תודה שביקרת באתר nature.com. גרסת הדפדפן בה אתה משתמש כוללת תמיכה מוגבלת ב-CSS. לחוויית המשתמש הטובה ביותר, אנו ממליצים להשתמש בגרסת הדפדפן העדכנית ביותר (או לכבות את מצב התאימות ב-Internet Explorer). בנוסף, כדי להבטיח תמיכה מתמשכת, אתר זה לא יכלול סגנונות או JavaScript.
סופות אבק מהוות איום חמור על מדינות רבות ברחבי העולם בשל השפעתן ההרסנית על החקלאות, בריאות האדם, רשתות תחבורה ותשתיות. כתוצאה מכך, סחף רוח נחשב לבעיה עולמית. אחת הגישות הידידותיות לסביבה לבלימת סחף רוח היא השימוש במשקע פחמתי המושרה על ידי מיקרוביאלים (MICP). עם זאת, תוצרי הלוואי של MICP מבוסס פירוק אוריאה, כגון אמוניה, אינם אידיאליים כאשר הם מיוצרים בכמויות גדולות. מחקר זה מציג שתי ניסוחים של חיידקי סידן פורמט לפירוק MICP מבלי לייצר אוריאה ומשווה באופן מקיף את ביצועיהם לשתי ניסוחים של חיידקי סידן אצטט שאינם מייצרי אמוניה. החיידקים הנבחנים הם Bacillus subtilis ו- Bacillus amyloliquefaciens. ראשית, נקבעו הערכים האופטימליים של הגורמים השולטים ביצירת CaCO3. לאחר מכן נערכו בדיקות מנהרת רוח על דגימות דיונות חול שטופלו בניסוחים האופטימליים, ונמדדו עמידות לסחף רוח, מהירות סף הפשטה ועמידות להפגזת חול. אלומורפים של סידן פחמתי (CaCO3) הוערכו באמצעות מיקרוסקופיה אופטית, מיקרוסקופיית אלקטרונים סורק (SEM) וניתוח דיפרקציית קרני רנטגן. פורמולציות מבוססות סידן פורמט הציגו ביצועים טובים משמעותית בהשוואה לפרוסקופיות מבוססות אצטט מבחינת היווצרות סידן פחמתי. בנוסף, B. subtilis ייצר יותר סידן פחמתי מאשר B. amyloliquefaciens. מיקרוגרמיות SEM הראו בבירור את הקשירה והטבעה של חיידקים פעילים ולא פעילים על סידן פחמתי הנגרמות כתוצאה משקיעה. כל הפורמולציות הפחיתו משמעותית את סחף הרוח.
סחף רוח הוכר זה מכבר כבעיה מרכזית הניצבת בפני אזורים צחיחים וצחיחים למחצה כמו דרום מערב ארצות הברית, מערב סין, אפריקה הסהרה וחלק ניכר מהמזרח התיכון1. כמות גשמים נמוכה באקלים צחיח וצחיח במיוחד הפכה חלקים גדולים מאזורים אלה למדבריות, דיונות חול ואדמות לא מעובדות. סחף רוח מתמשך מהווה איום סביבתי על תשתיות כגון רשתות תחבורה, אדמות חקלאיות ואדמות תעשייתיות, מה שמוביל לתנאי מחיה ירודים ועלויות גבוהות של פיתוח עירוני באזורים אלה2,3,4. חשוב לציין, סחף רוח לא רק משפיע על המיקום בו הוא מתרחש, אלא גם גורם לבעיות בריאותיות וכלכליות בקהילות מרוחקות, מכיוון שהוא מעבירה חלקיקים ברוח לאזורים מרוחקים מהמקור5,6.
בקרת סחף רוח נותרה בעיה עולמית. שיטות שונות לייצוב קרקע משמשות לשליטה בסחף רוח. שיטות אלה כוללות חומרים כגון יישום מים7, חיפוי שמן8, ביופולימרים5, משקעים קרבונטיים מושרים מיקרוביאליים (MICP)9,10,11,12 ושקיעת קרבונטיים מושרים אנזימים (EICP)1. הרטבת קרקע היא שיטה סטנדרטית לדיכוי אבק בשטח. עם זאת, האידוי המהיר שלה הופך את יעילותה של שיטה זו מוגבלת באזורים צחיחים וחצי צחיחים1. יישום תרכובות חיפוי שמן מגביר את לכידות החול ואת החיכוך בין החלקיקים. התכונה הלכידה שלהם קושרת גרגרי חול יחד; עם זאת, חיפויי שמן מהווים גם בעיות אחרות; צבעם הכהה מגביר את ספיגת החום ומוביל למוות של צמחים ומיקרואורגניזמים. הריח והאדים שלהם יכולים לגרום לבעיות נשימה, ובעיקר, עלותם הגבוהה היא מכשול נוסף. ביופולימרים הם אחת השיטות הידידותיות לסביבה שהוצעו לאחרונה להפחתת סחף רוח; הם מופקים ממקורות טבעיים כגון צמחים, בעלי חיים וחיידקים. קסנטן גאם, גואר גאם, כיטוזן וגלם גאם הם הביופולימרים הנפוצים ביותר ביישומים הנדסיים5. עם זאת, ביו-פולימרים מסיסים במים עלולים לאבד מחוזק ולדלוף מהאדמה כאשר הם נחשפים למים13,14. EICP הוכח כשיטה יעילה לדיכוי אבק עבור מגוון יישומים, כולל כבישים לא סלולים, בריכות פסולת ואתרי בנייה. למרות שתוצאותיו מעודדות, יש לקחת בחשבון כמה חסרונות פוטנציאליים, כגון עלות וחוסר אתרי התגרענות (מה שמאיץ את היווצרותם ושקיעתם של גבישי CaCO315,16).
