Matur nuwun sampun ngunjungi nature.com. Versi browser sing sampeyan gunakake nduweni dhukungan CSS sing winates. Kanggo pengalaman sing paling apik, disaranake sampeyan nggunakake versi browser paling anyar (utawa mateni mode kompatibilitas ing Internet Explorer). Kajaba iku, kanggo njamin dhukungan sing terus-terusan, situs iki ora bakal kalebu gaya utawa JavaScript.
Badai bledug dadi ancaman serius kanggo akeh negara ing saindenging jagad amarga dampak ngrusake marang pertanian, kesehatan manungsa, jaringan transportasi, lan infrastruktur. Akibate, erosi angin dianggep minangka masalah global. Salah sawijining pendekatan sing ramah lingkungan kanggo nyegah erosi angin yaiku nggunakake presipitasi karbonat sing diinduksi mikroba (MICP). Nanging, produk sampingan saka MICP berbasis degradasi urea, kayata amonia, ora ideal nalika diprodhuksi kanthi jumlah akeh. Panliten iki nampilake rong formulasi bakteri kalsium format kanggo degradasi MICP tanpa ngasilake urea lan mbandhingake kinerjane kanthi lengkap karo rong formulasi bakteri kalsium asetat sing ora ngasilake amonia. Bakteri sing dianggep yaiku Bacillus subtilis lan Bacillus amyloliquefaciens. Kaping pisanan, nilai optimal saka faktor sing ngontrol pembentukan CaCO3 ditemtokake. Tes trowongan angin banjur ditindakake ing sampel gumuk pasir sing diolah nganggo formulasi sing dioptimalake, lan resistensi erosi angin, kecepatan ambang pengupasan, lan resistensi pemboman pasir diukur. Alomorf kalsium karbonat (CaCO3) dievaluasi nggunakake mikroskop optik, mikroskop elektron pemindaian (SEM), lan analisis difraksi sinar-X. Formulasi adhedhasar kalsium format nduweni kinerja sing luwih apik tinimbang formulasi adhedhasar asetat babagan pembentukan kalsium karbonat. Kajaba iku, B. subtilis ngasilake kalsium karbonat luwih akeh tinimbang B. amyloliquefaciens. Mikrograf SEM kanthi jelas nuduhake pengikatan lan pencetakan bakteri aktif lan ora aktif ing kalsium karbonat sing disebabake dening sedimentasi. Kabeh formulasi nyuda erosi angin kanthi signifikan.
Erosi angin wis suwe diakoni minangka masalah utama sing diadhepi wilayah garing lan semi-gersang kayata Amerika Serikat sisih kidul-kulon, China sisih kulon, Afrika Sahara, lan sebagian besar Timur Tengah1. Curah udan sing sithik ing iklim garing lan hiper-gersang wis ngowahi sebagian gedhe wilayah kasebut dadi ara-ara samun, bukit pasir, lan lahan sing ora ditanduri. Erosi angin sing terus-terusan nyebabake ancaman lingkungan kanggo infrastruktur kayata jaringan transportasi, lahan pertanian, lan lahan industri, sing nyebabake kahanan urip sing ora apik lan biaya pembangunan kutha sing dhuwur ing wilayah kasebut2,3,4. Sing penting, erosi angin ora mung mengaruhi lokasi kedadeyan, nanging uga nyebabake masalah kesehatan lan ekonomi ing komunitas terpencil amarga ngangkut partikel nganggo angin menyang wilayah sing adoh saka sumber5,6.
Pengendalian erosi angin tetep dadi masalah global. Maneka warna cara stabilisasi lemah digunakake kanggo ngontrol erosi angin. Cara-cara kasebut kalebu bahan-bahan kayata aplikasi banyu7, mulsa lenga8, biopolimer5, presipitasi karbonat sing diinduksi mikroba (MICP)9,10,11,12 lan presipitasi karbonat sing diinduksi enzim (EICP)1. Pembasahan lemah minangka cara standar kanggo nyegah bledug ing lapangan. Nanging, penguapan sing cepet ndadekake cara iki efektifitase winates ing wilayah garing lan semi-gersang1. Aplikasi senyawa mulsa lenga nambah kohesi pasir lan gesekan antarpartikel. Sifat kohesif ngiket butiran pasir; Nanging, mulsa lenga uga nyebabake masalah liyane; warna peteng nambah penyerapan panas lan nyebabake pati tanduran lan mikroorganisme. Ambu lan asap bisa nyebabake masalah pernapasan, lan sing paling penting, biaya sing dhuwur minangka alangan liyane. Biopolimer minangka salah sawijining cara ramah lingkungan sing bubar diusulake kanggo nyuda erosi angin; diekstrak saka sumber alami kayata tanduran, kewan lan bakteri. Xanthan gum, guar gum, kitosan lan gellan gum minangka biopolimer sing paling umum digunakake ing aplikasi teknik5. Nanging, biopolimer sing larut ing banyu bisa kelangan kekuwatan lan metu saka lemah nalika kena banyu13,14. EICP wis kabukten minangka metode panyerepan bledug sing efektif kanggo macem-macem aplikasi kalebu dalan sing ora diaspal, blumbang tailing, lan lokasi konstruksi. Sanajan asilé nyemangati, sawetara kekurangan potensial kudu ditimbang, kayata biaya lan kurangé situs nukleasi (sing nyepetake pembentukan lan pengendapan kristal CaCO315,16).
