nature.com ला भेट दिल्याबद्दल धन्यवाद. तुम्ही वापरत असलेल्या ब्राउझर आवृत्तीला मर्यादित CSS सपोर्ट आहे. सर्वोत्तम अनुभवासाठी, आम्ही शिफारस करतो की तुम्ही नवीनतम ब्राउझर आवृत्ती वापरा (किंवा इंटरनेट एक्सप्लोररमध्ये सुसंगतता मोड बंद करा). याव्यतिरिक्त, सतत सपोर्ट सुनिश्चित करण्यासाठी, या साइटमध्ये शैली किंवा JavaScript समाविष्ट नसेल.
शेती, मानवी आरोग्य, वाहतूक नेटवर्क आणि पायाभूत सुविधांवर होणाऱ्या विनाशकारी परिणामांमुळे धुळीच्या वादळांमुळे जगभरातील अनेक देशांना गंभीर धोका निर्माण होतो. परिणामी, वाऱ्याची धूप ही जागतिक समस्या मानली जाते. वाऱ्याची धूप रोखण्यासाठी पर्यावरणपूरक पद्धतींपैकी एक म्हणजे सूक्ष्मजीव प्रेरित कार्बोनेट अवक्षेपण (MICP) वापरणे. तथापि, युरिया-डिग्रेडेशन-आधारित MICP चे उप-उत्पादने, जसे की अमोनिया, मोठ्या प्रमाणात उत्पादित केल्यावर आदर्श नसतात. हा अभ्यास युरिया उत्पादन न करता MICP च्या क्षीणतेसाठी कॅल्शियम फॉर्मेट बॅक्टेरियाचे दोन फॉर्म्युलेशन सादर करतो आणि अमोनिया-उत्पादक नसलेल्या कॅल्शियम एसीटेट बॅक्टेरियाच्या दोन फॉर्म्युलेशनशी त्यांच्या कामगिरीची व्यापक तुलना करतो. विचारात घेतलेले बॅक्टेरिया म्हणजे बॅसिलस सबटिलिस आणि बॅसिलस अमायलोलिकेफेसियन्स. प्रथम, CaCO3 निर्मिती नियंत्रित करणाऱ्या घटकांची अनुकूलित मूल्ये निश्चित केली गेली. त्यानंतर अनुकूलित फॉर्म्युलेशनसह उपचार केलेल्या वाळूच्या ढिगाऱ्याच्या नमुन्यांवर पवन बोगदा चाचण्या घेण्यात आल्या आणि वाऱ्याची धूप प्रतिरोधकता, स्ट्रिपिंग थ्रेशोल्ड वेग आणि वाळूचा भडिमार प्रतिकार मोजण्यात आला. ऑप्टिकल मायक्रोस्कोपी, स्कॅनिंग इलेक्ट्रॉन मायक्रोस्कोपी (SEM) आणि एक्स-रे डिफ्रॅक्शन विश्लेषण वापरून कॅल्शियम कार्बोनेट (CaCO3) अ‍ॅलोमॉर्फ्सचे मूल्यांकन करण्यात आले. कॅल्शियम कार्बोनेट निर्मितीच्या बाबतीत कॅल्शियम फॉर्मेट-आधारित फॉर्म्युलेशन्सने एसीटेट-आधारित फॉर्म्युलेशन्सपेक्षा लक्षणीयरीत्या चांगले प्रदर्शन केले. याव्यतिरिक्त, बी. सबटिलिसने बी. अमायलोलिकेफेसियन्सपेक्षा जास्त कॅल्शियम कार्बोनेट तयार केले. एसईएम मायक्रोग्राफ्समध्ये सेडिमेंटेशनमुळे कॅल्शियम कार्बोनेटवर सक्रिय आणि निष्क्रिय बॅक्टेरियाचे बंधन आणि छाप स्पष्टपणे दिसून आली. सर्व फॉर्म्युलेशन्सने वाऱ्याची धूप लक्षणीयरीत्या कमी केली.
नैऋत्य अमेरिका, पश्चिम चीन, सहारा आफ्रिका आणि मध्य पूर्वेचा बराचसा भाग यासारख्या शुष्क आणि अर्ध-शुष्क प्रदेशांना तोंड देणारी एक मोठी समस्या म्हणून वाऱ्याची धूप ही फार पूर्वीपासून ओळखली जात आहे. शुष्क आणि अति-शुष्क हवामानात कमी पावसामुळे या प्रदेशांचा मोठा भाग वाळवंट, वाळूचे ढिगारे आणि शेती नसलेल्या जमिनीत रूपांतरित झाला आहे. सतत वाऱ्याची धूप वाहतूक नेटवर्क, शेतीची जमीन आणि औद्योगिक जमीन यासारख्या पायाभूत सुविधांना पर्यावरणीय धोका निर्माण करते, ज्यामुळे या प्रदेशांमध्ये राहणीमानाची परिस्थिती खराब होते आणि शहरी विकासाचा खर्च जास्त येतो. महत्त्वाचे म्हणजे, वाऱ्याची धूप केवळ ती जिथे होते त्या ठिकाणीच परिणाम करत नाही तर दुर्गम समुदायांमध्ये आरोग्य आणि आर्थिक समस्या देखील निर्माण करते कारण ती वाऱ्याद्वारे कण स्त्रोतापासून दूर असलेल्या भागात वाहून नेते5,6.
वाऱ्यामुळे होणारी धूप नियंत्रण ही एक जागतिक समस्या आहे. वाऱ्यामुळे होणारी धूप नियंत्रित करण्यासाठी माती स्थिरीकरणाच्या विविध पद्धती वापरल्या जातात. या पद्धतींमध्ये पाणी वापर 7, तेल आच्छादन 8, बायोपॉलिमर 5, सूक्ष्मजीव प्रेरित कार्बोनेट अवक्षेपण (MICP) 9,10,11,12 आणि एन्झाइम प्रेरित कार्बोनेट अवक्षेपण (EICP) 1 सारख्या पदार्थांचा समावेश आहे. माती ओली करणे ही शेतात धूळ दाबण्याची एक मानक पद्धत आहे. तथापि, त्याचे जलद बाष्पीभवन ही पद्धत शुष्क आणि अर्ध-शुष्क प्रदेशांमध्ये मर्यादित प्रभावी बनवते. तेल आच्छादन संयुगे वापरल्याने वाळूचे एकसंधता आणि आंतरकण घर्षण वाढते. त्यांचा एकसंध गुणधर्म वाळूचे कण एकत्र बांधतो; तथापि, तेल आच्छादन इतर समस्या देखील निर्माण करते; त्यांचा गडद रंग उष्णता शोषण वाढवतो आणि वनस्पती आणि सूक्ष्मजीवांचा मृत्यू होतो. त्यांचा वास आणि धुके श्वसनाच्या समस्या निर्माण करू शकतात आणि सर्वात महत्त्वाचे म्हणजे, त्यांची उच्च किंमत ही आणखी एक अडथळा आहे. वाऱ्यामुळे होणारी धूप कमी करण्यासाठी बायोपॉलिमर हे अलिकडेच प्रस्तावित केलेल्या पर्यावरणपूरक पद्धतींपैकी एक आहेत; ते वनस्पती, प्राणी आणि जीवाणू यासारख्या नैसर्गिक स्रोतांमधून काढले जातात. अभियांत्रिकी अनुप्रयोगांमध्ये झेंथन गम, ग्वार गम, चिटोसन आणि जेलन गम हे सर्वात जास्त वापरले जाणारे बायोपॉलिमर आहेत. तथापि, पाण्यात विरघळणारे बायोपॉलिमर पाण्याच्या संपर्कात आल्यावर त्यांची ताकद कमी होऊ शकते आणि मातीतून बाहेर पडू शकते13,14. कच्चे रस्ते, शेपटी तलाव आणि बांधकाम स्थळांसह विविध अनुप्रयोगांसाठी EICP ही एक प्रभावी धूळ दाबण्याची पद्धत असल्याचे दर्शविले गेले आहे. जरी त्याचे परिणाम उत्साहवर्धक असले तरी, काही संभाव्य तोटे विचारात घेतले पाहिजेत, जसे की किंमत आणि न्यूक्लिएशन साइट्सचा अभाव (ज्यामुळे CaCO3 क्रिस्टल्सची निर्मिती आणि वर्षाव वेगवान होतो15,16).
