nature.com ला भेट दिल्याबद्दल धन्यवाद. तुम्ही वापरत असलेल्या ब्राउझरच्या आवृत्तीमध्ये CSS साठी मर्यादित समर्थन आहे. सर्वोत्तम अनुभवासाठी, आम्ही शिफारस करतो की तुम्ही ब्राउझरची नवीनतम आवृत्ती वापरावी (किंवा इंटरनेट एक्सप्लोररमधील कंपॅटिबिलिटी मोड बंद करावा). याव्यतिरिक्त, सतत समर्थन सुनिश्चित करण्यासाठी, या साइटमध्ये स्टाईल्स किंवा जावास्क्रिप्ट समाविष्ट केली जाणार नाही.
धुळीची वादळे शेती, मानवी आरोग्य, वाहतूक व्यवस्था आणि पायाभूत सुविधांवर होणाऱ्या विनाशकारी परिणामांमुळे जगभरातील अनेक देशांसाठी एक गंभीर धोका निर्माण करतात. परिणामी, वाऱ्यामुळे होणारी धूप ही एक जागतिक समस्या मानली जाते. वाऱ्यामुळे होणारी धूप रोखण्यासाठी एक पर्यावरणपूरक उपाय म्हणजे सूक्ष्मजीवांद्वारे प्रेरित कार्बोनेट अवक्षेपणाचा (MICP) वापर करणे. तथापि, युरिया-विघटनावर आधारित MICP चे उप-उत्पादने, जसे की अमोनिया, मोठ्या प्रमाणात तयार झाल्यास ते आदर्श नसतात. या अभ्यासात युरिया तयार न करता MICP च्या विघटनासाठी कॅल्शियम फॉर्मेट जिवाणूंचे दोन फॉर्म्युलेशन्स सादर केले आहेत आणि अमोनिया-उत्पादन न करणाऱ्या कॅल्शियम ॲसिटेट जिवाणूंच्या दोन फॉर्म्युलेशन्ससोबत त्यांच्या कामगिरीची सर्वसमावेशक तुलना केली आहे. विचारात घेतलेले जिवाणू बॅसिलस सबटिलिस (Bacillus subtilis) आणि बॅसिलस ॲमिलोलिक्विफॅसिएन्स (Bacillus amyloliquefaciens) आहेत. सर्वप्रथम, CaCO3 निर्मिती नियंत्रित करणाऱ्या घटकांची अनुकूलित मूल्ये निश्चित करण्यात आली. त्यानंतर, अनुकूलित फॉर्म्युलेशन्सने प्रक्रिया केलेल्या वाळूच्या ढिगाऱ्यांच्या नमुन्यांवर विंड टनेल चाचण्या घेण्यात आल्या आणि वाऱ्यामुळे होणाऱ्या धुपेला असलेला प्रतिकार, थर काढण्याची उंबरठा गती आणि वाळूच्या माऱ्याला असलेला प्रतिकार मोजण्यात आला. ऑप्टिकल मायक्रोस्कोपी, स्कॅनिंग इलेक्ट्रॉन मायक्रोस्कोपी (SEM) आणि एक्स-रे विवर्तन विश्लेषणाचा वापर करून कॅल्शियम कार्बोनेट (CaCO3) च्या विविध रूपांचे मूल्यांकन करण्यात आले. कॅल्शियम कार्बोनेट निर्मितीच्या बाबतीत, कॅल्शियम फॉर्मेट-आधारित फॉर्म्युलेशन्सनी ॲसिटेट-आधारित फॉर्म्युलेशन्सपेक्षा लक्षणीयरीत्या चांगली कामगिरी केली. याव्यतिरिक्त, बी. सबटिलिसने बी. ॲमिलोलिक्विफॅसिएन्सपेक्षा जास्त कॅल्शियम कार्बोनेट तयार केले. SEM मायक्रोग्राफ्समध्ये अवसादनामुळे कॅल्शियम कार्बोनेटवर सक्रिय आणि निष्क्रिय जीवाणूंचे बंधन आणि ठसा स्पष्टपणे दिसून आला. सर्व फॉर्म्युलेशन्सनी वाऱ्यामुळे होणारी धूप लक्षणीयरीत्या कमी केली.
वाऱ्यामुळे होणारी धूप ही नैऋत्य युनायटेड स्टेट्स, पश्चिम चीन, सहारा आफ्रिका आणि मध्य पूर्वेतील बराचसा भाग यांसारख्या शुष्क आणि अर्ध-शुष्क प्रदेशांसमोरील एक मोठी समस्या म्हणून बऱ्याच काळापासून ओळखली जात आहे¹. शुष्क आणि अति-शुष्क हवामानातील कमी पर्जन्यमानामुळे या प्रदेशांतील मोठ्या भागांचे वाळवंट, वाळूचे ढिगारे आणि पडीक जमिनींमध्ये रूपांतर झाले आहे. वाऱ्यामुळे होणारी सततची धूप वाहतूक जाळे, शेतजमीन आणि औद्योगिक जमीन यांसारख्या पायाभूत सुविधांसाठी पर्यावरणीय धोके निर्माण करते, ज्यामुळे या प्रदेशांमध्ये राहणीमान खालावते आणि शहरी विकासाचा खर्च वाढतो²,³,⁴. महत्त्वाचे म्हणजे, वाऱ्यामुळे होणारी धूप केवळ ज्या ठिकाणी घडते त्याच ठिकाणी परिणाम करत नाही, तर वाऱ्याद्वारे कण स्रोतापासून दूरवरच्या भागांमध्ये वाहून नेल्यामुळे दुर्गम समुदायांमध्ये आरोग्य आणि आर्थिक समस्या देखील निर्माण करते⁵,⁶.
वाऱ्यामुळे होणारी धूप नियंत्रण ही एक जागतिक समस्या आहे. वाऱ्यामुळे होणारी धूप नियंत्रित करण्यासाठी माती स्थिर करण्याच्या विविध पद्धती वापरल्या जातात. या पद्धतींमध्ये पाणी देणे⁷, तेल आच्छादन⁸, बायोपॉलिमर⁵, सूक्ष्मजीव प्रेरित कार्बोनेट अवक्षेपण (MICP)⁹,¹⁰,¹¹,¹² आणि एन्झाइम प्रेरित कार्बोनेट अवक्षेपण (EICP)¹ यांसारख्या सामग्रीचा समावेश होतो. शेतातील धूळ नियंत्रणासाठी माती ओली करणे ही एक प्रमाणित पद्धत आहे. तथापि, त्याच्या जलद बाष्पीभवनामुळे ही पद्धत शुष्क आणि अर्ध-शुष्क प्रदेशांमध्ये मर्यादित प्रभावी ठरते¹. तेल आच्छादन संयुगांच्या वापरामुळे वाळूची एकसंधता आणि कणांमधील घर्षण वाढते. त्यांचा एकसंध गुणधर्म वाळूच्या कणांना एकत्र बांधतो; तथापि, तेल आच्छादनांमुळे इतर समस्या देखील निर्माण होतात; त्यांचा गडद रंग उष्णता शोषण वाढवतो आणि वनस्पती व सूक्ष्मजीवांच्या मृत्यूला कारणीभूत ठरतो. त्यांचा वास आणि धूर श्वसनाच्या समस्या निर्माण करू शकतात आणि सर्वात महत्त्वाचे म्हणजे, त्यांची जास्त किंमत हा आणखी एक अडथळा आहे. बायोपॉलिमर हे वाऱ्यामुळे होणारी धूप कमी करण्यासाठी अलीकडेच प्रस्तावित केलेल्या पर्यावरणपूरक पद्धतींपैकी एक आहेत; ते वनस्पती, प्राणी आणि जीवाणू यांसारख्या नैसर्गिक स्रोतांमधून काढले जातात. झॅन्थन गम, ग्वार गम, चिटोसन आणि गेलन गम हे अभियांत्रिकी अनुप्रयोगांमध्ये सर्वात सामान्यपणे वापरले जाणारे बायोपॉलिमर आहेत⁵. तथापि, पाण्यात विरघळणारे बायोपॉलिमर पाण्याच्या संपर्कात आल्यावर त्यांची ताकद गमावू शकतात आणि मातीतून बाहेर पडू शकतात¹³,¹⁴. EICP ही कच्चे रस्ते, टेलिंग्ज पॉन्ड्स आणि बांधकाम स्थळे यांसारख्या विविध अनुप्रयोगांसाठी धूळ नियंत्रणाची एक प्रभावी पद्धत असल्याचे दिसून आले आहे. जरी त्याचे परिणाम उत्साहवर्धक असले तरी, काही संभाव्य तोटे विचारात घेतले पाहिजेत, जसे की खर्च आणि न्यूक्लिएशन साइट्सची कमतरता (जी CaCO₃ स्फटिकांची निर्मिती आणि अवक्षेपण गतिमान करते¹⁵,¹⁶).
