nature.com'u ziyaret ettiğiniz için teşekkür ederiz. Kullandığınız tarayıcı sürümünün CSS desteği sınırlıdır. En iyi deneyim için, en son tarayıcı sürümünü kullanmanızı (veya Internet Explorer'da uyumluluk modunu kapatmanızı) öneririz. Ayrıca, sürekli desteği sağlamak için bu sitede stil veya JavaScript yer almayacaktır.
Toz fırtınaları, tarım, insan sağlığı, ulaşım ağları ve altyapı üzerindeki yıkıcı etkileri nedeniyle dünyanın birçok ülkesi için ciddi bir tehdit oluşturmaktadır. Sonuç olarak, rüzgar erozyonu küresel bir sorun olarak kabul edilmektedir. Rüzgar erozyonunu önlemenin çevre dostu yaklaşımlarından biri, mikrobiyal kaynaklı karbonat çökelmesi (MICP) kullanımıdır. Bununla birlikte, üre bozunmasına dayalı MICP'nin amonyak gibi yan ürünleri, büyük miktarlarda üretildiğinde ideal değildir. Bu çalışma, üre üretmeden MICP'nin bozunması için iki kalsiyum format bakteri formülasyonunu sunmakta ve performanslarını amonyak üretmeyen iki kalsiyum asetat bakteri formülasyonuyla kapsamlı bir şekilde karşılaştırmaktadır. Ele alınan bakteriler Bacillus subtilis ve Bacillus amyloliquefaciens'tir. İlk olarak, CaCO3 oluşumunu kontrol eden faktörlerin optimize edilmiş değerleri belirlenmiştir. Daha sonra, optimize edilmiş formülasyonlarla işlenmiş kum tepesi örnekleri üzerinde rüzgar tüneli testleri yapılmış ve rüzgar erozyonuna direnç, sıyrılma eşik hızı ve kum bombardımanına direnç ölçülmüştür. Kalsiyum karbonat (CaCO3) allomorfları, optik mikroskopi, taramalı elektron mikroskopi (SEM) ve X-ışını kırınım analizi kullanılarak değerlendirildi. Kalsiyum format bazlı formülasyonlar, kalsiyum karbonat oluşumu açısından asetat bazlı formülasyonlardan önemli ölçüde daha iyi performans gösterdi. Ayrıca, B. subtilis, B. amyloliquefaciens'ten daha fazla kalsiyum karbonat üretti. SEM mikrografları, çökelme sonucu oluşan kalsiyum karbonat üzerinde aktif ve inaktif bakterilerin bağlanmasını ve iz bırakmasını açıkça gösterdi. Tüm formülasyonlar rüzgar erozyonunu önemli ölçüde azalttı.
Rüzgar erozyonu, uzun zamandır ABD'nin güneybatısı, Çin'in batısı, Sahra Afrikası ve Orta Doğu'nun büyük bir kısmı gibi kurak ve yarı kurak bölgelerin karşı karşıya kaldığı önemli bir sorun olarak kabul edilmektedir.1 Kurak ve aşırı kurak iklimlerdeki düşük yağış miktarı, bu bölgelerin büyük kısımlarını çöllere, kum tepelerine ve ekilmemiş arazilere dönüştürmüştür. Süregelen rüzgar erozyonu, ulaşım ağları, tarım arazileri ve sanayi arazileri gibi altyapılara çevresel tehditler oluşturarak bu bölgelerde kötü yaşam koşullarına ve yüksek kentsel gelişim maliyetlerine yol açmaktadır.2,3,4 Daha da önemlisi, rüzgar erozyonu sadece meydana geldiği yeri etkilemekle kalmaz, aynı zamanda parçacıkları rüzgarla kaynağın çok uzağındaki bölgelere taşıdığı için uzak topluluklarda sağlık ve ekonomik sorunlara da neden olur.5,6
Rüzgar erozyonunun kontrolü küresel bir sorun olmaya devam etmektedir. Rüzgar erozyonunu kontrol etmek için çeşitli toprak stabilizasyon yöntemleri kullanılmaktadır. Bu yöntemler arasında su uygulaması7, yağ malçları8, biyopolimerler5, mikrobiyal kaynaklı karbonat çökelmesi (MICP)9,10,11,12 ve enzim kaynaklı karbonat çökelmesi (EICP)1 gibi malzemeler yer almaktadır. Toprağın ıslatılması, tarlada toz bastırmanın standart bir yöntemidir. Bununla birlikte, hızlı buharlaşması bu yöntemi kurak ve yarı kurak bölgelerde sınırlı etkinliğe sahip kılmaktadır1. Yağ malç bileşiklerinin uygulanması kumun kohezyonunu ve tanecikler arası sürtünmeyi artırır. Kohezyon özelliği kum tanelerini birbirine bağlar; ancak yağ malçları başka sorunlar da yaratır; koyu renkleri ısı emilimini artırır ve bitkilerin ve mikroorganizmaların ölümüne yol açar. Kokuları ve dumanları solunum problemlerine neden olabilir ve en önemlisi, yüksek maliyetleri başka bir engeldir. Biyopolimerler, rüzgar erozyonunu azaltmak için son zamanlarda önerilen çevre dostu yöntemlerden biridir; bitkiler, hayvanlar ve bakteriler gibi doğal kaynaklardan elde edilirler. Ksantan zamkı, guar zamkı, kitosan ve gellan zamkı, mühendislik uygulamalarında en yaygın kullanılan biyopolimerlerdir5. Bununla birlikte, suda çözünebilen biyopolimerler, suya maruz kaldıklarında mukavemetlerini kaybedebilir ve topraktan sızabilirler13,14. EICP'nin, asfaltlanmamış yollar, atık havuzları ve inşaat alanları dahil olmak üzere çeşitli uygulamalar için etkili bir toz bastırma yöntemi olduğu gösterilmiştir. Sonuçları cesaret verici olsa da, maliyet ve çekirdeklenme bölgelerinin eksikliği (bu da CaCO3 kristallerinin oluşumunu ve çökelmesini hızlandırır15,16) gibi bazı potansiyel dezavantajlar dikkate alınmalıdır.
