nature.com saýtyna gireniňiz üçin sag boluň. Ulanýan brauzeriňiziň wersiýasynda CSS goldawy çäkli. Iň gowy tejribe üçin, brauzeriň iň soňky wersiýasyny ulanmagyňyzy maslahat berýäris (ýa-da Internet Explorer-de utgaşyklylyk režimini öçüriň). Mundan başga-da, yzygiderli goldawy üpjün etmek üçin bu saýtda stiller ýa-da JavaScript bolmaz.
Tozan tupanlary oba hojalygyna, adam saglygyna, ulag ulgamlaryna we infrastruktura zyýanly täsiri sebäpli dünýäniň köp ýurtlary üçin çynlakaý howp döredýär. Netijede, ýel eroziýasyna garşy durmagyň ekologiýa taýdan arassa usullarynyň biri mikroblaryň döredýän karbonat çökündisini (MICP) ulanmakdyr. Şeýle-de bolsa, ammiak ýaly karbamid parçalanmasyna esaslanýan MICP-niň goşmaça önümleri köp mukdarda öndürilende amatly däl. Bu gözlegde MICP-niň karbamid öndürmezden parçalanmagy üçin kalsiý format bakteriýalarynyň iki formulasy görkezilýär we olaryň işini ammiak öndürmeýän kalsiý asetat bakteriýalarynyň iki formulasy bilen hemmetaraplaýyn deňeşdirýär. Seredilýän bakteriýalar Bacillus subtilis we Bacillus amyloliquefaciens. Ilki bilen, CaCO3 emele gelmegini dolandyrýan faktorlaryň optimizirlenen gymmatlyklary kesgitlenildi. Soňra optimizirlenen formulalar bilen işlenen gum depeleriniň nusgalarynda ýel tunelleriniň synaglary geçirildi we ýel eroziýasyna garşylyk, arassalamak bosagasynyň tizligi we gum bombardmanyna garşylyk ölçendi. Kalsiý karbonatynyň (CaCO3) allomorflary optiki mikroskopiýa, skanerleýji elektron mikroskopiýa (SEM) we rentgen difraksiýa analizi arkaly bahalandyryldy. Kalsiý formaty esasyndaky formulalar kalsiý karbonatynyň emele gelmegi babatda asetat esasyndaky formulalardan has gowy netije görkezdi. Mundan başga-da, B. subtilis B. amyloliquefaciens-den has köp kalsiý karbonatyny öndürdi. SEM mikrograflary çökündileriň döremegi sebäpli kalsiý karbonatyna işjeň we işjeň däl bakteriýalaryň baglanyşyny we basylmagyny aýdyň görkezdi. Ähli formulalar ýel eroziýasyny ep-esli azaldy.
Ýel eroziýasynyň köpden bäri ABŞ-nyň günorta-günbatary, Hytaýyň günbatary, Sahara Afrikasy we Ýakyn Gündogaryň köp bölegi ýaly gurak we ýarym gurak sebitleriň öňünde durýan esasy mesele hökmünde ykrar edilip gelinýär1. Gurak we giper gurak howa şertlerinde ýagyşyň az bolmagy bu sebitleriň uly bölegini çöllere, gum depelerine we ekin ekilmedik ýerlere öwürdi. Şemal eroziýasynyň dowam etmegi ulag ulgamlary, oba hojalyk ýerleri we senagat ýerleri ýaly infrastruktura üçin ekologiýa howplaryny döredýär, bu bolsa bu sebitlerde ýaşaýyş şertleriniň ýaramazlaşmagyna we şäher gurluşygynyň ýokary çykdajylaryna getirýär2,3,4. Iň esasysy, ýel eroziýasynyň diňe bir bolýan ýerine täsir etmez, eýsem çeşmeden uzak ýerlere ýel arkaly bölejikleri daşaýandygy sebäpli uzak jemgyýetlerde saglyk we ykdysady kynçylyklara sebäp bolýar5,6.
Ýel eroziýasynyň öňüni almak global mesele bolmagynda galýar. Ýel eroziýasynyň öňüni almak üçin topragy durnuklaşdyrmagyň dürli usullary ulanylýar. Bu usullara suw bilen ulanmak7, nebit mulçalary8, biopolimerler5, mikroblar tarapyndan döredilen karbonat çökündisi (MICP)9,10,11,12 we fermentler arkaly döredilen karbonat çökündisi (EICP)1 ýaly materiallar girýär. Topragy çyglylandyrmak meýdanda tozany basmagyň standart usulydyr. Şeýle-de bolsa, onuň çalt bugarmagy bu usuly gurak we ýarym gurak sebitlerde çäkli netijeli edýär1. Nebit mulçalaýjy birleşmeleriň ulanylmagy gum birleşmesini we bölejikleriň arasyndaky sürtülmäni artdyrýar. Olaryň birleşme häsiýeti gum dänejiklerini birleşdirýär; ýöne, nebit mulçalary başga kynçylyklary hem döredýär; olaryň gara reňki ýylylygyň siňdirilişini artdyrýar we ösümlikleriň we mikroorganizmleriň ölümine getirýär. Olaryň ysy we tüssesi dem alyş ýollary bilen baglanyşykly kynçylyklara sebäp bolup biler we iň esasysy, olaryň gymmatlygy başga bir päsgelçilikdir. Biopolimerler ýel eroziýasyny azaltmak üçin ýakynda teklip edilen ekologiýa taýdan arassa usullaryň biridir; olar ösümlikler, haýwanlar we bakteriýalar ýaly tebigy çeşmelerden alynýar. Ksantan sagyzy, guar sagyzy, hitosan we gellan sagyzy inženerçilik ulanylyşlarynda iň köp ulanylýan biopolimerlerdir5. Şeýle-de bolsa, suwda ereýän biopolimerler suwa düşende güýjüni ýitirip we toprakdan süzülip çykyp bilerler13,14. EICP asfaltlanmaýan ýollar, galyndylar howdanlary we gurluşyk meýdançalary ýaly dürli ulanylyşlar üçin tozany basmagyň netijeli usuly bolup çykdy. Netijeleri höweslendiriji bolsa-da, käbir mümkin bolan kemçilikleri, mysal üçin bahasy we ýadro döreýän ýerleriň ýoklugyny (CaCO3 kristallarynyň emele gelmegini we çökündisini çaltlaşdyrýar15,16) göz öňünde tutmalydyr.