MICP pisanan diterangake ing pungkasan abad kaping 19 dening Murray lan Irwin (1890) lan Steinmann (1901) ing panliten babagan degradasi urea dening mikroorganisme laut17. MICP minangka proses biologis alami sing nglibatake macem-macem aktivitas mikroba lan proses kimia ing ngendi kalsium karbonat diendapkan dening reaksi ion karbonat saka metabolit mikroba karo ion kalsium ing lingkungan18,19. MICP sing nglibatake siklus nitrogen sing ngrusak urea (MICP sing ngrusak urea) minangka jinis presipitasi karbonat sing diinduksi mikroba sing paling umum, ing ngendi urease sing diasilake dening bakteri ngkatalisis hidrolisis urea20,21,22,23,24,25,26,27 kaya ing ngisor iki:
Ing MICP sing nglibatake siklus karbon oksidasi uyah organik (MICP tanpa jinis degradasi urea), bakteri heterotrofik nggunakake uyah organik kayata asetat, laktat, sitrat, suksinat, oksalat, malat lan glioksilat minangka sumber energi kanggo ngasilake mineral karbonat28. Ing ngarsane kalsium laktat minangka sumber karbon lan ion kalsium, reaksi kimia pembentukan kalsium karbonat dituduhake ing persamaan (5).
Ing proses MICP, sel bakteri nyedhiyakake situs nukleasi sing penting banget kanggo pengendapan kalsium karbonat; permukaan sel bakteri diisi daya negatif lan bisa tumindak minangka adsorben kanggo kation divalen kayata ion kalsium. Kanthi nyerep ion kalsium menyang sel bakteri, nalika konsentrasi ion karbonat cukup, kation kalsium lan anion karbonat reaksi lan kalsium karbonat diendapkan ing permukaan bakteri29,30. Proses kasebut bisa diringkes kaya ing ngisor iki31,32:
Kristal kalsium karbonat sing diasilake sacara biologis bisa dipérang dadi telung jinis: kalsit, vaterit, lan aragonit. Antarane, kalsit lan vaterit minangka alomorf kalsium karbonat sing paling umum diinduksi bakteri33,34. Kalsit minangka alomorf kalsium karbonat sing paling stabil sacara termodinamika35. Sanajan vaterit wis dilapurake metastabil, pungkasane malih dadi kalsit36,37. Vaterit minangka kristal sing paling padhet. Iki minangka kristal heksagonal sing nduweni kemampuan ngisi pori sing luwih apik tinimbang kristal kalsium karbonat liyane amarga ukurane sing luwih gedhe38. MICP sing didegradasi urea lan sing ora didegradasi urea bisa nyebabake presipitasi vaterit13,39,40,41.
Senajan MICP wis nuduhake potensi sing janjeni kanggo nyetabilake lemah sing bermasalah lan lemah sing rentan marang erosi angin42,43,44,45,46,47,48, salah sawijining produk sampingan saka hidrolisis urea yaiku amonia, sing bisa nyebabake masalah kesehatan sing entheng nganti parah gumantung saka tingkat paparan49. Efek samping iki ndadekake panggunaan teknologi iki kontroversial, utamane nalika area sing amba kudu diobati, kayata kanggo nyegah bledug. Kajaba iku, ambu amonia ora bisa ditoleransi nalika proses kasebut ditindakake kanthi tingkat aplikasi sing dhuwur lan volume sing gedhe, sing bisa mengaruhi penerapan praktis. Sanajan panliten anyar nuduhake yen ion amonium bisa dikurangi kanthi ngowahi dadi produk liyane kayata struvite, metode kasebut ora mbusak ion amonium kanthi lengkap50. Mulane, isih ana kebutuhan kanggo njelajah solusi alternatif sing ora ngasilake ion amonium. Panggunaan jalur degradasi non-urea kanggo MICP bisa nyedhiyakake solusi potensial sing durung dieksplorasi kanthi apik ing konteks mitigasi erosi angin. Fattahi et al. nyelidiki degradasi MICP bebas urea nggunakake kalsium asetat lan Bacillus megaterium41, dene Mohebbi et al. nggunakake kalsium asetat lan Bacillus amyloliquefaciens9. Nanging, panliten kasebut ora dibandhingake karo sumber kalsium liyane lan bakteri heterotrofik sing pungkasane bisa nambah resistensi erosi angin. Ana uga kekurangan literatur sing mbandhingake jalur degradasi bebas urea karo jalur degradasi urea ing mitigasi erosi angin.
Kajaba iku, umume panliten erosi angin lan kontrol bledug wis ditindakake ing sampel lemah kanthi permukaan sing rata.1,51,52,53 Nanging, permukaan sing rata kurang umum ing alam tinimbang bukit lan depresi. Iki sebabe bukit pasir minangka fitur lanskap sing paling umum ing wilayah ara-ara samun.
Kanggo ngatasi kekurangan sing kasebut ing ndhuwur, panliten iki ngarahake kanggo ngenalake sakumpulan agen bakteri penghasil non-amonia anyar. Kanggo tujuan iki, kita nimbang jalur MICP sing ora ngrusak urea. Efisiensi rong sumber kalsium (kalsium format lan kalsium asetat) diselidiki. Sakwruh kawruh penulis, presipitasi karbonat nggunakake rong sumber kalsium lan kombinasi bakteri (yaiku kalsium format-Bacillus subtilis lan kalsium format-Bacillus amyloliquefaciens) durung diselidiki ing panliten sadurunge. Pilihan bakteri iki adhedhasar enzim sing diasilake sing ngatalisis oksidasi kalsium format lan kalsium asetat kanggo mbentuk presipitasi karbonat mikroba. Kita ngrancang panliten eksperimen sing lengkap kanggo nemokake faktor optimal kayata pH, jinis bakteri lan sumber kalsium lan konsentrasine, rasio bakteri karo larutan sumber kalsium lan wektu pangeringan. Pungkasan, efektifitas agen bakteri iki kanggo nyegah erosi angin liwat presipitasi kalsium karbonat diselidiki kanthi nindakake serangkaian tes trowongan angin ing gumuk pasir kanggo nemtokake gedhene erosi angin, kecepatan breakaway ambang batas, lan resistensi pemboman angin saka pasir, lan pangukuran penetrometer lan studi mikrostruktural (kayata analisis difraksi sinar-X (XRD) lan mikroskop elektron pemindaian (SEM)) uga ditindakake.