MICP ilk olarak 19. yüzyılın sonlarında Murray ve Irwin (1890) ve Steinmann (1901) tarafından deniz mikroorganizmaları tarafından üre bozunumu üzerine yaptıkları çalışmada tanımlanmıştır17. MICP, mikrobiyal metabolitlerden gelen karbonat iyonlarının ortamdaki kalsiyum iyonlarıyla reaksiyonu sonucu kalsiyum karbonatın çökeldiği çeşitli mikrobiyal aktiviteleri ve kimyasal süreçleri içeren doğal olarak oluşan bir biyolojik süreçtir18,19. Üre bozucu azot döngüsünü içeren MICP (üre bozucu MICP), bakteriler tarafından üretilen üreazın ürenin hidrolizini aşağıdaki gibi katalize ettiği, mikrobiyal kaynaklı karbonat çökelmesinin en yaygın türüdür20,21,22,23,24,25,26,27:
Organik tuz oksidasyonunun karbon döngüsünü içeren MICP'de (üre bozunumu olmayan MICP tipi), heterotrofik bakteriler, karbonat mineralleri üretmek için asetat, laktat, sitrat, süksinat, oksalat, malat ve glioksilat gibi organik tuzları enerji kaynağı olarak kullanırlar28. Kalsiyum laktatın karbon kaynağı ve kalsiyum iyonlarının varlığında, kalsiyum karbonat oluşumunun kimyasal reaksiyonu denklem (5)'te gösterilmiştir.
MICP sürecinde, bakteri hücreleri özellikle kalsiyum karbonatın çökelmesi için önemli olan çekirdeklenme bölgeleri sağlar; bakteri hücresi yüzeyi negatif yüklüdür ve kalsiyum iyonları gibi iki değerlikli katyonlar için adsorban görevi görebilir. Kalsiyum iyonlarının bakteri hücrelerine adsorbe edilmesiyle, karbonat iyonu konsantrasyonu yeterli olduğunda, kalsiyum katyonları ve karbonat anyonları reaksiyona girer ve kalsiyum karbonat bakteri yüzeyinde çökelir29,30. Süreç şu şekilde özetlenebilir31,32:
Biyolojik olarak üretilen kalsiyum karbonat kristalleri üç tipe ayrılabilir: kalsit, vaterit ve aragonit. Bunlar arasında kalsit ve vaterit, bakteriyel kaynaklı kalsiyum karbonat allomorflarının en yaygın olanlarıdır33,34. Kalsit, termodinamik olarak en kararlı kalsiyum karbonat allomorfudur35. Vateritin metastabil olduğu bildirilmiş olsa da, sonunda kalsite dönüşür36,37. Vaterit, bu kristallerin en yoğun olanıdır. Daha büyük boyutu nedeniyle diğer kalsiyum karbonat kristallerine göre daha iyi gözenek doldurma yeteneğine sahip altıgen bir kristaldir38. Hem üre ile parçalanmış hem de üre ile parçalanmamış MICP, vaterit çökelmesine yol açabilir13,39,40,41.
MICP, sorunlu toprakların ve rüzgar erozyonuna duyarlı toprakların stabilize edilmesinde umut vadeden bir potansiyel göstermiş olsa da42,43,44,45,46,47,48, üre hidrolizinin yan ürünlerinden biri olan amonyak, maruz kalma düzeyine bağlı olarak hafiften şiddetliye kadar değişen sağlık sorunlarına neden olabilir49. Bu yan etki, özellikle toz bastırma gibi geniş alanların işlenmesi gerektiğinde, bu teknolojinin kullanımını tartışmalı hale getirmektedir. Ayrıca, işlem yüksek uygulama oranlarında ve büyük hacimlerde gerçekleştirildiğinde amonyak kokusu dayanılmaz hale gelir ve bu da pratik uygulanabilirliğini etkileyebilir. Son çalışmalar, amonyum iyonlarının struvit gibi diğer ürünlere dönüştürülerek azaltılabileceğini göstermiş olsa da, bu yöntemler amonyum iyonlarını tamamen ortadan kaldırmaz50. Bu nedenle, amonyum iyonu üretmeyen alternatif çözümlerin araştırılmasına hala ihtiyaç vardır. MICP için üre dışı bozunma yollarının kullanılması, rüzgar erozyonunun azaltılması bağlamında yeterince araştırılmamış potansiyel bir çözüm sağlayabilir. Fattahi ve ark. kalsiyum asetat ve Bacillus megaterium41 kullanarak üre içermeyen MICP bozunmasını araştırırken, Mohebbi ve ark. kalsiyum asetat ve Bacillus amyloliquefaciens9 kullandı. Bununla birlikte, çalışmalarında rüzgar erozyonuna karşı direnci nihayetinde artırabilecek diğer kalsiyum kaynakları ve heterotrofik bakterilerle karşılaştırma yapılmamıştır. Ayrıca, rüzgar erozyonunun azaltılmasında üre içermeyen bozunma yolları ile üre içeren bozunma yollarını karşılaştıran literatür eksikliği de bulunmaktadır.
Ayrıca, rüzgar erozyonu ve toz kontrolü üzerine yapılan çalışmaların çoğu düz yüzeyli toprak örnekleri üzerinde gerçekleştirilmiştir.1,51,52,53 Bununla birlikte, düz yüzeyler doğada tepeler ve çukurlardan daha az yaygındır. Bu nedenle kum tepeleri çöl bölgelerinde en yaygın arazi özelliğidir.