MICP ilkinji gezek XIX asyryň ahyrynda Murray we Irwin (1890) we Steinmann (1901) tarapyndan deňiz mikroorganizmleri tarapyndan karbamidiň dargamagyny öwrenmekde beýan edildi17. MICP dürli mikrobial işjeňlikleri we himiki prosesleri öz içine alýan tebigy ýagdaýda ýüze çykýan biologik prosesdir, bu prosesde kalsiý karbonaty mikrobial metabolitlerden karbonat ionlarynyň daşky gurşawdaky kalsiý ionlary bilen reaksiýasy arkaly çökeltilýär18,19. Karbamid parçalaýan azot siklini (karbamid parçalaýan MICP) öz içine alýan MICP mikrobiallar tarapyndan induksiýa edilen karbonat çökeltmesiniň iň köp ýaýran görnüşidir, bu prosesde bakteriýalar tarapyndan öndürilen ureaza karbamidiň gidrolizini katalizleýär20,21,22,23,24,25,26,27 aşakdaky ýaly:
Organiki duz oksidlenmeginiň uglerod siklini öz içine alýan MICP-de (karbamid dargama görnüşi bolmadyk MICP), geterotrof bakteriýalar karbonat minerallaryny öndürmek üçin energiýa çeşmeleri hökmünde asetat, laktat, sitrat, suksinat, oksalat, malat we glioksilat ýaly organiki duzlary ulanýarlar28. Uglerod çeşmesi hökmünde kalsiý laktatynyň we kalsiý ionlarynyň gatnaşmagynda, kalsiý karbonatynyň emele gelmeginiň himiki reaksiýasy (5) deňlemede görkezilýär.
MICP prosesinde bakteriýa öýjükleri kalsiý karbonatynyň çökmegi üçin aýratyn möhüm bolan ýadro döreme ýerlerini üpjün edýär; bakteriýa öýjükleriniň ýüzi negatiw zarýadly we kalsiý ionlary ýaly iki walentli kationlar üçin adsorbent hökmünde hereket edip biler. Karbonat ionlarynyň konsentrasiýasy ýeterlik bolanda, kalsiý ionlaryny bakteriýa öýjüklerine adsorbsiýa etmek arkaly kalsiý kationlary we karbonat anionlary reaksiýa girýär we kalsiý karbonaty bakteriýalaryň ýüzünde çökýär29,30. Prosessi aşakdaky ýaly gysgaça beýan edip bolýar31,32:
Biogenerirlenen kalsiý karbonat kristallaryny üç görnüşe bölmek bolýar: kalsit, waterit we aragonit. Olaryň arasynda kalsit we waterit bakteriýalar tarapyndan iň köp ýaýran kalsiý karbonat allomorflarydyr33,34. Kalsit termodinamik taýdan iň durnukly kalsiý karbonat allomorfydyr35. Wateritiň metastabildigi habar berilse-de, ol ahyrsoňy kalsit öwrülýär36,37. Waterit bu kristallaryň iň dykyzlygydyr. Ol uly ölçegleri sebäpli beýleki kalsiý karbonat kristallaryna garanyňda has gowy gözenek doldurmak ukybyna eýe bolan altyburçluk kristaldyr38. Karbamid bilen dargadylan we karbamid bilen dargadylmadyk MICP wateritiň çökmegine sebäp bolup biler13,39,40,41.
MICP problemaly topraklary we ýel eroziýasyna sezewar bolýan topraklary durnuklaşdyrmakda geljegi uly mümkinçilikleri görkezse-de42,43,44,45,46,47,48, karbamid gidroliziniň goşmaça önümleriniň biri ammiak bolup, ol täsir derejesine baglylykda ýeňil we agyr saglyk kynçylyklaryny döredip biler49. Bu goşmaça täsir bu aýratyn tehnologiýanyň ulanylmagyny jedelli edýär, esasanam tozany basmak ýaly uly meýdanlary arassalamak zerur bolanda. Mundan başga-da, proses ýokary ulanylyş tizliginde we uly möçberde amala aşyrylanda ammiagyň ysy çydamsyz bolýar, bu bolsa onuň amaly ulanylyşyna täsir edip biler. Soňky barlaglar ammonium ionlaryny struvit ýaly beýleki önümlere öwürmek arkaly azaldyp boljakdygyny görkezse-de, bu usullar ammonium ionlaryny doly aýyrmaýar50. Şonuň üçin ammonium ionlaryny döretmeýän alternatiw çözgütleri öwrenmäge zerurlyk bar. MICP üçin karbamid däl dargama ýollaryny ulanmak ýel eroziýasyny azaltmak babatda az öwrenilen mümkin bolan çözgüt bolup biler. Fattahi we beýlekiler. kalsiý asetat we Bacillus megaterium41 ulanyp, karbamidsiz MICP dargamagyny öwrendiler, Mohebbi we beýlekiler bolsa kalsiý asetat we Bacillus amyloliquefaciens9 ulandylar. Şeýle-de bolsa, olaryň gözlegi ýel eroziýasyna garşy durnuklylygy ýokarlandyryp biljek beýleki kalsiý çeşmeleri we geterotrof bakteriýalar bilen deňeşdirilmedi. Şeýle hem, ýel eroziýasynyň öňüni almakda karbamidsiz dargama ýollaryny karbamid dargama ýollary bilen deňeşdirýän edebiýat ýetmezçilik edýär.
Mundan başga-da, ýel eroziýasynyň we tozanyň öňüni alyş barlaglarynyň köpüsi tekiz ýüzli toprak nusgalarynda geçirildi.1,51,52,53 Şeýle-de bolsa, tekiz ýüzler tebigatda depelere we çöketliklere garanyňda has az duş gelýär. Şonuň üçin hem çöl sebitlerinde çäge depeleri iň köp duş gelýän landşaft aýratynlygydyr.