MICP תואר לראשונה בסוף המאה ה-19 על ידי מארי ואירווין (1890) ושטיינמן (1901) במחקרם על פירוק אוריאה על ידי מיקרואורגניזמים ימיים17. MICP הוא תהליך ביולוגי טבעי הכולל מגוון פעילויות מיקרוביאליות ותהליכים כימיים שבהם סידן פחמתי נוצר על ידי תגובה של יוני פחמתי ממטבוליטים מיקרוביאליים עם יוני סידן בסביבה18,19. MICP הכולל את מחזור החנקן המפרק אוריאה (MICP מפרק אוריאה) הוא הסוג הנפוץ ביותר של משקעי פחמתי המושרים על ידי מיקרוביאלים, שבו אוראז המיוצר על ידי חיידקים מזרז את ההידרוליזה של אוריאה20,21,22,23,24,25,26,27 כדלקמן:
ב-MICP הכולל את מחזור הפחמן של חמצון מלחים אורגניים (MICP ללא פירוק אוריאה), חיידקים הטרוטרופיים משתמשים במלחים אורגניים כגון אצטט, לקטט, ציטראט, סוקצינט, אוקסלט, מלאט וגליוקסלט כמקורות אנרגיה לייצור מינרלים פחמתיים 28. בנוכחות סידן לקטט כמקור פחמן ויוני סידן, התגובה הכימית של יצירת סידן פחמתי מוצגת במשוואה (5).
בתהליך ה-MICP, תאי חיידקים מספקים אתרי התגרענות חשובים במיוחד לשקיעת סידן פחמתי; פני השטח של תא החיידק טעונים שלילית ויכולים לשמש כחומר סופח לקטיונים דו-ערכיים כגון יוני סידן. על ידי ספיחת יוני סידן על גבי תאי חיידקים, כאשר ריכוז יוני הפחמתי מספיק, קטיוני סידן ואניוני פחמתי מגיבים וסידן פחמתי שואף על פני השטח של החיידק29,30. ניתן לסכם את התהליך כדלקמן31,32:
גבישי סידן פחמתי שנוצרו ביולוגית ניתנים לחלוקה לשלושה סוגים: קלציט, וטריט וארגוןיט. ביניהם, קלציט ווטריט הם אלומורפי הסידן הפחמתי הנפוצים ביותר הנגרמים על ידי חיידקים33,34. קלציט הוא אלומורף הסידן הפחמתי היציב ביותר מבחינה תרמודינמית35. למרות שדווח כי וטריט הוא מטא-סטבילי, הוא הופך בסופו של דבר לקלציט36,37. וטריט הוא הצפוף ביותר מבין גבישים אלה. זהו גביש משושה בעל יכולת מילוי נקבוביות טובה יותר לגבישי סידן פחמתי אחרים בשל גודלו הגדול יותר38. גם MICP מפורק על ידי אוריאה וגם MICP שלא מפורק על ידי אוריאה יכולים להוביל לשקיעת וטריט13,39,40,41.
למרות ש-MICP הראה פוטנציאל מבטיח בייצוב קרקעות בעייתיות וקרקעות הרגישות לסחף רוח42,43,44,45,46,47,48, אחד מתוצרי הלוואי של הידרוליזה של אוריאה הוא אמוניה, אשר עלולה לגרום לבעיות בריאותיות קלות עד חמורות בהתאם לרמת החשיפה49. תופעת לוואי זו הופכת את השימוש בטכנולוגיה ספציפית זו לשנוי במחלוקת, במיוחד כאשר יש לטפל באזורים גדולים, כמו למשל לצורך דיכוי אבק. בנוסף, ריח האמוניה בלתי נסבל כאשר התהליך מתבצע בקצבי יישום גבוהים ובנפחים גדולים, דבר שעשוי להשפיע על תחולתו המעשית. למרות שמחקרים אחרונים הראו שניתן להפחית יוני אמוניום על ידי המרתם למוצרים אחרים כמו סטרוויט, שיטות אלו אינן מסירות לחלוטין יוני אמוניום50. לכן, עדיין קיים צורך לחקור פתרונות חלופיים שאינם מייצרים יוני אמוניום. השימוש במסלולי פירוק שאינם אוריאה עבור MICP עשוי לספק פתרון פוטנציאלי שנחקר בצורה מועטה בהקשר של הפחתת סחף רוח. פטחי ואח'. חקרו פירוק MICP נטול אוריאה באמצעות סידן אצטט ו-Bacillus megaterium41, בעוד ש-Mohebbi ועמיתיו השתמשו בסידן אצטט וב-Bacillus amyloliquefaciens9. עם זאת, המחקר שלהם לא הושווה למקורות סידן אחרים וחיידקים הטרוטרופיים שיכולים בסופו של דבר לשפר את העמידות בפני סחף רוח. כמו כן, קיים מחסור בספרות המשווה מסלולי פירוק נטולי אוריאה עם מסלולי פירוק אוריאה בהפחתת סחף רוח.
בנוסף, רוב מחקרי סחף רוח ובקרת אבק נערכו על דגימות קרקע בעלות משטחים שטוחים.1,51,52,53 עם זאת, משטחים שטוחים פחות נפוצים בטבע מאשר גבעות ושקעים. זו הסיבה שדיונות חול הן מאפיין הנוף הנפוץ ביותר באזורי מדבר.
