est (totalis massae amissio) durante experimento bombardamenti arenae. Ex Figura XI patet exemplum biocompositione AA tractatum 83.5% ponderis sui ad applicationem 2 l/m2 amisisse, dum omnia alia exempla minus quam 30% erosionis durante processu bombardamenti arenae ostenderunt. Cum ratio applicationis ad 3 l/m2 aucta est, omnia exempla tractata minus quam 25% ponderis sui amiserunt. Ad utrasque rationes applicationis, compositum FS optimam resistentiam bombardamento arenae ostendit. Maxima et minima resistentia bombardamenti in exemplis FS et AA tractatis maximae et minimae praecipitationis CaCO3 attribui potest (Figura 6f).
Resultata bombardamentorum dunarum arenosarum diversarum compositionum ad fluxus 2 et 3 l/m2 (sagittae directionem venti indicant, cruces directionem venti perpendicularem plano delineationis indicant).
Ut in Figura XII demonstratur, contentum calcii carbonatis omnium formularum auctum est cum ratio applicationis ab 1 L/m² ad 3 L/m² cresceret. Praeterea, omnibus rationibus applicationis, formula cum maximo contento calcii carbonatis erat FS, deinde FA et UMC. Hoc suggerit has formulas fortasse maiorem resistentiam superficialem habere.
Figura 13a mutationem resistentiae superficialis exemplorum soli non tractati, moderatoris et tractati, per probationem permeametri mensuratam, ostendit. Ex hac figura, manifestum est resistentiam superficialem formulationum UMC, AS, FA et FS significanter auctam esse cum incremento applicationis ratae. Attamen, incrementum roboris superficialis relative parvum erat in formulatione AA. Ut in figura demonstratur, formulationes FA et FS MICP non-urea-degradati permeabilitatem superficialem meliorem habent comparatae cum MICP urea-degradato. Figura 13b mutationem TDV cum resistentia superficiali soli ostendit. Ex hac figura, clare apparet pro dunis cum resistentia superficiali maiore quam 100 kPa, limen velocitatis expurgationis 25 m/s excedere. Cum resistentia superficialis in situ facile permeametris metiri possit, haec scientia adiuvare potest ad aestimandam TDV absente probatione in cuniculo venti, ita ut indicator qualitatis moderationis pro applicationibus in agro serviens.
Resultata SEM in Figura XIV monstrantur. Figurae 14a-b particulas auctas exempli soli non tractati ostendunt, quod clare indicat illud cohaesivum esse et nullam naturalem vinculationem aut cementationem habere. Figura 14c micrographum SEM exempli comparativi cum MICP urea degradato tractati ostendit. Haec imago praesentiam praecipitatorum CaCO3 ut polymorphorum calcitae ostendit. Ut in Figuris 14d-o demonstratur, CaCO3 praecipitatum particulas inter se ligat; crystalli vateritae sphaerici etiam in micrographis SEM identificari possunt. Resultata huius studii et studiorum priorum indicant vincula CaCO3 ut polymorphorum vateritae formata etiam rationabilem robur mechanicum praebere posse; nostra resultata ostendunt resistentiam superficialem ad 350 kPa crescere et velocitatem separationis liminalem a 4.32 ad plus quam 25 m/s crescere. Hoc resultat congruit cum resultatibus studiorum priorum, quae matricem CaCO3 MICP-praecipitati esse vateritum, quae rationabilem robur mechanicum et resistentiam erosionis venti habet13,40 et rationabilem resistentiam erosionis venti servare potest etiam post 180 dies expositionis condicionibus environmentalibus in agro13.
(a, b) Micrographa SEM soli non tractati, (c) moderatio degradationis ureae MICP, (df) exempla AA-tractata, (gi) exempla AS-tractata, (jl) exempla FA-tractata, et (mo) exempla FS-tractata, applicatione 3 L/m2 ad varias magnificationes.
Figura 14d-f ostendit post tractationem cum compositis AA, calcii carbonas in superficie et inter grana arenae praecipitatum esse, dum nonnulla grana arenae non obducta etiam observata sunt. Pro componentibus AS, quamquam quantitas CaCO3 formata non significanter aucta est (Fig. 6f), quantitas contactuum inter grana arenae a CaCO3 causatorum significanter aucta est comparata cum compositis AA (Fig. 14g-i).
Ex Figuris 14j-l et 14m-o patet usum formiati calcii ut fontis calcii ad ulteriorem augmentum praecipitationis CaCO3 ducere comparatum cum composito AS, quod congruit cum mensuris calcii metri in Figura 6f. Hic CaCO3 additus videtur praecipue in particulis arenae deponi nec necessario qualitatem contactus emendare. Hoc confirmat modum antea observatum: quamvis differentiae in quantitate praecipitationis CaCO3 exstent (Figura 6f), tres formulae (AS, FA et FS) non differunt significanter secundum actionem anti-eolianam (ventorum) (Figura 11) et resistentiam superficialem (Figura 13a).
