გმადლობთ, რომ ეწვიეთ nature.com-ს. თქვენს მიერ გამოყენებულ ბრაუზერის ვერსიას CSS-ის შეზღუდული მხარდაჭერა აქვს. საუკეთესო გამოცდილებისთვის გირჩევთ გამოიყენოთ ბრაუზერის უახლესი ვერსია (ან გამორთოთ თავსებადობის რეჟიმი Internet Explorer-ში). გარდა ამისა, მხარდაჭერის უწყვეტი უზრუნველყოფის მიზნით, ეს საიტი არ შეიცავს სტილებს ან JavaScript-ს.
მტვრის ქარიშხლები სერიოზულ საფრთხეს უქმნის მსოფლიოს მრავალ ქვეყანას სოფლის მეურნეობაზე, ადამიანის ჯანმრთელობაზე, სატრანსპორტო ქსელებსა და ინფრასტრუქტურაზე დამანგრეველი ზემოქმედების გამო. შედეგად, ქარის ეროზია გლობალურ პრობლემად ითვლება. ქარის ეროზიის შესაჩერებლად ერთ-ერთი ეკოლოგიურად სუფთა მიდგომაა მიკრობული ინდუცირებული კარბონატული ნალექის (MICP) გამოყენება. თუმცა, შარდოვანაზე დაფუძნებული MICP-ის ქვეპროდუქტები, როგორიცაა ამიაკი, არ არის იდეალური, როდესაც დიდი რაოდენობით იწარმოება. ეს კვლევა წარმოადგენს კალციუმის ფორმატის ბაქტერიების ორ ფორმულას MICP-ის შარდოვანას წარმოქმნის გარეშე დასაშლელად და ყოვლისმომცველად ადარებს მათ ეფექტურობას ამიაკის არამწარმოებელი კალციუმის აცეტატის ბაქტერიების ორ ფორმულასთან. განხილული ბაქტერიებია Bacillus subtilis და Bacillus amyloliquefaciens. პირველ რიგში, განისაზღვრა CaCO3-ის წარმოქმნის მარეგულირებელი ფაქტორების ოპტიმიზებული მნიშვნელობები. შემდეგ ჩატარდა ქარის გვირაბის ტესტები ოპტიმიზებული ფორმულირებებით დამუშავებულ ქვიშის დიუნების ნიმუშებზე და გაიზომა ქარის ეროზიისადმი წინააღმდეგობა, ზღურბლის გაშიშვლების სიჩქარე და ქვიშის დაბომბვისადმი წინააღმდეგობა. კალციუმის კარბონატის (CaCO3) ალომორფები შეფასდა ოპტიკური მიკროსკოპიის, სკანირების ელექტრონული მიკროსკოპიის (SEM) და რენტგენის დიფრაქციული ანალიზის გამოყენებით. კალციუმის ფორმატზე დაფუძნებულმა ფორმულირებებმა კალციუმის კარბონატის წარმოქმნის თვალსაზრისით მნიშვნელოვნად უკეთესი შედეგი აჩვენა, ვიდრე აცეტატზე დაფუძნებულმა ფორმულირებებმა. გარდა ამისა, B. subtilis-მა B. amyloliquefaciens-თან შედარებით მეტი კალციუმის კარბონატი გამოიმუშავა. SEM მიკროგრაფიებმა ნათლად აჩვენა აქტიური და არააქტიური ბაქტერიების შეკავშირება და დალექვა კალციუმის კარბონატზე, რაც გამოწვეული იყო დალექვით. ყველა ფორმულამ მნიშვნელოვნად შეამცირა ქარისმიერი ეროზია.
ქარის ეროზია დიდი ხანია აღიარებულია, როგორც მთავარი პრობლემა, რომლის წინაშეც დგანან არიდული და ნახევრად არიდული რეგიონები, როგორიცაა სამხრეთ-დასავლეთი შეერთებული შტატები, დასავლეთ ჩინეთი, საჰარის აფრიკა და ახლო აღმოსავლეთის დიდი ნაწილი1. არიდულ და ჰიპერ-არიდულ კლიმატში ნალექების მცირე რაოდენობამ ამ რეგიონების დიდი ნაწილი უდაბნოებად, ქვიშის დიუნებად და დაუმუშავებელ მიწებად აქცია. ქარის ეროზიის გაგრძელება საფრთხეს უქმნის ინფრასტრუქტურას, როგორიცაა სატრანსპორტო ქსელები, სასოფლო-სამეურნეო მიწები და სამრეწველო მიწები, რაც იწვევს ცხოვრების ცუდ პირობებს და ურბანული განვითარების მაღალ ხარჯებს ამ რეგიონებში2,3,4. მნიშვნელოვანია, რომ ქარის ეროზია არა მხოლოდ გავლენას ახდენს მისი წარმოქმნის ადგილმდებარეობაზე, არამედ იწვევს ჯანმრთელობისა და ეკონომიკური პრობლემების წარმოშობას შორეულ თემებში, რადგან ის ქარის საშუალებით ნაწილაკებს გადააქვს წყაროდან შორს მდებარე ადგილებში5,6.
ქარისმიერი ეროზიის კონტროლი გლობალურ პრობლემად რჩება. ქარისმიერი ეროზიის კონტროლისთვის ნიადაგის სტაბილიზაციის სხვადასხვა მეთოდი გამოიყენება. ეს მეთოდები მოიცავს ისეთ მასალებს, როგორიცაა წყლის გამოყენება7, ზეთის მულჩები8, ბიოპოლიმერები5, მიკრობებით გამოწვეული კარბონატული ნალექი (MICP)9,10,11,12 და ფერმენტებით გამოწვეული კარბონატული ნალექი (EICP)1. ნიადაგის დასველება მინდორში მტვრის ჩახშობის სტანდარტული მეთოდია. თუმცა, მისი სწრაფი აორთქლება ამ მეთოდს შეზღუდულ ეფექტურობას ხდის არიდულ და ნახევრად არიდულ რეგიონებში1. ზეთის მულჩის ნაერთების გამოყენება ზრდის ქვიშის შეკრულობას და ნაწილაკებს შორის ხახუნს. მათი შეკრული თვისება ქვიშის მარცვლებს ერთმანეთთან აკავშირებს; თუმცა, ზეთისმიერი მულჩები სხვა პრობლემებსაც ქმნის; მათი მუქი ფერი ზრდის სითბოს შთანთქმას და იწვევს მცენარეებისა და მიკროორგანიზმების სიკვდილს. მათმა სუნმა და ორთქლმა შეიძლება გამოიწვიოს სასუნთქი გზების პრობლემები და, რაც მთავარია, მათი მაღალი ღირებულება კიდევ ერთი დაბრკოლებაა. ბიოპოლიმერები ქარისმიერი ეროზიის შესამცირებლად ერთ-ერთი ბოლო დროს შემოთავაზებული ეკოლოგიურად სუფთა მეთოდია; ისინი მოიპოვება ბუნებრივი წყაროებიდან, როგორიცაა მცენარეები, ცხოველები და ბაქტერიები. ქსანთანის ფისი, გუარის ფისი, ქიტოზანი და გელანის ფისი ყველაზე ხშირად გამოყენებული ბიოპოლიმერებია საინჟინრო პროგრამებში5. თუმცა, წყალში ხსნად ბიოპოლიმერებს წყალთან შეხებისას შეუძლიათ სიმტკიცის დაკარგვა და ნიადაგიდან გამოჟონვა13,14. EICP-მა აჩვენა, რომ მტვრის ჩახშობის ეფექტური მეთოდია სხვადასხვა დანიშნულებისთვის, მათ შორის მოუასფალტებელი გზებისთვის, კუდსაცავებისთვის და სამშენებლო მოედნებისთვის. მიუხედავად იმისა, რომ მისი შედეგები იმედისმომცემია, გასათვალისწინებელია ზოგიერთი პოტენციური ნაკლი, როგორიცაა ფასი და ბირთვის წარმოქმნის ადგილების არარსებობა (რაც აჩქარებს CaCO3 კრისტალების წარმოქმნას და დალექვას15,16).
