Cảm ơn bạn đã truy cập nature.com. Phiên bản trình duyệt bạn đang sử dụng có hỗ trợ CSS hạn chế. Để có trải nghiệm tốt nhất, chúng tôi khuyên bạn nên sử dụng phiên bản trình duyệt mới nhất (hoặc tắt chế độ tương thích trong Internet Explorer). Ngoài ra, để đảm bảo hỗ trợ liên tục, trang web này sẽ không bao gồm các kiểu định dạng hoặc JavaScript.
Bão bụi gây ra mối đe dọa nghiêm trọng cho nhiều quốc gia trên thế giới do tác động tàn phá của chúng đối với nông nghiệp, sức khỏe con người, mạng lưới giao thông và cơ sở hạ tầng. Kết quả là, xói mòn do gió được coi là một vấn đề toàn cầu. Một trong những phương pháp thân thiện với môi trường để hạn chế xói mòn do gió là sử dụng kết tủa cacbonat do vi sinh vật gây ra (MICP). Tuy nhiên, các sản phẩm phụ của MICP dựa trên sự phân hủy urê, chẳng hạn như amoniac, không lý tưởng khi được tạo ra với số lượng lớn. Nghiên cứu này trình bày hai công thức vi khuẩn canxi formate để phân hủy MICP mà không tạo ra urê và so sánh toàn diện hiệu suất của chúng với hai công thức vi khuẩn canxi axetat không tạo ra amoniac. Các vi khuẩn được xem xét là Bacillus subtilis và Bacillus amyloliquefaciens. Đầu tiên, các giá trị tối ưu của các yếu tố kiểm soát sự hình thành CaCO3 đã được xác định. Sau đó, các thử nghiệm trong đường hầm gió đã được tiến hành trên các mẫu cồn cát được xử lý bằng các công thức tối ưu, và khả năng chống xói mòn do gió, vận tốc ngưỡng bóc tách và khả năng chống bắn phá cát đã được đo. Các dạng thù hình của canxi cacbonat (CaCO3) được đánh giá bằng kính hiển vi quang học, kính hiển vi điện tử quét (SEM) và phân tích nhiễu xạ tia X. Các công thức dựa trên canxi format cho kết quả tốt hơn đáng kể so với các công thức dựa trên axetat về khả năng tạo thành canxi cacbonat. Ngoài ra, B. subtilis tạo ra nhiều canxi cacbonat hơn B. amyloliquefaciens. Ảnh chụp SEM cho thấy rõ sự liên kết và in dấu của vi khuẩn hoạt động và không hoạt động trên canxi cacbonat do quá trình lắng đọng. Tất cả các công thức đều làm giảm đáng kể hiện tượng xói mòn do gió.
Xói mòn do gió từ lâu đã được công nhận là một vấn đề lớn đối với các vùng khô hạn và bán khô hạn như tây nam Hoa Kỳ, tây Trung Quốc, sa mạc Sahara ở châu Phi và phần lớn Trung Đông¹. Lượng mưa thấp ở các vùng khí hậu khô hạn và cực kỳ khô hạn đã biến phần lớn các khu vực này thành sa mạc, cồn cát và đất hoang. Xói mòn do gió tiếp diễn gây ra các mối đe dọa môi trường đối với cơ sở hạ tầng như mạng lưới giao thông, đất nông nghiệp và đất công nghiệp, dẫn đến điều kiện sống nghèo nàn và chi phí phát triển đô thị cao ở những khu vực này^2,3,4. Quan trọng hơn, xói mòn do gió không chỉ ảnh hưởng đến vị trí xảy ra mà còn gây ra các vấn đề về sức khỏe và kinh tế ở các cộng đồng vùng sâu vùng xa vì nó vận chuyển các hạt bụi bằng gió đến các khu vực cách xa nguồn gốc^5,6.
Kiểm soát xói mòn do gió vẫn là một vấn đề toàn cầu. Nhiều phương pháp ổn định đất được sử dụng để kiểm soát xói mòn do gió. Các phương pháp này bao gồm các vật liệu như tưới nước7, màng phủ dầu8, polyme sinh học5, kết tủa cacbonat do vi sinh vật gây ra (MICP)9,10,11,12 và kết tủa cacbonat do enzyme gây ra (EICP)1. Làm ẩm đất là một phương pháp tiêu chuẩn để giảm bụi trong thực địa. Tuy nhiên, sự bay hơi nhanh chóng của nó khiến phương pháp này có hiệu quả hạn chế ở các vùng khô hạn và bán khô hạn1. Việc sử dụng các hợp chất màng phủ dầu làm tăng độ kết dính của cát và ma sát giữa các hạt. Tính chất kết dính của chúng liên kết các hạt cát lại với nhau; tuy nhiên, màng phủ dầu cũng gây ra các vấn đề khác; màu tối của chúng làm tăng khả năng hấp thụ nhiệt và dẫn đến cái chết của thực vật và vi sinh vật. Mùi và khói của chúng có thể gây ra các vấn đề về hô hấp, và đáng chú ý nhất, chi phí cao là một trở ngại khác. Polyme sinh học là một trong những phương pháp thân thiện với môi trường được đề xuất gần đây để giảm thiểu xói mòn do gió; chúng được chiết xuất từ ​​các nguồn tự nhiên như thực vật, động vật và vi khuẩn. Xanthan gum, guar gum, chitosan và gellan gum là những polyme sinh học được sử dụng phổ biến nhất trong các ứng dụng kỹ thuật5. Tuy nhiên, các polyme sinh học hòa tan trong nước có thể bị mất độ bền và bị rửa trôi khỏi đất khi tiếp xúc với nước13,14. EICP đã được chứng minh là một phương pháp ngăn chặn bụi hiệu quả cho nhiều ứng dụng khác nhau, bao gồm đường không trải nhựa, hồ chứa chất thải và công trường xây dựng. Mặc dù kết quả rất khả quan, nhưng cần phải xem xét một số nhược điểm tiềm tàng, chẳng hạn như chi phí và thiếu các điểm mầm (điều này làm tăng tốc độ hình thành và kết tủa các tinh thể CaCO315,16).