Ýokarda agzalan kemçilikleri aradan aýyrmak üçin bu gözleg ammiak öndürmeýän bakteriýa serişdeleriniň täze toplumyny girizmegi maksat edinýärdi. Şu maksat bilen biz karbamid parçalamaýan MICP ýollaryny göz öňünde tutduk. Iki kalsiý çeşmesiniň (kalsiý formaty we kalsiý asetat) netijeliligi öwrenildi. Awtorlaryň bilşine görä, iki kalsiý çeşmesini we bakteriýalaryň utgaşmasyny (ýagny kalsiý formaty-Bacillus subtilis we kalsiý formaty-Bacillus amyloliquefaciens) ulanyp karbonat çökündisi öňki gözleglerde öwrenilmedi. Bu bakteriýalaryň saýlanmagy, olaryň kalsiý formatynyň we kalsiý asetatynyň oksidlenmegini katalizläp, mikrob karbonat çökündisini emele getirýän fermentlerine esaslandy. Biz pH, bakteriýalaryň görnüşleri we kalsiý çeşmeleri we olaryň konsentrasiýalary, bakteriýalaryň kalsiý çeşmesiniň erginine gatnaşygy we gatap galma wagty ýaly optimal faktorlary tapmak üçin düýpli tejribe gözlegini taýýarladyk. Ahyrsoňy, bu bakteriýa serişdeleriniň kalsiý karbonat çökündisi arkaly ýel eroziýasyny basyp ýatyrmakdaky netijeliligi, çägäniň ýel eroziýasynyň ululygyny, bosaga bölünme tizligini we ýel bombardmanyna garşylygyny kesgitlemek üçin çäge depelerinde birnäçe ýel tunel synaglaryny geçirmek arkaly öwrenildi, şeýle hem penetrometr ölçegleri we mikrostruktur barlaglary (meselem, rentgen difraksiyasy (XRD) analizi we skanerleýji elektron mikroskopiýasy (SEM)) hem geçirildi.
Kalsiý karbonatyny öndürmek üçin kalsiý ionlary we karbonat ionlary gerek. Kalsiý ionlaryny kalsiý hlorid, kalsiý gidroksid we süýt ýagsyzlandyrylan süýt ýaly dürli kalsiý çeşmelerinden alyp bolýar54,55. Karbonat ionlaryny dürli mikrobial usullar, mysal üçin, karbamid gidrolizi we organiki maddalaryň aerob ýa-da anaerob oksidleşmesi arkaly öndürip bolýar56. Bu gözlegde karbonat ionlary format we asetatyň oksidlenme reaksiýasyndan alyndy. Mundan başga-da, biz arassa kalsiý karbonatyny öndürmek üçin format we asetatyň kalsiý duzlaryny ulandyk, şonuň üçin goşmaça önümler hökmünde diňe CO2 we H2O alyndy. Bu prosesde diňe bir madda kalsiý çeşmesi we karbonat çeşmesi bolup hyzmat edýär we ammiak öndürilmeýär. Bu häsiýetler biziň pikir eden kalsiý çeşmesini we karbonat öndürmek usulyny örän geljegi uly edýär.
Kalsiý formatynyň we kalsiý asetatyň kalsiý karbonatyny emele getirmek üçin degişli reaksiýalary (7)-(14) formulalarynda görkezilen. (7)-(11) formulalary kalsiý formatynyň suwda ereýändigini we formik kislota ýa-da format emele getirýändigini görkezýär. Şeýlelikde, ergin erkin kalsiý we gidroksid ionlarynyň çeşmesi bolup durýar (8 we 9 formulalar). Formik kislotasynyň oksidlenmegi netijesinde, formik kislotadaky uglerod atomlary uglerod dioksidine öwrülýär (10 formula). Kalsiý karbonaty ahyrsoňy emele gelýär (11 we 12 formulalar).
Şonuň ýaly-da, kalsiý karbonaty kalsiý asetatyndan emele gelýär (13–15 deňlemeler), ýöne formik kislotanyň ýerine sirke kislotasy ýa-da asetat emele gelýär.
Fermentleriň ýoklugynda asetat we format otagyň temperaturasynda oksidlenip bilmez. FDH (formatedehidrogenaza) we CoA (koenzim A) formatyň we asetatyň oksidlenmegini degişlilikde uglerod dioksidini emele getirmek üçin katalizleýär (16, 17) 57, 58, 59 deňlemeler. Dürli bakteriýalar bu fermentleri öndürmäge ukyplydyr we bu gözlegde geterotrof bakteriýalar, ýagny Bacillus subtilis (PTCC #1204 (Pars görnüşli medeniýet kolleksiýasy), şeýle hem NCIMB #13061 (Bakteriýalaryň, drožžalaryň, faglaryň, plazmidleriň, ösümlik tohumlarynyň we ösümlik öýjük dokumalarynyň medeniýetleriniň halkara kolleksiýasy) diýlip hem atlandyrylýar) we Bacillus amyloliquefaciens (PTCC #1732, NCIMB #12077) ulanyldy. Bu bakteriýalar et peptonyny (5 g/L) we et ekstraktyny (3 g/L) öz içine alýan, iýmit şorbasy (NBR) (105443 Merck) atly gurşawda ösdürilip ýetişdirildi.
Şeýlelik bilen, iki kalsiý çeşmesini we iki bakteriýa ulanyp, kalsiý karbonat çökündisini döretmek üçin dört formula taýýarlanyldy: kalsiý formaty we Bacillus subtilis (FS), kalsiý formaty we Bacillus amyloliquefaciens (FA), kalsiý asetat we Bacillus subtilis (AS), şeýle hem kalsiý asetat we Bacillus amyloliquefaciens (AA).
Eksperimental dizaýnyň birinji böleginde, kalsiý karbonatynyň iň ýokary önümçiligini gazanmaga mümkinçilik berýän optimal utgaşmany kesgitlemek üçin synaglar geçirildi. Toprak nusgalarynda kalsiý karbonaty bolandygy sebäpli, dürli utgaşmalar tarapyndan öndürilen CaCO3-i takyk ölçemek üçin deslapky bahalandyrma synaglarynyň toplumy döredildi we medeniýet gurşawynyň we kalsiý çeşmesiniň erginleriniň garyndylary bahalandyryldy. Ýokarda kesgitlenen kalsiý çeşmesiniň we bakteriýa ergininiň her bir utgaşmasy üçin (FS, FA, AS we AA) optimizasiýa faktorlary (kalsiý çeşmesiniň konsentrasiýasy, gatap galma wagty, erginiň optiki dykyzlygy (OD) bilen ölçenen bakteriýa ergininiň konsentrasiýasy, kalsiý çeşmesiniň bakteriýa erginine gatnaşygy we pH) çykaryldy we aşakdaky bölümlerde beýan edilen gum depelerini arassalamak üçin aerasiýa tuneliniň synaglarynda ulanyldy.