MICP चे वर्णन सर्वप्रथम १९ व्या शतकाच्या उत्तरार्धात मरे आणि इर्विन (१८९०) आणि स्टेनमन (१९०१) यांनी सागरी सूक्ष्मजीवांद्वारे होणाऱ्या युरियाच्या विघटनाच्या अभ्यासात केले होते¹⁷. MICP ही एक नैसर्गिकरित्या घडणारी जैविक प्रक्रिया आहे, ज्यामध्ये विविध सूक्ष्मजैविक क्रिया आणि रासायनिक प्रक्रियांचा समावेश असतो. या प्रक्रियेत, सूक्ष्मजैविक चयापचय पदार्थांमधील कार्बोनेट आयनांची पर्यावरणातील कॅल्शियम आयनांशी अभिक्रिया होऊन कॅल्शियम कार्बोनेटचे अवक्षेपण होते¹⁸,¹⁹. युरिया-विघटन करणाऱ्या नायट्रोजन चक्राशी संबंधित MICP (युरिया-विघटन MICP) हा सूक्ष्मजीव-प्रेरित कार्बोनेट अवक्षेपणाचा सर्वात सामान्य प्रकार आहे, ज्यामध्ये जीवाणूंनी तयार केलेले युरिएज खालीलप्रमाणे युरियाच्या जलविश्लेषणास उत्प्रेरित करते²⁰,²¹,²²,²³,²⁴,²⁵,²⁶,²⁷:
सेंद्रिय क्षार ऑक्सिडेशनच्या कार्बन चक्राचा समावेश असलेल्या MICP मध्ये (युरिया क्षरण प्रकाराशिवाय MICP), हेटेरोट्रॉफिक जीवाणू कार्बोनेट खनिजे तयार करण्यासाठी ऊर्जा स्रोत म्हणून ॲसिटेट, लॅक्टेट, सिट्रेट, सक्सिनेट, ऑक्झॅलेट, मॅलेट आणि ग्लायऑक्झिलेट सारख्या सेंद्रिय क्षारांचा वापर करतात28. कार्बन स्रोत म्हणून कॅल्शियम लॅक्टेट आणि कॅल्शियम आयनच्या उपस्थितीत, कॅल्शियम कार्बोनेट निर्मितीची रासायनिक अभिक्रिया समीकरण (5) मध्ये दर्शविली आहे.
एमआयसीपी (MICP) प्रक्रियेमध्ये, जिवाणू पेशी न्यूक्लिएशन साइट्स (nucleation sites) प्रदान करतात जे कॅल्शियम कार्बोनेटच्या अवक्षेपणासाठी विशेषतः महत्त्वाचे आहेत; जिवाणू पेशींचा पृष्ठभाग ऋणभारित असतो आणि कॅल्शियम आयनसारख्या द्विसंयुजी कॅटायनसाठी शोषक म्हणून कार्य करू शकतो. जिवाणू पेशींवर कॅल्शियम आयन शोषून घेतल्याने, जेव्हा कार्बोनेट आयनची सांद्रता पुरेशी असते, तेव्हा कॅल्शियम कॅटायन आणि कार्बोनेट ॲनायन अभिक्रिया करतात आणि जिवाणूंच्या पृष्ठभागावर कॅल्शियम कार्बोनेटचा अवक्षेप होतो२९,३०. या प्रक्रियेचा सारांश खालीलप्रमाणे आहे३१,३२:
जैविकरित्या तयार झालेल्या कॅल्शियम कार्बोनेट स्फटिकांचे कॅल्साइट, व्हॅटेराइट आणि अ‍ॅरागोनाइट या तीन प्रकारांमध्ये वर्गीकरण करता येते. त्यांपैकी, कॅल्साइट आणि व्हॅटेराइट हे जीवाणूंमुळे तयार होणारे सर्वात सामान्य कॅल्शियम कार्बोनेटचे बहुरूप आहेत33,34. कॅल्साइट हे सर्वात जास्त थर्मोडायनॅमिकली स्थिर कॅल्शियम कार्बोनेट बहुरूप आहे35. व्हॅटेराइट अस्थिर असल्याचे नोंदवले गेले असले तरी, त्याचे अखेरीस कॅल्साइटमध्ये रूपांतर होते36,37. व्हॅटेराइट हे या स्फटिकांपैकी सर्वात घनदाट असते. हा एक षटकोनी स्फटिक आहे, जो त्याच्या मोठ्या आकारामुळे इतर कॅल्शियम कार्बोनेट स्फटिकांपेक्षा छिद्रे भरण्याची अधिक चांगली क्षमता ठेवतो38. युरिया-विघटित आणि युरिया-अविघटित दोन्ही प्रकारचे MICP व्हॅटेराइटच्या अवक्षेपणास कारणीभूत ठरू शकतात13,39,40,41.
जरी MICP ने समस्याग्रस्त माती आणि वाऱ्याच्या धूपेला बळी पडणाऱ्या मातीला स्थिर करण्यासाठी आश्वासक क्षमता दर्शविली असली तरी42,43,44,45,46,47,48, युरियाच्या जलविघटनाचा एक उप-उत्पादन अमोनिया आहे, ज्यामुळे संपर्काच्या पातळीनुसार सौम्य ते गंभीर आरोग्य समस्या उद्भवू शकतात49. या दुष्परिणामामुळे या विशिष्ट तंत्रज्ञानाचा वापर वादग्रस्त ठरतो, विशेषतः जेव्हा धूळ नियंत्रणासारख्या मोठ्या क्षेत्रांवर प्रक्रिया करण्याची आवश्यकता असते. याव्यतिरिक्त, जेव्हा ही प्रक्रिया उच्च दराने आणि मोठ्या प्रमाणात केली जाते तेव्हा अमोनियाचा वास असह्य असतो, ज्यामुळे त्याच्या व्यावहारिक उपयोज्यतेवर परिणाम होऊ शकतो. जरी अलीकडील अभ्यासातून असे दिसून आले आहे की अमोनियम आयनचे स्ट्रुव्हाइटसारख्या इतर उत्पादनांमध्ये रूपांतर करून ते कमी केले जाऊ शकतात, तरीही या पद्धती अमोनियम आयन पूर्णपणे काढून टाकत नाहीत50. म्हणून, अमोनियम आयन निर्माण न करणाऱ्या पर्यायी उपायांचा शोध घेण्याची अजूनही गरज आहे. MICP साठी युरिया-व्यतिरिक्त विघटन मार्गांचा वापर हा एक संभाव्य उपाय असू शकतो, ज्याचा वाऱ्याच्या धूपेच्या निवारणाच्या संदर्भात फारसा शोध घेतला गेला नाही. फत्ताही इत्यादी. कॅल्शियम ॲसिटेट आणि बॅसिलस मेगाटेरियम४१ वापरून युरिया-मुक्त एमआयसीपी (MICP) क्षरणाचा अभ्यास केला गेला, तर मोहेब्बी आणि त्यांच्या सहकाऱ्यांनी कॅल्शियम ॲसिटेट आणि बॅसिलस ॲमिलोलिक्विफॅसिएन्स९ वापरले. तथापि, त्यांच्या अभ्यासाची तुलना इतर कॅल्शियम स्रोत आणि हेटेरोट्रॉफिक जीवाणूंशी केली गेली नाही, जे अखेरीस वाऱ्याच्या धूपेला प्रतिकार सुधारू शकतील. वाऱ्याच्या धूपेचे शमन करण्यासाठी युरिया-मुक्त क्षरण मार्गांची युरिया क्षरण मार्गांशी तुलना करणाऱ्या साहित्याचाही अभाव आहे.
याव्यतिरिक्त, वाऱ्यामुळे होणारी धूप आणि धूळ नियंत्रणावरील बहुतेक अभ्यास सपाट पृष्ठभाग असलेल्या मातीच्या नमुन्यांवर केले गेले आहेत.¹,⁵¹,⁵²,⁵³ तथापि, निसर्गात टेकड्या आणि दऱ्यांच्या तुलनेत सपाट पृष्ठभाग कमी आढळतात. यामुळेच वाळवंटी प्रदेशांमध्ये वाळूचे ढिगारे हे सर्वात सामान्य भूदृश्य वैशिष्ट्य आहे.