Produksi kalsium karbonat mbutuhake ion kalsium lan ion karbonat. Ion kalsium bisa dipikolehi saka macem-macem sumber kalsium kayata kalsium klorida, kalsium hidroksida, lan susu bubuk skim54,55. Ion karbonat bisa diprodhuksi kanthi macem-macem metode mikroba kayata hidrolisis urea lan oksidasi aerobik utawa anaerobik bahan organik56. Ing panliten iki, ion karbonat dipikolehi saka reaksi oksidasi format lan asetat. Kajaba iku, kita nggunakake uyah kalsium format lan asetat kanggo ngasilake kalsium karbonat murni, saengga mung CO2 lan H2O sing dipikolehi minangka produk sampingan. Ing proses iki, mung siji zat sing dadi sumber kalsium lan sumber karbonat, lan ora ana amonia sing diasilake. Karakteristik kasebut ndadekake sumber kalsium lan metode produksi karbonat sing kita anggep janjeni banget.
Reaksi sing cocog saka kalsium format lan kalsium asetat kanggo mbentuk kalsium karbonat dituduhake ing rumus (7)-(14). Rumus (7)-(11) nuduhake yen kalsium format larut ing banyu kanggo mbentuk asam format utawa format. Mula, larutan kasebut minangka sumber ion kalsium lan hidroksida bebas (rumus 8 lan 9). Minangka asil saka oksidasi asam format, atom karbon ing asam format diowahi dadi karbon dioksida (rumus 10). Kalsium karbonat pungkasane kawangun (rumus 11 lan 12).
Semono uga, kalsium karbonat kawangun saka kalsium asetat (persamaan 13-15), kajaba asam asetat utawa asetat sing kawangun tinimbang asam format.
Tanpa anané enzim, asetat lan format ora bisa dioksidasi ing suhu kamar. FDH (format dehidrogenase) lan CoA (koenzim A) ngkatalisis oksidasi format lan asetat kanggo mbentuk karbon dioksida, (Persamaan 16, 17) 57, 58, 59. Macem-macem bakteri bisa ngasilake enzim kasebut, lan bakteri heterotrofik, yaiku Bacillus subtilis (PTCC #1204 (Koleksi Kultur Tipe Persia), uga dikenal minangka NCIMB #13061 (Koleksi Internasional Bakteri, Ragi, Fag, Plasmid, Biji Tanaman lan Kultur Jaringan Sel Tanaman)) lan Bacillus amyloliquefaciens (PTCC #1732, NCIMB #12077), digunakake ing panliten iki. Bakteri kasebut dibudidayakake ing medium sing ngemot pepton daging (5 g/L) lan ekstrak daging (3 g/L), sing diarani kaldu nutrisi (NBR) (105443 Merck).
Dadi, ana patang formulasi sing disiapake kanggo ngindhuksi presipitasi kalsium karbonat nggunakake rong sumber kalsium lan rong bakteri: kalsium format lan Bacillus subtilis (FS), kalsium format lan Bacillus amyloliquefaciens (FA), kalsium asetat lan Bacillus subtilis (AS), lan kalsium asetat lan Bacillus amyloliquefaciens (AA).
Ing bagean pisanan saka desain eksperimen, tes ditindakake kanggo nemtokake kombinasi optimal sing bakal entuk produksi kalsium karbonat maksimal. Amarga sampel lemah ngandhut kalsium karbonat, sakumpulan tes evaluasi awal dirancang kanggo ngukur kanthi akurat CaCO3 sing diasilake dening kombinasi sing beda-beda, lan campuran medium kultur lan larutan sumber kalsium dievaluasi. Kanggo saben kombinasi larutan sumber kalsium lan bakteri sing ditetepake ing ndhuwur (FS, FA, AS, lan AA), faktor optimasi (konsentrasi sumber kalsium, wektu pangolahan, konsentrasi larutan bakteri sing diukur kanthi kapadhetan optik larutan (OD), rasio larutan sumber kalsium karo bakteri, lan pH) dijupuk lan digunakake ing tes trowongan angin perawatan gumuk pasir sing diterangake ing bagean ing ngisor iki.
Kanggo saben kombinasi, 150 eksperimen ditindakake kanggo nyinaoni efek presipitasi CaCO3 lan ngevaluasi macem-macem faktor, yaiku konsentrasi sumber kalsium, wektu pangeringan, nilai OD bakteri, rasio sumber kalsium karo larutan bakteri lan pH sajrone oksidasi aerobik bahan organik (Tabel 1). Kisaran pH kanggo proses sing dioptimalake dipilih adhedhasar kurva pertumbuhan Bacillus subtilis lan Bacillus amyloliquefaciens supaya bisa entuk pertumbuhan sing luwih cepet. Iki diterangake kanthi luwih rinci ing bagean Asil.
