ขอบคุณที่เข้าชม nature.com เบราว์เซอร์ที่คุณใช้อยู่มีการรองรับ CSS อย่างจำกัด เพื่อประสบการณ์การใช้งานที่ดีที่สุด เราขอแนะนำให้คุณใช้เบราว์เซอร์เวอร์ชันล่าสุด (หรือปิดโหมดความเข้ากันได้ใน Internet Explorer) นอกจากนี้ เพื่อให้มั่นใจได้ว่าเว็บไซต์นี้จะได้รับการสนับสนุนอย่างต่อเนื่อง เว็บไซต์นี้จะไม่มีสไตล์หรือ JavaScript
พายุฝุ่นเป็นภัยคุกคามร้ายแรงต่อหลายประเทศทั่วโลก เนื่องจากส่งผลกระทบอย่างรุนแรงต่อการเกษตร สุขภาพของมนุษย์ เครือข่ายการขนส่ง และโครงสร้างพื้นฐาน ดังนั้น การกัดเซาะโดยลมจึงถือเป็นปัญหาระดับโลก หนึ่งในแนวทางที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมในการลดการกัดเซาะโดยลมคือการใช้การตกตะกอนคาร์บอเนตที่เกิดจากจุลินทรีย์ (MICP) อย่างไรก็ตาม ผลพลอยได้จาก MICP ที่ใช้การย่อยสลายยูเรีย เช่น แอมโมเนีย ไม่เหมาะสมหากผลิตในปริมาณมาก งานวิจัยนี้จึงนำเสนอสูตรแบคทีเรียแคลเซียมฟอร์เมตสองสูตรสำหรับการย่อยสลาย MICP โดยไม่ผลิตยูเรีย และเปรียบเทียบประสิทธิภาพอย่างครอบคลุมกับสูตรแบคทีเรียแคลเซียมอะซิเตตที่ไม่ผลิตแอมโมเนียสองสูตร แบคทีเรียที่พิจารณาคือ Bacillus subtilis และ Bacillus amyloliquefaciens ขั้นตอนแรกคือการกำหนดค่าที่เหมาะสมที่สุดของปัจจัยที่ควบคุมการก่อตัวของ CaCO3 จากนั้นจึงทำการทดสอบในอุโมงค์ลมกับตัวอย่างเนินทรายที่ได้รับการบำบัดด้วยสูตรที่เหมาะสมที่สุด และวัดความต้านทานต่อการกัดเซาะของลม ความเร็วเกณฑ์การหลุดลอก และความต้านทานต่อการกระแทกของทราย มีการประเมินรูปแบบผลึกของแคลเซียมคาร์บอเนต (CaCO3) โดยใช้กล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสง กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกน (SEM) และการวิเคราะห์การเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ สูตรที่ใช้แคลเซียมฟอร์เมตมีประสิทธิภาพดีกว่าสูตรที่ใช้แคลเซียมอะซิเตตอย่างมีนัยสำคัญในแง่ของการก่อตัวของแคลเซียมคาร์บอเนต นอกจากนี้ B. subtilis ยังผลิตแคลเซียมคาร์บอเนตได้มากกว่า B. amyloliquefaciens ภาพถ่าย SEM แสดงให้เห็นอย่างชัดเจนถึงการยึดเกาะและการพิมพ์ของแบคทีเรียที่ทำงานและไม่ทำงานบนแคลเซียมคาร์บอเนตที่เกิดจากการตกตะกอน สูตรทั้งหมดช่วยลดการกัดเซาะของลมได้อย่างมีนัยสำคัญ
การกัดเซาะโดยลมได้รับการยอมรับมานานแล้วว่าเป็นปัญหาสำคัญที่ส่งผลกระทบต่อภูมิภาคแห้งแล้งและกึ่งแห้งแล้ง เช่น ทางตะวันตกเฉียงใต้ของสหรัฐอเมริกา ทางตะวันตกของจีน แอฟริกาทะเลทรายซาฮารา และพื้นที่ส่วนใหญ่ของตะวันออกกลาง1 ปริมาณน้ำฝนต่ำในสภาพภูมิอากาศแห้งแล้งและแห้งแล้งจัดได้เปลี่ยนพื้นที่ส่วนใหญ่ของภูมิภาคเหล่านี้ให้กลายเป็นทะเลทราย เนินทราย และพื้นที่ที่ไม่ได้ทำการเพาะปลูก การกัดเซาะโดยลมอย่างต่อเนื่องก่อให้เกิดภัยคุกคามต่อสิ่งแวดล้อมต่อโครงสร้างพื้นฐาน เช่น เครือข่ายการขนส่ง พื้นที่เกษตรกรรม และพื้นที่อุตสาหกรรม ส่งผลให้สภาพความเป็นอยู่ไม่ดีและต้นทุนการพัฒนาเมืองสูงในภูมิภาคเหล่านี้2,3,4 ที่สำคัญ การกัดเซาะโดยลมไม่เพียงส่งผลกระทบต่อสถานที่ที่เกิดขึ้นเท่านั้น แต่ยังก่อให้เกิดปัญหาสุขภาพและเศรษฐกิจในชุมชนห่างไกล เนื่องจากลมพัดพาอนุภาคไปยังพื้นที่ที่อยู่ห่างไกลจากแหล่งกำเนิด5,6