वर नमूद केलेल्या उणिवांवर मात करण्यासाठी, या अभ्यासाचा उद्देश अमोनिया-उत्पादन न करणाऱ्या जिवाणू घटकांचा एक नवीन संच सादर करणे हा होता. या उद्देशासाठी, आम्ही युरियाचे विघटन न करणाऱ्या MICP मार्गांचा विचार केला. दोन कॅल्शियम स्रोतांची (कॅल्शियम फॉर्मेट आणि कॅल्शियम ॲसिटेट) कार्यक्षमता तपासण्यात आली. लेखकांच्या माहितीनुसार, दोन कॅल्शियम स्रोत आणि जिवाणूंच्या संयोजनांचा (म्हणजेच कॅल्शियम फॉर्मेट-बॅसिलस सबटिलिस आणि कॅल्शियम फॉर्मेट-बॅसिलस ॲमिलोलिक्विफॅसिएन्स) वापर करून कार्बोनेट अवक्षेपणाचा अभ्यास मागील अभ्यासांमध्ये केला गेला नाही. या जिवाणूंची निवड त्यांच्याद्वारे तयार होणाऱ्या एन्झाइम्सवर आधारित होती, जे सूक्ष्मजैविक कार्बोनेट अवक्षेपण तयार करण्यासाठी कॅल्शियम फॉर्मेट आणि कॅल्शियम ॲसिटेटच्या ऑक्सिडेशनला उत्प्रेरित करतात. pH, जिवाणूंचे प्रकार आणि कॅल्शियम स्रोत व त्यांची सांद्रता, जिवाणू आणि कॅल्शियम स्रोत द्रावणाचे प्रमाण आणि क्युरिंग वेळ यांसारखे इष्टतम घटक शोधण्यासाठी आम्ही एक सखोल प्रायोगिक अभ्यास तयार केला. शेवटी, कॅल्शियम कार्बोनेट अवक्षेपणाद्वारे वाऱ्याची धूप रोखण्यात या जिवाणू घटकांच्या संचाची परिणामकारकता तपासण्यासाठी, वाळूच्या ढिगाऱ्यांवर विंड टनेल चाचण्यांची मालिका आयोजित करण्यात आली. या चाचण्यांद्वारे वाऱ्याच्या धुपेचे प्रमाण, उंबरठा तोडण्याचा वेग आणि वाळूचा वाऱ्याच्या माऱ्याला असलेला प्रतिकार निश्चित करण्यात आला, तसेच पेनिट्रोमीटर मोजमाप आणि सूक्ष्म-संरचनात्मक अभ्यास (उदा. एक्स-रे विवर्तन (XRD) विश्लेषण आणि स्कॅनिंग इलेक्ट्रॉन मायक्रोस्कोपी (SEM)) देखील करण्यात आले.
कॅल्शियम कार्बोनेटच्या उत्पादनासाठी कॅल्शियम आयन आणि कार्बोनेट आयन यांची आवश्यकता असते. कॅल्शियम आयन हे कॅल्शियम क्लोराईड, कॅल्शियम हायड्रॉक्साईड आणि स्किम मिल्क पावडर ५४,५५ यांसारख्या विविध कॅल्शियम स्रोतांपासून मिळवता येतात. कार्बोनेट आयन हे युरिया हायड्रोलिसिस आणि सेंद्रिय पदार्थांचे एरोबिक किंवा ॲनारोबिक ऑक्सिडेशन५६ यांसारख्या विविध सूक्ष्मजैविक पद्धतींनी तयार केले जाऊ शकतात. या अभ्यासात, फॉर्मेट आणि ॲसिटेटच्या ऑक्सिडेशन अभिक्रियेतून कार्बोनेट आयन मिळवण्यात आले. याव्यतिरिक्त, आम्ही शुद्ध कॅल्शियम कार्बोनेट तयार करण्यासाठी फॉर्मेट आणि ॲसिटेटच्या कॅल्शियम क्षारांचा वापर केला, त्यामुळे 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 आम्ही विचारात घेतलेली कॅल्शियम स्रोत आणि कार्बोनेट उत्पादन पद्धत अत्यंत आशादायक ठरते.
कॅल्शियम कार्बोनेट तयार करण्यासाठी कॅल्शियम फॉर्मेट आणि कॅल्शियम ॲसिटेटच्या संबंधित अभिक्रिया सूत्र (7)-(14) मध्ये दर्शविल्या आहेत. सूत्र (7)-(11) दर्शवतात की कॅल्शियम फॉर्मेट पाण्यात विरघळून फॉर्मिक ॲसिड किंवा फॉर्मेट तयार होते. अशाप्रकारे हे द्रावण मुक्त कॅल्शियम आणि हायड्रॉक्साइड आयनांचा स्रोत बनते (सूत्र 8 आणि 9). फॉर्मिक ॲसिडच्या ऑक्सिडीकरणामुळे, फॉर्मिक ॲसिडमधील कार्बन अणूंचे कार्बन डायऑक्साइडमध्ये रूपांतर होते (सूत्र 10). अखेरीस कॅल्शियम कार्बोनेट तयार होते (सूत्र 11 आणि 12).
त्याचप्रमाणे, कॅल्शियम कार्बोनेट कॅल्शियम ॲसिटेटपासून तयार होते (समीकरणे 13-15), फक्त फरक एवढाच की फॉर्मिक ॲसिडऐवजी ॲसिटिक ॲसिड किंवा ॲसिटेट तयार होते.
एन्झाइम्सच्या अनुपस्थितीत, सामान्य तापमानावर ॲसिटेट आणि फॉर्मेटचे ऑक्सिडीकरण होऊ शकत नाही. FDH (फॉर्मेट डिहायड्रोजनेज) आणि CoA (कोएन्झाइम ए) हे अनुक्रमे फॉर्मेट आणि ॲसिटेटच्या ऑक्सिडीकरणाद्वारे कार्बन डायऑक्साइड तयार करतात (समीकरणे १६, १७) ५७, ५८, ५९. विविध जीवाणू हे एन्झाइम्स तयार करण्यास सक्षम आहेत, आणि या अभ्यासात परपोषी जीवाणू, म्हणजेच 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) असेही ओळखले जाते) आणि बॅसिलस ॲमिलोलिक्विफॅसिएन्स (PTCC #1732, NCIMB #12077) यांचा वापर करण्यात आला. या जीवाणूंना न्यूट्रिएंट ब्रॉथ (NBR) (105443 मर्क) नावाच्या माध्यमात संवर्धित केले गेले ज्यात मांस पेप्टोन (5 ग्रॅम/लिटर) आणि मांस अर्क (3 ग्रॅम/लिटर) होते.
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 अॅमिलोलिक्विफेशियन्स (FA), कॅल्शियम ॲसिटेट आणि बॅसिलस सबटिलिस (AS), आणि कॅल्शियम ॲसिटेट आणि बॅसिलस अॅमिलोलिक्विफेशियन्स (AA).
प्रायोगिक रचनेच्या पहिल्या भागात, जास्तीत जास्त कॅल्शियम कार्बोनेट उत्पादन साध्य करणारे सर्वोत्तम संयोजन निश्चित करण्यासाठी चाचण्या घेण्यात आल्या. मातीच्या नमुन्यांमध्ये कॅल्शियम कार्बोनेट असल्यामुळे, वेगवेगळ्या संयोजनांद्वारे उत्पादित CaCO3 अचूकपणे मोजण्यासाठी प्राथमिक मूल्यांकन चाचण्यांचा एक संच तयार करण्यात आला आणि कल्चर माध्यम व कॅल्शियम स्रोत द्रावणांच्या मिश्रणांचे मूल्यांकन करण्यात आले. वर नमूद केलेल्या कॅल्शियम स्रोत आणि जिवाणू द्रावणाच्या प्रत्येक संयोजनासाठी (FS, FA, AS, आणि AA), अनुकूलन घटक (कॅल्शियम स्रोताची सांद्रता, क्युरिंग वेळ, द्रावणाच्या ऑप्टिकल डेन्सिटी (OD) द्वारे मोजलेली जिवाणू द्रावणाची सांद्रता, कॅल्शियम स्रोत ते जिवाणू द्रावणाचे गुणोत्तर आणि pH) मिळवण्यात आले आणि पुढील विभागांमध्ये वर्णन केलेल्या वाळूच्या ढिगाऱ्यांवरील उपचारांसाठीच्या विंड टनेल चाचण्यांमध्ये त्यांचा वापर करण्यात आला.