Langkah-langkah ing ngisor iki digunakake kanggo nyiapake sampel kanggo fase optimasi. Larutan MICP dhisik disiapake kanthi nyetel pH awal medium kultur banjur diautoklaf ing suhu 121 °C suwene 15 menit. Galur kasebut banjur diinokulasi ing aliran udara laminar lan dijaga ing inkubator sing digoyang ing suhu 30 °C lan 180 rpm. Sawise OD bakteri tekan tingkat sing dikarepake, dicampur karo larutan sumber kalsium kanthi proporsi sing dikarepake (Gambar 1a). Larutan MICP diidini reaksi lan padhet ing inkubator sing digoyang ing kecepatan 220 rpm lan 30 °C sajrone wektu sing tekan nilai target. CaCO3 sing diendapkan dipisahake sawise sentrifugasi ing 6000 g suwene 5 menit banjur dikeringake ing suhu 40 °C kanggo nyiapake sampel kanggo tes kalsimeter (Gambar 1b). Presipitasi CaCO3 banjur diukur nggunakake kalsimeter Bernard, ing ngendi bubuk CaCO3 bereaksi karo 1.0 N HCl (ASTM-D4373-02) kanggo ngasilake CO2, lan volume gas iki minangka ukuran kandungan CaCO3 (Gambar 1c). Kanggo ngowahi volume CO2 dadi kandungan CaCO3, kurva kalibrasi digawe kanthi ngumbah bubuk CaCO3 murni nganggo 1 N HCl lan nggambarake karo CO2 sing wis dikembangake. Morfologi lan kemurnian bubuk CaCO3 sing wis diendapkan diselidiki nggunakake pencitraan SEM lan analisis XRD. Mikroskop optik kanthi pembesaran 1000 digunakake kanggo nyinaoni pembentukan kalsium karbonat ing sekitar bakteri, fase kalsium karbonat sing wis kawangun, lan aktivitas bakteri.
Cekungan Dejegh minangka wilayah sing kondhang amarga erosi sing dhuwur ing Provinsi Fars sisih kidul-kulon Iran, lan para peneliti ngumpulake sampel lemah sing kena erosi angin saka wilayah kasebut. Sampel dijupuk saka permukaan lemah kanggo panliten iki. Tes indikator ing sampel lemah nuduhake yen lemah kasebut minangka lemah pasir sing ora diurut kanthi apik lan diklasifikasikake minangka SP-SM miturut Sistem Klasifikasi Tanah Terpadu (USC) (Gambar 2a). Analisis XRD nuduhake yen lemah Dejegh utamane kasusun saka kalsit lan kuarsa (Gambar 2b). Kajaba iku, analisis EDX nuduhake yen unsur liyane kayata Al, K, lan Fe uga ana ing proporsi sing luwih cilik.
Kanggo nyiapake gumuk pasir laboratorium kanggo uji erosi angin, lemah diremuk saka dhuwur 170 mm liwat corong diameter 10 mm menyang permukaan sing atos, sing ngasilake gumuk pasir khas kanthi dhuwur 60 mm lan diameter 210 mm. Ing alam, gumuk pasir kanthi kapadhetan paling endhek dibentuk dening proses aeolian. Kajaba iku, sampel sing disiapake nggunakake prosedur ing ndhuwur duwe kapadhetan relatif paling endhek, γ = 14,14 kN/m³, mbentuk kerucut pasir sing diendapkan ing permukaan horisontal kanthi sudut istirahat kira-kira 29,7°.
Larutan MICP optimal sing dipikolehi ing bagean sadurunge disemprotake menyang lereng bukit pasir kanthi tingkat aplikasi 1, 2 lan 3 lm-2 banjur sampel disimpen ing inkubator ing suhu 30 °C (Gambar 3) sajrone 9 dina (yaiku wektu pangeringan optimal) banjur digawa metu kanggo uji coba trowongan angin.
Kanggo saben perawatan, patang spesimen disiapake, siji kanggo ngukur kandungan kalsium karbonat lan kekuatan permukaan nggunakake penetrometer, lan telung spesimen liyane digunakake kanggo uji erosi ing telung kecepatan sing beda. Ing uji trowongan angin, jumlah erosi ditemtokake ing kecepatan angin sing beda, banjur kecepatan breakaway ambang kanggo saben spesimen perawatan ditemtokake nggunakake plot jumlah erosi versus kecepatan angin. Saliyane uji erosi angin, spesimen sing dirawat uga kena bom pasir (yaiku, eksperimen lompatan). Rong spesimen tambahan disiapake kanggo tujuan iki kanthi tingkat aplikasi 2 lan 3 L m−2. Uji bom pasir suwene 15 menit kanthi fluks 120 gm−1, sing ana ing kisaran nilai sing dipilih ing panliten sadurunge60,61,62. Jarak horisontal antarane nozzle abrasif lan dasar gumuk pasir yaiku 800 mm, dumunung 100 mm ing ndhuwur dhasar trowongan. Posisi iki disetel supaya meh kabeh partikel pasir sing mlumpat tiba ing gumuk pasir.
Tes trowongan angin ditindakake ing trowongan angin terbuka kanthi dawa 8 m, jembar 0,4 m lan dhuwur 1 m (Gambar 4a). Trowongan angin digawe saka lembaran baja galvanis lan bisa ngasilake kecepatan angin nganti 25 m/s. Kajaba iku, konverter frekuensi digunakake kanggo nyetel frekuensi kipas lan nambah frekuensi kanthi bertahap kanggo entuk kecepatan angin target. Gambar 4b nuduhake diagram skematis gumuk pasir sing dikikis dening angin lan profil kecepatan angin sing diukur ing trowongan angin.