כדי להתגבר על החסרונות שהוזכרו לעיל, מחקר זה נועד להציג קבוצה חדשה של חומרים חיידקיים שאינם מייצרים אמוניה. למטרה זו, שקלנו מסלולי MICP שאינם מפרקים אוריאה. נחקרה יעילותם של שני מקורות סידן (סידן פורמט וסידן אצטט). למיטב ידיעת המחברים, שקיעת קרבונט באמצעות שני שילובים של מקורות סידן וחיידקים (כלומר, סידן פורמט-Bacillus subtilis וסידן פורמט-Bacillus amyloliquefaciens) לא נחקרה במחקרים קודמים. בחירת חיידקים אלה התבססה על האנזימים שהם מייצרים אשר מזרזים את חמצון סידן פורמט וסידן אצטט ליצירת שקיעת קרבונט מיקרוביאלית. עיצבנו מחקר ניסיוני יסודי כדי למצוא את הגורמים האופטימליים כגון pH, סוגי חיידקים ומקורות סידן וריכוזיהם, היחס בין חיידקים לתמיסת מקור סידן וזמן ריפוי. לבסוף, נחקרה יעילותה של קבוצה זו של חומרים חיידקיים בדיכוי סחף רוח באמצעות משקעי סידן פחמתי על ידי ביצוע סדרה של ניסויי מנהרת רוח על דיונות חול כדי לקבוע את גודל סחף הרוח, מהירות סף הפריצה ועמידות החול בפני הפצצת רוח, וכן בוצעו מדידות חדירה ומחקרים מיקרוסקופיים מבניים (למשל, ניתוח דיפרקציית קרני רנטגן (XRD) ומיקרוסקופ אלקטרונים סורק (SEM)).
ייצור סידן פחמתי דורש יוני סידן ויוני פחמתי. ניתן להשיג יוני סידן ממקורות סידן שונים כגון סידן כלורי, סידן הידרוקסיד ואבקת חלב רזה54,55. ניתן לייצר יוני פחמתי בשיטות מיקרוביאליות שונות כגון הידרוליזה של אוריאה וחמצון אירובי או אנאירובי של חומר אורגני56. במחקר זה, התקבלו יוני פחמתי מתגובת חמצון של פורמט ואצטט. בנוסף, השתמשנו במלחי סידן של פורמט ואצטט כדי לייצר סידן פחמתי טהור, ולכן התקבלו רק CO2 ו-H2O כתוצרי לוואי. בתהליך זה, רק חומר אחד משמש כמקור סידן וכמקור פחמתי, ולא נוצרת אמוניה. מאפיינים אלה הופכים את שיטת ייצור מקור הסידן והפחמתי שנחשבה לנו מבטיחה מאוד.
התגובות המתאימות של סידן פורמט וסידן אצטט ליצירת סידן פחמתי מוצגות בנוסחאות (7)-(14). נוסחאות (7)-(11) מראות שסידן פורמט מתמוסס במים ליצירת חומצה פורמית או פורמט. התמיסה היא אפוא מקור ליוני סידן והידרוקסיד חופשיים (נוסחאות 8 ו-9). כתוצאה מחמצון חומצה פורמית, אטומי הפחמן בחומצה פורמית מומרים לפחמן דו-חמצני (נוסחה 10). בסופו של דבר נוצר סידן פחמתי (נוסחאות 11 ו-12).
באופן דומה, סידן פחמתי נוצר מסידן אצטט (משוואות 13-15), אלא שבמקום חומצה פורמית נוצרת חומצה אצטית או אצטט.
ללא נוכחות אנזימים, אצטט ופורמט לא יכולים להתחמצן בטמפרטורת החדר. FDH (פורמט דהידרוגנאז) ו-CoA (קואנזים A) מזרזים את חמצון הפורמט והאצטט ליצירת פחמן דו-חמצני, בהתאמה (משוואות 16, 17) 57, 58, 59. חיידקים שונים מסוגלים לייצר אנזימים אלה, ובמחקר זה נעשה שימוש בחיידקים הטרוטרופיים, דהיינו Bacillus subtilis (PTCC #1204 (Persian Type Culture Collection), הידוע גם בשם NCIMB #13061 (International Collection of Bacteria, Yeast, Phage, Plasmids, Plant Seeds and Plant Cell Tissue Cultures)) ו-Bacillus amyloliquefaciens (PTCC #1732, NCIMB #12077). חיידקים אלה גודלו במצע המכיל פפטון בשר (5 גרם/ליטר) ותמצית בשר (3 גרם/ליטר), הנקרא ציר תזונתי (NBR) (105443 Merck).
לפיכך, הוכנו ארבע פורמולציות כדי לגרום לשקיעת סידן פחמתי באמצעות שני מקורות סידן ושני חיידקים: סידן פורמט ו-Bacillus subtilis (FS), סידן פורמט ו-Bacillus amyloliquefaciens (FA), סידן אצטט ו-Bacillus subtilis (AS), וסידן אצטט ו-Bacillus amyloliquefaciens (AA).
בחלק הראשון של תכנון הניסוי, נערכו בדיקות כדי לקבוע את השילוב האופטימלי שישיג ייצור מקסימלי של סידן פחמתי. מכיוון שדגימות הקרקע הכילו סידן פחמתי, תוכננה סדרה של בדיקות הערכה ראשוניות למדידה מדויקת של כמות ה-CaCO3 המיוצרת על ידי השילובים השונים, ותערובות של מצע תרבית ותמיסות מקור סידן הוערכו. עבור כל שילוב של מקור סידן ותמיסת חיידקים שהוגדרו לעיל (FS, FA, AS ו-AA), נגזרו גורמי אופטימיזציה (ריכוז מקור הסידן, זמן ריפוי, ריכוז תמיסת החיידקים הנמדד על ידי צפיפות אופטית של התמיסה (OD), יחס מקור סידן לתמיסת חיידקים ו-pH) ונעשה בהם שימוש בבדיקות מנהרת רוח לטיפול בדיונות חול המתוארות בסעיפים הבאים.
עבור כל שילוב, נערכו 150 ניסויים כדי לחקור את השפעת משקעי CaCO3 ולהעריך גורמים שונים, דהיינו ריכוז מקור הסידן, זמן הייבוש, ערך OD של החיידקים, יחס מקור הסידן לתמיסה החיידקית ו-pH במהלך חמצון אירובי של חומר אורגני (טבלה 1). טווח ה-pH עבור התהליך האופטימלי נבחר על סמך עקומות הגדילה של Bacillus subtilis ו-Bacillus amyloliquefaciens על מנת להשיג גדילה מהירה יותר. הדבר מוסבר ביתר פירוט בסעיף התוצאות.