प्रत्येक संयोजनासाठी, सेंद्रिय पदार्थांच्या एरोबिक ऑक्सिडेशन दरम्यान CaCO3 अवक्षेपणाचा परिणाम अभ्यासण्यासाठी आणि कॅल्शियम स्रोताची सांद्रता, क्युरिंग वेळ, जिवाणूंचे OD मूल्य, कॅल्शियम स्रोत ते जिवाणू द्रावणाचे प्रमाण आणि pH यांसारख्या विविध घटकांचे मूल्यांकन करण्यासाठी १५० प्रयोग करण्यात आले (तक्ता १). जलद वाढ मिळवण्यासाठी, ऑप्टिमाइझ केलेल्या प्रक्रियेसाठी pH श्रेणी बॅसिलस सबटिलिस आणि बॅसिलस अॅमिलोलिक्विफॅसिएन्सच्या वाढ वक्रांच्या आधारावर निवडण्यात आली. याचे अधिक तपशीलवार स्पष्टीकरण निकाल विभागात दिले आहे.
ऑप्टिमायझेशन टप्प्यासाठी नमुने तयार करण्याकरिता खालील पायऱ्या वापरण्यात आल्या. सर्वप्रथम कल्चर माध्यमाचा प्रारंभिक pH समायोजित करून MICP द्रावण तयार करण्यात आले आणि नंतर ते १२१ °C तापमानावर १५ मिनिटांसाठी ऑटोक्लेव्ह करण्यात आले. त्यानंतर स्ट्रेनला लॅमिनार एअर फ्लोमध्ये इनोक्युलेट करण्यात आले आणि ३० °C व १८० rpm वर शेकिंग इनक्यूबेटरमध्ये ठेवण्यात आले. एकदा बॅक्टेरियाचा OD अपेक्षित पातळीवर पोहोचल्यावर, ते कॅल्शियम स्रोत द्रावणासोबत अपेक्षित प्रमाणात मिसळण्यात आले (आकृती १अ). MICP द्रावणाला लक्ष्य मूल्यापर्यंत पोहोचलेल्या वेळेसाठी २२० rpm आणि ३० °C वर शेकिंग इनक्यूबेटरमध्ये अभिक्रिया करून घट्ट होऊ देण्यात आले. ६००० g वर ५ मिनिटांसाठी सेंट्रीफ्युगेशन केल्यानंतर अवक्षेपित CaCO3 वेगळे करण्यात आले आणि नंतर कॅल्सिमीटर चाचणीसाठी नमुने तयार करण्याकरिता ते ४० °C तापमानावर वाळवण्यात आले (आकृती १ब). त्यानंतर बर्नार्ड कॅल्सिमीटर वापरून CaCO3 च्या अवक्षेपणाचे मोजमाप करण्यात आले, ज्यामध्ये CaCO3 पावडर 1.0 N HCl (ASTM-D4373-02) सोबत अभिक्रिया करून CO2 तयार करते आणि या वायूचे आकारमान हे CaCO3 च्या प्रमाणाचे माप असते (आकृती 1c). CO2 च्या आकारमानाचे CaCO3 च्या प्रमाणात रूपांतर करण्यासाठी, शुद्ध CaCO3 पावडर 1 N HCl ने धुऊन आणि उत्सर्जित झालेल्या CO2 विरुद्ध आलेख काढून एक कॅलिब्रेशन वक्र तयार करण्यात आला. अवक्षेपित CaCO3 पावडरची आकारिकी आणि शुद्धता SEM इमेजिंग आणि XRD विश्लेषणाद्वारे तपासण्यात आली. जिवाणूंच्या सभोवताली कॅल्शियम कार्बोनेटची निर्मिती, तयार झालेल्या कॅल्शियम कार्बोनेटची अवस्था आणि जिवाणूंची क्रियाशीलता यांचा अभ्यास करण्यासाठी 1000 पट आवर्धन असलेल्या ऑप्टिकल मायक्रोस्कोपचा वापर करण्यात आला.
देजेघ खोरे हे इराणच्या नैऋत्येकडील फार्स प्रांतातील एक सुप्रसिद्ध, मोठ्या प्रमाणात धूप झालेला प्रदेश आहे आणि संशोधकांनी या भागातून वाऱ्याने धूप झालेल्या मातीचे नमुने गोळा केले. अभ्यासासाठी हे नमुने जमिनीच्या पृष्ठभागावरून घेण्यात आले होते. मातीच्या नमुन्यांवरील सूचक चाचण्यांवरून असे दिसून आले की, ही माती गाळयुक्त, कमी दर्जाची वालुकामय माती होती आणि एकीकृत मृदा वर्गीकरण प्रणाली (USC) नुसार तिचे वर्गीकरण SP-SM असे करण्यात आले (आकृती 2a). XRD विश्लेषणातून असे दिसून आले की देजेघची 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 वाळूचे ढिगारे तयार करण्याकरिता, १७० मिमी उंचीवरून १० मिमी व्यासाच्या नरसाळ्याद्वारे माती एका घट्ट पृष्ठभागापर्यंत दाबण्यात आली, ज्यामुळे ६० मिमी उंची आणि २१० मिमी व्यासाचा एक वैशिष्ट्यपूर्ण ढिगारा तयार झाला. निसर्गात, सर्वात कमी घनतेचे वाळूचे ढिगारे वाऱ्याच्या प्रक्रियेमुळे तयार होतात. त्याचप्रमाणे, वरील पद्धतीचा वापर करून तयार केलेल्या नमुन्याची सापेक्ष घनता सर्वात कमी होती, γ = १४.१४ kN/m³, ज्यामुळे एका क्षैतिज पृष्ठभागावर सुमारे २९.७° च्या विश्राम कोनासह एक वाळूचा शंकू तयार झाला.
मागील विभागात मिळवलेले इष्टतम MICP द्रावण 1, 2 आणि 3 lm-2 या दराने वाळूच्या टेकडीच्या उतारावर फवारण्यात आले आणि नंतर नमुने 30 °C तापमानावर (आकृती 3) 9 दिवसांसाठी (म्हणजेच इष्टतम क्युरिंग वेळ) इनक्यूबेटरमध्ये ठेवण्यात आले आणि नंतर विंड टनेल चाचणीसाठी बाहेर काढण्यात आले.
प्रत्येक प्रक्रियेसाठी चार नमुने तयार करण्यात आले, त्यापैकी एक पेनिट्रोमीटर वापरून कॅल्शियम कार्बोनेटचे प्रमाण आणि पृष्ठभागाची मजबुती मोजण्यासाठी, आणि उर्वरित तीन नमुने तीन वेगवेगळ्या वेगांवर झीज चाचण्यांसाठी वापरण्यात आले. विंड टनेल चाचण्यांमध्ये, वेगवेगळ्या वाऱ्याच्या वेगांवर झीजेचे प्रमाण निश्चित करण्यात आले, आणि नंतर झीजेचे प्रमाण विरुद्ध वाऱ्याचा वेग यांचा आलेख वापरून प्रत्येक प्रक्रिया केलेल्या नमुन्यासाठी थ्रेशोल्ड ब्रेकअवे वेग निश्चित करण्यात आला. वाऱ्याच्या झीज चाचण्यांव्यतिरिक्त, प्रक्रिया केलेल्या नमुन्यांवर वाळूचा मारा (म्हणजेच, उडी मारण्याचे प्रयोग) करण्यात आला. या उद्देशासाठी २ आणि ३ L m−२ या दराने आणखी दोन नमुने तयार करण्यात आले. वाळूच्या माऱ्याची चाचणी १५ मिनिटे चालली आणि तिचा प्रवाह १२० gm−१ होता, जो मागील अभ्यासांमध्ये निवडलेल्या मूल्यांच्या श्रेणीत येतो60,61,62. अपघर्षक नोझल आणि वाळूच्या ढिगाऱ्याचा तळ यांच्यातील आडवे अंतर ८०० मिमी होते, जे टनेलच्या तळापासून १०० मिमी वर स्थित होते. ही जागा अशा प्रकारे निश्चित केली होती की, उडणारे जवळपास सर्व वाळूचे कण वाळूच्या ढिगाऱ्यावर पडतील.