MICP პირველად მე-19 საუკუნის ბოლოს აღწერეს მიურეიმ და ირვინმა (1890) და შტაინმანმა (1901) საზღვაო მიკროორგანიზმების მიერ შარდოვანას დაშლის შესწავლისას17. MICP არის ბუნებრივად მიმდინარე ბიოლოგიური პროცესი, რომელიც მოიცავს მიკრობული აქტივობებისა და ქიმიური პროცესების მრავალფეროვნებას, რომლის დროსაც კალციუმის კარბონატი ილექება მიკრობული მეტაბოლიტების კარბონატული იონების გარემოში არსებულ კალციუმის იონებთან რეაქციით18,19. შარდოვანას დაშლის აზოტის ციკლთან (შარდოვანას დაშლის MICP) დაკავშირებული MICP არის მიკრობებით გამოწვეული კარბონატული დალექვის ყველაზე გავრცელებული ტიპი, რომლის დროსაც ბაქტერიების მიერ წარმოებული ურეაზა აკატალიზებს შარდოვანას ჰიდროლიზს20,21,22,23,24,25,26,27 შემდეგნაირად:
ორგანული მარილის დაჟანგვის ნახშირბადის ციკლის (MICP შარდოვანას დეგრადაციის ტიპის გარეშე) შემცველ MICP-ში ჰეტეროტროფული ბაქტერიები კარბონატული მინერალების წარმოსაქმნელად ენერგიის წყაროდ იყენებენ ორგანულ მარილებს, როგორიცაა აცეტატი, ლაქტატი, ციტრატი, სუქცინატი, ოქსალატი, მალატი და გლიოქსილატი28. ნახშირბადის წყაროს სახით კალციუმის ლაქტატის და კალციუმის იონების თანაობისას, კალციუმის კარბონატის წარმოქმნის ქიმიური რეაქცია ნაჩვენებია განტოლებაში (5).
MICP პროცესში ბაქტერიული უჯრედები უზრუნველყოფენ ბირთვის წარმოქმნის ადგილებს, რომლებიც განსაკუთრებით მნიშვნელოვანია კალციუმის კარბონატის დალექვისთვის; ბაქტერიული უჯრედის ზედაპირი უარყოფითად დამუხტულია და შეუძლია იმოქმედოს როგორც ადსორბენტი ორვალენტიანი კათიონებისთვის, როგორიცაა კალციუმის იონები. კალციუმის იონების ბაქტერიულ უჯრედებზე ადსორბციით, როდესაც კარბონატის იონების კონცენტრაცია საკმარისია, კალციუმის კათიონები და კარბონატის ანიონები რეაგირებენ და კალციუმის კარბონატი ილექება ბაქტერიის ზედაპირზე29,30. პროცესი შეიძლება შეჯამდეს შემდეგნაირად31,32:
ბიოგენერირებული კალციუმის კარბონატის კრისტალები შეიძლება დაიყოს სამ ტიპად: კალციტი, ვატერიტი და არაგონიტი. მათ შორის, კალციტი და ვატერიტი ყველაზე გავრცელებული ბაქტერიული ინდუცირებული კალციუმის კარბონატის ალომორფებია33,34. კალციტი ყველაზე თერმოდინამიკურად სტაბილური კალციუმის კარბონატის ალომორფია35. მიუხედავად იმისა, რომ ვატერიტი მეტასტაბილურად ითვლება, საბოლოოდ ის კალციტად გარდაიქმნება36,37. ვატერიტი ამ კრისტალებიდან ყველაზე მკვრივია. ეს არის ექვსკუთხა კრისტალი, რომელსაც უფრო დიდი ზომის გამო, სხვა კალციუმის კარბონატის კრისტალებთან შედარებით უკეთესი ფორების შევსების უნარი აქვს38. როგორც შარდოვანათი დაშლილი, ასევე შარდოვანათი დაუშლილი MICP-მა შეიძლება გამოიწვიოს ვატერიტის დალექვა13,39,40,41.
მიუხედავად იმისა, რომ MICP-მა აჩვენა პერსპექტიული პოტენციალი პრობლემური ნიადაგების და ქარისმიერი ეროზიისადმი მგრძნობიარე ნიადაგების სტაბილიზაციისთვის42,43,44,45,46,47,48, შარდოვანას ჰიდროლიზის ერთ-ერთი თანმდევი პროდუქტია ამიაკი, რომელმაც შეიძლება გამოიწვიოს მსუბუქიდან მძიმემდე ჯანმრთელობის პრობლემები ზემოქმედების დონის მიხედვით49. ეს გვერდითი ეფექტი ამ კონკრეტული ტექნოლოგიის გამოყენებას საკამათოს ხდის, განსაკუთრებით მაშინ, როდესაც საჭიროა დიდი ტერიტორიების დამუშავება, მაგალითად, მტვრის ჩახშობისთვის. გარდა ამისა, ამიაკის სუნი აუტანელია, როდესაც პროცესი ხორციელდება მაღალი გამოყენების სიჩქარით და დიდი მოცულობით, რამაც შეიძლება გავლენა მოახდინოს მის პრაქტიკულ გამოყენებადობაზე. მიუხედავად იმისა, რომ ბოლოდროინდელმა კვლევებმა აჩვენა, რომ ამონიუმის იონების შემცირება შესაძლებელია მათი სხვა პროდუქტებად, როგორიცაა სტროვიტი, გადაქცევით, ეს მეთოდები სრულად არ აშორებს ამონიუმის იონებს50. ამიტომ, ჯერ კიდევ საჭიროა ალტერნატიული გადაწყვეტილებების შესწავლა, რომლებიც არ წარმოქმნიან ამონიუმის იონებს. MICP-ისთვის არაშარდოვანას დეგრადაციის გზების გამოყენებამ შეიძლება უზრუნველყოს პოტენციური გადაწყვეტა, რომელიც ცუდად არის შესწავლილი ქარისმიერი ეროზიის შემცირების კონტექსტში. ფატაჰიმ და სხვებმა გამოიკვლიეს შარდოვანას გარეშე MICP დეგრადაცია კალციუმის აცეტატის და Bacillus megaterium-ის გამოყენებით41, ხოლო მოჰები და სხვებმა... გამოყენებული იქნა კალციუმის აცეტატი და Bacillus amyloliquefaciens9. თუმცა, მათი კვლევა არ შედარებულა კალციუმის სხვა წყაროებთან და ჰეტეროტროფულ ბაქტერიებთან, რომლებსაც საბოლოოდ შეეძლოთ ქარისმიერი ეროზიისადმი მდგრადობის გაუმჯობესება. ასევე არ არსებობს ლიტერატურა, რომელიც შეადარებს შარდოვანას გარეშე დეგრადაციის გზებს შარდოვანას დეგრადაციის გზებთან ქარისმიერი ეროზიის შერბილებისას.
გარდა ამისა, ქარისმიერი ეროზიისა და მტვრის კონტროლის კვლევების უმეტესობა ჩატარდა ბრტყელი ზედაპირის მქონე ნიადაგის ნიმუშებზე.1,51,52,53 თუმცა, ბრტყელი ზედაპირები ბუნებაში ნაკლებად არის გავრცელებული, ვიდრე ბორცვები და ჩაღრმავებები. სწორედ ამიტომ, ქვიშის დიუნები უდაბნოს რეგიონებში ყველაზე გავრცელებული ლანდშაფტური მახასიათებელია.