Yukarıda belirtilen eksikliklerin üstesinden gelmek için, bu çalışma amonyak üretmeyen yeni bir bakteri grubu tanıtmayı amaçlamıştır. Bu amaçla, üre parçalamayan MICP yollarını ele aldık. İki kalsiyum kaynağının (kalsiyum format ve kalsiyum asetat) etkinliği araştırıldı. Yazarların bilgisine göre, iki kalsiyum kaynağı ve bakteri kombinasyonu (yani kalsiyum format-Bacillus subtilis ve kalsiyum format-Bacillus amyloliquefaciens) kullanılarak karbonat çökelmesi daha önceki çalışmalarda araştırılmamıştır. Bu bakterilerin seçimi, kalsiyum format ve kalsiyum asetatın oksidasyonunu katalize ederek mikrobiyal karbonat çökelmesi oluşturan enzimleri üretmelerine dayanmaktadır. pH, bakteri ve kalsiyum kaynaklarının türleri ve konsantrasyonları, bakteri/kalsiyum kaynağı çözeltisi oranı ve kürleme süresi gibi optimum faktörleri bulmak için kapsamlı bir deneysel çalışma tasarladık. Son olarak, kalsiyum karbonat çökelmesi yoluyla rüzgar erozyonunu bastırmada bu bakteri ajanları grubunun etkinliği, kum tepelerinde bir dizi rüzgar tüneli testi yapılarak araştırıldı. Bu testlerde rüzgar erozyonunun büyüklüğü, eşik kopma hızı ve kumun rüzgar bombardımanına karşı direnci belirlendi; ayrıca penetrometre ölçümleri ve mikroyapısal çalışmalar (örneğin X-ışını kırınımı (XRD) analizi ve taramalı elektron mikroskobu (SEM)) da gerçekleştirildi.
Kalsiyum karbonat üretimi kalsiyum iyonları ve karbonat iyonları gerektirir. Kalsiyum iyonları, kalsiyum klorür, kalsiyum hidroksit ve yağsız süt tozu gibi çeşitli kalsiyum kaynaklarından elde edilebilir54,55. Karbonat iyonları ise üre hidrolizi ve organik maddenin aerobik veya anaerobik oksidasyonu gibi çeşitli mikrobiyal yöntemlerle üretilebilir56. Bu çalışmada, karbonat iyonları format ve asetatın oksidasyon reaksiyonundan elde edilmiştir. Ayrıca, saf kalsiyum karbonat üretmek için format ve asetatın kalsiyum tuzlarını kullandık, böylece yan ürün olarak sadece CO2 ve H2O elde edildi. Bu işlemde, sadece bir madde kalsiyum kaynağı ve karbonat kaynağı olarak görev yapar ve amonyak üretilmez. Bu özellikler, ele aldığımız kalsiyum kaynağı ve karbonat üretim yöntemini oldukça umut verici kılmaktadır.
Kalsiyum format ve kalsiyum asetatın kalsiyum karbonat oluşturmak üzere olan karşılık gelen reaksiyonları formüller (7)-(14)'te gösterilmiştir. Formüller (7)-(11), kalsiyum formatın suda çözünerek formik asit veya format oluşturduğunu göstermektedir. Bu nedenle çözelti, serbest kalsiyum ve hidroksit iyonlarının kaynağıdır (formüller 8 ve 9). Formik asidin oksidasyonu sonucunda, formik asitteki karbon atomları karbondioksite dönüştürülür (formül 10). Sonuç olarak kalsiyum karbonat oluşur (formüller 11 ve 12).
Benzer şekilde, kalsiyum karbonat, kalsiyum asetattan oluşur (denklemler 13-15), ancak formik asit yerine asetik asit veya asetat oluşur.
Enzimlerin yokluğunda, asetat ve format oda sıcaklığında oksitlenemez. FDH (format dehidrojenaz) ve CoA (koenzim A), sırasıyla format ve asetatın karbondioksit oluşturmak üzere oksidasyonunu katalize eder (Denklem 16, 17) 57, 58, 59. Çeşitli bakteriler bu enzimleri üretebilir ve bu çalışmada heterotrofik bakteriler, yani Bacillus subtilis (PTCC #1204 (Persian Type Culture Collection), aynı zamanda NCIMB #13061 (International Collection of Bacteria, Yeast, Phage, Plasmids, Plant Seeds and Plant Cell Tissue Cultures)) ve Bacillus amyloliquefaciens (PTCC #1732, NCIMB #12077) kullanılmıştır. Bu bakteriler, et peptonu (5 g/L) ve et özütü (3 g/L) içeren, besin suyu (NBR) (105443 Merck) adı verilen bir ortamda kültüre edildi.
Bu nedenle, iki kalsiyum kaynağı ve iki bakteri kullanılarak kalsiyum karbonat çökelmesini sağlamak için dört formülasyon hazırlandı: kalsiyum format ve Bacillus subtilis (FS), kalsiyum format ve Bacillus amyloliquefaciens (FA), kalsiyum asetat ve Bacillus subtilis (AS) ve kalsiyum asetat ve Bacillus amyloliquefaciens (AA).
Deneysel tasarımın ilk bölümünde, maksimum kalsiyum karbonat üretimi sağlayacak optimum kombinasyonu belirlemek için testler yapıldı. Toprak örnekleri kalsiyum karbonat içerdiğinden, farklı kombinasyonlar tarafından üretilen CaCO3'ü doğru bir şekilde ölçmek için bir dizi ön değerlendirme testi tasarlandı ve kültür ortamı ile kalsiyum kaynağı çözeltilerinin karışımları değerlendirildi. Yukarıda tanımlanan her bir kalsiyum kaynağı ve bakteri çözeltisi kombinasyonu (FS, FA, AS ve AA) için optimizasyon faktörleri (kalsiyum kaynağı konsantrasyonu, kürlenme süresi, çözeltinin optik yoğunluğu (OD) ile ölçülen bakteri çözeltisi konsantrasyonu, kalsiyum kaynağı/bakteri çözeltisi oranı ve pH) türetildi ve aşağıdaki bölümlerde açıklanan kum tepesi işleme rüzgar tüneli testlerinde kullanıldı.