Her bir kombinasiýa üçin CaCO3 çökündisiniň täsirini öwrenmek we dürli faktorlary, ýagny kalsiý çeşmesiniň konsentrasiýasyny, gatap galma wagtyny, bakteriýalaryň OD gymmatyny, kalsiý çeşmesiniň bakteriýa erginine gatnaşygyny we organiki maddalaryň aerob oksidlenmesi wagtyndaky pH derejesini bahalandyrmak üçin 150 tejribe geçirildi (1-nji tablisa). Optimallaşdyrylan proses üçin pH diapazony çalt ösüş gazanmak maksady bilen Bacillus subtilis we Bacillus amyloliquefaciens ösüş egrilerine esaslanyp saýlandy. Bu Netijeler bölüminde has jikme-jik düşündirilýär.
Nusgalary optimizasiýa tapgyry üçin taýýarlamak üçin aşakdaky ädimler ulanyldy. MICP ergini ilki bilen medeniýet gurşawyň başlangyç pH derejesini sazlamak arkaly taýýarlanyldy we soňra 121 °C-da 15 minut awtoklaw edildi. Soňra ştamm laminar howa akymyna sanjym edildi we 30 °C we 180 aýlaw/minutda çaýkaýan inkubatorda saklandy. Bakteriýalaryň OD-si islenýän derejä ýetenden soň, ol islenýän proporsiýada kalsiý çeşmesi ergini bilen garyşdyryldy (1a-njy surat). MICP ergini reaksiýa girip, 220 aýlaw/minutda we 30 °C-da çaýkaýan inkubatorda maksatly gymmata ýetýän wagt üçin gatady. Çöken CaCO3 6000 g-da 5 minutlap santrifugadan soň bölünip alyndy we soňra nusgalary kalsimetr synagy üçin taýýarlamak üçin 40 °C-da guradyldy (1b-nji surat). Soňra CaCO3-iň çökündisi Bernard kalsimetri arkaly ölçeldi, bu ýerde CaCO3 poroşogy 1,0 N HCl (ASTM-D4373-02) bilen reaksiýa girip, CO2 öndürýär we bu gazyň möçberi CaCO3-iň mukdarynyň ölçegidir (1c-nji surat). CO2-niň möçberini CaCO3-e öwürmek üçin, arassa CaCO3 poroşogyny 1 N HCl bilen ýuwup, bölünip çykan CO2-e garşy çyzgy gurmak arkaly kalibrleme egrisi döredildi. Çökündi CaCO3 poroşogynyň morfologiýasy we arassalygy SEM suratlandyryş we rentgen analizi arkaly öwrenildi. Bakteriýalaryň töwereginde kalsiý karbonatynyň emele gelmegini, emele gelen kalsiý karbonatynyň fazasyny we bakteriýalaryň işjeňligini öwrenmek üçin 1000 ulaldylan optiki mikroskop ulanyldy.
Dejeg basseýni Eýranyň günorta-günbatar Fars welaýatynda ýokary derejede eroziýa sezewar bolan meşhur sebitdir we barlagçylar bu ýerden ýel eroziýasyna sezewar bolan toprak nusgalaryny ýygnadylar. Nusgalar barlag üçin topragyň ýüzünden alyndy. Toprak nusgalarynda geçirilen görkeziji synaglar topragyň çägeli, laýly toprakdan pes derejede saýlanandygyny we Toprak Klassifikasiýa Ulgamyna (USC) laýyklykda SP-SM hökmünde klassifikasiýa edilendigini görkezdi (2a surat). Rentgen barlagy Dejeg topragynyň esasan kalsitden we kwarsdan ybaratdygyny görkezdi (2b surat). Mundan başga-da, EDX barlagy Al, K we Fe ýaly beýleki elementleriň hem kiçi möçberlerde bardygyny görkezdi.
Laboratoriýa depelerini ýel eroziýasyny synagdan geçirmek üçin taýýarlamak üçin toprak 170 mm beýiklikden 10 mm diametrli woronka arkaly berk ýüze çenli ezildi, netijede beýikligi 60 mm we diametri 210 mm bolan adaty depe emele geldi. Tebigatda iň pes dykyzlykdaky çäge depeleri eol prosesleri arkaly emele gelýär. Şonuň ýaly-da, ýokardaky usul arkaly taýýarlanan nusga iň pes deňeşdirme dykyzlygyna, γ = 14.14 kN/m³ eýe bolup, takmynan 29.7° dynç alyş burçy bilen gorizontal ýüze çöken çäge konusyny emele getirdi.
Öňki bölümde alnan optimal MICP ergini 1, 2 we 3 lm-2 ulanylyş tizliginde dum eňňitine püskürdildi we soňra nusgalar 30 °C-de (3-nji surat) 9 gün (ýagny optimal berklenme wagty) inkubatorda saklandy we soňra şemal tunelinde synag üçin çykaryldy.
Her bir bejeriş üçin dört nusga taýýarlanyldy, biri kalsiý karbonatynyň mukdaryny we ýerüsti berkligini penetrometr arkaly ölçemek üçin, galan üç nusga bolsa üç dürli tizlikde eroziýa synaglary üçin ulanyldy. Şemal tunel synaglarynda eroziýanyň mukdary dürli ýel tizliklerinde kesgitlenildi, soňra her bir bejeriş nusgasy üçin bosaga bölüniş tizligi eroziýanyň mukdarynyň ýeliň tizligine garşy grafiki arkaly kesgitlenildi. Şemal eroziýa synaglaryndan başga-da, bejeriş nusgalary gum bombardmanyna (ýagny böküş synaglaryna) sezewar edildi. Bu maksat üçin 2 we 3 L m−2 ulanylyş tizliginde goşmaça iki nusga taýýarlanyldy. Gum bombardman synagy öňki barlaglarda saýlanan gymmatlyklaryň aralygynda bolan 120 gm−1 akym bilen 15 minut dowam etdi60,61,62. Abraziw nasadka bilen dumanyň esasynyň arasyndaky gorizontal aralyk tuneliň düýbünden 100 mm ýokarda ýerleşýän 800 mm boldy. Bu ýagdaý böküş gum bölejikleriniň ählisiniň diýen ýaly dumanyň üstüne düşmegi üçin goýuldy.