८ मीटर लांबी, ०.४ मीटर रुंदी आणि १ मीटर उंची असलेल्या एका खुल्या पवन बोगद्यात पवन बोगदा चाचणी घेण्यात आली (आकृती ४अ). हा पवन बोगदा गॅल्व्हनाइज्ड स्टीलच्या पत्र्यांपासून बनलेला असून तो २५ मीटर/सेकंद पर्यंत वाऱ्याचा वेग निर्माण करू शकतो. याव्यतिरिक्त, पंख्याची वारंवारता समायोजित करण्यासाठी आणि लक्ष्यित वाऱ्याचा वेग मिळवण्यासाठी वारंवारता हळूहळू वाढवण्यासाठी फ्रिक्वेन्सी कन्व्हर्टरचा वापर केला जातो. आकृती ४ब मध्ये वाऱ्यामुळे झिजलेल्या वाळूच्या टेकड्यांची योजनाबद्ध आकृती आणि पवन बोगद्यात मोजलेला वाऱ्याच्या वेगाचा आलेख दर्शविला आहे.
शेवटी, या अभ्यासात प्रस्तावित केलेल्या नॉन-युरियालिटिक MICP फॉर्म्युलेशनच्या परिणामांची तुलना युरियालिटिक MICP नियंत्रण चाचणीच्या परिणामांशी करण्यासाठी, वाळूच्या ढिगाऱ्यांचे नमुने देखील तयार केले गेले आणि युरिया, कॅल्शियम क्लोराईड आणि स्पोरोसारसीना पेस्टुरी (कारण स्पोरोसारसीना पेस्टुरीमध्ये युरिएज तयार करण्याची लक्षणीय क्षमता आहे63) असलेल्या जैविक द्रावणाने त्यावर प्रक्रिया केली गेली. जिवाणू द्रावणाची ऑप्टिकल डेन्सिटी 1.5 होती, आणि युरिया व कॅल्शियम क्लोराईडची सांद्रता 1 M होती (मागील अभ्यासांमध्ये शिफारस केलेल्या मूल्यांवर आधारित निवडलेली36,64,65). कल्चर माध्यमामध्ये न्यूट्रिएंट ब्रॉथ (8 ग्रॅम/लिटर) आणि युरिया (20 ग्रॅम/लिटर) यांचा समावेश होता. जिवाणू द्रावण वाळूच्या ढिगाऱ्याच्या पृष्ठभागावर फवारले गेले आणि जिवाणूंच्या संलग्नतेसाठी 24 तास तसेच ठेवले गेले. 24 तासांच्या संलग्नतेनंतर, एक सिमेंटिंग द्रावण (कॅल्शियम क्लोराईड आणि युरिया) फवारले गेले. युरियालिटिक MICP नियंत्रण चाचणीला यापुढे UMC म्हणून संबोधले जाईल. चोई आणि इतरांनी⁶⁶ प्रस्तावित केलेल्या कार्यपद्धतीनुसार धुलाई करून, युरियालिटिकली आणि नॉन-युरियालिटिकली प्रक्रिया केलेल्या मातीच्या नमुन्यांमधील कॅल्शियम कार्बोनेटचे प्रमाण मिळवण्यात आले.
आकृती ५ मध्ये, ५ ते १० या प्रारंभिक pH श्रेणी असलेल्या संवर्धन माध्यमातील (पोषक द्रावण) बॅसिलस अॅमिलोलिक्विफॅसिएन्स आणि बॅसिलस सबटिलिस यांचे वाढ वक्र दर्शविले आहेत. आकृतीत दाखवल्याप्रमाणे, बॅसिलस अॅमिलोलिक्विफॅसिएन्स आणि बॅसिलस सबटिलिस यांची वाढ अनुक्रमे pH ६-८ आणि ७-९ वर अधिक वेगाने झाली. त्यामुळे, अनुकूलन टप्प्यात ही pH श्रेणी स्वीकारण्यात आली.
पोषक माध्यमाच्या वेगवेगळ्या सुरुवातीच्या pH मूल्यांवर (a) बॅसिलस अॅमिलोलिक्विफेशियन्स आणि (b) बॅसिलस सबटिलिस यांचे वाढ वक्र.
आकृती ६ मध्ये बर्नार्ड लाईममीटरमध्ये तयार झालेल्या कार्बन डायऑक्साइडचे प्रमाण दाखवले आहे, जे अवक्षेपित कॅल्शियम कार्बोनेट (CaCO3) दर्शवते. प्रत्येक संयोजनात एक घटक स्थिर ठेवला होता आणि इतर घटक बदलले होते, त्यामुळे या आलेखांवरील प्रत्येक बिंदू त्या प्रयोगांच्या संचातील कार्बन डायऑक्साइडच्या कमाल प्रमाणाशी संबंधित आहे. आकृतीत दाखवल्याप्रमाणे, कॅल्शियम स्रोताची सांद्रता वाढल्याने कॅल्शियम कार्बोनेटचे उत्पादन वाढले. म्हणून, कॅल्शियम स्रोताची सांद्रता कॅल्शियम कार्बोनेटच्या उत्पादनावर थेट परिणाम करते. कॅल्शियम स्रोत आणि कार्बन स्रोत समान असल्याने (म्हणजेच, कॅल्शियम फॉर्मेट आणि कॅल्शियम ॲसिटेट), जितके जास्त कॅल्शियम आयन बाहेर पडतात, तितके जास्त कॅल्शियम कार्बोनेट तयार होते (आकृती ६अ). AS आणि AA फॉर्म्युलेशनमध्ये, क्युरिंग वेळ वाढल्याने कॅल्शियम कार्बोनेटचे उत्पादन सतत वाढत गेले आणि ९ दिवसांनंतर अवक्षेपाचे प्रमाण जवळजवळ स्थिर झाले. FA फॉर्म्युलेशनमध्ये, क्युरिंग वेळ ६ दिवसांपेक्षा जास्त झाल्यावर कॅल्शियम कार्बोनेट तयार होण्याचा दर कमी झाला. इतर फॉर्म्युलेशनच्या तुलनेत, FS फॉर्म्युलेशनने ३ दिवसांनंतर कॅल्शियम कार्बोनेट तयार होण्याचा दर तुलनेने कमी दर्शवला (आकृती ६ब). FA आणि FS या फॉर्म्युलेशन्समध्ये, तीन दिवसांनंतर एकूण कॅल्शियम कार्बोनेट उत्पादनापैकी अनुक्रमे ७०% आणि ८७% उत्पादन मिळाले, तर AA आणि AS या फॉर्म्युलेशन्समध्ये हे प्रमाण अनुक्रमे केवळ सुमारे ४६% आणि ४५% होते. यावरून असे दिसून येते की, ॲसिटेट-आधारित फॉर्म्युलेशनच्या तुलनेत फॉर्मिक ॲसिड-आधारित फॉर्म्युलेशनमध्ये सुरुवातीच्या टप्प्यात CaCO3 निर्मितीचा दर जास्त असतो. तथापि, क्युरिंगचा कालावधी वाढल्याने निर्मितीचा दर मंदावतो. आकृती ६क वरून असा निष्कर्ष काढता येतो की, OD1 पेक्षा जास्त जिवाणूंच्या सांद्रतेवरही कॅल्शियम कार्बोनेट निर्मितीमध्ये कोणतेही महत्त्वपूर्ण योगदान नसते.
बर्नार्ड कॅल्सिमीटरने मोजलेल्या CO2 व्हॉल्यूममधील (आणि संबंधित CaCO3 सामग्रीमधील) बदल हा (a) कॅल्शियम स्त्रोताची एकाग्रता, (b) सेटिंग वेळ, (c) OD, (d) प्रारंभिक pH, (e) कॅल्शियम स्त्रोत आणि जिवाणू द्रावणाचे गुणोत्तर (प्रत्येक फॉर्म्युलेशनसाठी); आणि (f) कॅल्शियम स्त्रोत आणि जिवाणूंच्या प्रत्येक संयोजनासाठी तयार झालेल्या कॅल्शियम कार्बोनेटची कमाल मात्रा यांवर अवलंबून असतो.