Her bir kombinasyon için, CaCO3 çökelmesinin etkisini incelemek ve organik maddenin aerobik oksidasyonu sırasında kalsiyum kaynağı konsantrasyonu, kürleme süresi, bakteri OD değeri, kalsiyum kaynağı/bakteri çözeltisi oranı ve pH gibi çeşitli faktörleri değerlendirmek amacıyla 150 deney yapılmıştır (Tablo 1). Optimize edilmiş işlem için pH aralığı, daha hızlı büyüme elde etmek amacıyla Bacillus subtilis ve Bacillus amyloliquefaciens'in büyüme eğrilerine göre seçilmiştir. Bu, Sonuçlar bölümünde daha ayrıntılı olarak açıklanmıştır.
Optimizasyon aşaması için numunelerin hazırlanmasında aşağıdaki adımlar izlendi. MICP çözeltisi ilk olarak kültür ortamının başlangıç ​​pH'ı ayarlanarak hazırlandı ve ardından 121 °C'de 15 dakika süreyle otoklavlandı. Suş daha sonra laminar hava akışı altında aşılandı ve 30 °C ve 180 rpm'de çalkalamalı inkübatörde tutuldu. Bakterilerin OD değeri istenen seviyeye ulaştığında, istenen oranda kalsiyum kaynağı çözeltisiyle karıştırıldı (Şekil 1a). MICP çözeltisinin, hedef değere ulaşana kadar 220 rpm ve 30 °C'de çalkalamalı inkübatörde reaksiyona girmesine ve katılaşmasına izin verildi. Çökelen CaCO3, 6000 g'de 5 dakika santrifüj edildikten sonra ayrıldı ve daha sonra kalsimetre testi için numuneleri hazırlamak üzere 40 °C'de kurutuldu (Şekil 1b). Daha sonra CaCO3 çökelmesi, CaCO3 tozunun 1,0 N HCl (ASTM-D4373-02) ile reaksiyona girerek CO2 ürettiği ve bu gazın hacminin CaCO3 içeriğinin bir ölçüsü olduğu bir Bernard kalsimetre kullanılarak ölçüldü (Şekil 1c). CO2 hacmini CaCO3 içeriğine dönüştürmek için, saf CaCO3 tozu 1 N HCl ile yıkanarak ve açığa çıkan CO2'ye karşı çizilerek bir kalibrasyon eğrisi oluşturuldu. Çökelen CaCO3 tozunun morfolojisi ve saflığı, SEM görüntüleme ve XRD analizi kullanılarak incelendi. Bakterilerin etrafındaki kalsiyum karbonat oluşumunu, oluşan kalsiyum karbonatın fazını ve bakterilerin aktivitesini incelemek için 1000 kat büyütmeli bir optik mikroskop kullanıldı.
İran'ın güneybatısındaki Fars eyaletinde bulunan Dejegh Havzası, oldukça erozyona uğramış bilinen bir bölgedir ve araştırmacılar bu bölgeden rüzgar erozyonuna uğramış toprak örnekleri toplamıştır. Örnekler, çalışma için toprak yüzeyinden alınmıştır. Toprak örnekleri üzerinde yapılan gösterge testleri, toprağın silt içeren, kötü sıralanmış kumlu toprak olduğunu ve Birleşik Toprak Sınıflandırma Sistemi'ne (USC) göre SP-SM olarak sınıflandırıldığını göstermiştir (Şekil 2a). XRD analizi, Dejegh toprağının esas olarak kalsit ve kuvarsdan oluştuğunu göstermiştir (Şekil 2b). Ayrıca, EDX analizi, Al, K ve Fe gibi diğer elementlerin de daha küçük oranlarda bulunduğunu göstermiştir.
Rüzgar erozyonu testleri için laboratuvar kumullarını hazırlamak amacıyla, toprak 170 mm yükseklikten 10 mm çaplı bir huni aracılığıyla sıkıştırılarak sert bir yüzey elde edildi; bu işlem sonucunda tipik olarak 60 mm yüksekliğinde ve 210 mm çapında bir kumul oluştu. Doğada, en düşük yoğunluklu kumullar rüzgar erozyonu süreçleriyle oluşur. Benzer şekilde, yukarıdaki prosedür kullanılarak hazırlanan numune, en düşük bağıl yoğunluğa (γ = 14,14 kN/m³) sahipti ve yaklaşık 29,7°'lik bir yığılma açısıyla yatay bir yüzeye çökelmiş bir kum konisi oluşturdu.
Önceki bölümde elde edilen optimum MICP çözeltisi, 1, 2 ve 3 lm-2 uygulama oranlarında kumul yamacına püskürtüldü ve ardından numuneler 9 gün boyunca (yani optimum kürlenme süresi) 30 °C'de bir inkübatörde saklandı (Şekil 3) ve daha sonra rüzgar tüneli testine alındı.
Her bir işlem için dört numune hazırlandı; bunlardan biri penetrometre kullanılarak kalsiyum karbonat içeriği ve yüzey dayanımının ölçülmesi için, geri kalan üç numune ise üç farklı hızda erozyon testleri için kullanıldı. Rüzgar tüneli testlerinde, farklı rüzgar hızlarında erozyon miktarı belirlendi ve daha sonra her bir işlem numunesi için eşik kopma hızı, erozyon miktarı ile rüzgar hızı arasındaki grafik kullanılarak belirlendi. Rüzgar erozyon testlerine ek olarak, işlem görmüş numuneler kum bombardımanına (yani, sıçrama deneylerine) tabi tutuldu. Bu amaçla, 2 ve 3 L m−2 uygulama oranlarında iki ek numune hazırlandı. Kum bombardıman testi, önceki çalışmalarda seçilen değer aralığında olan 120 gm−1 akış hızıyla 15 dakika sürdü60,61,62. Aşındırıcı nozul ile kumul tabanı arasındaki yatay mesafe 800 mm olup, tünel tabanından 100 mm yukarıda konumlandırıldı. Bu konum, sıçrayan kum parçacıklarının neredeyse tamamının kumul üzerine düşmesi için ayarlandı.