השלבים הבאים שימשו להכנת הדגימות לשלב האופטימיזציה. תמיסת ה-MICP הוכנה תחילה על ידי התאמת רמת החומציות ההתחלתית של מצע הגידול ולאחר מכן עברה אוטוקלאב ב-121 מעלות צלזיוס למשך 15 דקות. לאחר מכן הזן הוכנס לזרימת אוויר למינרית ונשמר באינקובטור רועד ב-30 מעלות צלזיוס ו-180 סל"ד. לאחר ש-OD של החיידק הגיע לרמה הרצויה, הוא עורבב עם תמיסת מקור הסידן ביחס הרצוי (איור 1א). תמיסת ה-MICP הורשתה להגיב ולהתמצק באינקובטור רועד ב-220 סל"ד ו-30 מעלות צלזיוס למשך זמן שהגיע לערך היעד. ה-CaCO3 שהשתרש הופרד לאחר צנטריפוגה ב-6000 גרם למשך 5 דקות ולאחר מכן יובש ב-40 מעלות צלזיוס כדי להכין את הדגימות לבדיקת הקלצימטר (איור 1ב). לאחר מכן נמדדה כמות המשקעים של CaCO3 באמצעות מד קלצימטר ברנרד, שבו אבקת CaCO3 מגיבה עם 1.0 N HCl (ASTM-D4373-02) ליצירת CO2, ונפח הגז הזה הוא מדד לתכולת ה-CaCO3 (איור 1c). כדי להמיר את נפח ה-CO2 לתכולת CaCO3, נוצרה עקומת כיול על ידי שטיפת אבקת CaCO3 טהורה עם 1 N HCl והשוואתה כנגד ה-CO2 שנפלט. המורפולוגיה והטוהר של אבקת ה-CaCO3 שנוצרה נחקרו באמצעות הדמיית SEM וניתוח XRD. מיקרוסקופ אופטי בהגדלה של 1000 שימש לחקר היווצרות סידן פחמתי סביב החיידקים, הפאזה של הסידן פחמתי שנוצר ופעילות החיידקים.
אגן דג'ק הוא אזור ידוע הסובל מסחיפה רבה במחוז פארס הדרום-מערבי באיראן, והחוקרים אספו דגימות קרקע שנשחקו על ידי רוח מהאזור. הדגימות נלקחו מפני השטח של הקרקע לצורך המחקר. בדיקות אינדיקטורים על דגימות הקרקע הראו כי הקרקע הייתה אדמה חולית ממוינת בצורה גרועה עם סחף וסווגה כ-SP-SM על פי מערכת סיווג הקרקע המאוחדת (USC) (איור 2א'). ניתוח XRD הראה כי אדמת דג'ק הורכבה בעיקר מקלציט וקוורץ (איור 2ב'). בנוסף, ניתוח EDX הראה כי יסודות אחרים כגון Al, K ו-Fe היו נוכחים גם הם בכמויות קטנות יותר.
כדי להכין את דיונות המעבדה לבדיקת סחף רוח, האדמה נמחצה מגובה של 170 מ"מ דרך משפך בקוטר 10 מ"מ למשטח יציב, וכתוצאה מכך נוצרה דיונה טיפוסית בגובה 60 מ"מ ובקוטר 210 מ"מ. בטבע, דיונות החול בעלות הצפיפות הנמוכה ביותר נוצרות על ידי תהליכים אאוליים. באופן דומה, לדגימה שהוכנה באמצעות ההליך הנ"ל הייתה הצפיפות היחסית הנמוכה ביותר, γ = 14.14 kN/m³, ויצרה חרוט חול שהושקע על משטח אופקי בזווית מנוחה של כ-29.7°.
תמיסת ה-MICP האופטימלית שהתקבלה בסעיף הקודם רוססה על מדרון הדיונה בקצבי יישום של 1, 2 ו-3 lm-2 ולאחר מכן אוחסנו הדגימות באינקובטור בטמפרטורה של 30 מעלות צלזיוס (איור 3) למשך 9 ימים (כלומר, זמן ההתקשות האופטימלי) ולאחר מכן הוצאו לבדיקת מנהרת רוח.
עבור כל טיפול הוכנו ארבעה דגימות, אחד למדידת תכולת סידן פחמתי וחוזק פני השטח באמצעות מד חדירה, ושלושת הדגימות הנותרות שימשו לבדיקות סחיפה בשלוש מהירויות שונות. בבדיקות מנהרת הרוח, נקבעה כמות הסחיפה במהירויות רוח שונות, ולאחר מכן נקבעה מהירות הסף של הפריצה עבור כל דגימה טיפולית באמצעות גרף של כמות הסחיפה לעומת מהירות הרוח. בנוסף לבדיקות סחף הרוח, הדגימות המטופלות עברו הפגזת חול (כלומר, ניסויי קפיצה). שני דגימות נוספים הוכנו למטרה זו בקצבי יישום של 2 ו-3 ליטר מ"ר. מבחן הפגזת החול נמשך 15 דקות עם שטף של 120 גרם, הנמצא בטווח הערכים שנבחרו במחקרים קודמים60,61,62. המרחק האופקי בין פיה השוחקת לבסיס הדיונה היה 800 מ"מ, הממוקם 100 מ"מ מעל תחתית המנהרה. מיקום זה נקבע כך שכמעט כל חלקיקי החול הקופצים נפלו על הדיונה.
מבחן מנהרת הרוח נערך במנהרת רוח פתוחה באורך של 8 מטר, רוחב של 0.4 מטר וגובה של 1 מטר (איור 4א'). מנהרת הרוח עשויה מלוחות פלדה מגולוונים ויכולה לייצר מהירות רוח של עד 25 מטר לשנייה. בנוסף, נעשה שימוש בממיר תדרים להתאמת תדר המאוורר ולהגברה הדרגתית של התדר כדי להשיג את מהירות הרוח הרצויה. איור 4ב' מציג את התרשים הסכמטי של דיונות החול שנשחקו על ידי הרוח ואת פרופיל מהירות הרוח שנמדד במנהרת הרוח.