१९ व्या शतकाच्या उत्तरार्धात मरे आणि इर्विन (१८९०) आणि स्टाइनमन (१९०१) यांनी सागरी सूक्ष्मजीवांद्वारे युरियाच्या ऱ्हासाच्या अभ्यासात एमआयसीपीचे वर्णन केले होते. एमआयसीपी ही एक नैसर्गिकरित्या घडणारी जैविक प्रक्रिया आहे ज्यामध्ये विविध सूक्ष्मजीव क्रियाकलाप आणि रासायनिक प्रक्रियांचा समावेश आहे ज्यामध्ये वातावरणातील कॅल्शियम आयनांसह सूक्ष्मजीव चयापचयांमधील कार्बोनेट आयनच्या अभिक्रियेद्वारे कॅल्शियम कार्बोनेटचे अवक्षेपण होते. यूरिया-अव्युत्पन्न नायट्रोजन चक्र (यूरिया-अव्युत्पन्न एमआयसीपी) चा समावेश असलेला एमआयसीपी हा सर्वात सामान्य प्रकारचा सूक्ष्मजीव-प्रेरित कार्बोनेट अवक्षेपण आहे, ज्यामध्ये बॅक्टेरियाद्वारे उत्पादित यूरिया २०,२१,२२,२३,२४,२५,२६,२७ च्या हायड्रोलिसिसला खालीलप्रमाणे उत्प्रेरित करते:
सेंद्रिय मीठ ऑक्सिडेशनच्या कार्बन चक्राचा समावेश असलेल्या MICP मध्ये (युरिया डिग्रेडेशन प्रकाराशिवाय MICP), हेटेरोट्रॉफिक बॅक्टेरिया कार्बोनेट खनिजे तयार करण्यासाठी ऊर्जा स्रोत म्हणून एसीटेट, लॅक्टेट, सायट्रेट, सक्सीनेट, ऑक्सलेट, मॅलेट आणि ग्लायऑक्सिलेट सारख्या सेंद्रिय क्षारांचा वापर करतात. कार्बन स्रोत म्हणून कॅल्शियम लॅक्टेट आणि कॅल्शियम आयनच्या उपस्थितीत, कॅल्शियम कार्बोनेट निर्मितीची रासायनिक प्रतिक्रिया समीकरण (5) मध्ये दर्शविली आहे.
एमआयसीपी प्रक्रियेत, बॅक्टेरिया पेशी कॅल्शियम कार्बोनेटच्या अवक्षेपणासाठी विशेषतः महत्त्वाच्या असलेल्या न्यूक्लिएशन साइट्स प्रदान करतात; बॅक्टेरिया पेशीचा पृष्ठभाग नकारात्मक चार्ज केलेला असतो आणि कॅल्शियम आयन सारख्या द्विभाजक केशन्ससाठी शोषक म्हणून काम करू शकतो. कॅल्शियम आयनांना बॅक्टेरिया पेशींवर शोषून घेतल्याने, जेव्हा कार्बोनेट आयनची सांद्रता पुरेशी असते, तेव्हा कॅल्शियम केशन्स आणि कार्बोनेट आयन प्रतिक्रिया देतात आणि कॅल्शियम कार्बोनेट बॅक्टेरियाच्या पृष्ठभागावर अवक्षेपित होते29,30. प्रक्रिया खालीलप्रमाणे सारांशित केली जाऊ शकते31,32:
जैवनिर्मित कॅल्शियम कार्बोनेट क्रिस्टल्स तीन प्रकारांमध्ये विभागले जाऊ शकतात: कॅल्साइट, व्हॅटराइट आणि अरागोनाइट. त्यापैकी, कॅल्साइट आणि व्हॅटराइट हे सर्वात सामान्य जीवाणूजन्य प्रेरित कॅल्शियम कार्बोनेट अॅलोमॉर्फ्स आहेत33,34. कॅल्साइट हे सर्वात थर्मोडायनामिकली स्थिर कॅल्शियम कार्बोनेट अॅलोमॉर्फ आहे35. जरी व्हॅटराइट मेटास्टेबल असल्याचे नोंदवले गेले असले तरी, ते अखेरीस कॅल्साइटमध्ये रूपांतरित होते36,37. व्हॅटराइट हे या क्रिस्टल्सपैकी सर्वात घन आहे. हे एक षटकोनी क्रिस्टल आहे ज्यामध्ये मोठ्या आकारामुळे इतर कॅल्शियम कार्बोनेट क्रिस्टल्सपेक्षा चांगले छिद्र भरण्याची क्षमता आहे38. युरिया-डिग्रेडेड आणि युरिया-डिग्रेडेड MICP दोन्ही व्हॅटराइटच्या वर्षावास कारणीभूत ठरू शकतात13,39,40,41.
जरी MICP ने समस्याग्रस्त माती आणि वाऱ्याच्या क्षरणास संवेदनशील असलेल्या माती स्थिर करण्यात आशादायक क्षमता दर्शविली आहे42,43,44,45,46,47,48, युरिया हायड्रोलिसिसच्या उप-उत्पादनांपैकी एक म्हणजे अमोनिया, ज्यामुळे संपर्काच्या पातळीनुसार सौम्य ते गंभीर आरोग्य समस्या उद्भवू शकतात49. या दुष्परिणामामुळे या विशिष्ट तंत्रज्ञानाचा वापर वादग्रस्त बनतो, विशेषतः जेव्हा मोठ्या क्षेत्रांवर प्रक्रिया करणे आवश्यक असते, जसे की धूळ दाबण्यासाठी. याव्यतिरिक्त, जेव्हा प्रक्रिया उच्च अनुप्रयोग दराने आणि मोठ्या प्रमाणात केली जाते तेव्हा अमोनियाचा वास असह्य होतो, ज्यामुळे त्याच्या व्यावहारिक वापरावर परिणाम होऊ शकतो. जरी अलिकडच्या अभ्यासातून असे दिसून आले आहे की अमोनियम आयन स्ट्रुवाइट सारख्या इतर उत्पादनांमध्ये रूपांतरित करून कमी केले जाऊ शकतात, परंतु या पद्धती अमोनियम आयन पूर्णपणे काढून टाकत नाहीत50. म्हणूनच, अमोनियम आयन निर्माण न करणारे पर्यायी उपाय शोधण्याची अजूनही आवश्यकता आहे. MICP साठी नॉन-युरिया डिग्रेडेशन मार्गांचा वापर एक संभाव्य उपाय प्रदान करू शकतो जो वाऱ्याच्या क्षरण कमी करण्याच्या संदर्भात खराबपणे शोधला गेला आहे. फत्ताही आणि इतर. कॅल्शियम एसीटेट आणि बॅसिलस मेगाटेरियम वापरून युरिया-मुक्त एमआयसीपी डिग्रेडेशनचा अभ्यास केला, तर मोहेब्बी आणि इतरांनी कॅल्शियम एसीटेट आणि बॅसिलस अमायलोलिकेफेसिएन्स9 वापरले. तथापि, त्यांच्या अभ्यासाची तुलना इतर कॅल्शियम स्रोतांशी आणि हेटेरोट्रॉफिक बॅक्टेरियाशी केली गेली नाही जे शेवटी वाऱ्याच्या क्षरण प्रतिकारशक्तीमध्ये सुधारणा करू शकतात. वाऱ्याच्या क्षरण कमी करण्यासाठी युरिया-मुक्त डिग्रेडेशन मार्गांची युरिया डिग्रेडेशन मार्गांशी तुलना करणारे साहित्य देखील कमी आहे.
याव्यतिरिक्त, बहुतेक वारा धूप आणि धूळ नियंत्रण अभ्यास सपाट पृष्ठभाग असलेल्या मातीच्या नमुन्यांवर केले गेले आहेत.१,५१,५२,५३ तथापि, सपाट पृष्ठभाग निसर्गात टेकड्या आणि खाडींपेक्षा कमी सामान्य आहेत. म्हणूनच वाळवंटातील प्रदेशांमध्ये वाळूचे ढिगारे हे सर्वात सामान्य लँडस्केप वैशिष्ट्य आहे.