Pungkasan, kanggo mbandhingake asil formulasi MICP non-urealitik sing diusulake ing panliten iki karo asil tes kontrol MICP urealitik, sampel gumuk pasir uga disiapake lan diolah nganggo larutan biologis sing ngemot urea, kalsium klorida lan Sporosarcina pasteurii (amarga Sporosarcina pasteurii nduweni kemampuan sing signifikan kanggo ngasilake urease63). Kapadhetan optik larutan bakteri yaiku 1,5, lan konsentrasi urea lan kalsium klorida yaiku 1 M (dipilih adhedhasar nilai sing disaranake ing panliten sadurunge36,64,65). Media kultur kasusun saka kaldu nutrisi (8 g/L) lan urea (20 g/L). Larutan bakteri disemprotake ing permukaan gumuk pasir lan ditinggalake sajrone 24 jam kanggo nempelake bakteri. Sawise 24 jam nempel, larutan semen (kalsium klorida lan urea) disemprotake. Tes kontrol MICP urealitik sabanjure diarani UMC. Kandungan kalsium karbonat saka sampel lemah sing diolah kanthi urealitik lan non-urealitik dipikolehi kanthi ngumbah miturut prosedur sing diusulake dening Choi et al.66
Gambar 5 nuduhake kurva pertumbuhan Bacillus amyloliquefaciens lan Bacillus subtilis ing medium kultur (larutan nutrisi) kanthi kisaran pH awal 5 nganti 10. Kaya sing dituduhake ing gambar, Bacillus amyloliquefaciens lan Bacillus subtilis tuwuh luwih cepet ing pH 6-8 lan 7-9. Mulane, kisaran pH iki diadopsi ing tahap optimasi.
Kurva pertumbuhan (a) Bacillus amyloliquefaciens lan (b) Bacillus subtilis ing nilai pH awal medium nutrisi sing beda.
Gambar 6 nuduhake jumlah karbon dioksida sing diasilake ing limemeter Bernard, sing makili kalsium karbonat sing diendapkan (CaCO3). Amarga siji faktor tetep ing saben kombinasi lan faktor liyane beda-beda, saben titik ing grafik iki cocog karo volume maksimum karbon dioksida ing set eksperimen kasebut. Kaya sing dituduhake ing gambar, nalika konsentrasi sumber kalsium mundhak, produksi kalsium karbonat mundhak. Mulane, konsentrasi sumber kalsium langsung mengaruhi produksi kalsium karbonat. Amarga sumber kalsium lan sumber karbon padha (yaiku, kalsium format lan kalsium asetat), luwih akeh ion kalsium sing dirilis, luwih akeh kalsium karbonat sing kawangun (Gambar 6a). Ing formulasi AS lan AA, produksi kalsium karbonat terus mundhak kanthi nambah wektu pangurasan nganti jumlah endapan meh ora owah sawise 9 dina. Ing formulasi FA, tingkat pembentukan kalsium karbonat mudhun nalika wektu pangurasan ngluwihi 6 dina. Dibandhingake karo formulasi liyane, formulasi FS nuduhake tingkat pembentukan kalsium karbonat sing relatif kurang sawise 3 dina (Gambar 6b). Ing formulasi FA lan FS, 70% lan 87% saka total produksi kalsium karbonat dipikolehi sawise telung dina, dene ing formulasi AA lan AS, proporsi iki mung udakara 46% lan 45%. Iki nuduhake yen formulasi adhedhasar asam format duwe tingkat pembentukan CaCO3 sing luwih dhuwur ing tahap awal dibandhingake karo formulasi adhedhasar asetat. Nanging, tingkat pembentukan saya alon kanthi nambah wektu pangeringan. Bisa disimpulake saka Gambar 6c yen sanajan ing konsentrasi bakteri ing ndhuwur OD1, ora ana kontribusi sing signifikan kanggo pembentukan kalsium karbonat.
Owah-owahan volume CO2 (lan kandungan CaCO3 sing cocog) diukur nganggo kalkimeter Bernard minangka fungsi saka (a) konsentrasi sumber kalsium, (b) wektu nyetel, (c) OD, (d) pH awal, (e) rasio sumber kalsium karo larutan bakteri (kanggo saben formulasi); lan (f) jumlah maksimum kalsium karbonat sing diasilake kanggo saben kombinasi sumber kalsium lan bakteri.