ზემოთ აღნიშნული ნაკლოვანებების დასაძლევად, ამ კვლევის მიზანი იყო ამიაკის წარმომქმნელი ბაქტერიული აგენტების ახალი ნაკრების დანერგვა. ამ მიზნით, ჩვენ განვიხილეთ შარდოვანას დაშლის არმქონე MICP გზები. შესწავლილი იქნა კალციუმის ორი წყაროს (კალციუმის ფორმატი და კალციუმის აცეტატი) ეფექტურობა. ავტორების ინფორმაციით, კარბონატის დალექვა კალციუმის წყაროსა და ბაქტერიების ორი კომბინაციის გამოყენებით (მაგ. კალციუმის ფორმატი - Bacillus subtilis და კალციუმის ფორმატი - Bacillus amyloliquefaciens) წინა კვლევებში არ იყო შესწავლილი. ამ ბაქტერიების არჩევანი დაფუძნებული იყო მათ მიერ წარმოქმნილ ფერმენტებზე, რომლებიც აკატალიზებენ კალციუმის ფორმატისა და კალციუმის აცეტატის დაჟანგვას მიკრობული კარბონატული დალექვის წარმოსაქმნელად. ჩვენ შევიმუშავეთ საფუძვლიანი ექსპერიმენტული კვლევა, რათა გაგვერკვია ოპტიმალური ფაქტორები, როგორიცაა pH, ბაქტერიებისა და კალციუმის წყაროების ტიპები და მათი კონცენტრაციები, ბაქტერიებისა და კალციუმის წყაროს ხსნარის თანაფარდობა და გამყარების დრო. და ბოლოს, ბაქტერიული აგენტების ამ ნაკრების ეფექტურობა კალციუმის კარბონატის ნალექის გზით ქარის ეროზიის ჩახშობაში გამოკვლეული იქნა ქვიშის დიუნებზე ქარის გვირაბის ტესტების სერიის ჩატარებით, რათა დაედგინათ ქვიშის ქარის ეროზიის სიდიდე, ზღურბლის დაშლის სიჩქარე და ქარის დაბომბვისადმი წინააღმდეგობა, ასევე ჩატარდა პენეტრომეტრიული გაზომვები და მიკროსტრუქტურული კვლევები (მაგ., რენტგენის დიფრაქციული (XRD) ანალიზი და სკანირებადი ელექტრონული მიკროსკოპია (SEM)).
კალციუმის კარბონატის წარმოებას სჭირდება კალციუმის იონები და კარბონატის იონები. კალციუმის იონების მიღება შესაძლებელია კალციუმის სხვადასხვა წყაროდან, როგორიცაა კალციუმის ქლორიდი, კალციუმის ჰიდროქსიდი და უცხიმო რძის ფხვნილი54,55. კარბონატის იონების მიღება შესაძლებელია სხვადასხვა მიკრობული მეთოდით, როგორიცაა შარდოვანას ჰიდროლიზი და ორგანული ნივთიერებების აერობული ან ანაერობული დაჟანგვა56. ამ კვლევაში, კარბონატის იონები მიღებული იქნა ფორმატისა და აცეტატის დაჟანგვის რეაქციიდან. გარდა ამისა, სუფთა კალციუმის კარბონატის მისაღებად გამოვიყენეთ ფორმატისა და აცეტატის კალციუმის მარილები, ამრიგად, მხოლოდ CO2 და H2O მივიღეთ თანმდევი პროდუქტების სახით. ამ პროცესში, მხოლოდ ერთი ნივთიერება ემსახურება კალციუმის წყაროს და კარბონატის წყაროს და ამიაკი არ წარმოიქმნება. ეს მახასიათებლები კალციუმის წყაროსა და კარბონატის წარმოების მეთოდს, რომელსაც ჩვენ ძალიან პერსპექტიულად მივიჩნევდით, ხდის.
კალციუმის ფორმატისა და კალციუმის აცეტატის შესაბამისი რეაქციები კალციუმის კარბონატის წარმოსაქმნელად ნაჩვენებია ფორმულებში (7)-(14). ფორმულები (7)-(11) აჩვენებს, რომ კალციუმის ფორმატი იხსნება წყალში ჭიანჭველმჟავას ან ფორმატის წარმოქმნით. ამრიგად, ხსნარი თავისუფალი კალციუმის და ჰიდროქსიდის იონების წყაროა (ფორმულები 8 და 9). ჭიანჭველმჟავას დაჟანგვის შედეგად, ჭიანჭველმჟავაში ნახშირბადის ატომები გარდაიქმნება ნახშირორჟანგად (ფორმულა 10). საბოლოოდ წარმოიქმნება კალციუმის კარბონატი (ფორმულები 11 და 12).
ანალოგიურად, კალციუმის კარბონატი წარმოიქმნება კალციუმის აცეტატიდან (განტოლებები 13–15), გარდა იმისა, რომ ჭიანჭველმჟავას ნაცვლად წარმოიქმნება ძმარმჟავა ან აცეტატი.
ფერმენტების არსებობის გარეშე, აცეტატის და ფორმატის დაჟანგვა ოთახის ტემპერატურაზე შეუძლებელია. FDH (ფორმატდეჰიდროგენაზა) და CoA (კოენზიმ A) აკატალიზებენ ფორმატისა და აცეტატის დაჟანგვას, შესაბამისად, ნახშირორჟანგის წარმოქმნით (განტოლებები 16, 17) 57, 58, 59. ამ ფერმენტების გამომუშავება სხვადასხვა ბაქტერიას შეუძლია და ამ კვლევაში გამოყენებული იქნა ჰეტეროტროფული ბაქტერიები, კერძოდ, Bacillus subtilis (PTCC #1204 (სპარსული ტიპის კულტურის კოლექცია), ასევე ცნობილი როგორც NCIMB #13061 (ბაქტერიების, საფუარის, ფაგის, პლაზმიდების, მცენარეთა თესლისა და მცენარეული უჯრედების ქსოვილის კულტურების საერთაშორისო კოლექცია)) და Bacillus amyloliquefaciens (PTCC #1732, NCIMB #12077). ეს ბაქტერიები კულტივირებული იქნა ხორცის პეპტონის (5 გ/ლ) და ხორცის ექსტრაქტის (3 გ/ლ) შემცველ გარემოში, რომელსაც ეწოდება საკვები ნივთიერებების ბულიონი (NBR) (105443 Merck).
ამგვარად, კალციუმის კარბონატის დალექვის გამოსაწვევად მომზადდა ოთხი ფორმულა კალციუმის ორი წყაროსა და ორი ბაქტერიის გამოყენებით: კალციუმის ფორმატი და Bacillus subtilis (FS), კალციუმის ფორმატი და Bacillus amyloliquefaciens (FA), კალციუმის აცეტატი და Bacillus subtilis (AS) და კალციუმის აცეტატი და Bacillus amyloliquefaciens (AA).
ექსპერიმენტული დიზაინის პირველ ნაწილში ჩატარდა ტესტები ოპტიმალური კომბინაციის დასადგენად, რომელიც კალციუმის კარბონატის მაქსიმალურ წარმოებას მიაღწევდა. ვინაიდან ნიადაგის ნიმუშები შეიცავდა კალციუმის კარბონატს, სხვადასხვა კომბინაციით წარმოქმნილი CaCO3-ის ზუსტად გასაზომად შემუშავებული იქნა წინასწარი შეფასების ტესტების ნაკრები და შეფასდა კულტურული გარემოსა და კალციუმის წყაროს ხსნარების ნარევები. ზემოთ განსაზღვრული კალციუმის წყაროსა და ბაქტერიული ხსნარის თითოეული კომბინაციისთვის (FS, FA, AS და AA), გამოყვანილი იქნა ოპტიმიზაციის ფაქტორები (კალციუმის წყაროს კონცენტრაცია, გამყარების დრო, ხსნარის ოპტიკური სიმკვრივით (OD) გაზომილი ბაქტერიული ხსნარის კონცენტრაცია, კალციუმის წყაროსა და ბაქტერიული ხსნარის თანაფარდობა და pH) და გამოყენებული იქნა ქვიშის დიუნის დამუშავების ქარის გვირაბის ტესტებში, რომლებიც აღწერილია შემდეგ ნაწილებში.
თითოეული კომბინაციისთვის ჩატარდა 150 ექსპერიმენტი CaCO3-ის დალექვის ეფექტის შესასწავლად და სხვადასხვა ფაქტორების შესაფასებლად, კერძოდ, კალციუმის წყაროს კონცენტრაცია, გამყარების დრო, ბაქტერიული OD მნიშვნელობა, კალციუმის წყაროსა და ბაქტერიულ ხსნარს შორის თანაფარდობა და pH ორგანული ნივთიერების აერობული დაჟანგვის დროს (ცხრილი 1). ოპტიმიზებული პროცესისთვის pH დიაპაზონი შეირჩა Bacillus subtilis-ისა და Bacillus amyloliquefaciens-ის ზრდის მრუდების საფუძველზე, უფრო სწრაფი ზრდის მისაღწევად. ეს უფრო დეტალურად არის ახსნილი შედეგების განყოფილებაში.