वर उल्लेख केलेल्या कमतरतांवर मात करण्यासाठी, या अभ्यासाचा उद्देश अमोनिया निर्माण न करणाऱ्या बॅक्टेरिया घटकांचा एक नवीन संच सादर करणे हा होता. या उद्देशासाठी, आम्ही युरिया कमी करणारे एमआयसीपी मार्ग विचारात घेतले. दोन कॅल्शियम स्रोतांची (कॅल्शियम फॉर्मेट आणि कॅल्शियम एसीटेट) कार्यक्षमता तपासण्यात आली. लेखकांच्या माहितीनुसार, दोन कॅल्शियम स्रोत आणि बॅक्टेरिया संयोजनांचा वापर करून कार्बोनेट अवक्षेपण (म्हणजेच कॅल्शियम फॉर्मेट-बॅसिलस सबटिलिस आणि कॅल्शियम फॉर्मेट-बॅसिलस अमायलोलिकेफेसियन्स) मागील अभ्यासांमध्ये तपासण्यात आलेला नाही. या बॅक्टेरियाची निवड त्यांनी तयार केलेल्या एन्झाईमवर आधारित होती जे कॅल्शियम फॉर्मेट आणि कॅल्शियम एसीटेटचे ऑक्सिडेशन उत्प्रेरित करून सूक्ष्मजीव कार्बोनेट अवक्षेपण तयार करतात. आम्ही पीएच, बॅक्टेरिया आणि कॅल्शियम स्रोतांचे प्रकार आणि त्यांची सांद्रता, बॅक्टेरियाचे कॅल्शियम स्रोत द्रावणाशी गुणोत्तर आणि बरा होण्याचा वेळ यासारखे इष्टतम घटक शोधण्यासाठी एक सखोल प्रायोगिक अभ्यास तयार केला. शेवटी, कॅल्शियम कार्बोनेट पर्जन्यवृष्टीद्वारे वाऱ्याची झीज रोखण्यासाठी या जीवाणू घटकांच्या संचाची प्रभावीता वाळूच्या ढिगाऱ्यांवर पवन बोगद्याच्या चाचण्यांच्या मालिकेद्वारे तपासण्यात आली, ज्यामुळे वाळूचा वारा झीज परिमाण, थ्रेशोल्ड ब्रेकअवे वेग आणि वारा बॉम्बस्फोट प्रतिकार निश्चित केला गेला आणि पेनेट्रोमीटर मोजमाप आणि सूक्ष्म संरचनात्मक अभ्यास (उदा. एक्स-रे डिफ्रॅक्शन (XRD) विश्लेषण आणि स्कॅनिंग इलेक्ट्रॉन मायक्रोस्कोपी (SEM)) देखील केले गेले.
कॅल्शियम कार्बोनेट उत्पादनासाठी कॅल्शियम आयन आणि कार्बोनेट आयन आवश्यक असतात. कॅल्शियम क्लोराईड, कॅल्शियम हायड्रॉक्साईड आणि स्किम मिल्क पावडर सारख्या विविध कॅल्शियम स्रोतांमधून कॅल्शियम आयन मिळवता येतात54,55. कार्बोनेट आयन युरिया हायड्रोलिसिस आणि सेंद्रिय पदार्थांचे एरोबिक किंवा अॅनारोबिक ऑक्सिडेशन सारख्या विविध सूक्ष्मजीव पद्धतींनी तयार केले जाऊ शकतात56. या अभ्यासात, फॉर्मेट आणि एसीटेटच्या ऑक्सिडेशन अभिक्रियेतून कार्बोनेट आयन मिळवले गेले. याव्यतिरिक्त, आम्ही शुद्ध कॅल्शियम कार्बोनेट तयार करण्यासाठी फॉर्मेट आणि एसीटेटच्या कॅल्शियम क्षारांचा वापर केला, अशा प्रकारे उप-उत्पादने म्हणून फक्त CO2 आणि H2O मिळाले. या प्रक्रियेत, फक्त एकच पदार्थ कॅल्शियम स्रोत आणि कार्बोनेट स्रोत म्हणून काम करतो आणि अमोनिया तयार होत नाही. या वैशिष्ट्यांमुळे कॅल्शियम स्रोत आणि कार्बोनेट उत्पादन पद्धत खूप आशादायक मानली जाते.
कॅल्शियम फॉर्मेट आणि कॅल्शियम अ‍ॅसीटेटच्या कॅल्शियम कार्बोनेट तयार करण्यासाठीच्या संबंधित अभिक्रिया सूत्रे (7)-(14) मध्ये दाखवल्या आहेत. सूत्रे (7)-(11) दर्शवितात की कॅल्शियम फॉर्मेट पाण्यात विरघळून फॉर्मिक अॅसिड किंवा फॉर्मेट तयार होते. अशा प्रकारे द्रावण मुक्त कॅल्शियम आणि हायड्रॉक्साइड आयनचा स्रोत आहे (सूत्रे 8 आणि 9). फॉर्मिक अॅसिडच्या ऑक्सिडेशनच्या परिणामी, फॉर्मिक अॅसिडमधील कार्बन अणू कार्बन डायऑक्साइडमध्ये रूपांतरित होतात (सूत्रे 10). कॅल्शियम कार्बोनेट शेवटी तयार होते (सूत्रे 11 आणि 12).
त्याचप्रमाणे, कॅल्शियम कार्बोनेट कॅल्शियम अ‍ॅसीटेटपासून तयार होते (समीकरण १३-१५), परंतु फॉर्मिक अ‍ॅसिडऐवजी अ‍ॅसिटिक अ‍ॅसिड किंवा अ‍ॅसीटेट तयार होते.
एन्झाईम्सच्या उपस्थितीशिवाय, खोलीच्या तापमानाला एसीटेट आणि फॉर्मेटचे ऑक्सिडायझेशन करता येत नाही. FDH (फॉर्मेट डिहायड्रोजनेज) आणि CoA (कोएंझाइम A) अनुक्रमे कार्बन डायऑक्साइड तयार करण्यासाठी फॉर्मेट आणि एसीटेटचे ऑक्सिडेशन उत्प्रेरित करतात (समीकरण 16, 17) 57, 58, 59. विविध जीवाणू हे एन्झाईम्स तयार करण्यास सक्षम आहेत आणि हेटेरोट्रॉफिक जीवाणू, म्हणजे बॅसिलस सबटिलिस (PTCC #1204 (पर्शियन टाइप कल्चर कलेक्शन), ज्याला NCIMB #13061 (इंटरनॅशनल कलेक्शन ऑफ बॅक्टेरिया, यीस्ट, फेज, प्लाझमिड्स, प्लांट सीड्स अँड प्लांट सेल टिश्यू कल्चर्स)) आणि बॅसिलस अमायलोलिकेफेसियन्स (PTCC #1732, NCIMB #12077) म्हणून देखील ओळखले जाते, या अभ्यासात वापरले गेले. हे जीवाणू मांस पेप्टोन (5 ग्रॅम/लीटर) आणि मांस अर्क (3 ग्रॅम/लीटर) असलेल्या माध्यमात संवर्धित केले गेले, ज्याला पोषक ब्रॉथ (NBR) (105443 मर्क) म्हणतात.
अशाप्रकारे, दोन कॅल्शियम स्रोत आणि दोन जीवाणू वापरून कॅल्शियम कार्बोनेट अवक्षेपण प्रेरित करण्यासाठी चार फॉर्म्युलेशन तयार केले गेले: कॅल्शियम फॉर्मेट आणि बॅसिलस सबटिलिस (FS), कॅल्शियम फॉर्मेट आणि बॅसिलस अमायलोलिकेफेसियन्स (FA), कॅल्शियम अ‍ॅसीटेट आणि बॅसिलस सबटिलिस (AS), आणि कॅल्शियम अ‍ॅसीटेट आणि बॅसिलस अमायलोलिकेफेसियन्स (AA).
प्रायोगिक डिझाइनच्या पहिल्या भागात, जास्तीत जास्त कॅल्शियम कार्बोनेट उत्पादन साध्य करण्यासाठी इष्टतम संयोजन निश्चित करण्यासाठी चाचण्या घेण्यात आल्या. मातीच्या नमुन्यांमध्ये कॅल्शियम कार्बोनेट असल्याने, वेगवेगळ्या संयोजनांद्वारे उत्पादित CaCO3 अचूकपणे मोजण्यासाठी प्राथमिक मूल्यांकन चाचण्यांचा एक संच तयार करण्यात आला आणि कल्चर माध्यम आणि कॅल्शियम स्रोत द्रावणांचे मिश्रण मूल्यांकन करण्यात आले. वर परिभाषित केलेल्या कॅल्शियम स्रोत आणि बॅक्टेरिया द्रावणाच्या प्रत्येक संयोजनासाठी (FS, FA, AS, आणि AA), ऑप्टिमायझेशन घटक (कॅल्शियम स्रोत एकाग्रता, क्युरिंग वेळ, द्रावणाच्या ऑप्टिकल घनतेद्वारे मोजलेले बॅक्टेरिया द्रावण एकाग्रता (OD), कॅल्शियम स्रोत ते बॅक्टेरिया द्रावण गुणोत्तर आणि pH) काढले गेले आणि खालील विभागांमध्ये वर्णन केलेल्या वाळूच्या ढिगाऱ्यावरील उपचार पवन बोगद्याच्या चाचण्यांमध्ये वापरले गेले.