לבסוף, כדי להשוות את תוצאות ניסוח ה-MICP הלא-אוריאליטית שהוצע במחקר זה עם תוצאות מבחן הבקרה האוריאליטית של MICP, הוכנו גם דגימות מדיונה וטופלו בתמיסה ביולוגית המכילה אוריאה, סידן כלורי ו-Sporosarcina pasteurii (מכיוון של-Sporosarcina pasteurii יש יכולת משמעותית לייצר אוראז63). הצפיפות האופטית של תמיסת החיידקים הייתה 1.5, וריכוזי האוריאה והסידן כלורי היו 1 M (נבחרו על סמך הערכים שהומלצו במחקרים קודמים36,64,65). מצע הגידול כלל ציר תזונתי (8 גרם/ליטר) ואוריאה (20 גרם/ליטר). תמיסת החיידקים רוססה על פני הדיונה והושארה למשך 24 שעות להיצמדות חיידקים. לאחר 24 שעות של היצמדות, רוססה תמיסת צמנט (סידן כלורי ואוריאה). מבחן הבקרה האוריאליטית של MICP מכונה להלן UMC. תכולת הסידן הפחמתי של דגימות קרקע שטופלו באוראליזה ולא באוראליזה הושגה על ידי שטיפה לפי הנוהל שהוצע על ידי צ'וי ואחרים.66
איור 5 מציג את עקומות הגדילה של Bacillus amyloliquefaciens ו-Bacillus subtilis במצע הגידול (תמיסת תזונה) עם טווח pH התחלתי של 5 עד 10. כפי שמוצג באיור, Bacillus amyloliquefaciens ו-Bacillus subtilis גדלו מהר יותר ב-pH 6-8 ו-7-9, בהתאמה. לכן, טווח pH זה אומץ בשלב האופטימיזציה.
עקומות גדילה של (א) Bacillus amyloliquefaciens ו-(ב) Bacillus subtilis בערכי pH התחלתיים שונים של מצע התזונה.
איור 6 מציג את כמות הפחמן הדו-חמצני המיוצרת במד הלידים של ברנרד, המייצגת סידן פחמתי (CaCO3) ששקע. מכיוון שגורם אחד נקבע בכל שילוב והגורמים האחרים שונו, כל נקודה בגרפים אלה מתאימה לנפח המקסימלי של פחמן דו-חמצני בסדרת ניסויים זו. כפי שמוצג באיור, ככל שריכוז מקור הסידן עלה, ייצור הסידן הפחמתי גדל. לכן, ריכוז מקור הסידן משפיע ישירות על ייצור הסידן הפחמתי. מכיוון שמקור הסידן ומקור הפחמן זהים (כלומר, סידן פורמט וסידן אצטט), ככל שמשתחררים יותר יוני סידן, כך נוצר יותר סידן פחמתי (איור 6א). בניסוחים של AS ו-AA, ייצור הסידן הפחמתי המשיך לעלות עם עליית זמן ההתקשות עד שכמות המשקע כמעט ולא השתנתה לאחר 9 ימים. בניסוח של FA, קצב היווצרות הסידן הפחמתי ירד כאשר זמן ההתקשות עלה על 6 ימים. בהשוואה לניסוחים אחרים, ניסוח FS הראה קצב היווצרות סידן פחמתי נמוך יחסית לאחר 3 ימים (איור 6ב). בניסוחים FA ו-FS, 70% ו-87% מסך ייצור הסידן הפחמתי הושג לאחר שלושה ימים, בעוד שבניסוחים AA ו-AS, שיעור זה היה רק ​​כ-46% ו-45% בהתאמה. ממצא זה מצביע על כך שלניסוחה המבוססת על חומצה פורמית יש קצב יצירת CaCO3 גבוה יותר בשלב הראשוני בהשוואה לניסוחה המבוססת על אצטט. עם זאת, קצב היווצרות זה מאט עם עליית זמן ההתקשות. ניתן להסיק מאיור 6c שגם בריכוזי חיידקים מעל OD1, אין תרומה משמעותית ליצירת סידן פחמתי.
שינוי בנפח ה-CO2 (ותכולת ה-CaCO3 המתאימה) שנמדד על ידי קלצימטר ברנרד כפונקציה של (א) ריכוז מקור הסידן, (ב) זמן התקשות, (ג) OD, (ד) pH התחלתי, (ה) יחס מקור הסידן לתמיסה חיידקית (עבור כל פורמולציה); ו-(ו) כמות הסידן הפחמתי המיוצרת מקסימלית עבור כל שילוב של מקור סידן וחיידקים.