ოპტიმიზაციის ფაზისთვის ნიმუშების მოსამზადებლად გამოყენებული იქნა შემდეგი ეტაპები. MICP ხსნარი თავდაპირველად მომზადდა კულტურული გარემოს საწყისი pH-ის რეგულირებით და შემდეგ ავტოკლავირებული იქნა 121°C ტემპერატურაზე 15 წუთის განმავლობაში. შემდეგ შტამი ინოკულირებული იქნა ლამინარული ჰაერის ნაკადში და შენარჩუნდა შენჯღრეულ ინკუბატორში 30°C ტემპერატურაზე და 180 ბრ/წთ-ზე. როგორც კი ბაქტერიის OD-მ მიაღწია სასურველ დონეს, ის შეერია კალციუმის წყაროს ხსნარს სასურველი პროპორციით (სურათი 1ა). MICP ხსნარს რეაქციაში შესვლისა და გამყარების საშუალება მიეცა შენჯღრეულ ინკუბატორში 220 ბრ/წთ-ზე და 30°C ტემპერატურაზე იმ დროის განმავლობაში, სანამ სამიზნე მნიშვნელობას არ მიაღწევდა. დალექილი CaCO3 გამოიყო ცენტრიფუგირების შემდეგ 6000 გ-ზე 5 წუთის განმავლობაში და შემდეგ გაშრა 40°C ტემპერატურაზე, რათა მომზადებულიყო ნიმუშები კალციმეტრის ტესტისთვის (სურათი 1ბ). CaCO3-ის ნალექი შემდეგ გაიზომა ბერნარდის კალციმეტრის გამოყენებით, სადაც CaCO3-ის ფხვნილი რეაგირებს 1.0 N HCl-თან (ASTM-D4373-02) CO2-ის წარმოსაქმნელად და ამ აირის მოცულობა CaCO3-ის შემცველობის საზომია (სურათი 1გ). CO2-ის მოცულობის CaCO3-ის შემცველობად გადასაყვანად, კალიბრაციის მრუდი შეიქმნა სუფთა CaCO3 ფხვნილის 1 N HCl-ით გარეცხვით და მისი წარმოქმნილ CO2-თან მიმართებაში გამოსახულების მიცემით. დალექილი CaCO3 ფხვნილის მორფოლოგია და სისუფთავე გამოკვლეული იქნა SEM ვიზუალიზაციისა და XRD ანალიზის გამოყენებით. ბაქტერიების გარშემო კალციუმის კარბონატის წარმოქმნის, წარმოქმნილი კალციუმის კარბონატის ფაზისა და ბაქტერიების აქტივობის შესასწავლად გამოყენებული იქნა 1000-იანი გადიდების ოპტიკური მიკროსკოპი.
დეჯეგის აუზი ირანის სამხრეთ-დასავლეთ ფარსის პროვინციაში ცნობილი ძლიერ ეროზირებული რეგიონია და მკვლევრებმა ამ ტერიტორიიდან ქარის მიერ ეროზირებული ნიადაგის ნიმუშები შეაგროვეს. კვლევისთვის ნიმუშები ნიადაგის ზედაპირიდან იყო აღებული. ნიადაგის ნიმუშებზე ინდიკატორულმა ტესტებმა აჩვენა, რომ ნიადაგი წარმოადგენდა სუსტად დახარისხებულ ქვიშიან ნიადაგს შლამით და კლასიფიცირებული იყო, როგორც SP-SM ნიადაგის ერთიანი კლასიფიკაციის სისტემის (USC) მიხედვით (სურათი 2ა). XRD ანალიზმა აჩვენა, რომ დეჯეგის ნიადაგი ძირითადად კალციტისა და კვარცისგან შედგებოდა (სურათი 2ბ). გარდა ამისა, EDX ანალიზმა აჩვენა, რომ სხვა ელემენტები, როგორიცაა Al, K და Fe, ასევე უფრო მცირე პროპორციებით იყო წარმოდგენილი.
ლაბორატორიული დიუნების ქარისმიერი ეროზიის ტესტირებისთვის მოსამზადებლად, ნიადაგი 170 მმ სიმაღლიდან 10 მმ დიამეტრის ძაბრის მეშვეობით მყარ ზედაპირზე დაიმსხვრა, რის შედეგადაც ტიპიური დიუნა 60 მმ სიმაღლისა და 210 მმ დიამეტრის იყო. ბუნებაში, ყველაზე დაბალი სიმკვრივის ქვიშის დიუნები აეოლოგიური პროცესებით წარმოიქმნება. ანალოგიურად, ზემოთ აღნიშნული პროცედურის გამოყენებით მომზადებულ ნიმუშს ჰქონდა ყველაზე დაბალი ფარდობითი სიმკვრივე, γ = 14.14 კნ/მ³, რაც ქმნიდა ქვიშის კონუსს, რომელიც ჰორიზონტალურ ზედაპირზე დალექილი იყო დაახლოებით 29.7°-იანი მოყრის კუთხით.
წინა ნაწილში მიღებული ოპტიმალური MICP ხსნარი შეასხურეს დიუნის ფერდობზე 1, 2 და 3 lm-2 გამოყენების სიჩქარით და შემდეგ ნიმუშები შეინახეს ინკუბატორში 30°C ტემპერატურაზე (სურ. 3) 9 დღის განმავლობაში (ანუ ოპტიმალური გაშრობის დრო) და შემდეგ გაიტანეს აეროდინამიკურ გვირაბში ტესტირებისთვის.
თითოეული დამუშავებისთვის მომზადდა ოთხი ნიმუში, ერთი კალციუმის კარბონატის შემცველობისა და ზედაპირის სიმტკიცის გასაზომად პენეტრომეტრის გამოყენებით, ხოლო დარჩენილი სამი ნიმუში გამოყენებული იქნა ეროზიის ტესტებისთვის სამი განსხვავებული სიჩქარით. ქარის გვირაბის ტესტებში ეროზიის რაოდენობა განისაზღვრა სხვადასხვა ქარის სიჩქარის დროს, შემდეგ კი თითოეული დამუშავების ნიმუშის ზღურბლის მოწყვეტის სიჩქარე განისაზღვრა ეროზიის რაოდენობისა და ქარის სიჩქარის დიაგრამის გამოყენებით. ქარის ეროზიის ტესტების გარდა, დამუშავებული ნიმუშები დაექვემდებარა ქვიშით დაბომბვას (ანუ ხტომის ექსპერიმენტებს). ამ მიზნით მომზადდა კიდევ ორი ​​ნიმუში 2 და 3 ლ მ−2 გამოყენების სიჩქარით. ქვიშის დაბომბვის ტესტი გაგრძელდა 15 წუთი 120 გმ−1 ნაკადით, რაც წინა კვლევებში შერჩეული მნიშვნელობების დიაპაზონშია60,61,62. აბრაზიულ საქშენსა და დიუნის ძირს შორის ჰორიზონტალური მანძილი იყო 800 მმ, რომელიც განლაგებული იყო გვირაბის ფსკერიდან 100 მმ-ით ზემოთ. ეს პოზიცია დაყენებული იყო ისე, რომ თითქმის ყველა ხტომის ქვიშის ნაწილაკი დიუნზე დაეცა.
აეროდინამიკის ტესტი ჩატარდა ღია აეროდინამიკურ გვირაბში, რომლის სიგრძე 8 მ, სიგანე 0.4 მ და სიმაღლე 1 მ იყო (სურათი 4ა). აეროდინამიკური გვირაბი დამზადებულია გალვანიზებული ფოლადის ფურცლებისგან და შეუძლია წარმოქმნას 25 მ/წმ-მდე ქარის სიჩქარე. გარდა ამისა, სიხშირის გადამყვანი გამოიყენება ვენტილატორის სიხშირის რეგულირებისა და სიხშირის თანდათანობით გაზრდისთვის, რათა მივიღოთ სამიზნე ქარის სიჩქარე. სურათი 4ბ გვიჩვენებს ქარით დაზიანებული ქვიშის დიუნების სქემატურ დიაგრამას და აეროდინამიკურ გვირაბში გაზომილ ქარის სიჩქარის პროფილს.