प्रत्येक संयोजनासाठी, CaCO3 वर्षावाच्या परिणामाचा अभ्यास करण्यासाठी आणि कॅल्शियम स्रोत एकाग्रता, बरा करण्याचा वेळ, बॅक्टेरियाचे OD मूल्य, कॅल्शियम स्रोत ते बॅक्टेरिया द्रावण प्रमाण आणि सेंद्रिय पदार्थांच्या एरोबिक ऑक्सिडेशन दरम्यान pH यासारख्या विविध घटकांचे मूल्यांकन करण्यासाठी 150 प्रयोग केले गेले (तक्ता 1). जलद वाढ मिळविण्यासाठी बॅसिलस सबटिलिस आणि बॅसिलस अमायलोलिकेफेसियन्सच्या वाढीच्या वक्रांवर आधारित अनुकूलित प्रक्रियेसाठी pH श्रेणी निवडली गेली. हे परिणाम विभागात अधिक तपशीलवार स्पष्ट केले आहे.
ऑप्टिमायझेशन टप्प्यासाठी नमुने तयार करण्यासाठी खालील पायऱ्या वापरण्यात आल्या. कल्चर माध्यमाचा प्रारंभिक pH समायोजित करून MICP द्रावण प्रथम तयार केले गेले आणि नंतर 121 °C वर 15 मिनिटांसाठी ऑटोक्लेव्ह केले गेले. नंतर स्ट्रेनला लॅमिनार एअर फ्लोमध्ये टोचले गेले आणि 30 °C आणि 180 rpm वर थरथरणाऱ्या इनक्यूबेटरमध्ये ठेवले गेले. एकदा बॅक्टेरियाचा OD इच्छित पातळीपर्यंत पोहोचला की, ते इच्छित प्रमाणात कॅल्शियम स्त्रोत द्रावणात मिसळले गेले (आकृती 1a). लक्ष्य मूल्यापर्यंत पोहोचण्यासाठी 220 rpm आणि 30 °C वर थरथरणाऱ्या इनक्यूबेटरमध्ये MICP द्रावणाला प्रतिक्रिया आणि घनता येऊ दिली गेली. 6000 ग्रॅमवर ​​5 मिनिटांसाठी सेंट्रीफ्यूगेशन केल्यानंतर अवक्षेपित CaCO3 वेगळे केले गेले आणि नंतर कॅल्सीमीटर चाचणीसाठी नमुने तयार करण्यासाठी 40 °C वर वाळवले गेले (आकृती 1b). त्यानंतर बर्नार्ड कॅल्सीमीटर वापरून CaCO3 चे अवक्षेपण मोजण्यात आले, जिथे CaCO3 पावडर 1.0 N HCl (ASTM-D4373-02) सह प्रतिक्रिया देऊन CO2 तयार करते आणि या वायूचे आकारमान CaCO3 सामग्रीचे मोजमाप आहे (आकृती 1c). CO2 चे आकारमान CaCO3 सामग्रीमध्ये रूपांतरित करण्यासाठी, शुद्ध CaCO3 पावडर 1 N HCl ने धुवून आणि उत्क्रांत CO2 विरुद्ध प्लॉट करून एक कॅलिब्रेशन वक्र तयार करण्यात आला. SEM इमेजिंग आणि XRD विश्लेषण वापरून अवक्षेपित CaCO3 पावडरचे आकारविज्ञान आणि शुद्धता तपासण्यात आली. बॅक्टेरियाभोवती कॅल्शियम कार्बोनेटची निर्मिती, तयार झालेल्या कॅल्शियम कार्बोनेटचा टप्पा आणि बॅक्टेरियाची क्रिया यांचा अभ्यास करण्यासाठी 1000 च्या विस्तारासह ऑप्टिकल मायक्रोस्कोपचा वापर करण्यात आला.
इराणच्या नैऋत्य फार्स प्रांतातील देजेघ बेसिन हा एक सुप्रसिद्ध अत्यंत धूप झालेला प्रदेश आहे आणि संशोधकांनी या भागातून वाऱ्याने धूप झालेल्या मातीचे नमुने गोळा केले. अभ्यासासाठी मातीच्या पृष्ठभागावरून नमुने घेण्यात आले. मातीच्या नमुन्यांवरील निर्देशक चाचण्यांमधून असे दिसून आले की माती गाळाने खराब पद्धतीने वर्गीकृत केलेली वालुकामय माती होती आणि युनिफाइड सॉइल क्लासिफिकेशन सिस्टम (USC) (आकृती 2a) नुसार SP-SM म्हणून वर्गीकृत केली गेली होती. XRD विश्लेषणातून असे दिसून आले की देजेघ माती प्रामुख्याने कॅल्साइट आणि क्वार्ट्जपासून बनलेली होती (आकृती 2b). याव्यतिरिक्त, EDX विश्लेषणातून असे दिसून आले की Al, K आणि Fe सारखे इतर घटक देखील कमी प्रमाणात उपस्थित होते.
वाऱ्याच्या धूप चाचणीसाठी प्रयोगशाळेतील ढिगारे तयार करण्यासाठी, माती १७० मिमी उंचीपासून १० मिमी व्यासाच्या फनेलद्वारे एका मजबूत पृष्ठभागावर चिरडण्यात आली, ज्यामुळे ६० मिमी उंची आणि २१० मिमी व्यासाचा एक सामान्य ढिगारा तयार झाला. निसर्गात, सर्वात कमी घनतेचे वाळूचे ढिगारे एओलियन प्रक्रियेद्वारे तयार होतात. त्याचप्रमाणे, वरील प्रक्रियेचा वापर करून तयार केलेल्या नमुन्यात सर्वात कमी सापेक्ष घनता, γ = १४.१४ kN/m³ होती, ज्यामुळे आडव्या पृष्ठभागावर सुमारे २९.७° विश्रांती कोन असलेला वाळूचा शंकू तयार झाला.
मागील विभागात मिळालेले इष्टतम MICP द्रावण 1, 2 आणि 3 lm-2 च्या अनुप्रयोग दराने ढिगाऱ्याच्या उतारावर फवारले गेले आणि नंतर नमुने 30 °C (आकृती 3) वर 9 दिवसांसाठी (म्हणजे इष्टतम बरा होण्याचा वेळ) इनक्यूबेटरमध्ये साठवले गेले आणि नंतर पवन बोगदा चाचणीसाठी बाहेर काढले गेले.
प्रत्येक उपचारासाठी, चार नमुने तयार करण्यात आले, एक पेनेट्रोमीटर वापरून कॅल्शियम कार्बोनेट सामग्री आणि पृष्ठभागाची ताकद मोजण्यासाठी, आणि उर्वरित तीन नमुने तीन वेगवेगळ्या वेगांवर क्षरण चाचण्यांसाठी वापरले गेले. पवन बोगदा चाचण्यांमध्ये, वेगवेगळ्या वाऱ्याच्या वेगाने क्षरणाचे प्रमाण निश्चित केले गेले आणि नंतर प्रत्येक उपचार नमुन्यासाठी थ्रेशोल्ड ब्रेकअवे वेग वाऱ्याच्या गतीच्या तुलनेत क्षरणाच्या प्रमाणाचा प्लॉट वापरून निश्चित केला गेला. पवन क्षरण चाचण्यांव्यतिरिक्त, उपचारित नमुन्यांवर वाळूचा भडिमार (म्हणजेच, उडी मारण्याचे प्रयोग) करण्यात आला. यासाठी 2 आणि 3 L m−2 च्या अनुप्रयोग दराने दोन अतिरिक्त नमुने तयार करण्यात आले. वाळूचा भडिमार चाचणी 120 gm−1 च्या प्रवाहासह 15 मिनिटे चालली, जी मागील अभ्यासांमध्ये निवडलेल्या मूल्यांच्या श्रेणीत आहे60,61,62. अपघर्षक नोजल आणि ढिगाऱ्याच्या तळातील क्षैतिज अंतर 800 मिमी होते, जे बोगद्याच्या तळापासून 100 मिमी वर स्थित होते. ही स्थिती अशा प्रकारे सेट केली गेली की जवळजवळ सर्व उडी मारणारे वाळूचे कण ढिगाऱ्यावर पडले.