Şemal tuneliniň synagy uzynlygy 8 m, ini 0,4 m we beýikligi 1 m bolan açyk şemal tunelinde geçirildi (4a-njy surat). Şemal tuneli sinklenen polat listlerden ýasalyp, 25 m/s çenli şemal tizligini döredip bilýär. Mundan başga-da, wentylýatoryň ýygylygyny sazlamak we maksatly şemal tizligini almak üçin ýygylygy kem-kemden artdyrmak üçin ýygylyk öwrüjisi ulanylýar. 4b-nji suratda şemal tarapyndan eroziýa edilen çäge depeleriniň shematiki diagrammasy we şemal tunelinde ölçenen şemal tizliginiň profili görkezilýär.
Ahyrsoňy, bu gözlegde teklip edilen urealitik däl MICP formulasiýasynyň netijelerini urealitik MICP gözegçilik synagynyň netijeleri bilen deňeşdirmek üçin, dum nusgalary hem taýýarlanyldy we karbamid, kalsiý hlorid we Sporosarcina pasteurii saklaýan biologik ergin bilen işlenildi (sebäbi Sporosarcina pasteurii ureaza öndürmek üçin uly ukybyna eýedir63). Bakteriýa ergininiň optiki dykyzlygy 1,5, karbamid we kalsiý hloridiniň konsentrasiýalary bolsa 1 M boldy (öňki gözleglerde maslahat berlen gymmatlyklar esasynda saýlanyldy36,64,65). Kultura gurşawy iýmit maddalarynyň şorbasyndan (8 g/L) we karbamidden (20 g/L) ybaratdy. Bakteriýa ergini dum ýüzüne püskürdi we bakteriýalaryň berkidilmegi üçin 24 sagat goýlupdyr. 24 sagat birikdirilenden soň, sementleýji ergin (kalsiý hlorid we karbamid) püskürdildi. Urealitik MICP gözegçilik synagy mundan beýläk UMC diýlip atlandyrylýar. Urealitik we urealitik däl işlenen toprak nusgalarynyň kalsiý karbonat mukdary Çoý we beýlekiler tarapyndan teklip edilen usula laýyklykda ýuwmak arkaly alyndy.66
5-nji suratda başlangyç pH derejesi 5-den 10-a çenli bolan medeniýet gurşawynda (iýmit ergini) Bacillus amyloliquefaciens we Bacillus subtilis ösüş egrileri görkezilýär. Suratda görkezilişi ýaly, Bacillus amyloliquefaciens we Bacillus subtilis degişlilikde pH derejesi 6-8 we 7-9 bolanda has çalt ösdi. Şonuň üçin bu pH derejesi optimizasiýa tapgyrynda kabul edildi.
Iýmit maddasynyň dürli başlangyç pH gymmatlyklarynda (a) Bacillus amyloliquefaciens we (b) Bacillus subtilis ösüş egrileri.
6-njy suratda Bernard limemetrinde öndürilen uglerod dioksidiniň mukdary görkezilýär, ol çökündi kalsiý karbonatyny (CaCO3) görkezýär. Her bir kombinasiýada bir faktor sabit bolany we beýleki faktorlar üýtgeýändigi sebäpli, bu grafiklerdäki her bir nokat şol tejribeler toplumyndaky uglerod dioksidiniň iň ýokary möçberine gabat gelýär. Suratda görkezilişi ýaly, kalsiý çeşmesiniň konsentrasiýasy ýokarlandygyça, kalsiý karbonatynyň öndürilişi ýokarlandy. Şonuň üçin kalsiý çeşmesiniň konsentrasiýasy kalsiý karbonatynyň öndürilmegine gönüden-göni täsir edýär. Kalsiý çeşmesi we uglerod çeşmesi birmeňzeş bolany üçin (ýagny, kalsiý formaty we kalsiý asetat), näçe köp kalsiý ionlary bölünip çyksa, şonça-da köp kalsiý karbonaty emele gelýär (6a-njy surat). AS we AA formulalarynda, 9 günden soň çökündi mukdary diýen ýaly üýtgemeýänçä, gatap galmak wagtynyň artmagy bilen kalsiý karbonatynyň öndürilişi artmagyny dowam etdirdi. FA formulasynda, gatap galmak wagty 6 günden geçende kalsiý karbonatynyň emele gelme tizligi peseldi. Beýleki formulalar bilen deňeşdirilende, FS formulasy 3 günden soň kalsiý karbonatynyň emele gelme tizliginiň deňeşdirme boýunça pesdigini görkezdi (6b-njy surat). FA we FS formulalarynda kalsiý karbonatynyň umumy önümçiliginiň 70% we 87% üç günden soň alyndy, AA we AS formulalarynda bolsa bu paý degişlilikde diňe 46% we 45% töweregi boldy. Bu bolsa, asetat esasly formula bilen deňeşdirilende, formik kislota esasly formulanyň başlangyç tapgyrda CaCO3 emele gelme tizliginiň has ýokarydygyny görkezýär. Şeýle-de bolsa, emele gelme tizligi gatap galmak wagtynyň artmagy bilen haýallaýar. 6c suratdan OD1-den ýokary bakteriýa konsentrasiýalarynda hem kalsiý karbonatynyň emele gelmegine uly goşant goşmaýandygy barada netije çykarmak bolýar.
Bernard kalsimetri arkaly ölçenen CO2 möçberiniň (we degişli CaCO3 mukdarynyň) üýtgemegi (a) kalsiý çeşmesiniň konsentrasiýasyna, (b) gatlama wagtyna, (c) OD-a, (d) başlangyç pH-a, (e) kalsiý çeşmesiniň bakteriýa erginine gatnaşygyna (her bir formula üçin); we (f) kalsiý çeşmesiniň we bakteriýalaryň her bir utgaşmasy üçin öndürilen kalsiý karbonatynyň iň ýokary mukdaryna baglylykda.