การควบคุมการกัดเซาะโดยลมยังคงเป็นปัญหาทั่วโลก มีการใช้วิธีการต่างๆ ในการทำให้ดินคงตัวเพื่อควบคุมการกัดเซาะโดยลม วิธีการเหล่านี้รวมถึงวัสดุต่างๆ เช่น การใช้น้ำ7 การคลุมดินด้วยน้ำมัน8 ไบโอโพลีเมอร์5 การตกตะกอนคาร์บอเนตที่เกิดจากจุลินทรีย์ (MICP)9,10,11,12 และการตกตะกอนคาร์บอเนตที่เกิดจากเอนไซม์ (EICP)1 การทำให้ดินเปียกเป็นวิธีการมาตรฐานในการลดฝุ่นในพื้นที่ อย่างไรก็ตาม การระเหยอย่างรวดเร็วทำให้วิธีการนี้มีประสิทธิภาพจำกัดในพื้นที่แห้งแล้งและกึ่งแห้งแล้ง1 การใช้สารประกอบคลุมดินด้วยน้ำมันจะเพิ่มการยึดเกาะของทรายและแรงเสียดทานระหว่างอนุภาค คุณสมบัติการยึดเกาะของมันจะยึดเม็ดทรายเข้าด้วยกัน อย่างไรก็ตาม การคลุมดินด้วยน้ำมันก็ก่อให้เกิดปัญหาอื่นๆ เช่นกัน สีเข้มของมันเพิ่มการดูดซับความร้อนและนำไปสู่การตายของพืชและจุลินทรีย์ กลิ่นและควันของมันอาจทำให้เกิดปัญหาเกี่ยวกับระบบทางเดินหายใจ และที่สำคัญที่สุดคือต้นทุนที่สูงเป็นอุปสรรคอีกประการหนึ่ง ไบโอโพลีเมอร์เป็นหนึ่งในวิธีการที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมที่ได้รับการเสนอเมื่อเร็วๆ นี้สำหรับการบรรเทาการกัดเซาะโดยลม สารเหล่านี้สกัดได้จากแหล่งธรรมชาติ เช่น พืช สัตว์ และแบคทีเรีย แซนแทนกัม กัวร์กัม ไคโตซาน และเจลแลนกัม เป็นไบโอพอลิเมอร์ที่ใช้กันทั่วไปมากที่สุดในงานวิศวกรรม5 อย่างไรก็ตาม ไบโอพอลิเมอร์ที่ละลายน้ำได้อาจสูญเสียความแข็งแรงและถูกชะล้างออกจากดินเมื่อสัมผัสกับน้ำ13,14 EICP ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าเป็นวิธีการลดฝุ่นที่มีประสิทธิภาพสำหรับงานต่างๆ รวมถึงถนนที่ไม่ได้ลาดยาง บ่อเก็บกากแร่ และสถานที่ก่อสร้าง แม้ว่าผลลัพธ์จะน่าพอใจ แต่ก็ต้องพิจารณาข้อเสียที่อาจเกิดขึ้นบางประการ เช่น ต้นทุน และการขาดแหล่งกำเนิดนิวเคลียส (ซึ่งเร่งการก่อตัวและการตกตะกอนของผลึก CaCO315,16)
MICP ได้รับการอธิบายครั้งแรกในช่วงปลายศตวรรษที่ 19 โดย Murray และ Irwin (1890) และ Steinmann (1901) ในการศึกษาการย่อยสลายยูเรียโดยจุลินทรีย์ในทะเล17 MICP เป็นกระบวนการทางชีวภาพที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติซึ่งเกี่ยวข้องกับกิจกรรมของจุลินทรีย์และกระบวนการทางเคมีที่หลากหลาย โดยแคลเซียมคาร์บอเนตจะตกตะกอนจากปฏิกิริยาของไอออนคาร์บอเนตจากเมตาบอไลต์ของจุลินทรีย์กับไอออนแคลเซียมในสิ่งแวดล้อม18,19 MICP ที่เกี่ยวข้องกับวัฏจักรไนโตรเจนที่ย่อยสลายยูเรีย (MICP ที่ย่อยสลายยูเรีย) เป็นประเภทที่พบได้บ่อยที่สุดของการตกตะกอนคาร์บอเนตที่เกิดจากจุลินทรีย์ โดยที่ยูรีเอสที่ผลิตโดยแบคทีเรียจะเร่งปฏิกิริยาไฮโดรไลซิสของยูเรีย20,21,22,23,24,25,26,27 ดังต่อไปนี้:
ใน MICP ที่เกี่ยวข้องกับวัฏจักรคาร์บอนของการออกซิเดชันของเกลืออินทรีย์ (MICP ที่ไม่มีประเภทการย่อยสลายยูเรีย) แบคทีเรียเฮเทอโรโทรฟิกใช้เกลืออินทรีย์ เช่น อะซิเตต แลคเตต ซิเตรต ซัคซิเนต ออกซาเลต มาเลต และไกลออกซิเลต เป็นแหล่งพลังงานเพื่อผลิตแร่คาร์บอเนต28 ในกรณีที่มีแคลเซียมแลคเตตเป็นแหล่งคาร์บอนและไอออนแคลเซียม ปฏิกิริยาเคมีของการก่อตัวของแคลเซียมคาร์บอเนตแสดงอยู่ในสมการ (5)
ในกระบวนการ MICP เซลล์แบคทีเรียเป็นแหล่งก่อตัวของผลึกซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการตกตะกอนของแคลเซียมคาร์บอเนต พื้นผิวเซลล์แบคทีเรียมีประจุลบและสามารถทำหน้าที่เป็นตัวดูดซับสำหรับไอออนบวกสองวาเลนซ์ เช่น ไอออนแคลเซียม โดยการดูดซับไอออนแคลเซียมลงบนเซลล์แบคทีเรีย เมื่อความเข้มข้นของไอออนคาร์บอเนตเพียงพอ ไอออนแคลเซียมและไอออนคาร์บอเนตจะทำปฏิกิริยากันและแคลเซียมคาร์บอเนตจะตกตะกอนบนพื้นผิวของแบคทีเรีย29,30 กระบวนการนี้สามารถสรุปได้ดังนี้31,32:
ผลึกแคลเซียมคาร์บอเนตที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติสามารถแบ่งออกได้เป็น 3 ประเภท ได้แก่ แคลไซต์ วาเทอไรต์ และอาราโกไนต์ ในบรรดาผลึกเหล่านี้ แคลไซต์และวาเทอไรต์เป็นผลึกแคลเซียมคาร์บอเนตที่เกิดจากแบคทีเรียที่พบได้บ่อยที่สุด33,34 แคลไซต์เป็นผลึกแคลเซียมคาร์บอเนตที่มีเสถียรภาพทางอุณหพลศาสตร์มากที่สุด35 แม้ว่าจะมีรายงานว่าวาเทอไรต์ไม่เสถียร แต่ในที่สุดก็จะเปลี่ยนไปเป็นแคลไซต์36,37 วาเทอไรต์เป็นผลึกที่มีความหนาแน่นมากที่สุดในบรรดาผลึกเหล่านี้ เป็นผลึกหกเหลี่ยมที่มีความสามารถในการเติมรูพรุนได้ดีกว่าผลึกแคลเซียมคาร์บอเนตชนิดอื่น ๆ เนื่องจากมีขนาดใหญ่กว่า38 ทั้ง MICP ที่ถูกย่อยสลายด้วยยูเรียและไม่ถูกย่อยสลายด้วยยูเรียสามารถนำไปสู่การตกตะกอนของวาเทอไรต์ได้13,39,40,41
แม้ว่า MICP จะแสดงศักยภาพที่น่าสนใจในการทำให้ดินที่มีปัญหาและดินที่เสี่ยงต่อการกัดเซาะจากลมมีความเสถียร42,43,44,45,46,47,48 แต่หนึ่งในผลพลอยได้จากการไฮโดรไลซิสของยูเรียคือแอมโมเนีย ซึ่งอาจก่อให้เกิดปัญหาสุขภาพเล็กน้อยถึงรุนแรงขึ้นอยู่กับระดับการสัมผัส49 ผลข้างเคียงนี้ทำให้การใช้เทคโนโลยีนี้เป็นที่ถกเถียง โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อต้องบำบัดพื้นที่ขนาดใหญ่ เช่น เพื่อลดฝุ่น นอกจากนี้ กลิ่นของแอมโมเนียยังทนไม่ได้เมื่อดำเนินการในอัตราการใช้งานสูงและปริมาณมาก ซึ่งอาจส่งผลต่อการนำไปใช้ในทางปฏิบัติ แม้ว่าการศึกษาล่าสุดจะแสดงให้เห็นว่าไอออนแอมโมเนียมสามารถลดลงได้โดยการเปลี่ยนให้เป็นผลิตภัณฑ์อื่น เช่น สตรูไวต์ แต่วิธีการเหล่านี้ไม่ได้กำจัดไอออนแอมโมเนียมออกไปอย่างสมบูรณ์50 ดังนั้นจึงยังคงมีความจำเป็นต้องสำรวจวิธีการแก้ปัญหาทางเลือกอื่นที่ไม่ก่อให้เกิดไอออนแอมโมเนียม การใช้กระบวนการย่อยสลาย MICP ที่ไม่ใช้ยูเรียอาจเป็นทางออกที่มีศักยภาพซึ่งยังไม่ได้รับการสำรวจอย่างเพียงพอในบริบทของการบรรเทาการกัดเซาะจากลม