Rüzgar tüneli testi, 8 m uzunluğunda, 0,4 m genişliğinde ve 1 m yüksekliğinde açık bir rüzgar tünelinde gerçekleştirildi (Şekil 4a). Rüzgar tüneli galvanizli çelik saclardan yapılmıştır ve 25 m/s'ye kadar rüzgar hızı üretebilir. Ayrıca, fan frekansını ayarlamak ve hedef rüzgar hızını elde etmek için frekansı kademeli olarak artırmak amacıyla bir frekans dönüştürücü kullanılmıştır. Şekil 4b, rüzgar tarafından aşındırılan kum tepelerinin şematik diyagramını ve rüzgar tünelinde ölçülen rüzgar hızı profilini göstermektedir.
Son olarak, bu çalışmada önerilen üre içermeyen MICP formülasyonunun sonuçlarını üre içeren MICP kontrol testinin sonuçlarıyla karşılaştırmak için, kumul örnekleri ayrıca üre, kalsiyum klorür ve Sporosarcina pasteurii içeren biyolojik bir çözelti ile hazırlanmış ve işlenmiştir (Sporosarcina pasteurii'nin önemli bir üreaz üretme yeteneğine sahip olması nedeniyle63). Bakteriyel çözeltinin optik yoğunluğu 1,5, üre ve kalsiyum klorür konsantrasyonları ise 1 M idi (önceki çalışmalarda önerilen değerlere göre seçilmiştir36,64,65). Kültür ortamı besin suyu (8 g/L) ve üreden (20 g/L) oluşuyordu. Bakteriyel çözelti kumul yüzeyine püskürtüldü ve bakterilerin yapışması için 24 saat bekletildi. 24 saatlik yapışmanın ardından, bir çimentolama çözeltisi (kalsiyum klorür ve üre) püskürtüldü. Üre içeren MICP kontrol testi bundan sonra UMC olarak anılacaktır. Ürelitik ve ürelitik olmayan işlem görmüş toprak örneklerinin kalsiyum karbonat içeriği, Choi ve ark.66 tarafından önerilen prosedüre göre yıkama yapılarak elde edilmiştir.
Şekil 5, başlangıç ​​pH aralığı 5 ila 10 olan kültür ortamında (besin çözeltisi) Bacillus amyloliquefaciens ve Bacillus subtilis'in büyüme eğrilerini göstermektedir. Şekilde görüldüğü gibi, Bacillus amyloliquefaciens ve Bacillus subtilis sırasıyla pH 6-8 ve 7-9'da daha hızlı büyümüştür. Bu nedenle, optimizasyon aşamasında bu pH aralığı benimsenmiştir.
(a) Bacillus amyloliquefaciens ve (b) Bacillus subtilis'in besin ortamının farklı başlangıç ​​pH değerlerindeki büyüme eğrileri.
Şekil 6, çökelmiş kalsiyum karbonatı (CaCO3) temsil eden Bernard kireçmetresinde üretilen karbondioksit miktarını göstermektedir. Her kombinasyonda bir faktör sabit tutulurken diğer faktörler değiştirildiğinden, bu grafiklerdeki her nokta, o deney setindeki maksimum karbondioksit hacmine karşılık gelir. Şekilde gösterildiği gibi, kalsiyum kaynağı konsantrasyonu arttıkça kalsiyum karbonat üretimi de artmıştır. Bu nedenle, kalsiyum kaynağının konsantrasyonu kalsiyum karbonat üretimini doğrudan etkiler. Kalsiyum kaynağı ve karbon kaynağı aynı olduğundan (yani kalsiyum format ve kalsiyum asetat), ne kadar çok kalsiyum iyonu salınırsa, o kadar çok kalsiyum karbonat oluşur (Şekil 6a). AS ve AA formülasyonlarında, kalsiyum karbonat üretimi, kürlenme süresi arttıkça artmaya devam etmiş ve 9 gün sonra çökelme miktarı neredeyse değişmeden kalmıştır. FA formülasyonunda, kürlenme süresi 6 günü aştığında kalsiyum karbonat oluşum hızı azalmıştır. Diğer formülasyonlarla karşılaştırıldığında, FS formülasyonu 3 gün sonra nispeten düşük bir kalsiyum karbonat oluşum hızı göstermiştir (Şekil 6b). FA ve FS formülasyonlarında toplam kalsiyum karbonat üretiminin %70 ve %87'si üç gün sonra elde edilirken, AA ve AS formülasyonlarında bu oran sırasıyla sadece yaklaşık %46 ve %45 olmuştur. Bu, formik asit bazlı formülasyonun, asetat bazlı formülasyona kıyasla başlangıç ​​aşamasında daha yüksek bir CaCO3 oluşum hızına sahip olduğunu göstermektedir. Bununla birlikte, oluşum hızı kürlenme süresi arttıkça yavaşlamaktadır. Şekil 6c'den, OD1'in üzerindeki bakteri konsantrasyonlarında bile kalsiyum karbonat oluşumuna önemli bir katkı olmadığı sonucuna varılabilir.
Bernard kalsimetresi ile ölçülen CO2 hacmindeki (ve karşılık gelen CaCO3 içeriğindeki) değişim, (a) kalsiyum kaynağı konsantrasyonuna, (b) bekleme süresine, (c) OD'ye, (d) başlangıç ​​pH'ına, (e) kalsiyum kaynağının bakteri çözeltisine oranına (her formülasyon için) ve (f) her kalsiyum kaynağı ve bakteri kombinasyonu için üretilen maksimum kalsiyum karbonat miktarına bağlı olarak gösterilmiştir.