Ortaça gurşawyň başlangyç pH-nyň täsirine gelende, 6d-nji suratda FA we FS üçin CaCO3 önümçiliginiň pH 7-de iň ýokary derejä ýetendigi görkezilýär. Bu gözegçilik FDH fermentleriniň pH 7-6,7-de iň durnuklydygy baradaky öňki barlaglar bilen gabat gelýär. Şeýle-de bolsa, AA we AS üçin pH 7-den geçende CaCO3 çökündisi ýokarlandy. Öňki barlaglar hem CoA ferment işjeňligi üçin optimal pH aralygynyň 8-den 9,2-6,8-e çenlidigini görkezdi. CoA ferment işjeňligi we B. amyloliquefaciens ösüşi üçin optimal pH aralyklarynyň degişlilikde (8-9,2) we (6-8) bolandygyny göz öňünde tutup (5a-njy surat), AA formulasiýasynyň optimal pH-ynyň 8 bolmagyna we iki pH aralygynyň gabat gelmegine garaşylýar. Bu fakt 6d-nji suratda görkezilişi ýaly tejribeler bilen tassyklanyldy. B. subtilis ösüşi üçin optimal pH 7-9 (5b surat) we CoA ferment işjeňligi üçin optimal pH 8-9.2 bolany üçin, CaCO3 çökündisiniň iň ýokary möçberiniň pH 8-9 aralygynda bolmagyna garaşylýar, bu bolsa 6d surat bilen tassyklanýar (ýagny, iň amatly çökündi pH 9). 6e suratda görkezilen netijeler asetat we format erginleri üçin kalsiý çeşmesi ergininiň bakteriýa erginine optimal gatnaşygynyň 1-e deňdigini görkezýär. Deňeşdirmek üçin, dürli formulalaryň (ýagny AA, AS, FA we FS) netijeliligi dürli şertlerde (ýagny kalsiý çeşmesiniň konsentrasiýasy, berklenme wagty, OD, kalsiý çeşmesiniň bakteriýa erginine gatnaşygy we başlangyç pH) iň ýokary CaCO3 önümçiligine esaslanyp bahalandyryldy. Öwrenilen formulalaryň arasynda FS formulasy iň ýokary CaCO3 önümçiligine eýe boldy, bu AA formulasyndan takmynan üç esse köpdi (6f surat). Iki kalsiý çeşmesi üçin hem bakteriýasyz dört gözegçilik synagy geçirildi we 30 günden soň CaCO3 çökündisi syn edilmedi.
Ähli formulalaryň optiki mikroskopiýa suratlary wateritiň kalsiý karbonatynyň emele gelen esasy fazadygyny görkezdi (7-nji surat). Waterit kristallary sferik görnüşdedi69,70,71. Bakteriýa hujayralarynyň ýüzüniň negatiw zarýadly bolandygy we iki walentli kationlar üçin adsorbent hökmünde hereket edip bilýändigi üçin kalsiý karbonatynyň bakteriýa öýjüklerinde çökýändigi anyklandy. Bu gözlegde FS formulasyny mysal hökmünde alsak, 24 sagatdan soň käbir bakteriýa öýjüklerinde kalsiý karbonaty emele gelip başlady (7a surat) we 48 sagatdan soň kalsiý karbonaty bilen örtülen bakteriýa öýjükleriniň sany ep-esli artdy. Mundan başga-da, 7b suratda görkezilişi ýaly, waterit bölejiklerini hem anyklap bolýardy. Ahyrsoňy, 72 sagatdan soň köp sanly bakteriýa waterit kristallary bilen baglanyşan ýaly boldy we waterit bölejikleriniň sany ep-esli artdy (7c surat).
FS düzümlerinde CaCO3 çökündisiniň wagtyň dowamynda optiki mikroskopiýa gözegçilikleri: (a) 24, (b) 48 we (c) 72 sagat.
Çökündi fazasynyň morfologiýasyny has giňişleýin öwrenmek üçin poroşoklaryň rentgen difraksiýasy (XRD) we SEM analizleri geçirildi. XRD spektrleri (8a surat) we SEM mikrograflary (8b, c surat) waterit kristallarynyň bardygyny tassyklady, sebäbi olar salat ýabany ýaly görnüşe eýedi we waterit depeleri bilen çökündi depeleriniň arasyndaky gabat gelme syn edildi.
(a) Emele gelen CaCO3 we wateritiň rentgen difraksiýa spektrleriniň deňeşdirilmegi. Degişlilikde (b) 1 kHz we (c) 5.27 kHz ulaldyşda wateritiň SEM mikrograflary.
Şemal tuneliniň synaglarynyň netijeleri 9a, b suratlarynda görkezilen. 9a suratdan görnüşi ýaly, işlenilmedik çägäniň eroziýa tizliginiň (TDV) takmynan 4,32 m/s deňdir. 1 l/m² ulanylyş tizliginde (9a surat), FA, FS, AA we UMC fraksiýalary üçin topragyň ýitgi tizligi çyzyklarynyň eňňitleri işlenilmedik dumanyňky bilen takmynan deňdir. Bu, bu ulanylyş tizliginde işlenilmäniň netijesizdigini we ýeliň tizligi TDV-den geçensoň, inçe topragyň gabygynyň ýok bolýandygyny we dumanyň eroziýa tizliginiň işlenilmedik dumanyňky bilen deňdigini görkezýär. AS fraksiýasynyň eroziýa eňňiti hem pes absissalary (ýagny TDV) bolan beýleki fraksiýalardan has pesdir (9a surat). 9b suratdaky oklaryň görkezýşi ýaly, 25 m/s iň ýokary ýel tizliginde işlenilen dumlarda 2 we 3 l/m² ulanylyş tizliginde eroziýa bolmady. Başgaça aýdylanda, FS, FA, AS we UMC üçin, dünler CaCO³ çökündisiniň döreden ýel eroziýasyna 2 we 3 l/m² ulanylyş tizliginde ýeliň iň ýokary tizliginde (ýagny 25 m/s) garanyňda has çydamlydy. Şeýlelik bilen, bu synaglarda alnan 25 m/s TDV gymmaty, AA ýagdaýyndan başga, TDV-niň iň ýokary ýel tunel tizligine diýen ýaly deň bolan ýagdaýynda, 9b suratda görkezilen ulanylyş tizlikleri üçin iň pes çäkdir.
Şemal eroziýasynyň synagy (a) Agramyň ýitmegine we ýeliň tizligine (ulanyş tizligi 1 l/m2), (b) Bosaga ýyrtylma tizligine we formulasyna (kalsiý asetaty üçin CA, kalsiý formaty üçin CF).