Babagan efek pH awal medium, Gambar 6d nuduhake yen kanggo FA lan FS, produksi CaCO3 tekan nilai maksimal ing pH 7. Pengamatan iki konsisten karo panliten sadurunge yen enzim FDH paling stabil ing pH 7-6,7. Nanging, kanggo AA lan AS, presipitasi CaCO3 mundhak nalika pH ngluwihi 7. Panliten sadurunge uga nuduhake yen kisaran pH optimal kanggo aktivitas enzim CoA yaiku saka 8 nganti 9,2-6,8. Ngelingi yen kisaran pH optimal kanggo aktivitas enzim CoA lan pertumbuhan B. amyloliquefaciens yaiku (8-9,2) lan (6-8), masing-masing (Gambar 5a), pH optimal formulasi AA diarepake dadi 8, lan rong kisaran pH kasebut tumpang tindih. Kasunyatan iki dikonfirmasi dening eksperimen, kaya sing dituduhake ing Gambar 6d. Amarga pH optimal kanggo pertumbuhan B. subtilis yaiku 7-9 (Gambar 5b) lan pH optimal kanggo aktivitas enzim CoA yaiku 8-9,2, asil presipitasi CaCO3 maksimum diarepake ana ing kisaran pH 8-9, sing dikonfirmasi dening Gambar 6d (yaiku, pH presipitasi optimal yaiku 9). Asil sing dituduhake ing Gambar 6e nuduhake yen rasio optimal larutan sumber kalsium karo larutan bakteri yaiku 1 kanggo larutan asetat lan format. Kanggo perbandingan, kinerja formulasi sing beda (yaiku, AA, AS, FA, lan FS) dievaluasi adhedhasar produksi CaCO3 maksimum ing kahanan sing beda (yaiku, konsentrasi sumber kalsium, wektu pangeringan, OD, rasio sumber kalsium karo larutan bakteri, lan pH awal). Antarane formulasi sing ditliti, formulasi FS duwe produksi CaCO3 paling dhuwur, sing kira-kira kaping telu saka formulasi AA (Gambar 6f). Papat eksperimen kontrol bebas bakteri ditindakake kanggo loro sumber kalsium lan ora ana presipitasi CaCO3 sing diamati sawise 30 dina.
Gambar mikroskop optik saka kabeh formulasi nuduhake yen vaterit minangka fase utama ing ngendi kalsium karbonat dibentuk (Gambar 7). Kristal vaterit bentuke bunder69,70,71. Ditemokake yen kalsium karbonat ngendap ing sel bakteri amarga permukaan sel bakteri diisi negatif lan bisa tumindak minangka adsorben kanggo kation divalen. Njupuk formulasi FS minangka conto ing panliten iki, sawise 24 jam, kalsium karbonat wiwit dibentuk ing sawetara sel bakteri (Gambar 7a), lan sawise 48 jam, jumlah sel bakteri sing dilapisi kalsium karbonat tambah akeh. Kajaba iku, kaya sing dituduhake ing Gambar 7b, partikel vaterit uga bisa dideteksi. Pungkasan, sawise 72 jam, akeh bakteri sing katon kaiket dening kristal vaterit, lan jumlah partikel vaterit tambah akeh (Gambar 7c).
Pengamatan mikroskop optik saka presipitasi CaCO3 ing komposisi FS sajrone wektu: (a) 24, (b) 48 lan (c) 72 jam.
Kanggo nyelidiki luwih lanjut morfologi fase sing diendapkan, analisis difraksi sinar-X (XRD) lan SEM saka bubuk ditindakake. Spektrum XRD (Gambar 8a) lan mikrograf SEM (Gambar 8b, c) ngonfirmasi anané kristal vaterit, amarga bentuké kaya selada lan korespondensi antarane puncak vaterit lan puncak endapan diamati.
(a) Perbandingan spektrum difraksi sinar-X saka CaCO3 lan vaterit sing kawangun. Mikrograf SEM saka vaterit ing (b) pembesaran 1 kHz lan (c) 5,27 kHz.
Asil saka tes trowongan angin dituduhake ing Gambar 9a, b. Bisa dideleng saka Gambar 9a yen kecepatan erosi ambang (TDV) saka pasir sing ora diolah yaiku udakara 4,32 m/s. Ing tingkat aplikasi 1 l/m² (Gambar 9a), lereng garis tingkat mundhut lemah kanggo fraksi FA, FS, AA lan UMC kira-kira padha karo gumuk pasir sing ora diolah. Iki nuduhake yen perawatan ing tingkat aplikasi iki ora efektif lan sanalika kecepatan angin ngluwihi TDV, kerak lemah tipis ilang lan tingkat erosi gumuk pasir padha karo gumuk pasir sing ora diolah. Lereng erosi fraksi AS uga luwih murah tinimbang fraksi liyane kanthi absis sing luwih murah (yaiku TDV) (Gambar 9a). Panah ing Gambar 9b nuduhake yen ing kecepatan angin maksimum 25 m/s, ora ana erosi sing kedadeyan ing gumuk pasir sing diolah kanthi tingkat aplikasi 2 lan 3 l/m². Kanthi tembung liya, kanggo FS, FA, AS lan UMC, bukit pasir luwih tahan marang erosi angin sing disebabake dening deposisi CaCO³ ing tingkat aplikasi 2 lan 3 l/m² tinimbang ing kecepatan angin maksimum (yaiku 25 m/s). Dadi, nilai TDV 25 m/s sing dipikolehi ing tes kasebut minangka wates ngisor kanggo tingkat aplikasi sing dituduhake ing Gambar 9b, kajaba kanggo kasus AA, ing ngendi TDV meh padha karo kecepatan trowongan angin maksimum.
Tes erosi angin (a) Mundhut bobot lawan kecepatan angin (tingkat aplikasi 1 l/m2), (b) Kecepatan sobek ambang batas lawan kecepatan aplikasi lan formulasi (CA kanggo kalsium asetat, CF kanggo kalsium format).
Gambar 10 nuduhake erosi permukaan gumuk pasir sing diolah nganggo formulasi lan tingkat aplikasi sing beda-beda sawise uji pemboman pasir lan asil kuantitatif dituduhake ing Gambar 11. Kasus sing ora diobati ora dituduhake amarga ora nuduhake resistensi lan erosi kabeh (total mundhut massa) sajrone uji pemboman pasir. Saka Gambar 11, jelas yen sampel sing diobati nganggo biokomposisi AA kelangan 83,5% bobote kanthi tingkat aplikasi 2 l/m2 dene kabeh sampel liyane nuduhake erosi kurang saka 30% sajrone proses pemboman pasir. Nalika tingkat aplikasi ditambah dadi 3 l/m2, kabeh sampel sing diobati kelangan kurang saka 25% bobote. Ing loro tingkat aplikasi kasebut, senyawa FS nuduhake resistensi paling apik kanggo pemboman pasir. Resistensi pemboman maksimum lan minimum ing sampel sing diobati FS lan AA bisa disebabake dening presipitasi CaCO3 maksimum lan minimum (Gambar 6f).