Fattahi และคณะได้ศึกษาการย่อยสลาย MICP ที่ไม่ใช้ยูเรียโดยใช้แคลเซียมอะซิเตตและ Bacillus megaterium41 ในขณะที่ Mohebbi และคณะใช้แคลเซียมอะซิเตตและ Bacillus amyloliquefaciens9 อย่างไรก็ตาม การศึกษาของพวกเขาไม่ได้เปรียบเทียบกับแหล่งแคลเซียมอื่นๆ และแบคทีเรียเฮเทอโรโทรฟิกที่อาจช่วยเพิ่มความต้านทานต่อการกัดเซาะจากลมได้ นอกจากนี้ยังขาดงานวิจัยที่เปรียบเทียบกระบวนการย่อยสลายที่ไม่ใช้ยูเรียกับกระบวนการย่อยสลายที่ใช้ยูเรียในการบรรเทาการกัดเซาะจากลมอีกด้วย
นอกจากนี้ การศึกษาเกี่ยวกับการกัดเซาะโดยลมและการควบคุมฝุ่นส่วนใหญ่ได้ดำเนินการกับตัวอย่างดินที่มีพื้นผิวเรียบ^1,51,52,53 อย่างไรก็ตาม พื้นผิวเรียบนั้นพบได้น้อยในธรรมชาติเมื่อเทียบกับเนินเขาและแอ่ง ดังนั้นเนินทรายจึงเป็นลักษณะภูมิประเทศที่พบได้บ่อยที่สุดในเขตทะเลทราย
เพื่อเอาชนะข้อบกพร่องที่กล่าวมาข้างต้น งานวิจัยนี้จึงมุ่งเน้นที่จะแนะนำตัวแทนแบคทีเรียที่ไม่ผลิตแอมโมเนียชุดใหม่ โดยเราได้พิจารณาเส้นทาง MICP ที่ไม่ย่อยสลายยูเรีย และได้ตรวจสอบประสิทธิภาพของแหล่งแคลเซียมสองชนิด (แคลเซียมฟอร์เมตและแคลเซียมอะซิเตต) เท่าที่ผู้เขียนทราบ การตกตะกอนคาร์บอเนตโดยใช้แหล่งแคลเซียมและแบคทีเรียสองชนิดร่วมกัน (เช่น แคลเซียมฟอร์เมต-Bacillus subtilis และแคลเซียมฟอร์เมต-Bacillus amyloliquefaciens) ยังไม่เคยมีการศึกษาในงานวิจัยก่อนหน้านี้ การเลือกใช้แบคทีเรียเหล่านี้ขึ้นอยู่กับเอนไซม์ที่พวกมันผลิตขึ้นซึ่งเร่งปฏิกิริยาออกซิเดชันของแคลเซียมฟอร์เมตและแคลเซียมอะซิเตตเพื่อสร้างการตกตะกอนคาร์บอเนตโดยจุลินทรีย์ เราได้ออกแบบการศึกษาเชิงทดลองอย่างละเอียดเพื่อค้นหาปัจจัยที่เหมาะสมที่สุด เช่น pH ชนิดของแบคทีเรียและแหล่งแคลเซียมและความเข้มข้น อัตราส่วนของแบคทีเรียต่อสารละลายแหล่งแคลเซียม และระยะเวลาการบ่ม สุดท้ายนี้ ได้มีการตรวจสอบประสิทธิภาพของกลุ่มตัวแทนแบคทีเรียเหล่านี้ในการยับยั้งการกัดเซาะจากลมผ่านการตกตะกอนของแคลเซียมคาร์บอเนต โดยการทำการทดสอบในอุโมงค์ลมบนเนินทรายหลายชุด เพื่อกำหนดขนาดของการกัดเซาะจากลม ความเร็ววิกฤตที่ทำให้ทรายแตกตัว และความต้านทานต่อการกระแทกจากลมของทราย นอกจากนี้ยังได้ทำการวัดด้วยเครื่องวัดความแข็งและศึกษาโครงสร้างจุลภาค (เช่น การวิเคราะห์การเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ (XRD) และกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกน (SEM)) ด้วย
การผลิตแคลเซียมคาร์บอเนตต้องใช้ไอออนแคลเซียมและไอออนคาร์บอเนต ไอออนแคลเซียมสามารถได้มาจากแหล่งแคลเซียมต่างๆ เช่น แคลเซียมคลอไรด์ แคลเซียมไฮดรอกไซด์ และนมผงพร่องมันเนย54,55 ไอออนคาร์บอเนตสามารถผลิตได้ด้วยวิธีการทางจุลชีววิทยาต่างๆ เช่น การไฮโดรไลซิสของยูเรีย และการออกซิเดชันแบบใช้ออกซิเจนหรือแบบไม่ใช้ออกซิเจนของสารอินทรีย์56 ในการศึกษานี้ ไอออนคาร์บอเนตได้มาจากปฏิกิริยาออกซิเดชันของฟอร์เมตและอะซิเตต นอกจากนี้ เรายังใช้เกลือแคลเซียมของฟอร์เมตและอะซิเตตเพื่อผลิตแคลเซียมคาร์บอเนตบริสุทธิ์ ดังนั้นจึงได้เพียง CO2 และ H2O เป็นผลพลอยได้ ในกระบวนการนี้ มีเพียงสารเดียวที่ทำหน้าที่เป็นทั้งแหล่งแคลเซียมและแหล่งคาร์บอเนต และไม่มีการผลิตแอมโมเนีย คุณลักษณะเหล่านี้ทำให้วิธีการผลิตแหล่งแคลเซียมและคาร์บอเนตที่เราพิจารณาแล้วมีความน่าสนใจมาก