და ბოლოს, ამ კვლევაში შემოთავაზებული არაურეალიზური MICP ფორმულირების შედეგების ურეალიზური MICP კონტროლის ტესტის შედეგებთან შესადარებლად, დიუნის ნიმუშები ასევე მომზადდა და დამუშავდა ბიოლოგიური ხსნარით, რომელიც შეიცავდა შარდოვანას, კალციუმის ქლორიდს და Sporosarcina pasteurii-ს (რადგან Sporosarcina pasteurii-ს აქვს ურეაზას წარმოქმნის მნიშვნელოვანი უნარი63). ბაქტერიული ხსნარის ოპტიკური სიმკვრივე იყო 1.5, ხოლო შარდოვანას და კალციუმის ქლორიდის კონცენტრაცია - 1 M (შერჩეული წინა კვლევებში რეკომენდებული მნიშვნელობების საფუძველზე36,64,65). კულტივაციის საშუალება შედგებოდა საკვები ნივთიერებების ბულიონისგან (8 გ/ლ) და შარდოვანასგან (20 გ/ლ). ბაქტერიული ხსნარი შეასხურეს დიუნის ზედაპირზე და დატოვეს 24 საათის განმავლობაში ბაქტერიების მიმაგრებისთვის. მიმაგრებიდან 24 საათის შემდეგ, შეასხურეს დამაკავშირებელი ხსნარი (კალციუმის ქლორიდი და შარდოვანა). ურეალიზური MICP კონტროლის ტესტი შემდგომში მოიხსენიება, როგორც UMC. ურეალიზურად და არაურეალიზურად დამუშავებული ნიადაგის ნიმუშებში კალციუმის კარბონატის შემცველობა მიღებული იქნა ჩოის და სხვების მიერ შემოთავაზებული პროცედურის მიხედვით გარეცხვით66.
სურათი 5 გვიჩვენებს Bacillus amyloliquefaciens-ისა და Bacillus subtilis-ის ზრდის მრუდებს კულტურულ გარემოში (საკვები ხსნარი) 5-დან 10-მდე საწყისი pH დიაპაზონით. როგორც ნახაზზეა ნაჩვენები, Bacillus amyloliquefaciens-ი და Bacillus subtilis-ი უფრო სწრაფად იზრდებიან pH 6-8 და 7-9-ზე, შესაბამისად. ამიტომ, ოპტიმიზაციის ეტაპზე pH-ის ეს დიაპაზონი იქნა მიღებული.
(ა) Bacillus amyloliquefaciens-ის და (ბ) Bacillus subtilis-ის ზრდის მრუდები საკვები ნივთიერების სხვადასხვა საწყისი pH მნიშვნელობებზე.
სურათი 6 გვიჩვენებს ბერნარდის ლაიმმეტრში წარმოქმნილი ნახშირორჟანგის რაოდენობას, რომელიც წარმოადგენს დალექილ კალციუმის კარბონატს (CaCO3). რადგან თითოეულ კომბინაციაში ერთი ფაქტორი დაფიქსირდა და სხვა ფაქტორები შეიცვალა, ამ გრაფიკებზე თითოეული წერტილი შეესაბამება ნახშირორჟანგის მაქსიმალურ მოცულობას ექსპერიმენტების ამ ნაკრებში. როგორც ნაჩვენებია ფიგურაზე, კალციუმის წყაროს კონცენტრაციის ზრდასთან ერთად, კალციუმის კარბონატის წარმოებაც იზრდებოდა. ამიტომ, კალციუმის წყაროს კონცენტრაცია პირდაპირ გავლენას ახდენს კალციუმის კარბონატის წარმოებაზე. რადგან კალციუმის წყარო და ნახშირბადის წყარო ერთნაირია (ანუ კალციუმის ფორმატი და კალციუმის აცეტატი), რაც უფრო მეტი კალციუმის იონი გამოიყოფა, მით მეტი კალციუმის კარბონატი წარმოიქმნება (სურათი 6ა). AS და AA ფორმულირებებში, კალციუმის კარბონატის წარმოება განაგრძობდა ზრდას გამყარების დროის მატებასთან ერთად, სანამ ნალექის რაოდენობა თითქმის არ შეცვლილა 9 დღის შემდეგ. FA ფორმულირებაში, კალციუმის კარბონატის წარმოქმნის სიჩქარე შემცირდა, როდესაც გამყარების დრო 6 დღეს აღემატებოდა. სხვა ფორმულირებებთან შედარებით, FS ფორმულირებამ აჩვენა შედარებით დაბალი კალციუმის კარბონატის წარმოქმნის სიჩქარე 3 დღის შემდეგ (სურათი 6ბ). FA და FS ფორმულირებებში, კალციუმის კარბონატის მთლიანი წარმოების 70% და 87% მიღებულ იქნა სამი დღის შემდეგ, ხოლო AA და AS ფორმულირებებში ეს პროპორცია შესაბამისად მხოლოდ დაახლოებით 46% და 45% იყო. ეს მიუთითებს, რომ ჭიანჭველმჟავაზე დაფუძნებულ ფორმულას საწყის ეტაპზე CaCO3-ის წარმოქმნის უფრო მაღალი მაჩვენებელი აქვს აცეტატზე დაფუძნებულ ფორმულასთან შედარებით. თუმცა, წარმოქმნის სიჩქარე შენელდება გამყარების დროის ზრდასთან ერთად. სურათი 6c-დან შეიძლება დავასკვნათ, რომ OD1-ზე მაღალი ბაქტერიული კონცენტრაციის შემთხვევაშიც კი, კალციუმის კარბონატის წარმოქმნაში მნიშვნელოვანი წვლილი არ შედის.
ბერნარდის კალციმეტრით გაზომილი CO2 მოცულობის (და შესაბამისი CaCO3 შემცველობის) ცვლილება, როგორც შემდეგი ფუნქციების ერთობლიობა: (ა) კალციუმის წყაროს კონცენტრაცია, (ბ) შეწებების დრო, (გ) OD, (დ) საწყისი pH, (ე) კალციუმის წყაროსა და ბაქტერიულ ხსნარს შორის თანაფარდობა (თითოეული ფორმულირებისთვის); და (ვ) კალციუმის წყაროსა და ბაქტერიების თითოეული კომბინაციისთვის წარმოქმნილი კალციუმის კარბონატის მაქსიმალური რაოდენობა.