पवन बोगद्याची चाचणी ८ मीटर लांबी, ०.४ मीटर रुंदी आणि १ मीटर उंची असलेल्या खुल्या पवन बोगद्यात घेण्यात आली (आकृती ४अ). पवन बोगदा गॅल्वनाइज्ड स्टील शीटपासून बनलेला आहे आणि २५ मीटर/सेकंद पर्यंत वारा वेग निर्माण करू शकतो. याव्यतिरिक्त, पंख्याची वारंवारता समायोजित करण्यासाठी आणि लक्ष्यित वारा वेग मिळविण्यासाठी वारंवारता हळूहळू वाढवण्यासाठी वारंवारता कन्व्हर्टर वापरला जातो. आकृती ४ब वाऱ्याने क्षीण झालेल्या वाळूच्या ढिगाऱ्यांचे आणि पवन बोगद्यात मोजलेल्या वारा वेग प्रोफाइलचे योजनाबद्ध आकृती दर्शविते.
शेवटी, या अभ्यासात प्रस्तावित केलेल्या नॉन-यूरियालिटिक एमआयसीपी फॉर्म्युलेशनच्या निकालांची युरियालिटिक एमआयसीपी नियंत्रण चाचणीच्या निकालांशी तुलना करण्यासाठी, ढिगाऱ्याचे नमुने देखील तयार केले गेले आणि युरिया, कॅल्शियम क्लोराइड आणि स्पोरोसार्सिना पेस्ट्युरी असलेल्या जैविक द्रावणाने प्रक्रिया केली गेली (कारण स्पोरोसार्सिना पेस्ट्युरीमध्ये युरेस तयार करण्याची लक्षणीय क्षमता आहे63). बॅक्टेरियाच्या द्रावणाची ऑप्टिकल घनता 1.5 होती आणि युरिया आणि कॅल्शियम क्लोराइडची सांद्रता 1 एम होती (मागील अभ्यासांमध्ये शिफारस केलेल्या मूल्यांवर आधारित निवडली गेली36,64,65). कल्चर माध्यमात पोषक ब्रॉथ (8 ग्रॅम/लीटर) आणि युरिया (20 ग्रॅम/लीटर) होते. बॅक्टेरियाचे द्रावण ढिगाऱ्याच्या पृष्ठभागावर फवारले गेले आणि बॅक्टेरिया जोडण्यासाठी 24 तास सोडले गेले. जोडल्यानंतर 24 तासांनंतर, सिमेंटिंग द्रावण (कॅल्शियम क्लोराइड आणि युरिया) फवारले गेले. युरियालिटिक एमआयसीपी नियंत्रण चाचणीला यापुढे यूएमसी म्हणून संबोधले जाईल. चोई आणि इतरांनी सुचवलेल्या प्रक्रियेनुसार धुऊन युरियालिटिकली आणि नॉन-युरियालिटिकली प्रक्रिया केलेल्या मातीच्या नमुन्यांमधील कॅल्शियम कार्बोनेटचे प्रमाण मिळवले गेले.66
आकृती ५ मध्ये ५ ते १० च्या सुरुवातीच्या pH श्रेणीसह कल्चर माध्यमात (पोषक द्रावण) बॅसिलस अमायलोलिकेफेसियन्स आणि बॅसिलस सबटिलिसच्या वाढीचे वक्र दाखवले आहेत. आकृतीमध्ये दाखवल्याप्रमाणे, बॅसिलस अमायलोलिकेफेसियन्स आणि बॅसिलस सबटिलिस अनुक्रमे pH ६-८ आणि ७-९ वर जलद वाढले. म्हणून, ही pH श्रेणी ऑप्टिमायझेशन टप्प्यात स्वीकारण्यात आली.
पोषक माध्यमाच्या वेगवेगळ्या प्रारंभिक pH मूल्यांवर (a) बॅसिलस अमायलोलिकेफेसियन्स आणि (b) बॅसिलस सबटिलिसच्या वाढीचे वक्र.
आकृती ६ बर्नार्ड लिममीटरमध्ये निर्माण होणाऱ्या कार्बन डायऑक्साइडचे प्रमाण दर्शवते, जे अवक्षेपित कॅल्शियम कार्बोनेट (CaCO3) दर्शवते. प्रत्येक संयोजनात एक घटक निश्चित केला गेला होता आणि इतर घटक वेगवेगळे असल्याने, या आलेखांवरील प्रत्येक बिंदू त्या प्रयोगांच्या संचातील कार्बन डायऑक्साइडच्या कमाल प्रमाणाशी जुळतो. आकृतीत दाखवल्याप्रमाणे, कॅल्शियम स्त्रोताचे प्रमाण वाढले, कॅल्शियम कार्बोनेटचे उत्पादन वाढले. म्हणून, कॅल्शियम स्त्रोताची एकाग्रता थेट कॅल्शियम कार्बोनेटच्या उत्पादनावर परिणाम करते. कॅल्शियम स्रोत आणि कार्बन स्रोत समान असल्याने (म्हणजेच, कॅल्शियम फॉर्मेट आणि कॅल्शियम एसीटेट), जितके जास्त कॅल्शियम आयन सोडले जातात तितके जास्त कॅल्शियम कार्बोनेट तयार होते (आकृती 6a). AS आणि AA फॉर्म्युलेशनमध्ये, वाढत्या क्युरिंग वेळेसह कॅल्शियम कार्बोनेटचे उत्पादन वाढत राहिले जोपर्यंत 9 दिवसांनंतर अवक्षेपणाचे प्रमाण जवळजवळ अपरिवर्तित राहिले नाही. FA फॉर्म्युलेशनमध्ये, क्युरिंग वेळ 6 दिवसांपेक्षा जास्त झाल्यावर कॅल्शियम कार्बोनेट निर्मितीचा दर कमी झाला. इतर फॉर्म्युलेशनच्या तुलनेत, फॉर्म्युलेशन FS मध्ये 3 दिवसांनंतर तुलनेने कमी कॅल्शियम कार्बोनेट निर्मिती दर दिसून आला (आकृती 6b). FA आणि FS या फॉर्म्युलेशनमध्ये, एकूण कॅल्शियम कार्बोनेट उत्पादनाच्या ७०% आणि ८७% उत्पादन तीन दिवसांनी प्राप्त झाले, तर AA आणि AS या फॉर्म्युलेशनमध्ये हे प्रमाण अनुक्रमे फक्त ४६% आणि ४५% होते. हे दर्शवते की फॉर्मिक अॅसिड-आधारित फॉर्म्युलेशनमध्ये सुरुवातीच्या टप्प्यावर एसीटेट-आधारित फॉर्म्युलेशनच्या तुलनेत जास्त CaCO3 निर्मिती दर असतो. तथापि, वाढत्या क्युरिंग वेळेसह निर्मिती दर कमी होतो. आकृती ६c वरून असा निष्कर्ष काढता येतो की OD1 पेक्षा जास्त बॅक्टेरियाच्या सांद्रतेत देखील, कॅल्शियम कार्बोनेट निर्मितीमध्ये कोणतेही महत्त्वपूर्ण योगदान नाही.
बर्नार्ड कॅल्सीमीटरने मोजलेल्या CO2 च्या आकारमानात (आणि संबंधित CaCO3 सामग्रीमध्ये) बदल (a) कॅल्शियम स्रोताची एकाग्रता, (b) सेटिंग वेळ, (c) OD, (d) प्रारंभिक pH, (e) कॅल्शियम स्रोताचे बॅक्टेरियाच्या द्रावणाशी गुणोत्तर (प्रत्येक सूत्रीकरणासाठी); आणि (f) कॅल्शियम स्रोत आणि बॅक्टेरियाच्या प्रत्येक संयोजनासाठी उत्पादित कॅल्शियम कार्बोनेटची कमाल मात्रा या कार्याच्या आधारे मोजला जातो.