MICP được mô tả lần đầu tiên vào cuối thế kỷ 19 bởi Murray và Irwin (1890) và Steinmann (1901) trong nghiên cứu về sự phân hủy urê bởi vi sinh vật biển17. MICP là một quá trình sinh học tự nhiên liên quan đến nhiều hoạt động vi sinh vật và các quá trình hóa học, trong đó canxi cacbonat được kết tủa bởi phản ứng của các ion cacbonat từ các chất chuyển hóa của vi sinh vật với các ion canxi trong môi trường18,19. MICP liên quan đến chu trình nitơ phân hủy urê (MICP phân hủy urê) là loại kết tủa cacbonat do vi sinh vật gây ra phổ biến nhất, trong đó urease do vi khuẩn sản sinh xúc tác quá trình thủy phân urê20,21,22,23,24,25,26,27 như sau:
Trong MICP liên quan đến chu trình cacbon của quá trình oxy hóa muối hữu cơ (MICP không có loại phân hủy urê), vi khuẩn dị dưỡng sử dụng các muối hữu cơ như axetat, lactat, citrat, succinat, oxalat, malat và glyoxylat làm nguồn năng lượng để sản xuất khoáng chất cacbonat28. Khi có mặt canxi lactat làm nguồn cacbon và các ion canxi, phản ứng hóa học hình thành canxi cacbonat được thể hiện trong phương trình (5).
Trong quy trình MICP, tế bào vi khuẩn cung cấp các điểm mầm đặc biệt quan trọng cho sự kết tủa canxi cacbonat; bề mặt tế bào vi khuẩn mang điện tích âm và có thể hoạt động như chất hấp phụ đối với các cation hóa trị hai như ion canxi. Bằng cách hấp phụ các ion canxi lên tế bào vi khuẩn, khi nồng độ ion cacbonat đủ, các cation canxi và anion cacbonat phản ứng và canxi cacbonat kết tủa trên bề mặt vi khuẩn29,30. Quá trình này có thể được tóm tắt như sau31,32:
Các tinh thể canxi cacbonat sinh học có thể được chia thành ba loại: canxit, vaterit và aragonit. Trong số đó, canxit và vaterit là những dạng thù hình canxi cacbonat do vi khuẩn tạo ra phổ biến nhất33,34. Canxit là dạng thù hình canxi cacbonat ổn định nhất về mặt nhiệt động học35. Mặc dù vaterit được báo cáo là không bền vững, nhưng cuối cùng nó cũng chuyển hóa thành canxit36,37. Vaterit là loại tinh thể đặc nhất trong số này. Nó là một tinh thể lục giác có khả năng lấp đầy lỗ rỗng tốt hơn các tinh thể canxi cacbonat khác do kích thước lớn hơn38. Cả MICP bị phân hủy bởi urê và MICP không bị phân hủy bởi urê đều có thể dẫn đến sự kết tủa của vaterit13,39,40,41.
Mặc dù MICP đã cho thấy tiềm năng đầy hứa hẹn trong việc ổn định các loại đất có vấn đề và đất dễ bị xói mòn do gió42,43,44,45,46,47,48, nhưng một trong những sản phẩm phụ của quá trình thủy phân urê là amoniac, có thể gây ra các vấn đề sức khỏe từ nhẹ đến nặng tùy thuộc vào mức độ tiếp xúc49. Tác dụng phụ này khiến việc sử dụng công nghệ này gây tranh cãi, đặc biệt khi cần xử lý các khu vực rộng lớn, chẳng hạn như để giảm bụi. Ngoài ra, mùi amoniac rất khó chịu khi quá trình được thực hiện ở tỷ lệ và khối lượng lớn, điều này có thể ảnh hưởng đến tính khả thi thực tiễn của nó. Mặc dù các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng các ion amoni có thể được giảm bớt bằng cách chuyển đổi chúng thành các sản phẩm khác như struvite, nhưng các phương pháp này không loại bỏ hoàn toàn các ion amoni50. Do đó, vẫn cần phải tìm kiếm các giải pháp thay thế không tạo ra ion amoni. Việc sử dụng các con đường phân hủy không phải urê cho MICP có thể cung cấp một giải pháp tiềm năng chưa được khám phá nhiều trong bối cảnh giảm thiểu xói mòn do gió. Fattahi et al. đã nghiên cứu sự phân hủy MICP không dùng urê bằng cách sử dụng canxi axetat và Bacillus megaterium41, trong khi Mohebbi et al. đã sử dụng canxi axetat và Bacillus amyloliquefaciens9. Tuy nhiên, nghiên cứu của họ không được so sánh với các nguồn canxi khác và vi khuẩn dị dưỡng có thể cải thiện khả năng chống xói mòn do gió. Ngoài ra, còn thiếu các tài liệu so sánh các con đường phân hủy không dùng urê với các con đường phân hủy dùng urê trong việc giảm thiểu xói mòn do gió.
Ngoài ra, hầu hết các nghiên cứu về xói mòn do gió và kiểm soát bụi đều được thực hiện trên các mẫu đất có bề mặt bằng phẳng.1,51,52,53 Tuy nhiên, bề mặt bằng phẳng ít phổ biến hơn trong tự nhiên so với đồi và vùng trũng. Đó là lý do tại sao cồn cát là đặc điểm cảnh quan phổ biến nhất ở các vùng sa mạc.