გარემოს საწყისი pH-ის ეფექტის შესახებ, სურათი 6d გვიჩვენებს, რომ FA-სა და FS-ისთვის CaCO3-ის წარმოება მაქსიმალურ მნიშვნელობას pH 7-ზე აღწევს. ეს დაკვირვება თანხვედრაშია წინა კვლევებთან, რომ FDH ფერმენტები ყველაზე სტაბილურია pH 7-6.7-ზე. თუმცა, AA-სა და AS-ისთვის, CaCO3-ის ნალექი იზრდებოდა, როდესაც pH 7-ს აღემატებოდა. წინა კვლევებმა ასევე აჩვენა, რომ CoA ფერმენტის აქტივობისთვის ოპტიმალური pH დიაპაზონი 8-დან 9.2-6.8-მდეა. იმის გათვალისწინებით, რომ CoA ფერმენტის აქტივობისა და B. amyloliquefaciens-ის ზრდისთვის ოპტიმალური pH დიაპაზონებია შესაბამისად (8-9.2) და (6-8) (სურათი 5a), AA ფორმულირების ოპტიმალური pH მოსალოდნელია 8-ის ტოლი და ორივე pH დიაპაზონი ერთმანეთს ემთხვევა. ეს ფაქტი დადასტურდა ექსპერიმენტებით, როგორც ეს ნაჩვენებია სურათი 6d-ზე. ვინაიდან B. subtilis-ის ზრდისთვის ოპტიმალური pH არის 7-9 (სურათი 5b), ხოლო CoA ფერმენტის აქტივობისთვის ოპტიმალური pH არის 8-9.2, CaCO3-ის მაქსიმალური ნალექის მოსავლიანობა, სავარაუდოდ, იქნება pH-ის 8-9 დიაპაზონში, რასაც ადასტურებს სურათი 6d (ანუ ოპტიმალური ნალექის pH არის 9). სურათი 6e-ზე ნაჩვენები შედეგები მიუთითებს, რომ კალციუმის წყაროს ხსნარისა და ბაქტერიული ხსნარის ოპტიმალური თანაფარდობა არის 1 როგორც აცეტატის, ასევე ფორმატის ხსნარებისთვის. შედარებისთვის, სხვადასხვა ფორმულირების (ანუ AA, AS, FA და FS) ეფექტურობა შეფასდა CaCO3-ის მაქსიმალური წარმოების საფუძველზე სხვადასხვა პირობებში (ანუ კალციუმის წყაროს კონცენტრაცია, გამყარების დრო, OD, კალციუმის წყაროსა და ბაქტერიული ხსნარის თანაფარდობა და საწყისი pH). შესწავლილ ფორმულირებებს შორის, FS ფორმულას ჰქონდა CaCO3-ის ყველაზე მაღალი წარმოება, რაც დაახლოებით სამჯერ აღემატებოდა AA ფორმულას (სურათი 6f). კალციუმის ორივე წყაროსთვის ჩატარდა ოთხი ბაქტერიებისგან თავისუფალი საკონტროლო ექსპერიმენტი და 30 დღის შემდეგ CaCO3-ის ნალექი არ დაფიქსირებულა.
ყველა ფორმულირების ოპტიკური მიკროსკოპიის სურათებმა აჩვენა, რომ ვატერიტი იყო ძირითადი ფაზა, რომელშიც კალციუმის კარბონატი ყალიბდებოდა (სურათი 7). ვატერიტის კრისტალებს სფერული ფორმა ჰქონდათ69,70,71. აღმოჩნდა, რომ კალციუმის კარბონატი ბაქტერიულ უჯრედებზე დაილექა, რადგან ბაქტერიული უჯრედების ზედაპირი უარყოფითად დამუხტული იყო და შეეძლო ორვალენტიანი კათიონების ადსორბენტის ფუნქცია შეესრულებინა. ამ კვლევაში ფორმულირების FS-ის მაგალითის აღებით, 24 საათის შემდეგ, ზოგიერთ ბაქტერიულ უჯრედზე კალციუმის კარბონატი დაიწყო ფორმირება (სურათი 7ა), ხოლო 48 საათის შემდეგ, კალციუმის კარბონატით დაფარული ბაქტერიული უჯრედების რაოდენობა მნიშვნელოვნად გაიზარდა. გარდა ამისა, როგორც ნაჩვენებია სურათ 7ბ-ზე, ვატერიტის ნაწილაკების აღმოჩენაც შესაძლებელი გახდა. საბოლოოდ, 72 საათის შემდეგ, ბაქტერიების დიდი რაოდენობა, როგორც ჩანს, ვატერიტის კრისტალებით იყო შეკრული და ვატერიტის ნაწილაკების რაოდენობა მნიშვნელოვნად გაიზარდა (სურათი 7გ).
CaCO3-ის ნალექის ოპტიკური მიკროსკოპიული დაკვირვებები FS შემადგენლობებში დროთა განმავლობაში: (ა) 24, (ბ) 48 და (გ) 72 საათი.
ნალექის ფაზის მორფოლოგიის შემდგომი შესწავლის მიზნით, ჩატარდა ფხვნილების რენტგენის დიფრაქციული (XRD) და SEM ანალიზები. XRD სპექტრებმა (სურ. 8ა) და SEM მიკროგრაფებმა (სურ. 8ბ, გ) დაადასტურა ვატერიტის კრისტალების არსებობა, რადგან მათ სალათის ფურცლის მსგავსი ფორმა ჰქონდათ და დაფიქსირდა შესაბამისობა ვატერიტის პიკებსა და ნალექის პიკებს შორის.
(ა) წარმოქმნილი CaCO3-ისა და ვატერიტის რენტგენის დიფრაქციული სპექტრების შედარება. ვატერიტის SEM მიკროგრაფიები (ბ) 1 kHz და (გ) 5.27 kHz გადიდებით, შესაბამისად.
აეროდინამიკური გვირაბის ტესტების შედეგები ნაჩვენებია ნახაზ 9ა, ბ-ზე. ნახაზ 9ა-დან ჩანს, რომ დაუმუშავებელი ქვიშის ზღურბლის ეროზიის სიჩქარე (TDV) დაახლოებით 4.32 მ/წმ-ია. 1 ლ/მ² გამოყენების სიჩქარისას (სურათი 9ა), ნიადაგის დანაკარგის სიჩქარის ხაზების დახრილობა FA, FS, AA და UMC ფრაქციებისთვის დაახლოებით იგივეა, რაც დაუმუშავებელი დიუნისთვის. ეს მიუთითებს, რომ ამ გამოყენების სიჩქარით დამუშავება არაეფექტურია და როგორც კი ქარის სიჩქარე გადააჭარბებს TDV-ს, თხელი ნიადაგის ქერქი ქრება და დიუნის ეროზიის სიჩქარე იგივეა, რაც დაუმუშავებელი დიუნისთვის. AS ფრაქციის ეროზიის დახრილობა ასევე უფრო დაბალია, ვიდრე სხვა ფრაქციების, რომლებსაც უფრო დაბალი აბსცისები აქვთ (ანუ TDV) (სურათი 9ა). ნახაზ 9ბ-ზე ისრები მიუთითებს, რომ 25 მ/წმ მაქსიმალური ქარის სიჩქარისას, 2 და 3 ლ/მ² გამოყენების სიჩქარისას დამუშავებულ დიუნებში ეროზია არ მომხდარა. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, FS, FA, AS და UMC-სთვის დიუნები უფრო მდგრადი იყო CaCO³-ის დალექვით გამოწვეული ქარისმიერი ეროზიის მიმართ 2 და 3 ლ/მ² გამოყენების სიჩქარეების დროს, ვიდრე მაქსიმალური ქარის სიჩქარის დროს (ანუ 25 მ/წმ). ამრიგად, ამ ტესტებში მიღებული TDV მნიშვნელობა 25 მ/წმ წარმოადგენს ნახაზ 9ბ-ზე ნაჩვენები გამოყენების სიჩქარეების ქვედა ზღვარს, გარდა AA-ს შემთხვევისა, სადაც TDV თითქმის ტოლია ქარის გვირაბის მაქსიმალური სიჩქარისა.
ქარისმიერი ეროზიის ტესტი (ა) წონის დაკლება ქარის სიჩქარის მიმართ (გამოყენების სიჩქარე 1 ლ/მ2), (ბ) ზღურბლის მოხსნის სიჩქარე გამოყენების სიჩქარისა და ფორმულირების მიმართ (კალციუმის აცეტატისთვის CA, კალციუმის ფორმატისთვის CF).
სურათი 10 ასახავს ქვიშის დიუნების ზედაპირულ ეროზიას, რომლებიც დამუშავებულია სხვადასხვა ფორმულირებითა და გამოყენების სიჩქარით ქვიშის დაბომბვის ტესტის შემდეგ, ხოლო რაოდენობრივი შედეგები ნაჩვენებია სურათი 11-ში. დაუმუშავებელი შემთხვევა არ არის ნაჩვენები, რადგან მას არ გამოუვლენია წინააღმდეგობა და მთლიანად დაიშალა (მასის სრული დანაკარგი) ქვიშის დაბომბვის ტესტის დროს. სურათი 11-დან ნათლად ჩანს, რომ ბიოკომპოზიციით AA დამუშავებულმა ნიმუშმა დაკარგა წონის 83.5% 2 ლ/მ2 გამოყენებისას, მაშინ როდესაც ყველა სხვა ნიმუშმა აჩვენა 30%-ზე ნაკლები ეროზია ქვიშის დაბომბვის პროცესის დროს. როდესაც გამოყენების სიჩქარე გაიზარდა 3 ლ/მ2-მდე, ყველა დამუშავებულმა ნიმუშმა დაკარგა წონის 25%-ზე ნაკლები. ორივე გამოყენების სიჩქარით, ნაერთმა FS-მა აჩვენა საუკეთესო წინააღმდეგობა ქვიშის დაბომბვის მიმართ. FS და AA დამუშავებულ ნიმუშებში მაქსიმალური და მინიმალური დაბომბვის წინააღმდეგობა შეიძლება მივაწეროთ მათ მაქსიმალურ და მინიმალურ CaCO3 ნალექს (სურათი 6f).