माध्यमाच्या सुरुवातीच्या pH च्या परिणामाबाबत, आकृती 6d दर्शविते की FA आणि FS साठी, CaCO3 उत्पादन pH 7 वर जास्तीत जास्त मूल्यापर्यंत पोहोचले. हे निरीक्षण मागील अभ्यासांशी सुसंगत आहे की FDH एंजाइम pH 7-6.7 वर सर्वात स्थिर असतात. तथापि, AA आणि AS साठी, pH 7 पेक्षा जास्त झाल्यावर CaCO3 पर्जन्यमान वाढले. मागील अभ्यासातून असेही दिसून आले की CoA एंजाइम क्रियाकलापांसाठी इष्टतम pH श्रेणी 8 ते 9.2-6.8 पर्यंत आहे. CoA एंजाइम क्रियाकलाप आणि B. amyloliquefaciens वाढीसाठी इष्टतम pH श्रेणी अनुक्रमे (8-9.2) आणि (6-8) आहेत हे लक्षात घेता (आकृती 5a), AA फॉर्म्युलेशनचा इष्टतम pH 8 असण्याची अपेक्षा आहे आणि दोन pH श्रेणी एकमेकांशी ओव्हरलॅप होतात. आकृती 6d मध्ये दाखवल्याप्रमाणे, प्रयोगांद्वारे ही वस्तुस्थिती पुष्टी झाली. B. सबटिलिसच्या वाढीसाठी इष्टतम pH 7-9 (आकृती 5b) असल्याने आणि CoA एन्झाइमच्या क्रियाकलापासाठी इष्टतम pH 8-9.2 असल्याने, CaCO3 पर्जन्यमानाचे कमाल उत्पादन 8-9 च्या pH श्रेणीत असण्याची अपेक्षा आहे, जे आकृती 6d द्वारे पुष्टी होते (म्हणजेच, इष्टतम पर्जन्यमान pH 9 आहे). आकृती 6e मध्ये दर्शविलेले निकाल दर्शवितात की कॅल्शियम स्रोत द्रावणाचे बॅक्टेरियाच्या द्रावणाशी इष्टतम प्रमाण एसीटेट आणि फॉर्मेट द्रावण दोन्हीसाठी 1 आहे. तुलनेसाठी, वेगवेगळ्या फॉर्म्युलेशन्सच्या (म्हणजेच, AA, AS, FA आणि FS) कामगिरीचे मूल्यांकन वेगवेगळ्या परिस्थितींमध्ये (म्हणजेच, कॅल्शियम स्रोत एकाग्रता, क्युरिंग वेळ, OD, कॅल्शियम स्रोत ते बॅक्टेरियाच्या द्रावणाचे प्रमाण आणि प्रारंभिक pH) जास्तीत जास्त CaCO3 उत्पादनाच्या आधारे केले गेले. अभ्यासलेल्या फॉर्म्युलेशन्समध्ये, फॉर्म्युलेशन FS मध्ये सर्वाधिक CaCO3 उत्पादन होते, जे फॉर्म्युलेशन AA च्या अंदाजे तीन पट होते (आकृती 6f). दोन्ही कॅल्शियम स्रोतांसाठी चार बॅक्टेरिया-मुक्त नियंत्रण प्रयोग केले गेले आणि 30 दिवसांनंतर CaCO3 पर्जन्यमान आढळले नाही.
सर्व सूत्रांच्या ऑप्टिकल मायक्रोस्कोपी प्रतिमांवरून असे दिसून आले की कॅल्शियम कार्बोनेट तयार होण्याचा मुख्य टप्पा व्हॅटराइट होता (आकृती 7). व्हॅटराइट क्रिस्टल्स गोलाकार आकाराचे होते69,70,71. असे आढळून आले की कॅल्शियम कार्बोनेट बॅक्टेरियाच्या पेशींवर अवक्षेपित होते कारण बॅक्टेरियाच्या पेशींचा पृष्ठभाग नकारात्मक चार्ज केलेला होता आणि तो द्विभाजक केशन्ससाठी शोषक म्हणून काम करू शकतो. या अभ्यासात फॉर्म्युलेशन FS चे उदाहरण घेतल्यास, 24 तासांनंतर, काही बॅक्टेरियाच्या पेशींवर कॅल्शियम कार्बोनेट तयार होऊ लागले (आकृती 7a), आणि 48 तासांनंतर, कॅल्शियम कार्बोनेटने लेपित बॅक्टेरियाच्या पेशींची संख्या लक्षणीयरीत्या वाढली. याव्यतिरिक्त, आकृती 7b मध्ये दाखवल्याप्रमाणे, व्हॅटराइट कण देखील शोधले जाऊ शकतात. शेवटी, 72 तासांनंतर, मोठ्या संख्येने बॅक्टेरिया व्हॅटराइट क्रिस्टल्सने बांधलेले दिसत होते आणि व्हॅटराइट कणांची संख्या लक्षणीयरीत्या वाढली (आकृती 7c).
कालांतराने FS रचनांमध्ये CaCO3 अवक्षेपणाचे ऑप्टिकल मायक्रोस्कोपी निरीक्षणे: (a) 24, (b) 48 आणि (c) 72 तास.
अवक्षेपित अवस्थेच्या आकारविज्ञानाचा अधिक तपास करण्यासाठी, पावडरचे एक्स-रे डिफ्रॅक्शन (XRD) आणि SEM विश्लेषण केले गेले. XRD स्पेक्ट्रा (आकृती 8a) आणि SEM मायक्रोग्राफ (आकृती 8b, c) ने व्हॅटराइट क्रिस्टल्सच्या उपस्थितीची पुष्टी केली, कारण त्यांचा आकार लेट्यूससारखा होता आणि व्हॅटराइट शिखर आणि अवक्षेपित शिखरांमधील पत्रव्यवहार दिसून आला.
(a) तयार झालेल्या CaCO3 आणि व्हॅटराइटच्या एक्स-रे डिफ्रॅक्शन स्पेक्ट्राची तुलना. अनुक्रमे (b) 1 kHz आणि (c) 5.27 kHz मॅग्निफिकेशनवर व्हॅटराइटचे SEM मायक्रोग्राफ.
पवन बोगद्याच्या चाचण्यांचे निकाल आकृती 9a, b मध्ये दाखवले आहेत. आकृती 9a वरून असे दिसून येते की प्रक्रिया न केलेल्या वाळूचा थ्रेशोल्ड इरोशन व्हेलॉसिटी (TDV) सुमारे 4.32 m/s आहे. 1 l/m² च्या वापर दराने (आकृती 9a), FA, FS, AA आणि UMC या अपूर्णांकांसाठी मातीच्या क्षरण दर रेषांचे उतार हे प्रक्रिया न केलेल्या ढिगाऱ्यासाठी अंदाजे समान आहेत. हे दर्शविते की या वापर दराने उपचार अप्रभावी आहे आणि वाऱ्याचा वेग TDV पेक्षा जास्त होताच, पातळ मातीचा कवच नाहीसा होतो आणि ढिगाऱ्याचा क्षरण दर प्रक्रिया न केलेल्या ढिगाऱ्याइतकाच असतो. अपूर्णांक AS चा क्षरण उतार कमी अ‍ॅब्सिसास (म्हणजे TDV) असलेल्या इतर अंशांपेक्षा देखील कमी आहे (आकृती 9a). आकृती 9b मधील बाण दर्शवितात की 25 m/s च्या कमाल वाऱ्याच्या वेगाने, 2 आणि 3 l/m² च्या वापर दराने प्रक्रिया न केलेल्या ढिगाऱ्यांमध्ये कोणतीही क्षरण झाली नाही. दुसऱ्या शब्दांत सांगायचे तर, FS, FA, AS आणि UMC साठी, टिळे जास्तीत जास्त वाऱ्याच्या वेगापेक्षा (म्हणजे २५ मीटर/सेकंद) २ आणि ३ लीटर/चौरस मीटरच्या अनुप्रयोग दराने CaCO³ संचयनामुळे होणाऱ्या वाऱ्याच्या क्षरणास अधिक प्रतिरोधक होते. अशाप्रकारे, या चाचण्यांमध्ये मिळालेले २५ मीटर/सेकंदचे TDV मूल्य हे आकृती ९ब मध्ये दर्शविलेल्या अनुप्रयोग दरांसाठी कमी मर्यादा आहे, AA च्या बाबतीत वगळता, जिथे TDV जास्तीत जास्त पवन बोगद्याच्या वेगाइतकेच आहे.
वाऱ्याची धूप चाचणी (अ) वजन कमी होणे विरुद्ध वाऱ्याचा वेग (अर्ज दर १ लि/चौकोनी मीटर), (ब) उंबरठा फाडण्याची गती विरुद्ध अनुप्रयोग दर आणि सूत्रीकरण (कॅल्शियम अ‍ॅसीटेटसाठी CA, कॅल्शियम फॉर्मेटसाठी CF).