Asil saka pamboman gumuk pasir kanthi komposisi sing beda-beda kanthi laju aliran 2 lan 3 l/m2 (panah nuduhake arah angin, tandha silang nuduhake arah angin tegak lurus karo bidang gambar).
Kaya sing dituduhake ing Gambar 12, kandungan kalsium karbonat ing kabeh formula mundhak nalika tingkat aplikasi mundhak saka 1 L/m² dadi 3 L/m². Kajaba iku, ing kabeh tingkat aplikasi, formula kanthi kandungan kalsium karbonat paling dhuwur yaiku FS, diikuti dening FA lan UMC. Iki nuduhake yen formula kasebut bisa uga duwe resistensi permukaan sing luwih dhuwur.
Gambar 13a nuduhake owah-owahan resistensi permukaan sampel lemah sing ora diolah, kontrol, lan diolah sing diukur nganggo uji permeameter. Saka gambar iki, katon yen resistensi permukaan formulasi UMC, AS, FA, lan FS mundhak sacara signifikan kanthi kenaikan tingkat aplikasi. Nanging, kenaikan kekuatan permukaan relatif cilik ing formulasi AA. Kaya sing dituduhake ing gambar kasebut, formulasi FA lan FS saka MICP sing ora didegradasi urea duwe permeabilitas permukaan sing luwih apik dibandhingake karo MICP sing didegradasi urea. Gambar 13b nuduhake owah-owahan TDV kanthi resistensi permukaan lemah. Saka gambar iki, katon jelas yen kanggo gumuk pasir kanthi resistensi permukaan luwih saka 100 kPa, kecepatan pengupasan ambang bakal ngluwihi 25 m/s. Amarga resistensi permukaan in situ bisa diukur kanthi gampang nganggo permeameter, kawruh iki bisa mbantu ngira-ngira TDV tanpa uji trowongan angin, saengga dadi indikator kontrol kualitas kanggo aplikasi lapangan.
Asil SEM dituduhake ing Gambar 14. Gambar 14a-b nuduhake partikel sing luwih gedhe saka sampel lemah sing ora diobati, sing nuduhake kanthi jelas manawa kohesif lan ora duwe ikatan alami utawa sementasi. Gambar 14c nuduhake mikrograf SEM saka sampel kontrol sing diobati nganggo MICP sing didegradasi urea. Gambar iki nuduhake anané endapan CaCO3 minangka polimorf kalsit. Kaya sing dituduhake ing Gambar 14d-o, CaCO3 sing diendapkan ngiket partikel kasebut; kristal vaterit bunder uga bisa diidentifikasi ing mikrograf SEM. Asil panliten iki lan panliten sadurunge nuduhake manawa ikatan CaCO3 sing dibentuk minangka polimorf vaterit uga bisa nyedhiyakake kekuatan mekanik sing cukup; asil kita nuduhake manawa resistensi permukaan mundhak dadi 350 kPa lan kecepatan pamisahan ambang mundhak saka 4,32 dadi luwih saka 25 m/s. Asil iki konsisten karo asil panliten sadurunge yen matriks CaCO3 sing diendapke MICP yaiku vaterit, sing nduweni kekuatan mekanik lan tahan erosi angin sing cukup13,40 lan bisa njaga tahan erosi angin sing cukup sanajan sawise 180 dina kena pengaruh kondisi lingkungan lapangan13.
(a, b) Mikrograf SEM saka lemah sing ora diolah, (c) Kontrol degradasi urea MICP, (df) sampel sing diolah AA, (gi) sampel sing diolah AS, (jl) sampel sing diolah FA, lan (mo) sampel sing diolah FS kanthi tingkat aplikasi 3 L/m2 kanthi pembesaran sing beda-beda.
Gambar 14d-f nuduhake yen sawise perawatan nganggo senyawa AA, kalsium karbonat diendapkan ing permukaan lan ing antarane butiran pasir, dene sawetara butiran pasir sing ora dilapisi uga diamati. Kanggo komponen AS, sanajan jumlah CaCO3 sing kawangun ora tambah akeh sacara signifikan (Gambar 6f), jumlah kontak antarane butiran pasir sing disebabake dening CaCO3 tambah akeh sacara signifikan dibandhingake karo senyawa AA (Gambar 14g-i).
Saka Gambar 14j-l lan 14m-o, jelas yen panggunaan kalsium format minangka sumber kalsium nyebabake peningkatan presipitasi CaCO3 luwih lanjut dibandhingake karo senyawa AS, sing konsisten karo pangukuran meter kalsium ing Gambar 6f. CaCO3 tambahan iki katon utamane diendapkan ing partikel pasir lan ora mesthi nambah kualitas kontak. Iki ngonfirmasi prilaku sing diamati sadurunge: sanajan ana bedane jumlah presipitasi CaCO3 (Gambar 6f), telung formulasi (AS, FA lan FS) ora beda banget babagan kinerja anti-eolian (angin) (Gambar 11) lan resistensi permukaan (Gambar 13a).