माध्यमाच्या सुरुवातीच्या pH च्या परिणामाबद्दल, आकृती 6d दर्शवते की FA आणि FS साठी, CaCO3 उत्पादन pH 7 वर कमाल मूल्यापर्यंत पोहोचले. हे निरीक्षण पूर्वीच्या अभ्यासांशी सुसंगत आहे, ज्यानुसार FDH एन्झाइम्स pH 7-6.7 वर सर्वात स्थिर असतात. तथापि, AA आणि AS साठी, जेव्हा pH 7 च्या वर गेला तेव्हा CaCO3 अवक्षेपण वाढले. पूर्वीच्या अभ्यासातून असेही दिसून आले आहे की CoA एन्झाइमच्या कार्यासाठी इष्टतम pH श्रेणी 8 ते 9.2-6.8 पर्यंत आहे. CoA एन्झाइमच्या कार्यासाठी आणि B. amyloliquefaciens च्या 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 या दोन्ही pH श्रेणी एकमेकांवर येतात. आकृती 6d मध्ये दाखवल्याप्रमाणे, प्रयोगांद्वारे या वस्तुस्थितीची पुष्टी झाली. B. subtilis च्या वाढीसाठी इष्टतम pH 7-9 (आकृती 5b) आणि CoA एन्झाइमच्या कार्यासाठी इष्टतम pH 8-9.2 असल्याने, CaCO3 अवक्षेपणाचे कमाल उत्पादन 8-9 च्या pH श्रेणीत अपेक्षित आहे, ज्याची पुष्टी आकृती 6d द्वारे होते (म्हणजेच, इष्टतम अवक्षेपण pH 9 आहे). आकृती 6e मध्ये दर्शविलेले परिणाम सूचित करतात की ॲसिटेट आणि फॉर्मेट दोन्ही द्रावणांसाठी कॅल्शियम स्रोत द्रावण आणि जिवाणू द्रावण यांचे इष्टतम प्रमाण 1 आहे. तुलनेसाठी, वेगवेगळ्या फॉर्म्युलेशन्सची (म्हणजेच, AA, AS, FA, आणि FS) कामगिरी वेगवेगळ्या परिस्थितींमध्ये (म्हणजेच, कॅल्शियम स्रोत सांद्रता, क्युरिंग वेळ, OD, कॅल्शियम स्रोत ते जिवाणू द्रावण प्रमाण, आणि प्रारंभिक pH) कमाल CaCO3 उत्पादनाच्या आधारावर मूल्यांकन करण्यात आले. अभ्यासलेल्या फॉर्म्युलेशन्सपैकी, फॉर्म्युलेशन FS मध्ये सर्वाधिक CaCO3 उत्पादन होते, जे फॉर्म्युलेशन AA च्या अंदाजे तिप्पट होते (आकृती 6f). दोन्ही कॅल्शियम स्रोतांसाठी चार जिवाणू-मुक्त नियंत्रण प्रयोग आयोजित केले गेले आणि 30 दिवसांनंतर कोणतेही CaCO3 अवक्षेपण दिसून आले नाही.
सर्व फॉर्म्युलेशन्सच्या ऑप्टिकल मायक्रोस्कोपी प्रतिमांवरून असे दिसून आले की व्हॅटेराइट हा मुख्य टप्पा होता ज्यामध्ये कॅल्शियम कार्बोनेट तयार झाले होते (आकृती 7). व्हॅटेराइटचे स्फटिक गोलाकार आकाराचे होते69,70,71. असे आढळून आले की जिवाणू पेशींवर कॅल्शियम कार्बोनेटचे अवक्षेपण झाले कारण जिवाणू पेशींचा पृष्ठभाग ऋणभारित होता आणि तो द्विसंयुजी कॅटायन्ससाठी शोषक म्हणून कार्य करू शकत होता. या अभ्यासात फॉर्म्युलेशन FS चे उदाहरण घेतल्यास, 24 तासांनंतर, काही जिवाणू पेशींवर कॅल्शियम कार्बोनेट तयार होऊ लागले (आकृती 7a), आणि 48 तासांनंतर, कॅल्शियम कार्बोनेटने लेपित जिवाणू पेशींची संख्या लक्षणीयरीत्या वाढली. याव्यतिरिक्त, आकृती 7b मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे, व्हॅटेराइटचे कण देखील शोधता आले. शेवटी, 72 तासांनंतर, मोठ्या संख्येने जिवाणू व्हॅटेराइटच्या स्फटिकांनी बांधलेले दिसले आणि व्हॅटेराइटच्या कणांची संख्या लक्षणीयरीत्या वाढली (आकृती 7c).
कालांतराने FS मिश्रणांमध्ये CaCO3 अवक्षेपणाचे ऑप्टिकल मायक्रोस्कोपी निरीक्षण: (a) 24, (b) 48 आणि (c) 72 तास.
अवक्षेपित अवस्थेच्या आकारविज्ञानाचा अधिक तपास करण्यासाठी, चूर्णांचे क्ष-किरण विवर्तन (XRD) आणि SEM विश्लेषण करण्यात आले. XRD स्पेक्ट्रा (आकृती 8a) आणि SEM मायक्रोग्राफ्स (आकृती 8b, c) यांनी व्हॅटेराइट स्फटिकांच्या उपस्थितीची पुष्टी केली, कारण त्यांचा आकार लेट्यूससारखा होता आणि व्हॅटेराइट शिखरे व अवक्षेप शिखरे यांच्यात सुसंगतता दिसून आली.
(अ) तयार झालेल्या CaCO3 आणि व्हॅटेराइटच्या एक्स-रे विवर्तन स्पेक्ट्राची तुलना. व्हॅटेराइटचे SEM मायक्रोग्राफ, अनुक्रमे (ब) 1 kHz आणि (क) 5.27 kHz आवर्धनावर.
पवन बोगदा चाचण्यांचे निकाल आकृती ९अ, ब मध्ये दाखवले आहेत. आकृती ९अ वरून असे दिसून येते की, उपचार न केलेल्या वाळूचा उंबरठा क्षरण वेग (TDV) सुमारे ४.३२ मी/से आहे. १ लि/मी² या वापर दराने (आकृती ९अ), FA, FS, AA आणि UMC या अंशांसाठी मातीची धूप होण्याच्या दराच्या रेषांचे उतार हे उपचार न केलेल्या वाळूच्या ढिगाऱ्याप्रमाणेच आहेत. यावरून असे दिसून येते की, या वापर दराने केलेला उपचार अप्रभावी आहे आणि वाऱ्याचा वेग TDV ओलांडताच, मातीचा पातळ थर नाहीसा होतो आणि वाळूच्या ढिगाऱ्याच्या क्षरणाचा दर उपचार न केलेल्या ढिगाऱ्याप्रमाणेच होतो. AS अंशाचा क्षरण उतार देखील कमी अक्षांश (म्हणजे TDV) असलेल्या इतर अंशांपेक्षा कमी आहे (आकृती ९अ). आकृती ९ब मधील बाण दर्शवतात की, २५ मी/से या कमाल वाऱ्याच्या वेगावर, २ आणि ३ लि/मी² या वापर दरांनी उपचार केलेल्या वाळूच्या ढिगाऱ्यांमध्ये कोणतेही क्षरण झाले नाही. दुसऱ्या शब्दांत सांगायचे झाल्यास, FS, FA, AS आणि UMC साठी, CaCO³ च्या संचयनामुळे होणाऱ्या वाऱ्याच्या क्षरणाला वाळूचे ढिगारे, कमाल वाऱ्याच्या वेगापेक्षा (म्हणजे २५ मी/से) २ आणि ३ लि/मी² या दराने अधिक प्रतिरोधक होते. त्यामुळे, या चाचण्यांमध्ये मिळालेले २५ मी/से चे TDV मूल्य, AA चा अपवाद वगळता, आकृती ९ब मध्ये दर्शविलेल्या संचयन दरांसाठी खालची मर्यादा आहे; AA मध्ये TDV हे विंड टनेलच्या कमाल वेगाच्या जवळपास समान आहे.
वाऱ्यामुळे होणारी झीज चाचणी (अ) वजनातील घट विरुद्ध वाऱ्याचा वेग (वापर दर १ लि/मी²), (ब) उंबरठा फाटण्याचा वेग विरुद्ध वापर दर आणि फॉर्म्युलेशन (कॅल्शियम ॲसिटेटसाठी CA, कॅल्शियम फॉर्मेटसाठी CF).