आकृती १० मध्ये वाळूच्या भडिमार चाचणीनंतर वेगवेगळ्या सूत्रांनी प्रक्रिया केलेल्या वाळूच्या ढिगाऱ्यांच्या पृष्ठभागावरील धूप आणि वापर दर दर्शविले आहेत आणि परिमाणात्मक निकाल आकृती ११ मध्ये दर्शविले आहेत. उपचार न केलेले केस दाखवले जात नाही कारण त्यात कोणताही प्रतिकार दिसून आला नाही आणि वाळूच्या भडिमार चाचणी दरम्यान ते पूर्णपणे क्षीण झाले (एकूण वस्तुमान कमी झाले). आकृती ११ वरून हे स्पष्ट होते की बायोकंपोझिशन AA ने उपचार केलेल्या नमुन्याने वाळूच्या भडिमार प्रक्रियेदरम्यान 2 l/m2 च्या वापर दराने त्याचे 83.5% वजन कमी केले तर इतर सर्व नमुन्यांमध्ये वाळूच्या भडिमार प्रक्रियेदरम्यान 30% पेक्षा कमी धूप दिसून आली. जेव्हा वापर दर 3 l/m2 पर्यंत वाढवला गेला तेव्हा सर्व प्रक्रिया केलेल्या नमुन्यांचे वजन 25% पेक्षा कमी कमी झाले. दोन्ही अनुप्रयोग दरांवर, कंपाऊंड FS ने वाळूच्या भडिमारासाठी सर्वोत्तम प्रतिकार दर्शविला. FS आणि AA उपचारित नमुन्यांमध्ये कमाल आणि किमान भडिमार प्रतिकार त्यांच्या कमाल आणि किमान CaCO3 वर्षाव (आकृती 6f) मुळे होऊ शकतो.
२ आणि ३ l/m2 च्या प्रवाह दराने वेगवेगळ्या रचनांच्या वाळूच्या ढिगाऱ्यांवर झालेल्या बॉम्बस्फोटाचे परिणाम (बाण वाऱ्याची दिशा दर्शवतात, क्रॉस रेखाचित्राच्या समतलाला लंब असलेल्या वाऱ्याची दिशा दर्शवतात).
आकृती १२ मध्ये दाखवल्याप्रमाणे, अर्ज दर १ L/m² वरून ३ L/m² पर्यंत वाढल्याने सर्व सूत्रांमधील कॅल्शियम कार्बोनेटचे प्रमाण वाढले. याव्यतिरिक्त, सर्व अर्ज दरांवर, सर्वाधिक कॅल्शियम कार्बोनेटचे प्रमाण असलेले सूत्र FS होते, त्यानंतर FA आणि UMC होते. यावरून असे सूचित होते की या सूत्रांमध्ये पृष्ठभागाचा प्रतिकार जास्त असू शकतो.
आकृती १३अ मध्ये परमिटर चाचणीद्वारे मोजलेल्या प्रक्रिया न केलेल्या, नियंत्रित आणि प्रक्रिया केलेल्या मातीच्या नमुन्यांच्या पृष्ठभागाच्या प्रतिकारात बदल दिसून येतो. या आकृतीवरून, हे स्पष्ट होते की UMC, AS, FA आणि FS फॉर्म्युलेशनचा पृष्ठभागाचा प्रतिकार अर्ज दरात वाढ झाल्यामुळे लक्षणीयरीत्या वाढला. तथापि, AA फॉर्म्युलेशनमध्ये पृष्ठभागाच्या ताकदीत वाढ तुलनेने कमी होती. आकृतीत दाखवल्याप्रमाणे, युरिया-डिग्रेडेड MICP नसलेल्या FA आणि FS फॉर्म्युलेशनमध्ये युरिया-डिग्रेडेड MICP च्या तुलनेत पृष्ठभागाची पारगम्यता चांगली आहे. आकृती १३ब मध्ये मातीच्या पृष्ठभागाच्या प्रतिकारासह TDV मध्ये बदल दिसून येतो. या आकृतीवरून, हे स्पष्टपणे दिसून येते की १०० kPa पेक्षा जास्त पृष्ठभागाच्या प्रतिकार असलेल्या ढिगाऱ्यांसाठी, थ्रेशोल्ड स्ट्रिपिंग वेग २५ मीटर/से पेक्षा जास्त असेल. परमिटरद्वारे इन सिटू पृष्ठभागाचा प्रतिकार सहजपणे मोजता येत असल्याने, हे ज्ञान पवन बोगदा चाचणीच्या अनुपस्थितीत TDV चा अंदाज लावण्यास मदत करू शकते, ज्यामुळे फील्ड अनुप्रयोगांसाठी गुणवत्ता नियंत्रण सूचक म्हणून काम करते.
SEM निकाल आकृती १४ मध्ये दाखवले आहेत. आकृती १४अ-ब मध्ये प्रक्रिया न केलेल्या मातीच्या नमुन्याचे वाढलेले कण दाखवले आहेत, जे स्पष्टपणे दर्शविते की ते एकसंध आहे आणि त्यात नैसर्गिक बंधन किंवा सिमेंटेशन नाही. आकृती १४क युरिया-डिग्रेडेड MICP सह उपचार केलेल्या नियंत्रण नमुन्याचा SEM मायक्रोग्राफ दाखवते. ही प्रतिमा कॅल्साइट पॉलिमॉर्फ्स म्हणून CaCO3 अवक्षेपणाची उपस्थिती दर्शवते. आकृती १४ड-ओ मध्ये दाखवल्याप्रमाणे, अवक्षेपित CaCO3 कणांना एकत्र बांधते; SEM मायक्रोग्राफमध्ये गोलाकार व्हॅटराइट क्रिस्टल्स देखील ओळखले जाऊ शकतात. या अभ्यासाचे आणि मागील अभ्यासांचे निकाल असे दर्शवितात की व्हॅटराइट पॉलिमॉर्फ्स म्हणून तयार झालेले CaCO3 बंध देखील वाजवी यांत्रिक शक्ती प्रदान करू शकतात; आमचे निकाल दर्शवितात की पृष्ठभागाचा प्रतिकार ३५० kPa पर्यंत वाढतो आणि थ्रेशोल्ड पृथक्करण वेग ४.३२ वरून २५ मीटर/सेकंदांपेक्षा जास्त होतो. हा निकाल मागील अभ्यासांच्या निकालांशी सुसंगत आहे की MICP-प्रक्षेपित CaCO3 चे मॅट्रिक्स व्हेटराइट आहे, ज्यामध्ये वाजवी यांत्रिक शक्ती आणि वारा क्षरण प्रतिरोधकता आहे13,40 आणि 180 दिवसांच्या क्षेत्रीय पर्यावरणीय परिस्थितीच्या संपर्कात आल्यानंतरही वाजवी वारा क्षरण प्रतिरोधकता राखू शकते13.
(a, b) प्रक्रिया न केलेल्या मातीचे SEM मायक्रोग्राफ, (c) MICP युरिया डिग्रेडेशन कंट्रोल, (df) AA-प्रक्रिया केलेले नमुने, (gi) AS-प्रक्रिया केलेले नमुने, (jl) FA-प्रक्रिया केलेले नमुने, आणि (mo) FS-प्रक्रिया केलेले नमुने 3 L/m2 च्या वेगवेगळ्या वाढीवर अनुप्रयोग दराने.
आकृती १४d-f दर्शविते की AA संयुगांच्या उपचारानंतर, पृष्ठभागावर आणि वाळूच्या कणांमध्ये कॅल्शियम कार्बोनेट अवक्षेपित झाले, तर काही अनकोटेड वाळूचे कण देखील आढळले. AS घटकांसाठी, जरी CaCO3 तयार होण्याचे प्रमाण लक्षणीयरीत्या वाढले नाही (आकृती ६f), CaCO3 मुळे वाळूच्या कणांमधील संपर्कांचे प्रमाण AA संयुगांच्या तुलनेत लक्षणीयरीत्या वाढले (आकृती १४g-i).
आकृती १४j-l आणि १४m-o वरून हे स्पष्ट होते की कॅल्शियम स्रोत म्हणून कॅल्शियम फॉर्मेटचा वापर केल्याने AS संयुगाच्या तुलनेत CaCO3 पर्जन्यमानात आणखी वाढ होते, जे आकृती ६f मधील कॅल्शियम मीटरच्या मोजमापांशी सुसंगत आहे. हे अतिरिक्त CaCO3 प्रामुख्याने वाळूच्या कणांवर जमा झालेले दिसते आणि संपर्क गुणवत्ता सुधारत नाही. हे पूर्वी पाहिलेल्या वर्तनाची पुष्टी करते: CaCO3 पर्जन्यमानाच्या प्रमाणात फरक असूनही (आकृती ६f), तीन सूत्रे (AS, FA आणि FS) अँटी-इओलियन (वारा) कामगिरी (आकृती ११) आणि पृष्ठभागाच्या प्रतिकार (आकृती १३a) च्या बाबतीत लक्षणीय भिन्न नाहीत.