10-njy suratda çäge bombardman synagyndan soň dürli formulalar bilen işlenen çäge depeleriniň ýerüsti eroziýasynyň we ulanylyş tizliginiň görkezilişi, mukdar netijeleri bolsa 11-nji suratda görkezilen. Bejerişsiz ýagdaý görkezilmeýär, sebäbi ol hiç hili garşylyk görkezmedi we çäge bombardman synagy wagtynda doly eroziýa boldy (umumy massa ýitgisi). 11-nji suratdan AA biokompozitsiýasy bilen işlenen nusganyň 2 l/m2 ulanylyş tizliginde agramynyň 83,5% -ni ýitirendigi, beýleki ähli nusgalaryň bolsa çäge bombardman prosesinde 30% -den az eroziýa görkezendigi aýdyň görünýär. Ulanyş tizligi 3 l/m2-e çenli ýokarlandyrylanda, ähli işlenen nusgalar agramynyň 25% -den azyny ýitirdi. Iki ulanylyş tizliginde hem FS birleşmesi çäge bombardmanyna iň gowy garşylyk görkezdi. FS we AA işlenen nusgalardaky iň ýokary we iň pes bombardman garşylygyny olaryň iň ýokary we iň pes CaCO3 çökündisine baglanyşdyryp bolýar (6f-njy surat).
2 we 3 l/m2 akym tizliginde dürli düzümdäki gum depeleriniň bombardman edilmeginiň netijeleri (oklar ýeliň ugruny, haçlar bolsa çyzgy tekizligine perpendikulýar ýeliň ugruny görkezýär).
12-nji suratda görkezilişi ýaly, ulanylyş tizligi 1 L/m²-den 3 L/m²-e çenli ýokarlananda, ähli formulalaryň kalsiý karbonat mukdary ýokarlandy. Mundan başga-da, ähli ulanylyş tizliklerinde iň ýokary kalsiý karbonat mukdaryna eýe bolan formula FS, ondan soň FA we UMC boldy. Bu bolsa, bu formulalaryň has ýokary ýüz garşylygyna eýe bolup biljekdigini görkezýär.
13a-njy suratda permeametr synagy bilen ölçenen işlenmedik, gözegçilik we işlenilen toprak nusgalarynyň ýüz garşylygynyň üýtgemegi görkezilýär. Bu suratdan, UMC, AS, FA we FS formulalarynyň ýüz garşylygynyň ulanylyş tizliginiň ýokarlanmagy bilen ep-esli ýokarlanandygy görünýär. Şeýle-de bolsa, AA formulasynda ýüz berkliginiň ýokarlanmagy deňeşdirme boýunça az boldy. Suratda görkezilişi ýaly, karbamid bilen parçalanmaýan MICP-niň FA we FS formulalary karbamid bilen parçalanan MICP-e garanyňda has gowy ýüz geçirgenligine eýedir. 13b-nji suratda topragyň ýüz garşylygy bilen TDV-niň üýtgemegi görkezilýär. Bu suratdan, ýüz garşylygy 100 kPa-dan ýokary bolan düýler üçin bosaganyň aýrylma tizliginiň 25 m/s-den geçjekdigi aýdyň görünýär. Ýerinde ýüz garşylygyny permeametr bilen aňsatlyk bilen ölçäp bolýandygy sebäpli, bu bilimler şemal tunel synagy bolmadyk ýagdaýynda TDV-ni kesgitlemäge kömek edip biler we şeýlelik bilen meýdan ulanylyşlary üçin hil gözegçiliginiň görkezijisi hökmünde hyzmat edýär.
SEM netijeleri 14-nji suratda görkezilen. 14a-b suratlarynda işlenilmedik toprak nusgasynyň ulalan bölejikleri görkezilýär, bu bolsa onuň bir bitewidigini we tebigy baglanyşygynyň ýa-da sementleşmesiniň ýokdugyny aýdyň görkezýär. 14c suratynda karbamid bilen dargadylan MICP bilen işlenilen gözegçilik nusgasynyň SEM mikrografy görkezilýär. Bu suratda CaCO3 çökündileriniň kalsit polimorflary hökmünde bardygyny görkezýär. 14d-o suratlarynda görkezilişi ýaly, çökündi CaCO3 bölejikleri birleşdirýär; SEM mikrograflarynda sferiki waterit kristallary hem anyklanyp bilner. Bu gözlegiň we öňki gözlegleriň netijeleri waterit polimorflary hökmünde emele gelen CaCO3 baglanyşyklarynyň hem ýeterlik mehaniki berkligi üpjün edip biljekdigini görkezýär; biziň netijelerimiz ýüz garşylygynyň 350 kPa-a çenli ýokarlanýandygyny we bosaga bölüniş tizliginiň 4,32-den 25 m/s-den gowrak ýokarlanýandygyny görkezýär. Bu netije, MICP bilen çökdürilen CaCO3 matrisasynyň waterit bolup, onuň mehaniki berkligi we ýel eroziýasyna garşylygy ýeterlik derejede13,40 we meýdan daşky gurşaw şertlerine 180 gün täsir edenden soň hem ýel eroziýasyna garşylygy ýeterlik derejede saklap bilýändigi baradaky öňki barlaglaryň netijeleri bilen gabat gelýär13.
(a, b) Işlenilmedik topragyň SEM mikrograflary, (c) MICP karbamid dargamagynyň gözegçiligi, (df) AA bilen işlenen nusgalar, (gi) AS bilen işlenen nusgalar, (jl) FA bilen işlenen nusgalar we (mo) FS bilen işlenen nusgalar dürli ulaldyşlarda 3 L/m2 ulanylyş tizliginde.
14d-f suratda AA birleşmeleri bilen işlenilenden soň, kalsiý karbonatynyň çäge dänejikleriniň ýüzünde we arasynda çökendigi, şol bir wagtyň özünde käbir örtülmedik çäge dänejikleriniň hem syn edilendigi görkezilýär. AS komponentleri üçin, emele gelen CaCO3-iň mukdary düýpli artmasa-da (6f surat), CaCO3 sebäpli çäge dänejikleriniň arasyndaky kontaktlaryň mukdary AA birleşmeleri bilen deňeşdirilende düýpli artdy (14g-i surat).
14j-l we 14m-o suratlaryndan görünýärki, kalsiý formatyny kalsiý çeşmesi hökmünde ulanmagyň AS birleşmesine garanyňda CaCO3 çökündisiniň has-da artmagyna getirýändigi aýdyň bolýar, bu bolsa 6f suratdaky kalsiý ölçeýjisiniň ölçeglerine laýyk gelýär. Bu goşmaça CaCO3 esasan çäge bölejikleriniň üstünde çökýän ýaly we hökman kontakt hilini gowulandyrmaýar. Bu öň syn edilen hereketi tassyklaýar: CaCO3 çökündisiniň mukdaryndaky tapawutlara garamazdan (6f surat), üç formula (AS, FA we FS) eoliýa garşy (ýele) görkezijileri (11-nji surat) we ýüziň garşylygy (13a surat) babatda düýpli tapawutlanmaýar.