ปฏิกิริยาที่สอดคล้องกันของแคลเซียมฟอร์เมตและแคลเซียมอะซิเตตเพื่อสร้างแคลเซียมคาร์บอเนตแสดงอยู่ในสูตร (7)-(14) สูตร (7)-(11) แสดงให้เห็นว่าแคลเซียมฟอร์เมตละลายในน้ำเพื่อสร้างกรดฟอร์มิกหรือฟอร์เมต สารละลายจึงเป็นแหล่งของแคลเซียมอิสระและไอออนไฮดรอกไซด์ (สูตร 8 และ 9) ผลจากการออกซิเดชันของกรดฟอร์มิก อะตอมคาร์บอนในกรดฟอร์มิกจะถูกเปลี่ยนเป็นคาร์บอนไดออกไซด์ (สูตร 10) ในที่สุดแคลเซียมคาร์บอเนตก็ถูกสร้างขึ้น (สูตร 11 และ 12)
ในทำนองเดียวกัน แคลเซียมคาร์บอเนตเกิดขึ้นจากแคลเซียมอะซิเตต (สมการ 13–15) ยกเว้นว่ากรดอะซิติกหรืออะซิเตตจะเกิดขึ้นแทนที่จะเป็นกรดฟอร์มิก
หากปราศจากเอนไซม์ อะซิเตตและฟอร์เมตจะไม่สามารถถูกออกซิไดซ์ได้ที่อุณหภูมิห้อง FDH (ฟอร์เมตดีไฮโดรจีเนส) และ CoA (โคเอนไซม์เอ) ทำหน้าที่เร่งปฏิกิริยาออกซิเดชันของฟอร์เมตและอะซิเตตให้กลายเป็นคาร์บอนไดออกไซด์ตามลำดับ (สมการ 16, 17) 57, 58, 59 แบคทีเรียหลายชนิดสามารถผลิตเอนไซม์เหล่านี้ได้ และแบคทีเรียเฮเทอโรโทรฟิก ได้แก่ Bacillus subtilis (PTCC #1204 (Persian Type Culture Collection) หรือที่รู้จักกันในชื่อ NCIMB #13061 (International Collection of Bacteria, Yeast, Phage, Plasmids, Plant Seeds and Plant Cell Tissue Cultures)) และ Bacillus amyloliquefaciens (PTCC #1732, NCIMB #12077) ถูกนำมาใช้ในการศึกษาครั้งนี้ แบคทีเรียเหล่านี้ถูกเพาะเลี้ยงในอาหารเลี้ยงเชื้อที่มีส่วนประกอบของมีทเปปโตน (5 กรัม/ลิตร) และสารสกัดจากเนื้อสัตว์ (3 กรัม/ลิตร) ซึ่งเรียกว่าอาหารเลี้ยงเชื้อแบบน้ำ (NBR) (105443 Merck)
ดังนั้น จึงได้เตรียมสูตรขึ้นสี่สูตรเพื่อกระตุ้นการตกตะกอนของแคลเซียมคาร์บอเนต โดยใช้แหล่งแคลเซียมสองแหล่งและแบคทีเรียสองชนิด ได้แก่ แคลเซียมฟอร์เมตและ Bacillus subtilis (FS), แคลเซียมฟอร์เมตและ Bacillus amyloliquefaciens (FA), แคลเซียมอะซิเตตและ Bacillus subtilis (AS) และแคลเซียมอะซิเตตและ Bacillus amyloliquefaciens (AA)
ในส่วนแรกของการออกแบบการทดลอง ได้ทำการทดสอบเพื่อหาการผสมผสานที่เหมาะสมที่สุดที่จะทำให้เกิดการผลิตแคลเซียมคาร์บอเนตสูงสุด เนื่องจากตัวอย่างดินมีแคลเซียมคาร์บอเนตอยู่แล้ว จึงได้ออกแบบชุดการทดสอบประเมินผลเบื้องต้นเพื่อวัดปริมาณ CaCO3 ที่ผลิตได้จากการผสมผสานต่างๆ อย่างแม่นยำ และได้ทำการประเมินส่วนผสมของอาหารเลี้ยงเชื้อและสารละลายแหล่งแคลเซียม สำหรับแต่ละการผสมผสานของแหล่งแคลเซียมและสารละลายแบคทีเรียที่กำหนดไว้ข้างต้น (FS, FA, AS และ AA) ได้มีการคำนวณปัจจัยการปรับให้เหมาะสม (ความเข้มข้นของแหล่งแคลเซียม เวลาในการบ่ม ความเข้มข้นของสารละลายแบคทีเรียที่วัดโดยความหนาแน่นเชิงแสงของสารละลาย (OD) อัตราส่วนของแหล่งแคลเซียมต่อสารละลายแบคทีเรีย และค่า pH) และนำไปใช้ในการทดสอบอุโมงค์ลมบำบัดเนินทรายที่อธิบายไว้ในส่วนต่อไป