Ortamın başlangıç ​​pH'sının etkisiyle ilgili olarak, Şekil 6d, FA ve FS için CaCO3 üretiminin pH 7'de maksimum değere ulaştığını göstermektedir. Bu gözlem, FDH enzimlerinin pH 7-6,7 aralığında en kararlı olduğunu gösteren önceki çalışmalarla tutarlıdır. Bununla birlikte, AA ve AS için, pH 7'yi aştığında CaCO3 çökelmesi artmıştır. Önceki çalışmalar ayrıca CoA enzim aktivitesi için optimal pH aralığının 8 ila 9,2-6,8 arasında olduğunu göstermiştir. CoA enzim aktivitesi ve B. amyloliquefaciens büyümesi için optimal pH aralıklarının sırasıyla (8-9,2) ve (6-8) olduğu göz önüne alındığında (Şekil 5a), AA formülasyonunun optimal pH'sının 8 olması beklenir ve iki pH aralığı örtüşmektedir. Bu gerçek, Şekil 6d'de gösterildiği gibi deneylerle doğrulanmıştır. B. subtilis büyümesi için optimum pH 7-9 (Şekil 5b) ve CoA enzim aktivitesi için optimum pH 8-9,2 olduğundan, maksimum CaCO3 çökelme veriminin 8-9 pH aralığında olması beklenir; bu da Şekil 6d ile doğrulanmıştır (yani, optimum çökelme pH'ı 9'dur). Şekil 6e'de gösterilen sonuçlar, hem asetat hem de format çözeltileri için kalsiyum kaynağı çözeltisinin bakteri çözeltisine optimum oranının 1 olduğunu göstermektedir. Karşılaştırma amacıyla, farklı formülasyonların (yani, AA, AS, FA ve FS) performansı, farklı koşullar altında (yani, kalsiyum kaynağı konsantrasyonu, kürleme süresi, OD, kalsiyum kaynağı/bakteri çözeltisi oranı ve başlangıç ​​pH'ı) maksimum CaCO3 üretimine göre değerlendirilmiştir. İncelenen formülasyonlar arasında, FS formülasyonu en yüksek CaCO3 üretimine sahipti ve bu, AA formülasyonunun yaklaşık üç katıydı (Şekil 6f). Her iki kalsiyum kaynağı için de dört bakteri içermeyen kontrol deneyi yapılmış ve 30 gün sonra CaCO3 çökelmesi gözlemlenmemiştir.
Tüm formülasyonların optik mikroskopi görüntüleri, kalsiyum karbonatın oluştuğu ana fazın vaterit olduğunu gösterdi (Şekil 7). Vaterit kristalleri küresel şekildeydi69,70,71. Bakteriyel hücrelerin yüzeyinin negatif yüklü olması ve iki değerlikli katyonlar için adsorban görevi görebilmesi nedeniyle kalsiyum karbonatın bakteriyel hücreler üzerinde çökeldiği bulundu. Bu çalışmada FS formülasyonunu örnek olarak alırsak, 24 saat sonra bazı bakteriyel hücreler üzerinde kalsiyum karbonat oluşmaya başladı (Şekil 7a) ve 48 saat sonra kalsiyum karbonatla kaplı bakteriyel hücre sayısı önemli ölçüde arttı. Ayrıca, Şekil 7b'de gösterildiği gibi, vaterit parçacıkları da tespit edilebildi. Son olarak, 72 saat sonra çok sayıda bakterinin vaterit kristalleri tarafından bağlandığı ve vaterit parçacıklarının sayısının önemli ölçüde arttığı görüldü (Şekil 7c).
FS kompozisyonlarında CaCO3 çökelmesinin zamana bağlı optik mikroskopi gözlemleri: (a) 24, (b) 48 ve (c) 72 saat.
Çökeltilen fazın morfolojisini daha ayrıntılı incelemek için tozların X-ışını kırınımı (XRD) ve SEM analizleri yapıldı. XRD spektrumları (Şekil 8a) ve SEM mikrografları (Şekil 8b, c), vaterit kristallerinin varlığını doğruladı; çünkü bunlar marul benzeri bir şekle sahipti ve vaterit pikleri ile çökelti pikleri arasında bir uyum gözlemlendi.
(a) Oluşan CaCO3 ve vateritin X-ışını kırınım spektrumlarının karşılaştırılması. (b) 1 kHz ve (c) 5,27 kHz büyütme oranlarında vateritin SEM mikrografları.
Rüzgar tüneli testlerinin sonuçları Şekil 9a ve 9b'de gösterilmiştir. Şekil 9a'dan görülebileceği gibi, işlenmemiş kumun eşik erozyon hızı (TDV) yaklaşık 4,32 m/s'dir. 1 l/m² uygulama oranında (Şekil 9a), FA, FS, AA ve UMC fraksiyonları için toprak kaybı oranı çizgilerinin eğimleri, işlenmemiş kumul ile yaklaşık olarak aynıdır. Bu, bu uygulama oranındaki işlemin etkisiz olduğunu ve rüzgar hızı TDV'yi aştığı anda ince toprak kabuğunun kaybolduğunu ve kumul erozyon oranının işlenmemiş kumul ile aynı olduğunu göstermektedir. AS fraksiyonunun erozyon eğimi de daha düşük apsisli (yani TDV) diğer fraksiyonlardan daha düşüktür (Şekil 9a). Şekil 9b'deki oklar, 25 m/s'lik maksimum rüzgar hızında, 2 ve 3 l/m² uygulama oranlarında işlenmiş kumullarda erozyon oluşmadığını göstermektedir. Başka bir deyişle, FS, FA, AS ve UMC için, kumullar, 2 ve 3 l/m² uygulama oranlarında CaCO³ birikiminin neden olduğu rüzgar erozyonuna karşı maksimum rüzgar hızına (yani 25 m/s) göre daha dirençliydi. Bu nedenle, bu testlerde elde edilen 25 m/s'lik TDV değeri, Şekil 9b'de gösterilen uygulama oranları için alt sınırdır; ancak AA durumunda TDV, maksimum rüzgar tüneli hızına neredeyse eşittir.
Rüzgar erozyonu testi (a) Ağırlık kaybı ve rüzgar hızı (uygulama oranı 1 l/m2), (b) Eşik kopma hızı ve uygulama oranı ve formülasyon (kalsiyum asetat için CA, kalsiyum format için CF).