בנוגע להשפעת ה-pH ההתחלתי של המדיום, איור 6d מראה כי עבור FA ו-FS, ייצור ה-CaCO3 הגיע לערך מקסימלי ב-pH 7. תצפית זו עולה בקנה אחד עם מחקרים קודמים לפיהם אנזימי FDH יציבים ביותר ב-pH 7-6.7. עם זאת, עבור AA ו-AS, משקעי ה-CaCO3 גדלו כאשר ה-pH עלו על 7. מחקרים קודמים הראו גם שטווח ה-pH האופטימלי לפעילות אנזים CoA הוא בין 8 ל-9.2-6.8. בהתחשב בכך שטווחי ה-pH האופטימליים לפעילות אנזים CoA ולגדילת B. amyloliquefaciens הם (8-9.2) ו-(6-8), בהתאמה (איור 5a), ה-pH האופטימלי של פורמולציית AA צפוי להיות 8, ושני טווחי ה-pH חופפים. עובדה זו אושרה על ידי ניסויים, כפי שמוצג באיור 6d. מאחר שה-pH האופטימלי לגדילת B. subtilis הוא 7-9 (איור 5ב) וה-pH האופטימלי לפעילות אנזים CoA הוא 8-9.2, תפוקת המשקע המקסימלית של CaCO3 צפויה להיות בטווח ה-pH של 8-9, כפי שאושר על ידי איור 6ד' (כלומר, ה-pH האופטימלי של המשקע הוא 9). התוצאות המוצגות באיור 6ה' מצביעות על כך שהיחס האופטימלי בין תמיסת מקור הסידן לתמיסת החיידקים הוא 1 הן עבור תמיסות אצטט והן עבור תמיסות פורמט. לשם השוואה, הביצועים של פורמולציות שונות (כלומר, AA, AS, FA ו-FS) הוערכו על סמך ייצור ה-CaCO3 המקסימלי בתנאים שונים (כלומר, ריכוז מקור הסידן, זמן ריפוי, OD, יחס מקור סידן לתמיסת חיידקים ו-pH התחלתי). מבין הפורמולציות שנחקרו, פורמולציה FS הראתה את ייצור ה-CaCO3 הגבוה ביותר, שהיה בערך פי שלושה מזה של פורמולציה AA (איור 6ו). נערכו ארבעה ניסויי בקרה ללא חיידקים עבור שני מקורות הסידן ולא נצפתה משקעי CaCO3 לאחר 30 יום.
תמונות המיקרוסקופ האופטיות של כל הפורמולציות הראו שווטריט היה הפאזה העיקרית שבה נוצר סידן פחמתי (איור 7). גבישי הווטריט היו בצורת כדורית69,70,71. נמצא שסידן פחמתי שקע על תאי החיידקים מכיוון שפני השטח של תאי החיידקים היו טעונים שלילית ויכולים לשמש כחומר סופח לקטיונים דו-ערכיים. אם ניקח את פורמולציית FS כדוגמה במחקר זה, לאחר 24 שעות, סידן פחמתי החל להיווצר על חלק מתאי החיידקים (איור 7א), ולאחר 48 שעות, מספר תאי החיידקים המצופים בסידן פחמתי גדל משמעותית. בנוסף, כפי שמוצג באיור 7ב, ניתן היה לזהות גם חלקיקי ווטריט. לבסוף, לאחר 72 שעות, נראה כי מספר רב של חיידקים נקשרו על ידי גבישי הווטריט, ומספר חלקיקי הוווטריט גדל משמעותית (איור 7ג).
תצפיות מיקרוסקופיות אופטיות של משקעי CaCO3 בהרכבי FS לאורך זמן: (א) 24, (ב) 48 ו-(ג) 72 שעות.
כדי לחקור עוד יותר את המורפולוגיה של הפאזה המשקעת, בוצעו ניתוחי קרני רנטגן (XRD) ו-SEM של האבקות. ספקטרום ה-XRD (איור 8א') ומיקרוגרפים של SEM (איור 8ב', ג') אישרו את נוכחותם של גבישי ווטריט, מכיוון שהיו בעלי צורה דמוית חסה ונצפה התאמה בין שיאי הווטריט לשיאי המשקע.
(א) השוואה של ספקטרום דיפרקציית קרני רנטגן של CaCO3 ווטריט שנוצר. מיקרוגרפים של ווטריט ב-SEM בהגדלה של (ב) 1 קילוהרץ ו-(ג) 5.27 קילוהרץ, בהתאמה.
תוצאות בדיקות מנהרת הרוח מוצגות באיור 9א', 9ב'. ניתן לראות באיור 9א' שמהירות הסחיפה הספית (TDV) של החול הלא מטופל היא כ-4.32 מטר/שנייה. בקצב יישום של 1 ליטר/מ"ר (איור 9א'), שיפועים של קווי קצב אובדן הקרקע עבור מקטעים FA, FS, AA ו-UMC זהים בקירוב לאלה של הדיונה הלא מטופלת. ממצא זה מצביע על כך שהטיפול בקצב יישום זה אינו יעיל, וברגע שמהירות הרוח עולה על ה-TDV, קרום הקרקע הדק נעלם וקצב הסחיפה של הדיונה זהה לזה של הדיונה הלא מטופלת. שיפוע הסחיפה של מקטע AS נמוך גם מזה של מקטעים אחרים עם אבסיסות נמוכות יותר (כלומר TDV) (איור 9א'). החצים באיור 9ב' מצביעים על כך שבמהירות הרוח המקסימלית של 25 מטר/שנייה, לא התרחשה סחיפה בדיונות המטופלות בקצבי יישום של 2 ו-3 ליטר/מ"ר. במילים אחרות, עבור FS, FA, AS ו-UMC, הדיונות היו עמידות יותר בפני סחף רוח שנגרם על ידי שקיעת CaCO³ בקצבי יישום של 2 ו-3 ליטר/מ"ר מאשר במהירות הרוח המקסימלית (כלומר 25 מטר/שנייה). לפיכך, ערך ה-TDV של 25 מטר/שנייה שהתקבל בבדיקות אלו הוא הגבול התחתון עבור קצבי היישום המוצגים באיור 9b, למעט במקרה של AA, שבו ה-TDV כמעט שווה למהירות המקסימלית של מנהרת הרוח.
בדיקת סחף רוח (א) ירידה במשקל לעומת מהירות רוח (קצב יישום 1 ליטר/מ"ר), (ב) מהירות סף קריעה לעומת קצב יישום ופורמולציה (CA עבור סידן אצטט, CF עבור סידן פורמט).