Để khắc phục những nhược điểm đã nêu ở trên, nghiên cứu này nhằm mục đích giới thiệu một bộ tác nhân vi khuẩn mới không sản sinh amoniac. Vì mục đích này, chúng tôi đã xem xét các con đường MICP không phân hủy urê. Hiệu quả của hai nguồn canxi (canxi format và canxi axetat) đã được nghiên cứu. Theo hiểu biết của các tác giả, việc kết tủa cacbonat bằng cách sử dụng sự kết hợp của hai nguồn canxi và vi khuẩn (tức là canxi format-Bacillus subtilis và canxi format-Bacillus amyloliquefaciens) chưa được nghiên cứu trong các nghiên cứu trước đây. Việc lựa chọn các vi khuẩn này dựa trên các enzyme mà chúng sản sinh ra, có khả năng xúc tác quá trình oxy hóa canxi format và canxi axetat để tạo thành kết tủa cacbonat vi sinh. Chúng tôi đã thiết kế một nghiên cứu thực nghiệm kỹ lưỡng để tìm ra các yếu tố tối ưu như pH, loại vi khuẩn và nguồn canxi cũng như nồng độ của chúng, tỷ lệ vi khuẩn so với dung dịch nguồn canxi và thời gian xử lý. Cuối cùng, hiệu quả của nhóm tác nhân vi khuẩn này trong việc ngăn chặn xói mòn do gió thông qua quá trình kết tủa canxi cacbonat đã được nghiên cứu bằng cách tiến hành một loạt các thử nghiệm trong đường hầm gió trên các cồn cát để xác định cường độ xói mòn do gió, vận tốc phá vỡ ngưỡng và khả năng chống chịu gió của cát, đồng thời thực hiện các phép đo độ xuyên và nghiên cứu cấu trúc vi mô (ví dụ: phân tích nhiễu xạ tia X (XRD) và kính hiển vi điện tử quét (SEM)).
Việc sản xuất canxi cacbonat cần có ion canxi và ion cacbonat. Ion canxi có thể thu được từ nhiều nguồn canxi khác nhau như canxi clorua, canxi hydroxit và sữa bột tách kem54,55. Ion cacbonat có thể được sản xuất bằng nhiều phương pháp vi sinh khác nhau như thủy phân urê và oxy hóa hiếu khí hoặc kỵ khí chất hữu cơ56. Trong nghiên cứu này, ion cacbonat được thu được từ phản ứng oxy hóa format và axetat. Ngoài ra, chúng tôi đã sử dụng muối canxi của format và axetat để sản xuất canxi cacbonat tinh khiết, do đó chỉ thu được CO2 và H2O làm sản phẩm phụ. Trong quá trình này, chỉ có một chất đóng vai trò là nguồn canxi và nguồn cacbonat, và không tạo ra amoniac. Những đặc điểm này làm cho phương pháp sản xuất nguồn canxi và cacbonat mà chúng tôi xem xét rất triển vọng.
Các phản ứng tương ứng của canxi fomat và canxi axetat để tạo thành canxi cacbonat được thể hiện trong công thức (7)-(14). Công thức (7)-(11) cho thấy canxi fomat hòa tan trong nước để tạo thành axit fomic hoặc fomat. Do đó, dung dịch là nguồn cung cấp các ion canxi và hydroxit tự do (công thức 8 và 9). Kết quả của quá trình oxy hóa axit fomic là các nguyên tử cacbon trong axit fomic được chuyển hóa thành cacbon đioxit (công thức 10). Cuối cùng, canxi cacbonat được hình thành (công thức 11 và 12).
Tương tự, canxi cacbonat được hình thành từ canxi axetat (phương trình 13–15), ngoại trừ việc axit axetic hoặc axetat được tạo thành thay vì axit fomic.
Nếu không có sự hiện diện của enzyme, axetat và format không thể bị oxy hóa ở nhiệt độ phòng. FDH (formate dehydrogenase) và CoA (coenzyme A) xúc tác quá trình oxy hóa format và axetat để tạo thành carbon dioxide, tương ứng (Phương trình 16, 17) 57, 58, 59. Nhiều loại vi khuẩn có khả năng sản xuất các enzyme này, và các vi khuẩn dị dưỡng, cụ thể là Bacillus subtilis (PTCC #1204 (Bộ sưu tập chủng loại Ba Tư), còn được gọi là NCIMB #13061 (Bộ sưu tập quốc tế về vi khuẩn, nấm men, phage, plasmid, hạt giống thực vật và nuôi cấy mô tế bào thực vật)) và Bacillus amyloliquefaciens (PTCC #1732, NCIMB #12077), đã được sử dụng trong nghiên cứu này. Các vi khuẩn này được nuôi cấy trong môi trường chứa peptone thịt (5 g/L) và chiết xuất thịt (3 g/L), được gọi là nước dùng dinh dưỡng (NBR) (105443 Merck).
Do đó, bốn công thức đã được chuẩn bị để tạo ra kết tủa canxi cacbonat bằng cách sử dụng hai nguồn canxi và hai loại vi khuẩn: canxi formate và Bacillus subtilis (FS), canxi formate và Bacillus amyloliquefaciens (FA), canxi axetat và Bacillus subtilis (AS), và canxi axetat và Bacillus amyloliquefaciens (AA).
Trong phần đầu của thiết kế thí nghiệm, các thử nghiệm đã được tiến hành để xác định sự kết hợp tối ưu nhằm đạt được sản lượng canxi cacbonat tối đa. Vì các mẫu đất có chứa canxi cacbonat, một loạt các thử nghiệm đánh giá sơ bộ đã được thiết kế để đo chính xác lượng CaCO3 được tạo ra bởi các sự kết hợp khác nhau, và hỗn hợp môi trường nuôi cấy và dung dịch nguồn canxi đã được đánh giá. Đối với mỗi sự kết hợp giữa nguồn canxi và dung dịch vi khuẩn được xác định ở trên (FS, FA, AS và AA), các yếu tố tối ưu hóa (nồng độ nguồn canxi, thời gian bảo dưỡng, nồng độ dung dịch vi khuẩn được đo bằng mật độ quang học của dung dịch (OD), tỷ lệ nguồn canxi so với dung dịch vi khuẩn và pH) đã được xác định và sử dụng trong các thử nghiệm đường hầm gió xử lý cồn cát được mô tả trong các phần tiếp theo.