Şekil 10, kum bombardımanı testinden sonra farklı formülasyonlar ve uygulama oranlarıyla işlenmiş kum tepelerinin yüzey erozyonunu göstermektedir ve nicel sonuçlar Şekil 11'de gösterilmiştir. İşlenmemiş örnek gösterilmemiştir çünkü direnç göstermemiş ve kum bombardımanı testi sırasında tamamen aşınmıştır (toplam kütle kaybı). Şekil 11'den açıkça görüldüğü gibi, 2 l/m2 uygulama oranında biyokompozisyon AA ile işlenmiş örnek ağırlığının %83,5'ini kaybederken, diğer tüm örnekler kum bombardımanı sürecinde %30'dan daha az erozyon göstermiştir. Uygulama oranı 3 l/m2'ye çıkarıldığında, işlenmiş tüm örnekler ağırlıklarının %25'inden daha azını kaybetmiştir. Her iki uygulama oranında da, FS bileşiği kum bombardımanına karşı en iyi direnci göstermiştir. FS ve AA ile işlenmiş örneklerdeki maksimum ve minimum bombardıman direnci, maksimum ve minimum CaCO3 çökelmesine bağlanabilir (Şekil 6f).
Farklı bileşimdeki kum tepelerinin 2 ve 3 l/m2 akış hızlarında bombardıman edilmesinin sonuçları (oklar rüzgar yönünü, çarpılar ise çizim düzlemine dik rüzgar yönünü göstermektedir).
Şekil 12'de gösterildiği gibi, tüm formüllerin kalsiyum karbonat içeriği, uygulama oranı 1 L/m²'den 3 L/m²'ye arttıkça artmıştır. Ayrıca, tüm uygulama oranlarında en yüksek kalsiyum karbonat içeriğine sahip formül FS, ardından FA ve UMC olmuştur. Bu, bu formüllerin daha yüksek yüzey direncine sahip olabileceğini düşündürmektedir.
Şekil 13a, permeametre testi ile ölçülen işlenmemiş, kontrol ve işlenmiş toprak örneklerinin yüzey direncindeki değişimi göstermektedir. Bu şekilden, UMC, AS, FA ve FS formülasyonlarının yüzey direncinin uygulama oranının artmasıyla önemli ölçüde arttığı açıkça görülmektedir. Bununla birlikte, AA formülasyonunda yüzey dayanımındaki artış nispeten küçüktür. Şekilde gösterildiği gibi, üre ile parçalanmamış MICP'nin FA ve FS formülasyonları, üre ile parçalanmış MICP'ye kıyasla daha iyi yüzey geçirgenliğine sahiptir. Şekil 13b, toprak yüzey direnci ile TDV'deki değişimi göstermektedir. Bu şekilden, yüzey direnci 100 kPa'dan büyük olan kumullar için eşik sıyırma hızının 25 m/s'yi aşacağı açıkça görülmektedir. Yerinde yüzey direnci permeametre ile kolayca ölçülebildiğinden, bu bilgi rüzgar tüneli testinin yokluğunda TDV'yi tahmin etmeye yardımcı olabilir ve böylece saha uygulamaları için bir kalite kontrol göstergesi olarak hizmet edebilir.
SEM sonuçları Şekil 14'te gösterilmiştir. Şekil 14a-b, işlenmemiş toprak örneğinin büyütülmüş parçacıklarını göstermekte olup, bunların kohezif olduğunu ve doğal bağ veya çimentolama içermediğini açıkça göstermektedir. Şekil 14c, üre ile bozunmuş MICP ile işlenmiş kontrol örneğinin SEM mikrografını göstermektedir. Bu görüntü, kalsit polimorfları olarak CaCO3 çökeltilerinin varlığını göstermektedir. Şekil 14d-o'da gösterildiği gibi, çökelen CaCO3 parçacıkları birbirine bağlar; SEM mikrograflarında küresel vaterit kristalleri de tanımlanabilir. Bu çalışmanın ve önceki çalışmaların sonuçları, vaterit polimorfları olarak oluşan CaCO3 bağlarının makul bir mekanik dayanım sağlayabileceğini göstermektedir; sonuçlarımız, yüzey direncinin 350 kPa'ya yükseldiğini ve eşik ayrılma hızının 4,32'den 25 m/s'nin üzerine çıktığını göstermektedir. Bu sonuç, MICP ile çöktürülen CaCO3'ün matrisinin, makul mekanik dayanıma ve rüzgar erozyonuna karşı dirence sahip olan vaterit olduğu ve saha ortam koşullarına 180 gün maruz kaldıktan sonra bile makul rüzgar erozyonuna karşı direnci koruyabildiği yönündeki önceki çalışmaların sonuçlarıyla tutarlıdır.
(a, b) İşlem görmemiş toprağın, (c) MICP üre bozunma kontrolünün, (df) AA ile işlem görmüş örneklerin, (gi) AS ile işlem görmüş örneklerin, (jl) FA ile işlem görmüş örneklerin ve (mo) FS ile işlem görmüş örneklerin 3 L/m2 uygulama oranında farklı büyütmelerdeki SEM mikrografları.
Şekil 14d-f, AA bileşikleriyle işlemden sonra kalsiyum karbonatın kum tanelerinin yüzeyinde ve arasında çökeldiğini, ayrıca bazı kaplanmamış kum tanelerinin de gözlemlendiğini göstermektedir. AS bileşenleri için, oluşan CaCO3 miktarı önemli ölçüde artmasa da (Şekil 6f), CaCO3'ün neden olduğu kum taneleri arasındaki temas miktarı AA bileşiklerine kıyasla önemli ölçüde artmıştır (Şekil 14g-i).
Şekil 14j-l ve 14m-o'dan, kalsiyum kaynağı olarak kalsiyum format kullanımının, AS bileşiğine kıyasla CaCO3 çökelmesinde daha fazla artışa yol açtığı açıkça görülmektedir; bu durum Şekil 6f'deki kalsiyum ölçüm cihazıyla tutarlıdır. Bu ilave CaCO3'ün esas olarak kum parçacıkları üzerinde biriktiği ve temas kalitesini mutlaka iyileştirmediği görülmektedir. Bu, daha önce gözlemlenen davranışı doğrulamaktadır: CaCO3 çökelme miktarındaki farklılıklara rağmen (Şekil 6f), üç formülasyon (AS, FA ve FS), rüzgara karşı dayanıklılık (Şekil 11) ve yüzey direnci (Şekil 13a) açısından önemli ölçüde farklılık göstermemektedir.