आकृती १० मध्ये वाळूच्या माऱ्याच्या चाचणीनंतर, वेगवेगळ्या फॉर्म्युलेशन्स आणि वापर दरांनी प्रक्रिया केलेल्या वाळूच्या ढिगाऱ्यांची पृष्ठभागीय झीज दर्शविली आहे आणि त्याचे संख्यात्मक परिणाम आकृती ११ मध्ये दाखवले आहेत. प्रक्रिया न केलेला नमुना दाखवलेला नाही, कारण त्याने कोणताही प्रतिकार दर्शवला नाही आणि वाळूच्या माऱ्याच्या चाचणीदरम्यान त्याची पूर्णपणे झीज झाली (एकूण वस्तुमान घट). आकृती ११ वरून हे स्पष्ट होते की, बायो-कंपोझिशन AA ने प्रक्रिया केलेल्या नमुन्याचे वजन २ लिटर/मी² या वापर दराने ८३.५% कमी झाले, तर इतर सर्व नमुन्यांची वाळूच्या माऱ्याच्या प्रक्रियेदरम्यान ३०% पेक्षा कमी झीज झाली. जेव्हा वापर दर ३ लिटर/मी² पर्यंत वाढवला गेला, तेव्हा सर्व प्रक्रिया केलेल्या नमुन्यांचे वजन २५% पेक्षा कमी कमी झाले. दोन्ही वापर दरांवर, कंपाऊंड FS ने वाळूच्या माऱ्याला सर्वोत्तम प्रतिकार दर्शवला. FS आणि AA प्रक्रिया केलेल्या नमुन्यांमधील कमाल आणि किमान माऱ्याचा प्रतिकार त्यांच्या कमाल आणि किमान CaCO3 अवक्षेपणामुळे (आकृती ६फ) असू शकतो.
2 आणि 3 l/m2 च्या प्रवाह दराने वेगवेगळ्या रचनेच्या वाळूच्या ढिगाऱ्यांवर केलेल्या बॉम्बार्डमेंटचे परिणाम (बाण वाऱ्याची दिशा दर्शवतात, क्रॉस रेखाचित्राच्या प्रतलाला लंब असलेली वाऱ्याची दिशा दर्शवतात).
आकृती १२ मध्ये दाखवल्याप्रमाणे, वापराचा दर १ लि/मी² पासून ३ लि/मी² पर्यंत वाढल्याने सर्व फॉर्म्युलांमधील कॅल्शियम कार्बोनेटचे प्रमाण वाढले. याव्यतिरिक्त, सर्व वापर दरांवर, सर्वाधिक कॅल्शियम कार्बोनेट असलेले फॉर्म्युला FS होते, त्यानंतर FA आणि UMC यांचा क्रमांक होता. यावरून असे सूचित होते की या फॉर्म्युलांमध्ये पृष्ठभागाचा प्रतिकार अधिक असू शकतो.
आकृती १३अ मध्ये परमीमीटर चाचणीद्वारे मोजलेल्या, उपचार न केलेल्या, नियंत्रित आणि उपचार केलेल्या मातीच्या नमुन्यांच्या पृष्ठभागाच्या रोधातील बदल दर्शविला आहे. या आकृतीवरून हे स्पष्ट होते की, वापराचा दर वाढल्याने UMC, AS, FA आणि FS फॉर्म्युलेशन्सच्या पृष्ठभागाचा रोध लक्षणीयरीत्या वाढला. तथापि, AA फॉर्म्युलेशनमध्ये पृष्ठभागाच्या मजबुतीमधील वाढ तुलनेने कमी होती. आकृतीत दाखवल्याप्रमाणे, युरिया-विघटित MICP च्या तुलनेत, युरिया-विघटित नसलेल्या MICP च्या FA आणि FS फॉर्म्युलेशन्सची पृष्ठभागीय पारगम्यता अधिक चांगली आहे. आकृती १३ब मध्ये मातीच्या पृष्ठभागाच्या रोधानुसार TDV मधील बदल दर्शविला आहे. या आकृतीवरून हे स्पष्टपणे दिसून येते की, ज्या वाळूच्या ढिगाऱ्यांचा पृष्ठभागाचा रोध १०० kPa पेक्षा जास्त आहे, त्यांच्यासाठी थ्रेशोल्ड स्ट्रिपिंग वेग २५ m/s पेक्षा जास्त असेल. परमीमीटरद्वारे जागेवरील पृष्ठभागाचा रोध सहजपणे मोजता येत असल्यामुळे, विंड टनेल चाचणीच्या अनुपस्थितीत TDV चा अंदाज घेण्यासाठी या ज्ञानाचा उपयोग होऊ शकतो, ज्यामुळे ते क्षेत्रीय वापरासाठी गुणवत्ता नियंत्रण निर्देशक म्हणून काम करते.
SEM चे निकाल आकृती १४ मध्ये दाखवले आहेत. आकृती १४अ-ब मध्ये उपचार न केलेल्या मातीच्या नमुन्याचे मोठे केलेले कण दाखवले आहेत, ज्यावरून हे स्पष्टपणे दिसून येते की ती एकसंध आहे आणि तिच्यात नैसर्गिक बंध किंवा सिमेंटेशन नाही. आकृती १४क मध्ये युरिया-डिग्रेडेड MICP ने उपचार केलेल्या नियंत्रण नमुन्याचा SEM मायक्रोग्राफ दाखवला आहे. या प्रतिमेत कॅल्साइट पॉलिमॉर्फ्सच्या स्वरूपात CaCO3 अवक्षेपांची उपस्थिती दिसून येते. आकृती १४ड-ओ मध्ये दाखवल्याप्रमाणे, अवक्षेपित CaCO3 कणांना एकत्र बांधतो; SEM मायक्रोग्राफ्समध्ये गोलाकार व्हॅटेराइट स्फटिक देखील ओळखता येतात. या अभ्यासाचे आणि मागील अभ्यासांचे निकाल असे दर्शवतात की व्हॅटेराइट पॉलिमॉर्फ्सच्या स्वरूपात तयार झालेले CaCO3 बंध देखील वाजवी यांत्रिक शक्ती प्रदान करू शकतात; आमच्या निकालांनुसार पृष्ठभागाचा प्रतिरोध ३५० kPa पर्यंत वाढतो आणि थ्रेशोल्ड सेपरेशन वेग ४.३२ वरून २५ m/s पेक्षा जास्त होतो. हा निकाल मागील अभ्यासांच्या निकालांशी सुसंगत आहे की MICP-अवक्षेपित CaCO3 चा मॅट्रिक्स व्हॅटेराइट आहे, ज्यामध्ये वाजवी यांत्रिक शक्ती आणि वाऱ्याच्या झिजेला प्रतिकारशक्ती आहे13,40 आणि मैदानी पर्यावरणीय परिस्थितीत 180 दिवसांच्या संपर्कात आल्यानंतरही वाजवी वाऱ्याच्या झिजेला प्रतिकारशक्ती टिकवून ठेवू शकते13.
(a, b) उपचार न केलेल्या मातीचे SEM मायक्रोग्राफ, (c) MICP युरिया क्षरण नियंत्रण, (df) AA-उपचारित नमुने, (gi) AS-उपचारित नमुने, (jl) FA-उपचारित नमुने, आणि (mo) FS-उपचारित नमुने 3 L/m2 च्या अनुप्रयोग दराने वेगवेगळ्या मॅग्निफिकेशनवर.
आकृती 14d-f दर्शवते की AA संयुगांसह प्रक्रिया केल्यानंतर, पृष्ठभागावर आणि वाळूच्या कणांमध्ये कॅल्शियम कार्बोनेटचे अवक्षेपण झाले, तर काही लेप नसलेले वाळूचे कण देखील दिसून आले. AS घटकांच्या बाबतीत, जरी तयार झालेल्या CaCO3 चे प्रमाण लक्षणीयरीत्या वाढले नाही (आकृती 6f), तरी AA संयुगांच्या तुलनेत CaCO3 मुळे वाळूच्या कणांमधील संपर्काचे प्रमाण लक्षणीयरीत्या वाढले (आकृती 14g-i).
आकृत्या 14j-l आणि 14m-o वरून हे स्पष्ट होते की, कॅल्शियमचा स्रोत म्हणून कॅल्शियम फॉर्मेटच्या वापरामुळे AS कंपाऊंडच्या तुलनेत CaCO3 अवक्षेपणात आणखी वाढ होते, जे आकृती 6f मधील कॅल्शियम मीटरच्या मोजमापांशी सुसंगत आहे. हे अतिरिक्त CaCO3 प्रामुख्याने वाळूच्या कणांवर जमा होते आणि त्यामुळे संपर्काच्या गुणवत्तेत सुधारणा होतेच असे नाही. हे पूर्वी निरीक्षण केलेल्या वर्तनाची पुष्टी करते: CaCO3 अवक्षेपणाच्या प्रमाणात फरक असूनही (आकृती 6f), तीनही फॉर्म्युलेशन्स (AS, FA आणि FS) वाऱ्यापासून संरक्षण (आकृती 11) आणि पृष्ठभागाच्या प्रतिकारशक्तीच्या (आकृती 13a) बाबतीत लक्षणीयरीत्या भिन्न नाहीत.