CaCO3 लेपित बॅक्टेरिया पेशी आणि अवक्षेपित क्रिस्टल्सवरील बॅक्टेरियाच्या छापाचे चांगले दृश्यमान करण्यासाठी, उच्च विस्तार SEM मायक्रोग्राफ घेतले गेले आणि परिणाम आकृती 15 मध्ये दर्शविले आहेत. दाखवल्याप्रमाणे, कॅल्शियम कार्बोनेट बॅक्टेरिया पेशींवर अवक्षेपित होते आणि तेथे अवक्षेपणासाठी आवश्यक असलेले केंद्रक प्रदान करते. आकृती CaCO3 द्वारे प्रेरित सक्रिय आणि निष्क्रिय दुवे देखील दर्शवते. असा निष्कर्ष काढता येतो की निष्क्रिय दुव्यांमध्ये कोणतीही वाढ यांत्रिक वर्तनात पुढील सुधारणा घडवून आणत नाही. म्हणून, CaCO3 अवक्षेपण वाढल्याने उच्च यांत्रिक शक्ती निर्माण होत नाही आणि अवक्षेपण नमुना महत्वाची भूमिका बजावतो. हा मुद्दा Terzis आणि Laloui72 आणि Soghi आणि Al-Kabani45,73 यांच्या कामांमध्ये देखील अभ्यासला गेला आहे. अवक्षेपण नमुना आणि यांत्रिक शक्ती यांच्यातील संबंध अधिक एक्सप्लोर करण्यासाठी, µCT इमेजिंग वापरून MICP अभ्यास करण्याची शिफारस केली जाते, जे या अभ्यासाच्या व्याप्तीच्या बाहेर आहे (म्हणजे, अमोनिया-मुक्त MICP साठी कॅल्शियम स्रोत आणि बॅक्टेरियाचे वेगवेगळे संयोजन सादर करणे).
(a) AS रचना आणि (b) FS रचना वापरून उपचार केलेल्या नमुन्यांमध्ये CaCO3 ने सक्रिय आणि निष्क्रिय बंध निर्माण केले आणि गाळावर जिवाणू पेशींचा ठसा सोडला.
आकृती १४j-o आणि १५b मध्ये दाखवल्याप्रमाणे, एक CaCO फिल्म आहे (EDX विश्लेषणानुसार, फिल्ममधील प्रत्येक घटकाची टक्केवारी कार्बन ११%, ऑक्सिजन ४६.६२% आणि कॅल्शियम ४२.३९% आहे, जी आकृती १६ मधील CaCO च्या टक्केवारीच्या अगदी जवळ आहे). ही फिल्म व्हेटराइट क्रिस्टल्स आणि मातीच्या कणांना व्यापते, ज्यामुळे माती-गाळ प्रणालीची अखंडता राखण्यास मदत होते. या फिल्मची उपस्थिती केवळ फॉर्मेट-आधारित फॉर्म्युलेशनने प्रक्रिया केलेल्या नमुन्यांमध्ये दिसून आली.
तक्ता २ मध्ये मागील अभ्यासांमध्ये आणि या अभ्यासात युरिया-अपघटन करणाऱ्या आणि युरिया-अपघटन न करणाऱ्या MICP मार्गांनी प्रक्रिया केलेल्या मातीतील पृष्ठभागाची ताकद, थ्रेशोल्ड डिटेचमेंट वेग आणि जैव-प्रेरित CaCO3 सामग्रीची तुलना केली आहे. MICP-प्रक्रिया केलेल्या ढिगाऱ्याच्या नमुन्यांचा वारा क्षरण प्रतिकार मर्यादित आहे. मेंग आणि इतरांनी लीफ ब्लोअर वापरून MICP-प्रक्रिया केलेल्या युरिया-अपघटन करणाऱ्या ढिगाऱ्याच्या नमुन्यांचा वारा क्षरण प्रतिकार तपासला,13 तर या अभ्यासात, युरिया-अपघटन न करणाऱ्या ढिगाऱ्याच्या नमुन्यांची (तसेच युरिया-अपघटन नियंत्रणे) पवन बोगद्यात चाचणी केली गेली आणि जीवाणू आणि पदार्थांच्या चार वेगवेगळ्या संयोजनांनी प्रक्रिया केली गेली.
जसे पाहिले जाऊ शकते, मागील काही अभ्यासांमध्ये 4 L/m2 पेक्षा जास्त वापर दरांचा विचार केला गेला आहे. हे लक्षात घेण्यासारखे आहे की पाणीपुरवठा, वाहतूक आणि मोठ्या प्रमाणात पाण्याचा वापर यांच्याशी संबंधित खर्चामुळे आर्थिक दृष्टिकोनातून उच्च वापर दर सहजपणे लागू होऊ शकत नाहीत. 1.62-2 L/m2 सारख्या कमी वापर दरांनी देखील 190 kPa पर्यंत चांगली पृष्ठभागाची शक्ती आणि 25 m/s पेक्षा जास्त TDV मिळवले. सध्याच्या अभ्यासात, युरिया डिग्रेडेशनशिवाय फॉर्मेट-आधारित MICP सह उपचारित केलेल्या टिळ्यांनी उच्च पृष्ठभागाची शक्ती प्राप्त केली जी युरिया डिग्रेडेशन मार्गाने अर्ज दरांच्या समान श्रेणीमध्ये मिळवलेल्यांशी तुलना करता येते (म्हणजेच, युरिया डिग्रेडेशनशिवाय फॉर्मेट-आधारित MICP सह उपचारित केलेले नमुने देखील मेंग एट अल., 13, आकृती 13a द्वारे नोंदवल्याप्रमाणे पृष्ठभागाची शक्ती मूल्यांची समान श्रेणी प्राप्त करण्यास सक्षम होते). हे देखील दिसून येते की 2 L/m2 च्या वापर दराने, 25 m/s च्या वाऱ्याच्या वेगाने वाऱ्याची धूप कमी करण्यासाठी कॅल्शियम कार्बोनेटचे उत्पादन युरिया क्षरण न करता फॉर्मेट-आधारित MICP साठी 2.25% होते, जे समान अनुप्रयोग दराने आणि समान वाऱ्याच्या गतीने (25 m/s) युरिया क्षरण असलेल्या नियंत्रण MICP ने उपचार केलेल्या ढिगाऱ्यांच्या तुलनेत आवश्यक प्रमाणात CaCO3 (म्हणजे 2.41%) च्या अगदी जवळ आहे.
अशाप्रकारे, या सारणीवरून असा निष्कर्ष काढता येतो की युरिया डिग्रेडेशन मार्ग आणि युरिया-मुक्त डिग्रेडेशन मार्ग दोन्ही पृष्ठभागाच्या प्रतिकार आणि TDV च्या बाबतीत स्वीकार्य कामगिरी प्रदान करू शकतात. मुख्य फरक असा आहे की युरिया-मुक्त डिग्रेडेशन मार्गात अमोनिया नसते आणि त्यामुळे त्याचा पर्यावरणीय प्रभाव कमी असतो. याव्यतिरिक्त, या अभ्यासात प्रस्तावित युरिया डिग्रेडेशनशिवाय फॉर्मेट-आधारित MICP पद्धत युरिया डिग्रेडेशनशिवाय एसीटेट-आधारित MICP पद्धतीपेक्षा चांगली कामगिरी करते असे दिसते. जरी मोहेब्बी आणि इतरांनी युरिया डिग्रेडेशनशिवाय एसीटेट-आधारित MICP पद्धतीचा अभ्यास केला असला तरी, त्यांच्या अभ्यासात सपाट पृष्ठभागांवरील नमुने समाविष्ट होते. ढिगाऱ्याच्या नमुन्यांभोवती एडी निर्मितीमुळे होणारी धूप जास्त प्रमाणात आणि परिणामी कातरणे, ज्यामुळे कमी TDV होतो, ढिगाऱ्याच्या नमुन्यांचे वारा धूप समान वेगाने सपाट पृष्ठभागांपेक्षा अधिक स्पष्ट असण्याची अपेक्षा आहे.