სხვადასხვა შემადგენლობის ქვიშის დიუნების დაბომბვის შედეგები 2 და 3 ლ/მ2 ნაკადის სიჩქარით (ისრები მიუთითებს ქარის მიმართულებას, ჯვრები მიუთითებს ქარის მიმართულებას ნახაზის სიბრტყის პერპენდიკულარულად).
როგორც ნაჩვენებია ნახაზ 12-ში, ყველა ფორმულაში კალციუმის კარბონატის შემცველობა გაიზარდა გამოყენების სიჩქარის 1 ლ/მ²-დან 3 ლ/მ²-მდე გაზრდასთან ერთად. გარდა ამისა, ყველა გამოყენების სიჩქარის შემთხვევაში, კალციუმის კარბონატის ყველაზე მაღალი შემცველობის მქონე ფორმულა იყო FS, შემდეგ მოდიოდა FA და UMC. ეს იმაზე მიუთითებს, რომ ამ ფორმულებს შეიძლება უფრო მაღალი ზედაპირული წინააღმდეგობა ჰქონდეთ.
სურათი 13ა გვიჩვენებს დაუმუშავებელი, საკონტროლო და დამუშავებული ნიადაგის ნიმუშების ზედაპირული წინააღმდეგობის ცვლილებას, რომლებიც გაზომილია პერმემეტრის ტესტით. ამ სურათიდან ჩანს, რომ UMC, AS, FA და FS ფორმულირებების ზედაპირული წინააღმდეგობა მნიშვნელოვნად გაიზარდა გამოყენების სიჩქარის ზრდასთან ერთად. თუმცა, ზედაპირის სიმტკიცის ზრდა შედარებით მცირე იყო AA ფორმულირებაში. როგორც სურათიდან ჩანს, არაშარდოვანა-დეგრადირებული MICP-ის FA და FS ფორმულირებებს უკეთესი ზედაპირული გამტარობა აქვთ შარდოვანა-დეგრადირებულ MICP-თან შედარებით. სურათი 13ბ გვიჩვენებს ნიადაგის ზედაპირის წინააღმდეგობის ცვლილებას ნიადაგის ზედაპირის წინააღმდეგობასთან ერთად. ამ სურათიდან ნათლად ჩანს, რომ 100 კპა-ზე მეტი ზედაპირის წინააღმდეგობის მქონე დიუნებისთვის, ზღურბლის გაშიშვლების სიჩქარე 25 მ/წმ-ს გადააჭარბებს. ვინაიდან ადგილზე ზედაპირის წინააღმდეგობის გაზომვა ადვილად შეიძლება პერმემეტრით, ეს ცოდნა ხელს შეუწყობს TDV-ს შეფასებას აეროდინამიკური გვირაბის ტესტირების არარსებობის შემთხვევაში, რითაც ემსახურება ხარისხის კონტროლის ინდიკატორს საველე გამოყენებისთვის.
SEM-ის შედეგები ნაჩვენებია ნახაზ 14-ზე. ნახაზები 14a-b აჩვენებს დაუმუშავებელი ნიადაგის ნიმუშის გადიდებულ ნაწილაკებს, რაც ნათლად მიუთითებს, რომ ის შეკრულია და არ აქვს ბუნებრივი შეკავშირება ან ცემენტაცია. სურათი 14c გვიჩვენებს შარდოვანა-დეგრადირებული MICP-ით დამუშავებული საკონტროლო ნიმუშის SEM მიკროგრაფიას. ეს სურათი აჩვენებს CaCO3-ის ნალექების არსებობას კალციტის პოლიმორფების სახით. როგორც ნაჩვენებია ნახაზებზე 14d-o, დალექილი CaCO3 აკავშირებს ნაწილაკებს ერთმანეთთან; სფერული ვატერიტის კრისტალები ასევე შეიძლება იდენტიფიცირდეს SEM მიკროგრაფიებზე. ამ და წინა კვლევების შედეგები მიუთითებს, რომ ვატერიტის პოლიმორფების სახით წარმოქმნილ CaCO3 ბმებს ასევე შეუძლიათ უზრუნველყონ საკმარისი მექანიკური სიმტკიცე; ჩვენი შედეგები აჩვენებს, რომ ზედაპირის წინააღმდეგობა იზრდება 350 კპა-მდე და ზღურბლის გამოყოფის სიჩქარე იზრდება 4.32-დან 25 მ/წმ-ზე მეტამდე. ეს შედეგი თანხვედრაშია წინა კვლევების შედეგებთან, რომ MICP-ით დალექილი CaCO3-ის მატრიცა წარმოადგენს ვატერიტს, რომელსაც აქვს საკმარისად კარგი მექანიკური სიმტკიცე და ქარისმიერი ეროზიისადმი მდგრადობა13,40 და შეუძლია შეინარჩუნოს საკმარისად კარგი ქარისმიერი ეროზიისადმი მდგრადობა საველე გარემო პირობებთან 180-დღიანი ზემოქმედების შემდეგაც კი13.
(ა, ბ) დაუმუშავებელი ნიადაგის SEM მიკროგრაფიები, (გ) MICP შარდოვანას დეგრადაციის კონტროლი, (დფ) AA-ით დამუშავებული ნიმუშები, (გი) AS-ით დამუშავებული ნიმუშები, (ჯლ) FA-ით დამუშავებული ნიმუშები და (მო) FS-ით დამუშავებული ნიმუშები 3 ლ/მ2 გამოყენების სიჩქარით სხვადასხვა გადიდებით.
სურათი 14d-f გვიჩვენებს, რომ AA ნაერთებით დამუშავების შემდეგ, კალციუმის კარბონატი დაილექა ზედაპირზე და ქვიშის მარცვლებს შორის, ასევე დაფიქსირდა ზოგიერთი დაუფარავი ქვიშის მარცვალი. AS კომპონენტების შემთხვევაში, მიუხედავად იმისა, რომ წარმოქმნილი CaCO3-ის რაოდენობა მნიშვნელოვნად არ გაზრდილა (სურ. 6f), CaCO3-ით გამოწვეული ქვიშის მარცვლებს შორის კონტაქტების რაოდენობა მნიშვნელოვნად გაიზარდა AA ნაერთებთან შედარებით (სურ. 14g-i).
ნახაზებიდან 14j-l და 14m-o ნათლად ჩანს, რომ კალციუმის ფორმატის, როგორც კალციუმის წყაროს გამოყენება იწვევს CaCO3-ის ნალექის შემდგომ ზრდას AS ნაერთთან შედარებით, რაც შეესაბამება ნახაზ 6f-ზე მოცემულ კალციუმის მრიცხველის გაზომვებს. როგორც ჩანს, ეს დამატებითი CaCO3 ძირითადად ქვიშის ნაწილაკებზე ილექება და სულაც არ აუმჯობესებს კონტაქტის ხარისხს. ეს ადასტურებს ადრე დაკვირვებულ ქცევას: CaCO3-ის ნალექის რაოდენობაში არსებული განსხვავებების მიუხედავად (სურათი 6f), სამი ფორმულირება (AS, FA და FS) მნიშვნელოვნად არ განსხვავდება ანტიეოლური (ქარის) მახასიათებლების (სურათი 11) და ზედაპირის წინააღმდეგობის (სურათი 13ა) თვალსაზრისით.