CaCO3 bilen örtülen bakteriýa öýjüklerini we çökündi kristallardaky bakteriýa yzlaryny has gowy göz öňüne getirmek üçin ýokary ulaldyşly SEM mikrograflary alyndy we netijeler 15-nji suratda görkezilýär. Görkezilişi ýaly, kalsiý karbonaty bakteriýa öýjüklerinde çökýär we ol ýerde çökündi üçin zerur bolan ýadrolary üpjün edýär. Suratda şeýle hem CaCO3 tarapyndan döredilen işjeň we işjeň däl baglanyşyklar görkezilýär. Işjeň däl baglanyşyklaryň islendik artmagynyň hökman mehaniki hereketiň has-da gowulaşmagyna getirmeýändigi barada netije çykarmak bolar. Şonuň üçin CaCO3 çökündisiniň artmagy hökman has ýokary mehaniki berklige getirmeýär we çökündi şekili möhüm rol oýnaýar. Bu nokat Terzis we Laloui72, şeýle hem Soghi we Al-Kabaniniň45,73 işlerinde hem öwrenildi. Çökündi şekili bilen mehaniki berkligiň arasyndaky baglanyşygy has çuňňur öwrenmek üçin, µCT şekilini ulanyp MICP barlaglary maslahat berilýär, bu bolsa bu barlagyň çäginden çykýar (ýagny, ammiaksyz MICP üçin kalsiý çeşmesiniň we bakteriýalaryň dürli kombinasiýalaryny girizmek).
CaCO3 (a) AS we (b) FS düzümi bilen işlenen nusgalarda işjeň we işjeň däl baglanyşyklary döretdi we çökündide bakteriýa öýjükleriniň yzyny galdyrdy.
14j-o we 15b suratlarynda görkezilişi ýaly, CaCO plyonkasy bar (EDX analizine görä, plyonkadaky her elementiň prosent düzümi uglerod 11%, kislorod 46,62% we kalsiý 42,39% -dir, bu bolsa 16-njy suratdaky CaCO prosentine örän ýakyn). Bu plyonka waterit kristallaryny we toprak bölejiklerini örtýär, toprak-çökündi ulgamynyň bitewüligini saklamaga kömek edýär. Bu plyonkanyň bardygy diňe format esasly formula bilen işlenen nusgalarda syn edildi.
2-nji tablisa öňki barlaglarda we bu barlagda karbamid parçalaýan we karbamid parçalamaýan MICP ýollary bilen işlenen topraklaryň ýerüsti berkligini, bosaga bölünme tizligini we bioinduksiýa edilen CaCO3 mukdaryny deňeşdirýär. MICP bilen işlenen dum nusgalarynyň ýel eroziýasyna garşylygy boýunça barlaglar çäkli. Meng we beýlekiler MICP bilen işlenen karbamid parçalaýan dum nusgalarynyň ýel eroziýasyna garşylygyny ýaprak üfleýji enjam arkaly öwrendiler,13 şol bir wagtyň özünde bu barlagda karbamid parçalamaýan dum nusgalary (şeýle hem karbamid parçalaýan gözegçilikler) ýel tunelinde synagdan geçirildi we bakteriýalaryň we maddalaryň dört dürli utgaşmasy bilen işlendi.
Görşüňiz ýaly, öňki käbir gözleglerde 4 L/m2-den ýokary ulanylýan ýokary ulanylyş möçberleri göz öňünde tutuldy. Suw üpjünçiligi, daşamak we köp mukdarda suw ulanmak bilen baglanyşykly çykdajylar sebäpli ýokary ulanylyş möçberleriniň ykdysady nukdaýnazardan meýdanda aňsatlyk bilen ulanylyp bilinmejekdigini bellemek gerek. 1,62-2 L/m2 ýaly pes ulanylyş möçberleri hem 190 kPa çenli we TDV 25 m/s-den ýokary bolan gowy ýüz berkligini gazandy. Häzirki gözlegde, karbamid parçalanmazdan format esasly MICP bilen işlenen dünler, karbamid parçalanmagy ýoly bilen alnan ýokary ýüz berkligini şol bir ulanylyş möçberlerinde (ýagny, karbamid parçalanmazdan format esasly MICP bilen işlenen nusgalar hem Meng we beýlekiler tarapyndan habar berlen şol bir ýüz berkligi gymmatlyklaryna ýetip bildiler, 13, 13a surat) ýokary ulanylyş möçberlerinde gazandy. Şeýle hem, 2 L/m2 ulanylyş tizliginde, karbamid parçalanmaýan format esasly MICP üçin 25 m/s ýel tizliginde ýel eroziýasyny azaltmak üçin kalsiý karbonatynyň hasyllylygynyň 2,25% bolandygyny görmek bolýar, bu bolsa şol bir ulanylyş tizliginde we şol bir ýel tizliginde (25 m/s) karbamid parçalanmasy bilen gözegçilik MICP bilen işlenen düýplere garanyňda zerur bolan CaCO3 mukdaryna (ýagny 2,41%) örän ýakyndyr.
Şeýlelik bilen, bu tablisadan karbamid dargama ýolunyň hem, karbamidsiz dargama ýolunyň hem ýüz garşylygy we TDV babatda gaty kabul ederlikli netije berip biljekdigi barada netije çykarmak bolýar. Esasy tapawut, karbamidsiz dargama ýolunyň ammiak saklamaýandygy we şonuň üçin daşky gurşawa has az täsir edýändigidir. Mundan başga-da, bu gözlegde teklip edilen karbamid dargamasyz format esasly MICP usuly, karbamid dargamasyz asetat esasly MICP usulyndan has gowy netije berýän ýaly. Mohebbi we beýlekiler karbamid dargamasyz asetat esasly MICP usulyny öwrenseler-de, olaryň gözlegine tekiz ýüzlerdäki nusgalar goşuldy9. Dün nusgalarynyň töwereginde gyrymsy emele gelmegi we netijede TDV-niň peselmegine getirýän gyrymsylyk sebäpli, diň nusgalarynyň ýel eroziýasynyň şol bir tizlikde tekiz ýüzlere garanda has aýdyň bolmagyna garaşylýar.