Ut cellulae bacteriales CaCO3 obductae et vestigium bacteriale in crystallis praecipitatis melius visualizarentur, micrographa SEM magnae amplificationis capta sunt et eventus in Figura 15 monstrantur. Ut demonstratur, calcii carbonas in cellulis bacterialibus praecipitat et nucleos ibi ad praecipitationem necessarios praebet. Figura etiam nexus activos et inactivos a CaCO3 inductos depingit. Concludi potest ullam augmentationem nexuum inactivorum non necessario ad ulteriorem emendationem in comportamento mechanico ducere. Ergo, aucta praecipitatio CaCO3 non necessario ad maiorem robur mechanicum ducit et exemplar praecipitationis magnum momentum agit. Hoc punctum etiam in operibus Terzis et Laloui72 et Soghi et Al-Kabani45,73 investigatum est. Ut relatio inter exemplar praecipitationis et robur mechanicum ulterius exploretur, studia MICP utens imaginibus µCT commendantur, quod extra fines huius studii est (i.e., introducendo varias combinationes fontis calcii et bacteriorum pro MICP sine ammonia).
CaCO3 vincula activa et inactiva in exemplaribus cum (a) compositione AS et (b) compositione FS tractatis induxit et vestigium cellularum bacterialium in sedimento reliquit.
Ut in Figuris 14j-o et 15b demonstratur, pellicula CaCO₃ exstat (secundum analysin EDX, compositio percentualis cuiusque elementi in pellicula est carbonium 11%, oxygenium 46.62% et calcium 42.39%, quod percentationi CaCO₃ in Figura 16 proxime accedit). Haec pellicula crystallos vateriti et particulas soli tegit, adiuvans ad integritatem systematis soli-sedimenti conservandam. Praesentia huius pelliculae tantum in exemplaribus cum formulatione formiato tractatis observata est.
Tabula II comparat firmitatem superficialem, celeritatem separationis liminalem, et contentum CaCO3 bioinductum solorum tractatorum cum viis MICP uream degradantibus et non-uream degradantibus in studiis prioribus et hoc studio. Studia de resistentia erosionis venti exemplorum dunarum MICP tractatorum limitata sunt. Meng et al. resistentiam erosionis venti exemplorum dunarum MICP tractatorum uream degradantium utentes sufflatore foliorum investigaverunt,13 cum in hoc studio, exempla dunarum non-uream degradantium (necnon exempla testium uream degradantium) in cuniculo vento probata et quattuor diversis combinationibus bacteriorum et substantiarum tractata sint.
Ut videri potest, nonnulla studia priora altas applicationis rates excedentes 4 L/m² consideraverunt (213,41,74). Notandum est altas applicationis rates ex ratione oeconomica in agro fortasse non facile applicari posse propter sumptus cum aquae copia, transportatione et applicatione magnorum voluminum aquae coniunctos. Rationes applicationis inferiores, ut 1.62-2 L/m², etiam satis bonas robora superficialia usque ad 190 kPa et TDV excedentem 25 m/s consecuti sunt. In hoc studio, dunae tractatae cum MICP formiato fundato sine degradatione ureae altas robora superficialia consecuti sunt quae comparabiles erant illis obtentis cum via degradationis ureae in eodem ambitu rationum applicationis (i.e., exempla tractata cum MICP formiato fundato sine degradatione ureae etiam eundem ambitum valorum roboris superficialis consequi potuerunt, ut a Meng et al., 13, Figura 13a, relatum est) ad altiores rationes applicationis. Etiam videri potest, applicatione 2 L/m2 facta, proventum calcii carbonatis ad erosionem venti mitigandam, celeritate venti 25 m/s, fuisse 2.25% pro MICP formiato fundato sine degradatione ureae, quod quantitati CaCO3 requisitae (i.e. 2.41%) pro dunis MICP moderatorio cum degradatione ureae tractatis, eadem applicatione 2 L/m2 et eadem celeritate venti (25 m/s) proxime accedit.
Ergo, ex hac tabula concludi potest et viam degradationis ureae et viam degradationis sine urea satis acceptabilem efficaciam praebere posse quoad resistentiam superficialem et TDV (Tempus Valoris Solutionis). Differentia principalis est quod via degradationis sine urea ammoniam non continet et ideo minorem impulsum in ambitum habet. Praeterea, methodus MICP formiato fundata sine degradatione ureae in hoc studio proposita melius quam methodus MICP acetato fundata sine degradatione ureae fungi videtur. Quamquam Mohebbi et al. methodum MICP acetato fundatam sine degradatione ureae investigaverunt, studium eorum exempla in superficiebus planis9 inclusit. Propter maiorem gradum erosionis a formatione vorticosorum circa exempla dunarum causatum et tonsuram inde resultantem, quae minorem TDV efficit, erosio venti exemplorum dunarum evidentior esse exspectatur quam ea superficierum planarum eadem celeritate.