Với mỗi sự kết hợp, 150 thí nghiệm đã được tiến hành để nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình kết tủa CaCO3 và đánh giá các yếu tố khác nhau, cụ thể là nồng độ nguồn canxi, thời gian xử lý, giá trị OD của vi khuẩn, tỷ lệ nguồn canxi trên dung dịch vi khuẩn và độ pH trong quá trình oxy hóa hiếu khí chất hữu cơ (Bảng 1). Khoảng pH cho quá trình tối ưu được lựa chọn dựa trên đường cong tăng trưởng của Bacillus subtilis và Bacillus amyloliquefaciens nhằm đạt được tốc độ tăng trưởng nhanh hơn. Điều này được giải thích chi tiết hơn trong phần Kết quả.
Các bước sau đây đã được sử dụng để chuẩn bị mẫu cho giai đoạn tối ưu hóa. Đầu tiên, dung dịch MICP được chuẩn bị bằng cách điều chỉnh độ pH ban đầu của môi trường nuôi cấy, sau đó được khử trùng bằng nồi hấp ở 121 °C trong 15 phút. Sau đó, chủng vi khuẩn được cấy vào tủ cấy vô trùng và duy trì trong tủ ấm lắc ở 30 °C và 180 vòng/phút. Khi mật độ quang (OD) của vi khuẩn đạt đến mức mong muốn, nó được trộn với dung dịch nguồn canxi theo tỷ lệ mong muốn (Hình 1a). Dung dịch MICP được cho phản ứng và đông đặc trong tủ ấm lắc ở 220 vòng/phút và 30 °C trong thời gian đạt đến giá trị mục tiêu. CaCO3 kết tủa được tách ra sau khi ly tâm ở 6000 g trong 5 phút và sau đó được sấy khô ở 40 °C để chuẩn bị mẫu cho thử nghiệm bằng máy đo canxi (Hình 1b). Sau đó, lượng kết tủa CaCO3 được đo bằng máy đo canxi Bernard, trong đó bột CaCO3 phản ứng với HCl 1,0 N (ASTM-D4373-02) để tạo ra CO2, và thể tích khí này là thước đo hàm lượng CaCO3 (Hình 1c). Để chuyển đổi thể tích CO2 thành hàm lượng CaCO3, một đường cong hiệu chuẩn được tạo ra bằng cách rửa bột CaCO3 tinh khiết với HCl 1 N và vẽ đồ thị so sánh với lượng CO2 thoát ra. Hình thái và độ tinh khiết của bột CaCO3 kết tủa được nghiên cứu bằng hình ảnh SEM và phân tích XRD. Kính hiển vi quang học với độ phóng đại 1000 lần được sử dụng để nghiên cứu sự hình thành canxi cacbonat xung quanh vi khuẩn, pha của canxi cacbonat được hình thành và hoạt động của vi khuẩn.
Lưu vực Dejegh là một vùng bị xói mòn nghiêm trọng nổi tiếng ở phía tây nam tỉnh Fars của Iran, và các nhà nghiên cứu đã thu thập các mẫu đất bị xói mòn do gió từ khu vực này. Các mẫu được lấy từ bề mặt đất để nghiên cứu. Các thử nghiệm chỉ thị trên các mẫu đất cho thấy đất là đất cát có độ phân bố hạt kém, lẫn bùn và được phân loại là SP-SM theo Hệ thống Phân loại Đất Thống nhất (USC) (Hình 2a). Phân tích XRD cho thấy đất Dejegh chủ yếu bao gồm canxit và thạch anh (Hình 2b). Ngoài ra, phân tích EDX cho thấy các nguyên tố khác như Al, K và Fe cũng có mặt với tỷ lệ nhỏ hơn.
Để chuẩn bị các cồn cát trong phòng thí nghiệm cho thử nghiệm xói mòn do gió, đất được nghiền từ độ cao 170 mm qua một phễu đường kính 10 mm đến bề mặt chắc chắn, tạo thành một cồn cát điển hình cao 60 mm và đường kính 210 mm. Trong tự nhiên, các cồn cát có mật độ thấp nhất được hình thành bởi quá trình phong hóa. Tương tự, mẫu được chuẩn bị bằng quy trình trên có mật độ tương đối thấp nhất, γ = 14,14 kN/m³, tạo thành một hình nón cát lắng đọng trên bề mặt nằm ngang với góc nghỉ khoảng 29,7°.
Dung dịch MICP tối ưu thu được ở phần trước được phun lên sườn đồi cát với liều lượng 1, 2 và 3 lm-2, sau đó các mẫu được bảo quản trong tủ ấm ở 30 °C (Hình 3) trong 9 ngày (tức là thời gian bảo dưỡng tối ưu) và sau đó được lấy ra để thử nghiệm trong đường hầm gió.
Đối với mỗi phương pháp xử lý, bốn mẫu vật được chuẩn bị, một mẫu để đo hàm lượng canxi cacbonat và độ bền bề mặt bằng máy đo độ xuyên, và ba mẫu còn lại được sử dụng cho các thử nghiệm xói mòn ở ba tốc độ khác nhau. Trong các thử nghiệm đường hầm gió, lượng xói mòn được xác định ở các tốc độ gió khác nhau, sau đó tốc độ phá vỡ ngưỡng đối với mỗi mẫu vật được xử lý được xác định bằng cách sử dụng đồ thị lượng xói mòn so với tốc độ gió. Ngoài các thử nghiệm xói mòn do gió, các mẫu vật được xử lý còn được thử nghiệm bắn cát (tức là các thí nghiệm nhảy). Hai mẫu vật bổ sung được chuẩn bị cho mục đích này với tỷ lệ ứng dụng là 2 và 3 L m−2. Thử nghiệm bắn cát kéo dài 15 phút với lưu lượng 120 gm−1, nằm trong phạm vi các giá trị được chọn trong các nghiên cứu trước đây60,61,62. Khoảng cách ngang giữa vòi phun chất mài mòn và đáy cồn cát là 800 mm, nằm cách đáy đường hầm 100 mm. Vị trí này được thiết lập sao cho hầu hết các hạt cát nhảy đều rơi xuống cồn cát.