สำหรับแต่ละชุดการทดลอง ได้ทำการทดลอง 150 ครั้ง เพื่อศึกษาผลของการตกตะกอนของ CaCO3 และประเมินปัจจัยต่างๆ ได้แก่ ความเข้มข้นของแหล่งแคลเซียม เวลาในการบ่ม ค่า OD ของแบคทีเรีย อัตราส่วนของแหล่งแคลเซียมต่อสารละลายแบคทีเรีย และค่า pH ในระหว่างการออกซิเดชันแบบใช้ออกซิเจนของสารอินทรีย์ (ตารางที่ 1) ช่วงค่า pH สำหรับกระบวนการที่เหมาะสมที่สุดนั้นถูกเลือกโดยพิจารณาจากกราฟการเจริญเติบโตของ Bacillus subtilis และ Bacillus amyloliquefaciens เพื่อให้ได้การเจริญเติบโตที่เร็วขึ้น ซึ่งจะอธิบายรายละเอียดเพิ่มเติมในส่วนผลลัพธ์
ขั้นตอนต่อไปนี้ใช้ในการเตรียมตัวอย่างสำหรับขั้นตอนการปรับให้เหมาะสม ขั้นแรกเตรียมสารละลาย MICP โดยปรับค่า pH เริ่มต้นของอาหารเลี้ยงเชื้อ แล้วนำไปนึ่งฆ่าเชื้อที่อุณหภูมิ 121 °C เป็นเวลา 15 นาที จากนั้นจึงนำเชื้อแบคทีเรียไปเพาะเลี้ยงในตู้ปลอดเชื้อแบบไหลเวียนอากาศ และเลี้ยงในตู้อบแบบเขย่าที่อุณหภูมิ 30 °C และความเร็ว 180 รอบต่อนาที เมื่อค่า OD ของแบคทีเรียถึงระดับที่ต้องการแล้ว จึงนำไปผสมกับสารละลายแหล่งแคลเซียมในสัดส่วนที่ต้องการ (ภาพที่ 1a) ปล่อยให้สารละลาย MICP ทำปฏิกิริยาและแข็งตัวในตู้อบแบบเขย่าที่ความเร็ว 220 รอบต่อนาที และอุณหภูมิ 30 °C เป็นเวลาจนกว่าจะได้ค่าเป้าหมาย แยก CaCO3 ที่ตกตะกอนออกโดยการปั่นเหวี่ยงที่ 6000 g เป็นเวลา 5 นาที แล้วนำไปอบแห้งที่อุณหภูมิ 40 °C เพื่อเตรียมตัวอย่างสำหรับการทดสอบด้วยเครื่องวัดแคลเซียม (ภาพที่ 1b) จากนั้นจึงทำการวัดการตกตะกอนของ CaCO3 โดยใช้เครื่องวัดแคลเซียมคาร์บอเนตแบบเบอร์นาร์ด ซึ่งผง CaCO3 จะทำปฏิกิริยากับ HCl 1.0 N (ASTM-D4373-02) เพื่อผลิต CO2 และปริมาตรของก๊าซนี้จะเป็นตัววัดปริมาณ CaCO3 (รูปที่ 1c) ในการแปลงปริมาตรของ CO2 เป็นปริมาณ CaCO3 นั้น ได้สร้างกราฟสอบเทียบโดยการล้างผง CaCO3 บริสุทธิ์ด้วย HCl 1 N แล้วนำมาพล็อตเทียบกับปริมาตรของ CO2 ที่เกิดขึ้น ได้ทำการตรวจสอบลักษณะทางสัณฐานวิทยาและความบริสุทธิ์ของผง CaCO3 ที่ตกตะกอนโดยใช้การถ่ายภาพ SEM และการวิเคราะห์ XRD ใช้กล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงที่มีกำลังขยาย 1000 เท่าในการศึกษาการก่อตัวของแคลเซียมคาร์บอเนตรอบๆ แบคทีเรีย เฟสของแคลเซียมคาร์บอเนตที่เกิดขึ้น และกิจกรรมของแบคทีเรีย
แอ่งเดเจกเป็นพื้นที่ที่มีการกัดเซาะสูงเป็นที่รู้จักกันดีในจังหวัดฟาร์สทางตะวันตกเฉียงใต้ของอิหร่าน และนักวิจัยได้เก็บตัวอย่างดินที่ถูกลมกัดเซาะจากพื้นที่ดังกล่าว ตัวอย่างดินถูกเก็บจากผิวดินเพื่อการศึกษา การทดสอบตัวบ่งชี้ในตัวอย่างดินแสดงให้เห็นว่าดินเป็นดินทรายที่มีการเรียงตัวไม่ดี มีตะกอนปนอยู่ และถูกจัดประเภทเป็น SP-SM ตามระบบการจำแนกประเภทดินแบบรวม (USC) (ภาพที่ 2a) การวิเคราะห์ XRD แสดงให้เห็นว่าดินเดเจกส่วนใหญ่ประกอบด้วยแคลไซต์และควอตซ์ (ภาพที่ 2b) นอกจากนี้ การวิเคราะห์ EDX แสดงให้เห็นว่ามีธาตุอื่นๆ เช่น Al, K และ Fe อยู่ในสัดส่วนที่น้อยกว่าด้วย