CaCO3 kaplı bakteri hücrelerini ve çökelmiş kristaller üzerindeki bakteri izini daha iyi görselleştirmek için yüksek büyütmeli SEM mikrografları alınmış ve sonuçlar Şekil 15'te gösterilmiştir. Görüldüğü gibi, kalsiyum karbonat bakteri hücreleri üzerinde çökelir ve orada çökelme için gerekli çekirdekleri sağlar. Şekil ayrıca CaCO3 tarafından indüklenen aktif ve inaktif bağları da göstermektedir. İnaktif bağlardaki herhangi bir artışın mekanik davranışta daha fazla iyileşmeye yol açmayacağı sonucuna varılabilir. Bu nedenle, CaCO3 çökelmesinin artması mutlaka daha yüksek mekanik dayanıma yol açmaz ve çökelme deseni önemli bir rol oynar. Bu nokta, Terzis ve Laloui72 ve Soghi ve Al-Kabani45,73'ün çalışmalarında da incelenmiştir. Çökelme deseni ve mekanik dayanım arasındaki ilişkiyi daha fazla araştırmak için, bu çalışmanın kapsamı dışında olan (yani, amonyak içermeyen MICP için farklı kalsiyum kaynağı ve bakteri kombinasyonlarının tanıtılması) µCT görüntüleme kullanan MICP çalışmaları önerilmektedir.
CaCO3, (a) AS bileşimi ve (b) FS bileşimi ile işlem görmüş numunelerde aktif ve inaktif bağlar oluşturmuş ve tortu üzerinde bakteri hücrelerinin izini bırakmıştır.
Şekil 14j-o ve 15b'de gösterildiği gibi, bir CaCO filmi mevcuttur (EDX analizine göre, filmdeki her elementin yüzde bileşimi karbon %11, oksijen %46,62 ve kalsiyum %42,39'dur; bu da Şekil 16'daki CaCO yüzdesine çok yakındır). Bu film, vaterit kristallerini ve toprak parçacıklarını kaplayarak toprak-sediment sisteminin bütünlüğünün korunmasına yardımcı olur. Bu filmin varlığı sadece format bazlı formülasyonla işlenmiş numunelerde gözlemlenmiştir.
Tablo 2, önceki çalışmalarda ve bu çalışmada üre bozucu ve üre bozucu olmayan MICP yollarıyla işlenmiş toprakların yüzey dayanımı, eşik ayrılma hızı ve biyolojik olarak indüklenen CaCO3 içeriğini karşılaştırmaktadır. MICP ile işlenmiş kumul örneklerinin rüzgar erozyonuna karşı direnci üzerine yapılan çalışmalar sınırlıdır. Meng ve ark. MICP ile işlenmiş üre bozucu kumul örneklerinin rüzgar erozyonuna karşı direncini bir yaprak üfleyici kullanarak araştırmışlardır,13 oysa bu çalışmada, üre bozucu olmayan kumul örnekleri (ve ayrıca üre bozucu kontroller) bir rüzgar tünelinde test edilmiş ve dört farklı bakteri ve madde kombinasyonuyla işlenmiştir.
Görüldüğü gibi, bazı önceki çalışmalar 4 L/m2'yi aşan yüksek uygulama oranlarını dikkate almıştır13,41,74. Su temini, taşınması ve büyük hacimli suyun uygulanmasıyla ilgili maliyetler nedeniyle, yüksek uygulama oranlarının ekonomik açıdan sahada kolayca uygulanamayabileceğini belirtmekte fayda var. 1,62-2 L/m2 gibi daha düşük uygulama oranları da 190 kPa'ya kadar oldukça iyi yüzey dayanımı ve 25 m/s'yi aşan TDV değerlerine ulaşmıştır. Bu çalışmada, üre bozunması olmadan format bazlı MICP ile işlenmiş kumullar, aynı uygulama oranları aralığında üre bozunma yoluyla elde edilenlere benzer yüksek yüzey dayanımı değerlerine ulaşmıştır (yani, üre bozunması olmadan format bazlı MICP ile işlenmiş numuneler, Meng vd., 13, Şekil 13a tarafından bildirilen yüzey dayanımı değerlerinin aynı aralığına da ulaşabilmiştir). Ayrıca, 2 L/m2 uygulama oranında, 25 m/s rüzgar hızında rüzgar erozyonunu azaltmak için kalsiyum karbonat veriminin, üre bozunumu içermeyen format bazlı MICP için %2,25 olduğu görülmektedir; bu değer, aynı uygulama oranında ve aynı rüzgar hızında (25 m/s) üre bozunumu içeren kontrol MICP ile işlenmiş kumullara kıyasla gerekli CaCO3 miktarına (%2,41) çok yakındır.
Bu tablodan, hem üre bozunma yolunun hem de üre içermeyen bozunma yolunun yüzey direnci ve TDV açısından oldukça kabul edilebilir bir performans sağlayabileceği sonucuna varılabilir. Temel fark, üre içermeyen bozunma yolunun amonyak içermemesi ve bu nedenle daha düşük bir çevresel etkiye sahip olmasıdır. Ayrıca, bu çalışmada önerilen üre bozunması içermeyen format bazlı MICP yöntemi, üre bozunması içermeyen asetat bazlı MICP yönteminden daha iyi performans göstermektedir. Mohebbi ve ark. üre bozunması içermeyen asetat bazlı MICP yöntemini incelemiş olsalar da, çalışmalarında düz yüzeylerdeki örnekler de yer almıştır9. Kumul örneklerinin etrafındaki girdap oluşumu ve bunun sonucunda oluşan kayma nedeniyle oluşan daha yüksek erozyon derecesi ve dolayısıyla daha düşük TDV nedeniyle, kumul örneklerinin rüzgar erozyonunun aynı hızda düz yüzeylere göre daha belirgin olması beklenmektedir.