Thí nghiệm trong đường hầm gió được tiến hành trong một đường hầm gió hở có chiều dài 8 m, chiều rộng 0,4 m và chiều cao 1 m (Hình 4a). Đường hầm gió được làm bằng các tấm thép mạ kẽm và có thể tạo ra tốc độ gió lên đến 25 m/s. Ngoài ra, một bộ biến tần được sử dụng để điều chỉnh tần số quạt và tăng dần tần số để đạt được tốc độ gió mục tiêu. Hình 4b thể hiện sơ đồ mô phỏng các cồn cát bị xói mòn do gió và biểu đồ tốc độ gió đo được trong đường hầm gió.
Cuối cùng, để so sánh kết quả của công thức MICP không phân tích urê được đề xuất trong nghiên cứu này với kết quả của thử nghiệm kiểm soát MICP phân tích urê, các mẫu cồn cát cũng được chuẩn bị và xử lý bằng dung dịch sinh học chứa urê, canxi clorua và Sporosarcina pasteurii (vì Sporosarcina pasteurii có khả năng sản xuất urease đáng kể63). Mật độ quang học của dung dịch vi khuẩn là 1,5, và nồng độ urê và canxi clorua là 1 M (được chọn dựa trên các giá trị được khuyến nghị trong các nghiên cứu trước đây36,64,65). Môi trường nuôi cấy bao gồm nước dùng dinh dưỡng (8 g/L) và urê (20 g/L). Dung dịch vi khuẩn được phun lên bề mặt cồn cát và để trong 24 giờ để vi khuẩn bám dính. Sau 24 giờ bám dính, một dung dịch kết dính (canxi clorua và urê) được phun lên. Thử nghiệm kiểm soát MICP phân tích urê sau đây được gọi tắt là UMC. Hàm lượng canxi cacbonat của các mẫu đất được xử lý bằng phương pháp urê và không được xử lý bằng phương pháp urê được xác định bằng cách rửa theo quy trình do Choi et al. đề xuất.66
Hình 5 thể hiện đường cong tăng trưởng của Bacillus amyloliquefaciens và Bacillus subtilis trong môi trường nuôi cấy (dung dịch dinh dưỡng) với phạm vi pH ban đầu từ 5 đến 10. Như thể hiện trong hình, Bacillus amyloliquefaciens và Bacillus subtilis phát triển nhanh hơn ở pH 6-8 và 7-9 tương ứng. Do đó, phạm vi pH này đã được chọn trong giai đoạn tối ưu hóa.
Đường cong tăng trưởng của (a) Bacillus amyloliquefaciens và (b) Bacillus subtilis ở các giá trị pH ban đầu khác nhau của môi trường dinh dưỡng.
Hình 6 thể hiện lượng khí carbon dioxide được tạo ra trong máy đo vôi Bernard, đại diện cho lượng canxi cacbonat (CaCO3) kết tủa. Vì một yếu tố được cố định trong mỗi tổ hợp và các yếu tố khác được thay đổi, mỗi điểm trên các đồ thị này tương ứng với thể tích carbon dioxide tối đa trong bộ thí nghiệm đó. Như thể hiện trong hình, khi nồng độ nguồn canxi tăng lên, lượng canxi cacbonat được tạo ra cũng tăng lên. Do đó, nồng độ nguồn canxi ảnh hưởng trực tiếp đến lượng canxi cacbonat được tạo ra. Vì nguồn canxi và nguồn cacbon giống nhau (tức là canxi format và canxi axetat), nên càng nhiều ion canxi được giải phóng, càng nhiều canxi cacbonat được hình thành (Hình 6a). Trong các công thức AS và AA, lượng canxi cacbonat được tạo ra tiếp tục tăng theo thời gian bảo dưỡng cho đến khi lượng kết tủa gần như không thay đổi sau 9 ngày. Trong công thức FA, tốc độ hình thành canxi cacbonat giảm khi thời gian bảo dưỡng vượt quá 6 ngày. So với các công thức khác, công thức FS cho thấy tốc độ hình thành canxi cacbonat tương đối thấp sau 3 ngày (Hình 6b). Trong các công thức FA và FS, 70% và 87% tổng lượng canxi cacbonat được tạo ra sau ba ngày, trong khi ở các công thức AA và AS, tỷ lệ này chỉ khoảng 46% và 45% tương ứng. Điều này cho thấy công thức gốc axit formic có tốc độ hình thành CaCO3 cao hơn ở giai đoạn đầu so với công thức gốc axetat. Tuy nhiên, tốc độ hình thành chậm lại khi thời gian đóng rắn tăng lên. Có thể kết luận từ Hình 6c rằng ngay cả ở nồng độ vi khuẩn trên OD1, cũng không có sự đóng góp đáng kể nào vào sự hình thành canxi cacbonat.
Sự thay đổi thể tích CO2 (và hàm lượng CaCO3 tương ứng) được đo bằng máy đo canxi Bernard theo các yếu tố sau: (a) nồng độ nguồn canxi, (b) thời gian đông kết, (c) OD, (d) pH ban đầu, (e) tỷ lệ nguồn canxi so với dung dịch vi khuẩn (đối với mỗi công thức); và (f) lượng canxi cacbonat tối đa được tạo ra cho mỗi sự kết hợp giữa nguồn canxi và vi khuẩn.