CaCO3 लेपित जिवाणू पेशी आणि अवक्षेपित स्फटिकांवरील जिवाणूंचा ठसा अधिक चांगल्या प्रकारे पाहण्यासाठी, उच्च विवर्धनाचे SEM सूक्ष्मचित्र घेण्यात आले आणि त्याचे परिणाम आकृती १५ मध्ये दर्शविले आहेत. दर्शविल्याप्रमाणे, कॅल्शियम कार्बोनेट जिवाणू पेशींवर अवक्षेपित होते आणि तेथील अवक्षेपणासाठी आवश्यक केंद्रके पुरवते. ही आकृती CaCO3 मुळे प्रेरित झालेले सक्रिय आणि निष्क्रिय बंध देखील दर्शवते. असा निष्कर्ष काढता येतो की, निष्क्रिय बंधांमधील कोणतीही वाढ यांत्रिक वर्तनात पुढील सुधारणा घडवून आणेलच असे नाही. म्हणून, CaCO3 अवक्षेपण वाढवल्याने उच्च यांत्रिक शक्ती मिळेलच असे नाही आणि अवक्षेपणाचा नमुना एक महत्त्वाची भूमिका बजावतो. या मुद्द्याचा अभ्यास टेर्झिस आणि लालौई७२ आणि सोघी आणि अल-कबानी४५,७३ यांच्या कार्यांमध्येही करण्यात आला आहे. अवक्षेपणाचा नमुना आणि यांत्रिक शक्ती यांच्यातील संबंध अधिक शोधण्यासाठी, µCT इमेजिंग वापरून MICP अभ्यासाची शिफारस केली जाते, जे या अभ्यासाच्या व्याप्तीच्या बाहेर आहे (म्हणजे, अमोनिया-मुक्त MICP साठी कॅल्शियम स्रोत आणि जिवाणूंचे वेगवेगळे संयोजन सादर करणे).
CaCO3 ने (a) AS मिश्रण आणि (b) FS मिश्रणाने प्रक्रिया केलेल्या नमुन्यांमध्ये सक्रिय आणि निष्क्रिय बंध निर्माण केले आणि गाळावर जिवाणू पेशींचा ठसा सोडला.
आकृती १४जे-ओ आणि १५बी मध्ये दाखवल्याप्रमाणे, तेथे एक CaCO थर आहे (EDX विश्लेषणानुसार, थरातील प्रत्येक घटकाची टक्केवारी रचना कार्बन ११%, ऑक्सिजन ४६.६२% आणि कॅल्शियम ४२.३९% आहे, जी आकृती १६ मधील CaCO च्या टक्केवारीच्या अगदी जवळ आहे). हा थर व्हॅटेराइट स्फटिक आणि मातीच्या कणांना झाकतो, ज्यामुळे मृदा-गाळ प्रणालीची अखंडता टिकवून ठेवण्यास मदत होते. या थराचे अस्तित्व केवळ फॉर्मेट-आधारित फॉर्म्युलेशनने प्रक्रिया केलेल्या नमुन्यांमध्येच दिसून आले.
सारणी २ मध्ये, मागील अभ्यासांमध्ये आणि या अभ्यासात युरिया-विघटन करणाऱ्या आणि युरिया-विघटन न करणाऱ्या MICP मार्गांनी प्रक्रिया केलेल्या मातीची पृष्ठभागाची मजबुती, उंबरठा विलगन वेग आणि जैव-प्रेरित CaCO3 सामग्री यांची तुलना केली आहे. MICP-प्रक्रिया केलेल्या वाळूच्या ढिगाऱ्यांच्या नमुन्यांच्या वाऱ्याच्या धूप प्रतिकारशक्तीवरील अभ्यास मर्यादित आहेत. मेंग आणि इतरांनी लीफ ब्लोअर वापरून MICP-प्रक्रिया केलेल्या युरिया-विघटन करणाऱ्या वाळूच्या ढिगाऱ्यांच्या नमुन्यांच्या वाऱ्याच्या धूप प्रतिकारशक्तीचा अभ्यास केला,¹³ तर या अभ्यासात, युरिया-विघटन न करणाऱ्या वाळूच्या ढिगाऱ्यांचे नमुने (तसेच युरिया-विघटन करणारे नियंत्रक नमुने) विंड टनेलमध्ये तपासले गेले आणि त्यांच्यावर जिवाणू व पदार्थांच्या चार वेगवेगळ्या संयोजनांनी प्रक्रिया केली गेली.
जसे दिसून येते, काही पूर्वीच्या अभ्यासांमध्ये ४ लिटर/मी² पेक्षा जास्त उच्च वापर दरांचा विचार केला गेला आहे¹³,⁴¹,⁷⁴. हे लक्षात घेण्यासारखे आहे की पाणीपुरवठा, वाहतूक आणि मोठ्या प्रमाणात पाण्याचा वापर यांच्याशी संबंधित खर्चामुळे, आर्थिक दृष्टिकोनातून उच्च वापर दर प्रत्यक्ष वापरात आणणे सोपे नसते. १.६२-२ लिटर/मी² सारख्या कमी वापर दरांनी देखील १९० किलोपास्कल पर्यंतची बऱ्यापैकी चांगली पृष्ठभागीय मजबुती आणि २५ मीटर/सेकंद पेक्षा जास्त टीडीव्ही (TDV) प्राप्त केली. प्रस्तुत अभ्यासात, युरिया क्षपणाशिवाय फॉर्मेट-आधारित एमआयसीपी (MICP) ने प्रक्रिया केलेल्या वाळूच्या ढिगाऱ्यांनी उच्च वापर दरांवर युरिया क्षपण मार्गाने मिळवलेल्या मजबुतीशी तुलना करता येण्याजोगी उच्च पृष्ठभागीय मजबुती प्राप्त केली (म्हणजेच, युरिया क्षपणाशिवाय फॉर्मेट-आधारित एमआयसीपीने प्रक्रिया केलेले नमुने देखील मेंग आणि इतरांनी नोंदवलेल्या पृष्ठभागीय मजबुतीच्या मूल्यांची समान श्रेणी प्राप्त करण्यास सक्षम होते,¹³, आकृती १३अ). हे देखील दिसून येते की 2 L/m2 च्या वापर दराने, 25 m/s वाऱ्याच्या वेगात वाऱ्यामुळे होणारी धूप कमी करण्यासाठी युरियाचे विघटन न केलेल्या फॉर्मेट-आधारित MICP साठी कॅल्शियम कार्बोनेटचे उत्पादन 2.25% होते, जे त्याच वापर दराने आणि त्याच वाऱ्याच्या वेगाने (25 m/s) युरियाचे विघटन असलेल्या नियंत्रण MICP ने उपचार केलेल्या वाळूच्या ढिगाऱ्यांच्या तुलनेत आवश्यक असलेल्या CaCO3 च्या प्रमाणाच्या (म्हणजे 2.41%) खूप जवळ आहे.
अशाप्रकारे, या तक्त्यावरून असा निष्कर्ष काढता येतो की, युरिया-विघटन मार्ग आणि युरिया-मुक्त विघटन मार्ग हे दोन्ही पृष्ठभागाचा प्रतिरोध आणि TDV च्या बाबतीत बऱ्यापैकी स्वीकारार्ह कामगिरी देऊ शकतात. मुख्य फरक हा आहे की युरिया-मुक्त विघटन मार्गात अमोनिया नसतो आणि त्यामुळे त्याचा पर्यावरणावर कमी परिणाम होतो. याव्यतिरिक्त, या अभ्यासात प्रस्तावित केलेली युरिया-विघटन नसलेली फॉर्मेट-आधारित MICP पद्धत ही युरिया-विघटन नसलेल्या ॲसिटेट-आधारित MICP पद्धतीपेक्षा अधिक चांगली कामगिरी करते असे दिसते. जरी मोहेब्बी आणि त्यांच्या सहकाऱ्यांनी युरिया-विघटन नसलेल्या ॲसिटेट-आधारित MICP पद्धतीचा अभ्यास केला असला तरी, त्यांच्या अभ्यासात सपाट पृष्ठभागावरील नमुन्यांचा समावेश होता⁹. वाळूच्या ढिगाऱ्याच्या नमुन्यांभोवती भोवरे तयार झाल्यामुळे होणारी जास्त झीज आणि त्यामुळे निर्माण होणारे अपघर्षण, ज्यामुळे TDV कमी होतो, यामुळे वाळूच्या ढिगाऱ्याच्या नमुन्यांची वाऱ्यामुळे होणारी झीज ही सपाट पृष्ठभागांच्या तुलनेत त्याच वेगाने अधिक स्पष्ट होण्याची शक्यता आहे.