เพื่อเตรียมเนินทรายในห้องปฏิบัติการสำหรับการทดสอบการกัดเซาะโดยลม ดินถูกบดจากความสูง 170 มม. ผ่านกรวยขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 10 มม. ไปยังพื้นผิวที่แข็งแรง ทำให้เกิดเนินทรายทั่วไปที่มีความสูง 60 มม. และเส้นผ่านศูนย์กลาง 210 มม. ในธรรมชาติ เนินทรายที่มีความหนาแน่นต่ำที่สุดเกิดจากกระบวนการที่เกิดจากลม ในทำนองเดียวกัน ตัวอย่างที่เตรียมโดยใช้ขั้นตอนข้างต้นมีความหนาแน่นสัมพัทธ์ต่ำที่สุด γ = 14.14 kN/m³ ก่อตัวเป็นกรวยทรายที่วางอยู่บนพื้นผิวราบที่มีมุมพักตัวประมาณ 29.7°
สารละลาย MICP ที่เหมาะสมที่สุดซึ่งได้จากส่วนก่อนหน้านี้ถูกฉีดพ่นลงบนเนินทรายด้วยอัตราการใช้งาน 1, 2 และ 3 lm-2 จากนั้นตัวอย่างถูกเก็บไว้ในตู้อบที่อุณหภูมิ 30 °C (รูปที่ 3) เป็นเวลา 9 วัน (คือเวลาการบ่มที่เหมาะสมที่สุด) แล้วจึงนำออกมาทดสอบในอุโมงค์ลม
สำหรับการทดลองแต่ละครั้ง เตรียมชิ้นงานทดสอบ 4 ชิ้น โดยชิ้นหนึ่งใช้สำหรับวัดปริมาณแคลเซียมคาร์บอเนตและความแข็งแรงของพื้นผิวโดยใช้เครื่องวัดความแข็ง และอีก 3 ชิ้นที่เหลือใช้สำหรับการทดสอบการกัดเซาะที่ความเร็วลม 3 ระดับ ในการทดสอบในอุโมงค์ลม จะวัดปริมาณการกัดเซาะที่ความเร็วลมต่างๆ จากนั้นจึงหาความเร็วลมที่ทำให้เกิดการแตกหักของชิ้นงานทดสอบแต่ละชนิดโดยใช้กราฟแสดงปริมาณการกัดเซาะเทียบกับความเร็วลม นอกจากการทดสอบการกัดเซาะจากลมแล้ว ชิ้นงานทดสอบที่ผ่านการบำบัดแล้วยังถูกทดสอบด้วยการพ่นทราย (เช่น การทดลองกระโดด) เตรียมชิ้นงานทดสอบเพิ่มเติมอีก 2 ชิ้นสำหรับการทดสอบนี้ โดยใช้ปริมาณการพ่นทราย 2 และ 3 ลิตรต่อตารางเมตร การทดสอบการพ่นทรายใช้เวลา 15 นาที ด้วยปริมาณการพ่น 120 กรัมต่อตารางเมตร ซึ่งอยู่ในช่วงค่าที่เลือกไว้ในการศึกษาครั้งก่อนๆ60,61,62 ระยะห่างในแนวนอนระหว่างหัวฉีดสารกัดกร่อนกับฐานเนินทรายคือ 800 มิลลิเมตร โดยอยู่สูงจากพื้นอุโมงค์ 100 มิลลิเมตร ตำแหน่งนี้ถูกจัดวางเพื่อให้เม็ดทรายที่กระเด็นออกมาเกือบทั้งหมดตกลงบนเนินทราย
การทดสอบในอุโมงค์ลมดำเนินการในอุโมงค์ลมแบบเปิดที่มีความยาว 8 เมตร ความกว้าง 0.4 เมตร และความสูง 1 เมตร (ภาพที่ 4a) อุโมงค์ลมทำจากแผ่นเหล็กชุบสังกะสีและสามารถสร้างความเร็วลมได้สูงสุดถึง 25 เมตร/วินาที นอกจากนี้ยังใช้ตัวแปลงความถี่เพื่อปรับความถี่ของพัดลมและค่อยๆ เพิ่มความถี่เพื่อให้ได้ความเร็วลมตามเป้าหมาย ภาพที่ 4b แสดงแผนภาพโครงร่างของเนินทรายที่ถูกกัดเซาะโดยลมและโปรไฟล์ความเร็วลมที่วัดได้ในอุโมงค์ลม