Về ảnh hưởng của độ pH ban đầu của môi trường, Hình 6d cho thấy đối với FA và FS, quá trình sản xuất CaCO3 đạt giá trị tối đa ở pH 7. Quan sát này phù hợp với các nghiên cứu trước đây cho thấy enzyme FDH ổn định nhất ở pH 7-6,7. Tuy nhiên, đối với AA và AS, sự kết tủa CaCO3 tăng lên khi pH vượt quá 7. Các nghiên cứu trước đây cũng chỉ ra rằng phạm vi pH tối ưu cho hoạt động của enzyme CoA là từ 8 đến 9,2-6,8. Xét rằng phạm vi pH tối ưu cho hoạt động của enzyme CoA và sự phát triển của B. amyloliquefaciens lần lượt là (8-9,2) và (6-8) (Hình 5a), pH tối ưu của công thức AA dự kiến ​​là 8, và hai phạm vi pH này chồng chéo nhau. Thực tế này đã được xác nhận bằng các thí nghiệm, như thể hiện trong Hình 6d. Vì độ pH tối ưu cho sự phát triển của B. subtilis là 7-9 (Hình 5b) và độ pH tối ưu cho hoạt động của enzyme CoA là 8-9,2, nên lượng kết tủa CaCO3 tối đa dự kiến ​​sẽ đạt được trong khoảng pH 8-9, điều này được xác nhận bởi Hình 6d (tức là độ pH kết tủa tối ưu là 9). Kết quả thể hiện trong Hình 6e cho thấy tỷ lệ tối ưu giữa dung dịch nguồn canxi và dung dịch vi khuẩn là 1 đối với cả dung dịch axetat và format. Để so sánh, hiệu suất của các công thức khác nhau (tức là AA, AS, FA và FS) được đánh giá dựa trên lượng CaCO3 tối đa được tạo ra trong các điều kiện khác nhau (tức là nồng độ nguồn canxi, thời gian xử lý, OD, tỷ lệ nguồn canxi so với dung dịch vi khuẩn và độ pH ban đầu). Trong số các công thức được nghiên cứu, công thức FS cho lượng CaCO3 sản sinh cao nhất, gấp khoảng ba lần so với công thức AA (Hình 6f). Bốn thí nghiệm đối chứng không có vi khuẩn đã được tiến hành cho cả hai nguồn canxi và không quan sát thấy sự kết tủa CaCO3 nào sau 30 ngày.
Hình ảnh hiển vi quang học của tất cả các công thức cho thấy vaterit là pha chính trong đó canxi cacbonat được hình thành (Hình 7). Các tinh thể vaterit có hình cầu69,70,71. Người ta nhận thấy rằng canxi cacbonat kết tủa trên các tế bào vi khuẩn vì bề mặt của các tế bào vi khuẩn mang điện tích âm và có thể hoạt động như một chất hấp phụ cho các cation hóa trị hai. Lấy công thức FS làm ví dụ trong nghiên cứu này, sau 24 giờ, canxi cacbonat bắt đầu hình thành trên một số tế bào vi khuẩn (Hình 7a), và sau 48 giờ, số lượng tế bào vi khuẩn được phủ canxi cacbonat tăng lên đáng kể. Ngoài ra, như thể hiện trong Hình 7b, các hạt vaterit cũng có thể được phát hiện. Cuối cùng, sau 72 giờ, một lượng lớn vi khuẩn dường như bị liên kết bởi các tinh thể vaterit, và số lượng hạt vaterit tăng lên đáng kể (Hình 7c).
Quan sát bằng kính hiển vi quang học về sự kết tủa CaCO3 trong các thành phần FS theo thời gian: (a) 24, (b) 48 và (c) 72 giờ.
Để nghiên cứu sâu hơn về hình thái của pha kết tủa, chúng tôi đã tiến hành phân tích nhiễu xạ tia X (XRD) và SEM trên các mẫu bột. Phổ XRD (Hình 8a) và ảnh SEM (Hình 8b, c) đã xác nhận sự hiện diện của các tinh thể vaterit, vì chúng có hình dạng giống như lá rau diếp và có sự tương ứng giữa các đỉnh vaterit và các đỉnh kết tủa.
(a) So sánh phổ nhiễu xạ tia X của CaCO3 và vaterit được hình thành. Ảnh SEM của vaterit ở độ phóng đại (b) 1 kHz và (c) 5,27 kHz.
Kết quả thí nghiệm trong đường hầm gió được thể hiện trong Hình 9a, b. Có thể thấy từ Hình 9a rằng vận tốc xói mòn ngưỡng (TDV) của cát chưa xử lý là khoảng 4,32 m/s. Ở tỷ lệ bón 1 l/m² (Hình 9a), độ dốc của các đường biểu diễn tốc độ mất đất đối với các phần FA, FS, AA và UMC gần như tương đương với cồn cát chưa xử lý. Điều này cho thấy việc xử lý ở tỷ lệ bón này không hiệu quả và ngay khi tốc độ gió vượt quá TDV, lớp vỏ đất mỏng sẽ biến mất và tốc độ xói mòn cồn cát sẽ tương đương với cồn cát chưa xử lý. Độ dốc xói mòn của phần AS cũng thấp hơn so với các phần khác có hoành độ thấp hơn (tức là TDV) (Hình 9a). Các mũi tên trong Hình 9b chỉ ra rằng ở tốc độ gió tối đa 25 m/s, không xảy ra hiện tượng xói mòn ở các cồn cát đã xử lý với tỷ lệ bón 2 và 3 l/m². Nói cách khác, đối với FS, FA, AS và UMC, các cồn cát có khả năng chống xói mòn do gió gây ra bởi sự lắng đọng CaCO³ tốt hơn ở tỷ lệ bón 2 và 3 l/m² so với tốc độ gió tối đa (tức là 25 m/s). Do đó, giá trị TDV là 25 m/s thu được trong các thử nghiệm này là giới hạn dưới cho các tỷ lệ bón được thể hiện trong Hình 9b, ngoại trừ trường hợp AA, trong đó TDV gần bằng tốc độ gió tối đa trong đường hầm gió.
Thử nghiệm xói mòn do gió (a) Sự giảm trọng lượng so với tốc độ gió (tỷ lệ ứng dụng 1 l/m2), (b) Tốc độ xé rách ngưỡng so với tỷ lệ ứng dụng và công thức (CA đối với canxi axetat, CF đối với canxi format).