Kanggo luwih gampang ndeleng sel bakteri sing dilapisi CaCO3 lan jejak bakteri ing kristal sing diendapkan, mikrograf SEM pembesaran dhuwur dijupuk lan asilé dituduhake ing Gambar 15. Kaya sing dituduhake, kalsium karbonat ngendap ing sel bakteri lan nyedhiyakake inti sing dibutuhake kanggo presipitasi ing kana. Gambar kasebut uga nggambarake ikatan aktif lan ora aktif sing disebabake dening CaCO3. Bisa disimpulake yen peningkatan ikatan ora aktif ora mesthi nyebabake perbaikan luwih lanjut ing prilaku mekanik. Mulane, peningkatan presipitasi CaCO3 ora mesthi nyebabake kekuatan mekanik sing luwih dhuwur lan pola presipitasi nduweni peran penting. Titik iki uga wis ditliti ing karya Terzis lan Laloui72 lan Soghi lan Al-Kabani45,73. Kanggo luwih njelajah hubungan antarane pola presipitasi lan kekuatan mekanik, studi MICP nggunakake pencitraan µCT disaranake, sing ngluwihi ruang lingkup studi iki (yaiku, ngenalake kombinasi sumber kalsium lan bakteri sing beda kanggo MICP bebas amonia).
CaCO3 ngindhuksi ikatan aktif lan ora aktif ing sampel sing diolah nganggo (a) komposisi AS lan (b) komposisi FS lan ninggalake jejak sel bakteri ing sedimen.
Kaya sing dituduhake ing Gambar 14j-o lan 15b, ana film CaCO (miturut analisis EDX, komposisi persentase saben unsur ing film kasebut yaiku karbon 11%, oksigen 46,62% lan kalsium 42,39%, sing cedhak banget karo persentase CaCO ing Gambar 16). Film iki nutupi kristal vaterit lan partikel lemah, mbantu njaga integritas sistem lemah-sedimen. Anane film iki mung diamati ing sampel sing diolah nganggo formulasi adhedhasar format.
Tabel 2 mbandhingaké kekuwatan lumahing, kecepatan ambang detasemen, lan kandungan CaCO3 sing diinduksi bio saka lemah sing diolah nganggo jalur MICP sing ngurai urea lan non-ngurai urea ing panliten sadurungé lan panliten iki. Panliten babagan resistensi erosi angin saka sampel gumuk sing diolah MICP winates. Meng et al. nyelidiki resistensi erosi angin saka sampel gumuk sing ngurai urea sing diolah MICP nganggo blower godhong,13 déné ing panliten iki, sampel gumuk sing non-ngurai urea (uga kontrol sing ngurai urea) diuji ing trowongan angin lan diolah nganggo patang kombinasi bakteri lan zat sing béda.
Kaya sing bisa dideleng, sawetara panliten sadurunge wis nimbang tingkat aplikasi sing dhuwur ngluwihi 4 L/m213,41,74. Perlu dicathet yen tingkat aplikasi sing dhuwur bisa uga ora gampang ditrapake ing lapangan saka sudut pandang ekonomi amarga biaya sing ana gandhengane karo pasokan banyu, transportasi, lan aplikasi volume banyu sing akeh. Tingkat aplikasi sing luwih murah kayata 1,62-2 L/m2 uga entuk kekuatan permukaan sing cukup apik nganti 190 kPa lan TDV ngluwihi 25 m/s. Ing panliten iki, bukit pasir sing diolah nganggo MICP berbasis format tanpa degradasi urea entuk kekuatan permukaan sing dhuwur sing bisa dibandhingake karo sing dipikolehi nganggo jalur degradasi urea ing kisaran tingkat aplikasi sing padha (yaiku, sampel sing diolah nganggo MICP berbasis format tanpa degradasi urea uga bisa entuk kisaran nilai kekuatan permukaan sing padha kaya sing dilapurake dening Meng et al., 13, Gambar 13a) kanthi tingkat aplikasi sing luwih dhuwur. Uga bisa dideleng manawa ing tingkat aplikasi 2 L/m2, asil kalsium karbonat kanggo mitigasi erosi angin kanthi kecepatan angin 25 m/s yaiku 2,25% kanggo MICP berbasis format tanpa degradasi urea, sing cedhak banget karo jumlah CaCO3 sing dibutuhake (yaiku 2,41%) dibandhingake karo bukit pasir sing diobati nganggo MICP kontrol kanthi degradasi urea kanthi kecepatan aplikasi sing padha lan kecepatan angin sing padha (25 m/s).
Dadi, saka tabel iki bisa disimpulake yen jalur degradasi urea lan jalur degradasi bebas urea bisa nyedhiyakake kinerja sing cukup bisa ditampa babagan resistensi permukaan lan TDV. Bedane utama yaiku jalur degradasi bebas urea ora ngemot amonia lan mulane duwe dampak lingkungan sing luwih murah. Kajaba iku, metode MICP berbasis format tanpa degradasi urea sing diusulake ing panliten iki katon luwih apik tinimbang metode MICP berbasis asetat tanpa degradasi urea. Sanajan Mohebbi et al. nyinaoni metode MICP berbasis asetat tanpa degradasi urea, panliten kasebut kalebu sampel ing permukaan datar9. Amarga tingkat erosi sing luwih dhuwur sing disebabake dening pembentukan eddy ing sekitar sampel gumuk pasir lan geseran sing diasilake, sing nyebabake TDV sing luwih murah, erosi angin saka sampel gumuk pasir diarepake luwih jelas tinimbang permukaan datar kanthi kecepatan sing padha.