איור 10 מציג את סחף פני השטח של דיונות חול שטופלו בניסוחים וקצבי יישום שונים לאחר מבחן הפצצת החול, והתוצאות הכמותיות מוצגות באיור 11. המקרה הלא טופל אינו מוצג מכיוון שהוא לא הראה עמידות ונשחק לחלוטין (אובדן מסה כולל) במהלך מבחן הפצצת החול. מאיור 11 עולה בבירור כי הדגימה שטופלה בביו-קומפוזיציה AA איבדה 83.5% ממשקלה בקצב יישום של 2 ליטר/מ"ר, בעוד שכל שאר הדגימות הראו סחף של פחות מ-30% במהלך תהליך הפצצת החול. כאשר קצב היישום הוגדל ל-3 ליטר/מ"ר, כל הדגימות שטופלו איבדו פחות מ-25% ממשקלן. בשני קצבי היישום, תרכובת FS הראתה את העמידות הטובה ביותר להפצצת חול. ניתן לייחס את העמידות המקסימלית והמינימלית להפצצה בדגימות שטופלו ב-FS וב-AA למשקעים המקסימליים והמינימליים של CaCO3 שלהן (איור 6f).
תוצאות הפצצה של דיונות חול בהרכבים שונים בקצבי זרימה של 2 ו-3 ליטר/מ"ר (חיצים מצביעים על כיוון הרוח, צלבים מצביעים על כיוון הרוח בניצב למישור השרטוט).
כפי שמוצג באיור 12, תכולת הסידן הפחמתי של כל הנוסחאות עלתה ככל שקצב היישום עלה מ-1 ליטר/מ"ר ל-3 ליטר/מ"ר. בנוסף, בכל קצבי היישום, הנוסחה עם תכולת הסידן הפחמתי הגבוהה ביותר הייתה FS, ואחריה FA ו-UMC. ממצא זה מצביע על כך שנוסחאות אלו עשויות להיות בעלות עמידות פני שטח גבוהה יותר.
איור 13א' מציג את השינוי בעמידות פני השטח של דגימות קרקע לא מטופלות, דגימות בקרה ודגימות מטופלות, שנמדדו באמצעות בדיקת חדירות. מאיור זה עולה כי עמידות פני השטח של פורמולציות UMC, AS, FA ו-FS גדלה משמעותית עם העלייה בקצב היישום. עם זאת, העלייה בחוזק פני השטח הייתה קטנה יחסית בפורמולציות AA. כפי שמוצג באיור, פורמולציות FA ו-FS של MICP שאינו מפורק באוריאה הן בעלות חדירות פני שטח טובה יותר בהשוואה ל-MICP מפורק באוריאה. איור 13ב' מציג את השינוי ב-TDV עם עמידות פני השטח של הקרקע. מאיור זה עולה בבירור כי עבור דיונות עם התנגדות פני שטח גדולה מ-100 kPa, מהירות הסף של הסרת הקרקע תעלה על 25 מטר/שנייה. מכיוון שניתן למדוד בקלות את התנגדות פני השטח באתר באמצעות בדיקת חדירות, ידע זה יכול לסייע בהערכת TDV בהיעדר בדיקות מנהרת רוח, ובכך לשמש כאינדיקטור לבקרת איכות עבור יישומים בשטח.
תוצאות ה-SEM מוצגות באיור 14. איורים 14א'-ב' מראים את החלקיקים המוגדלים של דגימת הקרקע הלא מטופלת, דבר המצביע בבירור על כך שהיא קוהזיבית ואין לה קשר או צמנטציה טבעיים. איור 14ג' מציג את מיקרוסקופ ה-SEM של דגימת הביקורת שטופלה ב-MICP מפורק באוריאה. תמונה זו מראה את נוכחותם של משקעי CaCO3 כפולימורפים של קלציט. כפי שמוצג באיורים 14ד'-o, ה-CaCO3 ששקע קושר את החלקיקים יחד; ניתן לזהות גם גבישי וטריט כדוריים במיקרוסקופי ה-SEM. תוצאות מחקר זה ומחקרים קודמים מצביעות על כך שקשרים של CaCO3 שנוצרים כפולימורפים של וטריט יכולים גם לספק חוזק מכני סביר; תוצאותינו מראות שהתנגדות פני השטח עולה ל-350 קילופסקל ומהירות סף ההפרדה עולה מ-4.32 ליותר מ-25 מטר/שנייה. תוצאה זו עולה בקנה אחד עם תוצאות מחקרים קודמים לפיהם המטריצה ​​של CaCO3 ששוקע ב-MICP היא ואטריט, בעל חוזק מכני סביר ועמידות בפני סחף רוח סבירים13,40 ויכול לשמור על עמידות סבירה בפני סחף רוח גם לאחר 180 ימי חשיפה לתנאי סביבה בשטח13.
(א, ב) מיקרוגרפים SEM של קרקע לא מטופלת, (ג) בקרת פירוק אוריאה MICP, (df) דגימות שטופלו ב-AA, (gi) דגימות שטופלו ב-AS, (jl) דגימות שטופלו ב-FA, ו-(mo) דגימות שטופלו ב-FS בקצב יישום של 3 ליטר/מ"ר בהגדלות שונות.
איור 14ד'-ו' מראה כי לאחר טיפול בתרכובות AA, שקע סידן פחמתי על פני השטח ובין גרגרי החול, בעוד שנצפו גם כמה גרגרי חול לא מצופים. עבור רכיבי AS, למרות שכמות ה-CaCO3 שנוצרה לא גדלה באופן משמעותי (איור 6ו'), כמות המגעים בין גרגרי החול שנגרמה על ידי CaCO3 גדלה באופן משמעותי בהשוואה לתרכובות AA (איור 14ז'-י).
מאיורים 14j-l ו-14m-o ברור כי השימוש בפורמט סידן כמקור סידן מוביל לעלייה נוספת במשקעי CaCO3 בהשוואה לתרכובת AS, דבר התואם את מדידות מד הסידן באיור 6f. נראה כי CaCO3 נוסף זה מושקע בעיקר על חלקיקי החול ואינו משפר בהכרח את איכות המגע. עובדה זו מאשרת את ההתנהגות שנצפתה בעבר: למרות ההבדלים בכמות משקע ה-CaCO3 (איור 6f), שלושת הפורמולציות (AS, FA ו-FS) אינן שונות באופן משמעותי מבחינת ביצועים אנטי-אאוליים (רוח) (איור 11) ועמידות בפני השטח (איור 13a).