Hình 10 cho thấy sự xói mòn bề mặt của các cồn cát được xử lý bằng các công thức và tỷ lệ ứng dụng khác nhau sau thử nghiệm bắn cát, và kết quả định lượng được thể hiện trong Hình 11. Trường hợp không được xử lý không được hiển thị vì nó không cho thấy khả năng chống chịu và bị xói mòn hoàn toàn (mất khối lượng hoàn toàn) trong quá trình thử nghiệm bắn cát. Từ Hình 11, rõ ràng là mẫu được xử lý bằng hỗn hợp sinh học AA đã mất 83,5% trọng lượng ở tỷ lệ ứng dụng 2 l/m2 trong khi tất cả các mẫu khác đều cho thấy sự xói mòn dưới 30% trong quá trình bắn cát. Khi tỷ lệ ứng dụng tăng lên 3 l/m2, tất cả các mẫu được xử lý đều mất dưới 25% trọng lượng. Ở cả hai tỷ lệ ứng dụng, hợp chất FS cho thấy khả năng chống chịu bắn cát tốt nhất. Khả năng chống chịu bắn cát tối đa và tối thiểu ở các mẫu được xử lý bằng FS và AA có thể là do lượng kết tủa CaCO3 tối đa và tối thiểu của chúng (Hình 6f).
Kết quả của việc bắn phá các cồn cát có thành phần khác nhau ở lưu lượng 2 và 3 l/m2 (mũi tên chỉ hướng gió, dấu chéo chỉ hướng gió vuông góc với mặt phẳng hình vẽ).
Như thể hiện trong Hình 12, hàm lượng canxi cacbonat của tất cả các công thức đều tăng lên khi tỷ lệ thi công tăng từ 1 L/m² đến 3 L/m². Ngoài ra, ở tất cả các tỷ lệ thi công, công thức có hàm lượng canxi cacbonat cao nhất là FS, tiếp theo là FA và UMC. Điều này cho thấy các công thức này có thể có điện trở bề mặt cao hơn.
Hình 13a thể hiện sự thay đổi về điện trở bề mặt của các mẫu đất chưa xử lý, đối chứng và đã xử lý được đo bằng thí nghiệm thấm kế. Từ hình này, rõ ràng là điện trở bề mặt của các công thức UMC, AS, FA và FS tăng đáng kể khi tăng tỷ lệ bón. Tuy nhiên, sự tăng cường độ bền bề mặt tương đối nhỏ ở công thức AA. Như thể hiện trong hình, các công thức FA và FS của MICP không bị phân hủy bởi urê có độ thấm bề ​​mặt tốt hơn so với MICP bị phân hủy bởi urê. Hình 13b thể hiện sự thay đổi của TDV theo điện trở bề mặt của đất. Từ hình này, rõ ràng là đối với các cồn cát có điện trở bề mặt lớn hơn 100 kPa, vận tốc bóc tách ngưỡng sẽ vượt quá 25 m/s. Vì điện trở bề mặt tại chỗ có thể dễ dàng đo được bằng thấm kế, kiến ​​thức này có thể giúp ước tính TDV khi không có thử nghiệm trong đường hầm gió, do đó đóng vai trò là chỉ số kiểm soát chất lượng cho các ứng dụng thực địa.
Kết quả SEM được thể hiện trong Hình 14. Hình 14a-b cho thấy các hạt được phóng đại của mẫu đất chưa qua xử lý, cho thấy rõ ràng rằng nó có tính kết dính và không có liên kết tự nhiên hoặc xi măng hóa. Hình 14c cho thấy ảnh hiển vi SEM của mẫu đối chứng được xử lý bằng MICP bị phân hủy bởi urê. Hình ảnh này cho thấy sự hiện diện của các kết tủa CaCO3 dưới dạng các dạng thù hình canxit. Như được thể hiện trong Hình 14d-o, CaCO3 kết tủa liên kết các hạt lại với nhau; các tinh thể vaterit hình cầu cũng có thể được xác định trong ảnh hiển vi SEM. Kết quả của nghiên cứu này và các nghiên cứu trước đây chỉ ra rằng các liên kết CaCO3 được hình thành dưới dạng các dạng thù hình vaterit cũng có thể cung cấp độ bền cơ học hợp lý; kết quả của chúng tôi cho thấy điện trở bề mặt tăng lên 350 kPa và vận tốc tách ngưỡng tăng từ 4,32 lên hơn 25 m/s. Kết quả này phù hợp với kết quả của các nghiên cứu trước đây cho thấy ma trận của CaCO3 kết tủa bằng MICP là vaterit, có độ bền cơ học và khả năng chống xói mòn do gió hợp lý13,40 và có thể duy trì khả năng chống xói mòn do gió hợp lý ngay cả sau 180 ngày tiếp xúc với điều kiện môi trường ngoài trời13.
(a, b) Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) của đất chưa xử lý, (c) Mẫu đối chứng phân hủy urê MICP, (df) Mẫu được xử lý bằng AA, (gi) Mẫu được xử lý bằng AS, (jl) Mẫu được xử lý bằng FA và (mo) Mẫu được xử lý bằng FS với liều lượng bón 3 L/m2 ở các độ phóng đại khác nhau.
Hình 14d-f cho thấy sau khi xử lý bằng hợp chất AA, canxi cacbonat đã kết tủa trên bề mặt và giữa các hạt cát, đồng thời cũng quan sát thấy một số hạt cát không được phủ lớp. Đối với các thành phần AS, mặc dù lượng CaCO3 hình thành không tăng đáng kể (Hình 6f), nhưng số lượng tiếp xúc giữa các hạt cát do CaCO3 gây ra đã tăng đáng kể so với các hợp chất AA (Hình 14g-i).
Từ Hình 14j-l và 14m-o, rõ ràng là việc sử dụng canxi formate làm nguồn canxi dẫn đến sự gia tăng thêm lượng kết tủa CaCO3 so với hợp chất AS, điều này phù hợp với các phép đo bằng máy đo canxi trong Hình 6f. Lượng CaCO3 bổ sung này dường như chủ yếu được lắng đọng trên các hạt cát và không nhất thiết cải thiện chất lượng tiếp xúc. Điều này xác nhận hành vi đã được quan sát trước đó: mặc dù có sự khác biệt về lượng kết tủa CaCO3 (Hình 6f), ba công thức (AS, FA và FS) không khác biệt đáng kể về hiệu suất chống gió (Hình 11) và sức cản bề mặt (Hình 13a).