CaCO3-ით დაფარული ბაქტერიული უჯრედებისა და დალექილ კრისტალებზე ბაქტერიული ანაბეჭდის უკეთ წარმოსაჩენად, გადაღებული იქნა მაღალი გადიდების SEM მიკროგრაფიები, რომელთა შედეგები ნაჩვენებია ნახაზ 15-ში. როგორც ნაჩვენებია, კალციუმის კარბონატი ილექება ბაქტერიულ უჯრედებზე და უზრუნველყოფს იქ დალექვისთვის საჭირო ბირთვებს. ნახაზზე ასევე გამოსახულია CaCO3-ით ინდუცირებული აქტიური და არააქტიური ბმები. შეიძლება დავასკვნათ, რომ არააქტიური ბმების ნებისმიერი ზრდა სულაც არ იწვევს მექანიკური ქცევის შემდგომ გაუმჯობესებას. ამიტომ, CaCO3-ის დალექვის გაზრდა სულაც არ იწვევს მექანიკური სიმტკიცის ზრდას და დალექვის ნიმუში მნიშვნელოვან როლს ასრულებს. ეს საკითხი ასევე შესწავლილია ტერზისისა და ლალუის72 და სოგისა და ალ-კაბანის45,73 ნაშრომებში. დალექვის ნიმუშსა და მექანიკურ სიმტკიცეს შორის ურთიერთობის შემდგომი შესწავლისთვის რეკომენდებულია MICP კვლევები µCT გამოსახულების გამოყენებით, რაც ამ კვლევის ფარგლებს სცილდება (ანუ, კალციუმის წყაროსა და ბაქტერიების სხვადასხვა კომბინაციების დანერგვა ამიაკისგან თავისუფალი MICP-ისთვის).
CaCO3-მა აქტიური და არააქტიური ბმები გამოიწვია (ა) AS შემადგენლობით და (ბ) FS შემადგენლობით დამუშავებულ ნიმუშებში და ნალექზე ბაქტერიული უჯრედების კვალი დატოვა.
როგორც ნაჩვენებია ნახაზებზე 14j-o და 15b, არსებობს CaCO3 ფენა (EDX ანალიზის მიხედვით, ფენაში თითოეული ელემენტის პროცენტული შემადგენლობაა ნახშირბადი 11%, ჟანგბადი 46.62% და კალციუმი 42.39%, რაც ძალიან ახლოსაა ნახაზ 16-ზე მოცემულ CaCO3-ის პროცენტულ მაჩვენებელთან). ეს ფენა ფარავს ვატერიტის კრისტალებს და ნიადაგის ნაწილაკებს, რაც ხელს უწყობს ნიადაგ-ნალექის სისტემის მთლიანობის შენარჩუნებას. ამ ფენის არსებობა დაფიქსირდა მხოლოდ ფორმატზე დაფუძნებული ფორმულირებით დამუშავებულ ნიმუშებში.
ცხრილი 2 ადარებს წინა და ამ კვლევებში შარდოვანას დამშლელი და არაშარდოვანას დამშლელი MICP გზებით დამუშავებულ ნიადაგებში ზედაპირის სიმტკიცეს, ზღურბლის აშრევების სიჩქარეს და ბიოინდუცირებულ CaCO3 შემცველობას. MICP-ით დამუშავებული დიუნების ნიმუშების ქარისმიერი ეროზიისადმი მდგრადობის შესახებ კვლევები შეზღუდულია. მენგმა და სხვებმა ფოთლების საბერველის გამოყენებით გამოიკვლიეს MICP-ით დამუშავებული შარდოვანას დამშლელი დიუნების ნიმუშების ქარისმიერი ეროზიისადმი მდგრადობა,13 მაშინ, როდესაც ამ კვლევაში შარდოვანას დამშლელი დიუნების ნიმუშები (ასევე შარდოვანას დამშლელი საკონტროლო ნიმუშები) გამოსცადეს აეროდინამიკურ გვირაბში და დამუშავდა ბაქტერიებისა და ნივთიერებების ოთხი განსხვავებული კომბინაციით.
როგორც ჩანს, ზოგიერთ წინა კვლევაში განხილული იყო 4 ლ/მ2-ზე მეტი მაღალი გამოყენების მაჩვენებლები. აღსანიშნავია, რომ მაღალი გამოყენების მაჩვენებლები ეკონომიკური თვალსაზრისით შესაძლოა ადვილად არ იყოს გამოყენებული საველე პირობებში წყალმომარაგებასთან, ტრანსპორტირებასთან და დიდი მოცულობის წყლის გამოყენებასთან დაკავშირებული ხარჯების გამო. უფრო დაბალი გამოყენების მაჩვენებლებით, როგორიცაა 1.62-2 ლ/მ2, ასევე მიღწეული იქნა საკმაოდ კარგი ზედაპირული სიმტკიცე 190 კპა-მდე და TDV 25 მ/წმ-ზე მეტი. ამ კვლევაში, ფორმატზე დაფუძნებული MICP-ით დამუშავებულმა დიუნებმა შარდოვანას დეგრადაციის გარეშე მიაღწიეს მაღალ ზედაპირულ სიმტკიცეს, რომელიც შედარებადი იყო შარდოვანას დეგრადაციის გზით მიღებულ ნიმუშებთან გამოყენების იმავე მაჩვენებლებით (ანუ, ფორმატზე დაფუძნებული MICP-ით დამუშავებულმა ნიმუშებმა შარდოვანას დეგრადაციის გარეშე ასევე შეძლეს ზედაპირის სიმტკიცის იგივე დიაპაზონის მიღწევა, როგორც ეს აღწერილია მენგის და სხვ., 13, სურათი 13ა) უფრო მაღალი გამოყენების მაჩვენებლებით. ასევე ჩანს, რომ 2 ლ/მ2 გამოყენების სიჩქარის შემთხვევაში, კალციუმის კარბონატის გამოსავლიანობა ქარის ეროზიის შესარბილებლად 25 მ/წმ ქარის სიჩქარით იყო 2.25% ფორმატზე დაფუძნებული MICP-ისთვის შარდოვანას დეგრადაციის გარეშე, რაც ძალიან ახლოსაა CaCO3-ის საჭირო რაოდენობასთან (ანუ 2.41%), იმავე გამოყენების სიჩქარით და იგივე ქარის სიჩქარით (25 მ/წმ) შარდოვანას დეგრადაციის მქონე საკონტროლო MICP-ით დამუშავებულ დიუნებთან შედარებით.
ამგვარად, ამ ცხრილიდან შეიძლება დავასკვნათ, რომ როგორც შარდოვანას დეგრადაციის გზას, ასევე შარდოვანას გარეშე დეგრადაციის გზას შეუძლია უზრუნველყოს საკმაოდ მისაღები მაჩვენებლები ზედაპირის წინააღმდეგობისა და TDV-ის თვალსაზრისით. მთავარი განსხვავება ისაა, რომ შარდოვანას გარეშე დეგრადაციის გზა არ შეიცავს ამიაკს და შესაბამისად, უფრო დაბალი ზემოქმედება აქვს გარემოზე. გარდა ამისა, ამ კვლევაში შემოთავაზებული ფორმატზე დაფუძნებული MICP მეთოდი შარდოვანას დეგრადაციის გარეშე, როგორც ჩანს, უკეთესად მუშაობს, ვიდრე აცეტატზე დაფუძნებული MICP მეთოდი შარდოვანას დეგრადაციის გარეშე. მიუხედავად იმისა, რომ მოჰები და სხვებმა შეისწავლეს აცეტატზე დაფუძნებული MICP მეთოდი შარდოვანას დეგრადაციის გარეშე, მათ კვლევაში შედიოდა ნიმუშები ბრტყელ ზედაპირებზე9. დიუნის ნიმუშების გარშემო მორევების წარმოქმნით გამოწვეული ეროზიის უფრო მაღალი ხარისხის და შედეგად მიღებული ძვრის გამო, რაც იწვევს TDV-ის დაბალ დონეს, დიუნის ნიმუშების ქარისმიერი ეროზია, სავარაუდოდ, უფრო აშკარა იქნება, ვიდრე იმავე სიჩქარით ბრტყელ ზედაპირებზე.