על מנת להמחיש טוב יותר את תאי החיידקים המצופים CaCO3 ואת הטבעת החיידקים על גבי הגבישים שנוצרו, בוצעו צילומי מיקרוסקופ SEM בהגדלה גבוהה והתוצאות מוצגות באיור 15. כפי שמוצג, סידן פחמתי שוקע על תאי החיידקים ומספק את הגרעינים הדרושים לשקיעה שם. האיור מתאר גם את הקשרים הפעילים והלא פעילים המושרים על ידי CaCO3. ניתן להסיק שכל עלייה בקשרים לא פעילים אינה בהכרח מובילה לשיפור נוסף בהתנהגות המכנית. לכן, הגדלת משקעי CaCO3 אינה בהכרח מובילה לחוזק מכני גבוה יותר ודפוס השקיעה ממלא תפקיד חשוב. נקודה זו נחקרה גם בעבודותיהם של טרזיס וללוי72 וסוגי ואל-קבאני45,73. כדי לחקור לעומק את הקשר בין דפוס שקיעת החומר לחוזק מכני, מומלץ לבצע מחקרי MICP באמצעות הדמיית μCT, דבר החורג מתחום מחקר זה (כלומר, הצגת שילובים שונים של מקור סידן וחיידקים עבור MICP נטול אמוניה).
CaCO3 גרם לקשרים פעילים ולא פעילים בדגימות שטופלו ב-(א) הרכב AS ו-(ב) הרכב FS והותיר חותם של תאי חיידקים על המשקע.
כפי שמוצג באיורים 14j-o ו-15b, ישנו סרט של CaCO3 (על פי ניתוח EDX, אחוז ההרכב של כל יסוד בסרט הוא פחמן 11%, חמצן 46.62% וסידן 42.39%, קרוב מאוד לאחוז ה-CaCO3 באיור 16). סרט זה מכסה את גבישי הוואטריט וחלקיקי הקרקע, ועוזר לשמור על שלמות מערכת הקרקע-משקע. נוכחותו של סרט זה נצפתה רק בדגימות שטופלו בניסוחים מבוססי פורמט.
טבלה 2 משווה את חוזק פני השטח, מהירות סף הניתוק ותכולת ה-CaCO3 המושרה ביולוגית של קרקעות שטופלו במסלולי MICP מפרקי אוריאה ולא מפרקי אוריאה במחקרים קודמים ובמחקר זה. מחקרים על עמידות לסחיפת רוח של דגימות דיונות שטופלו ב-MICP מוגבלים. מנג ועמיתיו חקרו את עמידות הסחיפת הרוח של דגימות דיונות שטופלו ב-MICP באמצעות מפוח עלים,13 ואילו במחקר זה נבדקו דגימות דיונות שאינן מפרקות אוריאה (כמו גם קבוצות ביקורת מפרקות אוריאה) במנהרת רוח וטופלו בארבעה שילובים שונים של חיידקים וחומרים.
כפי שניתן לראות, מספר מחקרים קודמים שקלו שיעורי יישום גבוהים העולים על 4 ליטר/מ"ר13,41,74. ראוי לציין כי שיעורי יישום גבוהים עשויים שלא להיות ישימים בקלות בשטח מבחינה כלכלית עקב העלויות הכרוכות באספקת מים, הובלה ויישום כמויות גדולות של מים. שיעורי יישום נמוכים יותר כגון 1.62-2 ליטר/מ"ר השיגו גם חוזקי פני שטח טובים למדי של עד 190 קילופסקאל ו-TDV העולה על 25 מטר/שנייה. במחקר הנוכחי, דגימות שטופלו ב-MICP מבוסס פורמט ללא פירוק אוריאה השיגו חוזקי פני שטח גבוהים שהיו דומים לאלה שהתקבלו עם מסלול פירוק אוריאה באותו טווח של שיעורי יישום (כלומר, דגימות שטופלו ב-MICP מבוסס פורמט ללא פירוק אוריאה הצליחו גם הן להשיג את אותו טווח של ערכי חוזק פני שטח כפי שדווח על ידי מנג ואחרים, 13, איור 13א) בשיעורי יישום גבוהים יותר. כמו כן, ניתן לראות כי בקצב יישום של 2 ליטר/מ"ר, ניצולת הסידן פחמתי להפחתת סחף רוח במהירות רוח של 25 מטר/שנייה הייתה 2.25% עבור MICP מבוסס פורמט ללא פירוק אוריאה, כמות הקרובה מאוד לכמות הנדרשת של CaCO3 (כלומר 2.41%) בהשוואה לדיונות שטופלו ב-MICP הביקורת עם פירוק אוריאה באותו קצב יישום ובאותה מהירות רוח (25 מטר/שנייה).
לפיכך, ניתן להסיק מטבלה זו כי גם מסלול פירוק האוריאה וגם מסלול הפירוק נטול האוריאה יכולים לספק ביצועים מקובלים למדי מבחינת עמידות פני השטח ו-TDV. ההבדל העיקרי הוא שמסלול הפירוק נטול האוריאה אינו מכיל אמוניה ולכן יש לו השפעה סביבתית נמוכה יותר. בנוסף, נראה כי שיטת MICP מבוססת פורמטים ללא פירוק אוריאה המוצעת במחקר זה מציגה ביצועים טובים יותר משיטת MICP מבוססת אצטט ללא פירוק אוריאה. למרות שמוהבי ועמיתיו חקרו את שיטת MICP מבוססת אצטט ללא פירוק אוריאה, מחקרם כלל דגימות על משטחים שטוחים9. בשל דרגת הסחיפה הגבוהה יותר הנגרמת כתוצאה מהיווצרות מערבולות סביב דגימות הדיונות והגזירה הנובעת מכך, וכתוצאה מכך סחף הרוח של דגימות הדיונות צפוי להיות בולט יותר מזו של משטחים שטוחים באותה מהירות.