Để hình dung rõ hơn các tế bào vi khuẩn được phủ CaCO3 và dấu ấn của vi khuẩn trên các tinh thể kết tủa, ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) phóng đại cao đã được chụp và kết quả được thể hiện trong Hình 15. Như hình minh họa, canxi cacbonat kết tủa trên các tế bào vi khuẩn và cung cấp các nhân cần thiết cho quá trình kết tủa tại đó. Hình ảnh cũng mô tả các liên kết hoạt động và không hoạt động được tạo ra bởi CaCO3. Có thể kết luận rằng bất kỳ sự gia tăng nào trong các liên kết không hoạt động không nhất thiết dẫn đến sự cải thiện hơn nữa về tính chất cơ học. Do đó, việc tăng lượng kết tủa CaCO3 không nhất thiết dẫn đến độ bền cơ học cao hơn và kiểu kết tủa đóng vai trò quan trọng. Điểm này cũng đã được nghiên cứu trong các công trình của Terzis và Laloui72 và Soghi và Al-Kabani45,73. Để khám phá thêm mối quan hệ giữa kiểu kết tủa và độ bền cơ học, các nghiên cứu MICP sử dụng hình ảnh µCT được khuyến nghị, điều này nằm ngoài phạm vi của nghiên cứu này (tức là giới thiệu các kết hợp khác nhau của nguồn canxi và vi khuẩn cho MICP không có amoniac).
CaCO3 tạo ra các liên kết hoạt động và không hoạt động trong các mẫu được xử lý bằng (a) thành phần AS và (b) thành phần FS và để lại dấu vết của tế bào vi khuẩn trên trầm tích.
Như thể hiện trong Hình 14j-o và 15b, có một lớp màng CaCO (theo phân tích EDX, thành phần phần trăm của mỗi nguyên tố trong màng là carbon 11%, oxy 46,62% và canxi 42,39%, rất gần với phần trăm CaCO trong Hình 16). Lớp màng này bao phủ các tinh thể vaterit và các hạt đất, giúp duy trì tính toàn vẹn của hệ thống đất-trầm tích. Sự hiện diện của lớp màng này chỉ được quan sát thấy ở các mẫu được xử lý bằng công thức gốc formate.
Bảng 2 so sánh độ bền bề mặt, vận tốc tách rời ngưỡng và hàm lượng CaCO3 sinh học của đất được xử lý bằng các phương pháp MICP phân hủy urê và không phân hủy urê trong các nghiên cứu trước đây và nghiên cứu này. Các nghiên cứu về khả năng chống xói mòn do gió của các mẫu cồn cát được xử lý bằng MICP còn hạn chế. Meng et al. đã nghiên cứu khả năng chống xói mòn do gió của các mẫu cồn cát phân hủy urê được xử lý bằng MICP bằng máy thổi lá,¹³ trong khi trong nghiên cứu này, các mẫu cồn cát không phân hủy urê (cũng như các mẫu đối chứng phân hủy urê) đã được thử nghiệm trong đường hầm gió và được xử lý bằng bốn sự kết hợp khác nhau của vi khuẩn và các chất.
Như có thể thấy, một số nghiên cứu trước đây đã xem xét tỷ lệ ứng dụng cao vượt quá 4 L/m213,41,74. Điều đáng chú ý là tỷ lệ ứng dụng cao có thể không dễ áp ​​dụng trong thực tế xét về mặt kinh tế do chi phí liên quan đến cung cấp nước, vận chuyển và sử dụng lượng nước lớn. Tỷ lệ ứng dụng thấp hơn như 1,62-2 L/m2 cũng đạt được độ bền bề mặt khá tốt lên đến 190 kPa và TDV vượt quá 25 m/s. Trong nghiên cứu hiện tại, các cồn cát được xử lý bằng MICP gốc formate mà không có sự phân hủy urê đã đạt được độ bền bề mặt cao tương đương với độ bền thu được bằng phương pháp phân hủy urê trong cùng phạm vi tỷ lệ ứng dụng (tức là các mẫu được xử lý bằng MICP gốc formate mà không có sự phân hủy urê cũng có thể đạt được cùng phạm vi giá trị độ bền bề mặt như báo cáo của Meng et al., 13, Hình 13a) ở tỷ lệ ứng dụng cao hơn. Cũng có thể thấy rằng ở liều lượng sử dụng 2 L/m2, hiệu suất thu được canxi cacbonat để giảm thiểu xói mòn do gió ở tốc độ gió 25 m/s là 2,25% đối với MICP gốc formate không có sự phân hủy urê, rất gần với lượng CaCO3 cần thiết (tức là 2,41%) so với các cồn cát được xử lý bằng MICP đối chứng có sự phân hủy urê ở cùng liều lượng sử dụng và cùng tốc độ gió (25 m/s).
Như vậy, có thể kết luận từ bảng này rằng cả hai con đường phân hủy urê và con đường phân hủy không có urê đều có thể mang lại hiệu suất khá chấp nhận được về điện trở bề mặt và TDV. Sự khác biệt chính là con đường phân hủy không có urê không chứa amoniac và do đó có tác động môi trường thấp hơn. Ngoài ra, phương pháp MICP dựa trên formate không có sự phân hủy urê được đề xuất trong nghiên cứu này dường như hoạt động tốt hơn phương pháp MICP dựa trên acetate không có sự phân hủy urê. Mặc dù Mohebbi et al. đã nghiên cứu phương pháp MICP dựa trên acetate không có sự phân hủy urê, nhưng nghiên cứu của họ bao gồm các mẫu trên bề mặt phẳng9. Do mức độ xói mòn cao hơn gây ra bởi sự hình thành xoáy xung quanh các mẫu cồn cát và lực cắt resultante, dẫn đến TDV thấp hơn, sự xói mòn do gió của các mẫu cồn cát dự kiến ​​sẽ rõ ràng hơn so với bề mặt phẳng ở cùng tốc độ.