สุดท้ายนี้ เพื่อเปรียบเทียบผลลัพธ์ของสูตร MICP ที่ไม่มีเอนไซม์ยูรีเอสที่เสนอในงานวิจัยนี้กับผลลัพธ์ของการทดสอบควบคุม MICP ที่มีเอนไซม์ยูรีเอส จึงได้เตรียมตัวอย่างเนินทรายและบำบัดด้วยสารละลายชีวภาพที่มีส่วนประกอบของยูเรีย แคลเซียมคลอไรด์ และ Sporosarcina pasteurii (เนื่องจาก Sporosarcina pasteurii มีความสามารถในการผลิตเอนไซม์ยูรีเอสอย่างมีนัยสำคัญ63) ความหนาแน่นเชิงแสงของสารละลายแบคทีเรียอยู่ที่ 1.5 และความเข้มข้นของยูเรียและแคลเซียมคลอไรด์อยู่ที่ 1 M (เลือกตามค่าที่แนะนำในงานวิจัยก่อนหน้านี้36,64,65) อาหารเลี้ยงเชื้อประกอบด้วยน้ำซุปอาหาร (8 กรัม/ลิตร) และยูเรีย (20 กรัม/ลิตร) สารละลายแบคทีเรียถูกฉีดพ่นลงบนพื้นผิวเนินทรายและทิ้งไว้ 24 ชั่วโมงเพื่อให้แบคทีเรียเกาะติด หลังจาก 24 ชั่วโมงของการเกาะติดแล้ว จึงฉีดพ่นสารละลายประสาน (แคลเซียมคลอไรด์และยูเรีย) การทดสอบควบคุม MICP ที่มีเอนไซม์ยูรีเอสนี้ต่อไปนี้จะเรียกว่า UMC ปริมาณแคลเซียมคาร์บอเนตของตัวอย่างดินที่ผ่านการบำบัดด้วยวิธีวิเคราะห์ยูเรียและไม่ผ่านการบำบัดด้วยวิธีวิเคราะห์ยูเรียได้มาจากการล้างตามขั้นตอนที่เสนอโดย Choi et al.66
รูปที่ 5 แสดงกราฟการเจริญเติบโตของ Bacillus amyloliquefaciens และ Bacillus subtilis ในอาหารเลี้ยงเชื้อ (สารละลายธาตุอาหาร) ที่มีค่า pH เริ่มต้นอยู่ในช่วง 5 ถึง 10 ดังที่แสดงในรูป Bacillus amyloliquefaciens และ Bacillus subtilis เจริญเติบโตได้เร็วที่สุดที่ค่า pH 6-8 และ 7-9 ตามลำดับ ดังนั้นจึงเลือกใช้ช่วง pH นี้ในขั้นตอนการเพิ่มประสิทธิภาพ
กราฟแสดงการเจริญเติบโตของ (ก) Bacillus amyloliquefaciens และ (ข) Bacillus subtilis ที่ค่า pH เริ่มต้นต่างๆ ของอาหารเลี้ยงเชื้อ
รูปที่ 6 แสดงปริมาณคาร์บอนไดออกไซด์ที่ผลิตได้ในเครื่องวัดปริมาณแคลเซียมคาร์บอเนตแบบเบอร์นาร์ด ซึ่งแสดงถึงแคลเซียมคาร์บอเนต (CaCO3) ที่ตกตะกอน เนื่องจากปัจจัยหนึ่งคงที่ในแต่ละชุดการทดลอง และปัจจัยอื่นๆ เปลี่ยนแปลงไป จุดแต่ละจุดบนกราฟเหล่านี้จึงสอดคล้องกับปริมาณคาร์บอนไดออกไซด์สูงสุดในชุดการทดลองนั้นๆ ดังแสดงในรูป เมื่อความเข้มข้นของแหล่งแคลเซียมเพิ่มขึ้น การผลิตแคลเซียมคาร์บอเนตก็เพิ่มขึ้นด้วย ดังนั้น ความเข้มข้นของแหล่งแคลเซียมจึงส่งผลโดยตรงต่อการผลิตแคลเซียมคาร์บอเนต เนื่องจากแหล่งแคลเซียมและแหล่งคาร์บอนเป็นชนิดเดียวกัน (เช่น แคลเซียมฟอร์เมตและแคลเซียมอะซิเตต) ยิ่งมีการปล่อยไอออนแคลเซียมออกมามากเท่าใด ก็ยิ่งเกิดแคลเซียมคาร์บอเนตมากขึ้นเท่านั้น (รูปที่ 6a) ในสูตร AS และ AA การผลิตแคลเซียมคาร์บอเนตยังคงเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องเมื่อเวลาบ่มเพิ่มขึ้น จนกระทั่งปริมาณของตะกอนแทบไม่เปลี่ยนแปลงหลังจาก 9 วัน ในสูตร FA อัตราการเกิดแคลเซียมคาร์บอเนตลดลงเมื่อเวลาบ่มเกิน 6 วัน เมื่อเปรียบเทียบกับสูตรอื่นๆ สูตร FS แสดงอัตราการเกิดแคลเซียมคาร์บอเนตที่ค่อนข้างต่ำหลังจาก 3 วัน (รูปที่ 6b) ในสูตร FA และ FS พบว่า 70% และ 87% ของปริมาณแคลเซียมคาร์บอเนตทั้งหมดเกิดขึ้นหลังจากสามวัน ในขณะที่สูตร AA และ AS มีสัดส่วนเพียงประมาณ 46% และ 45% ตามลำดับ ซึ่งแสดงให้เห็นว่าสูตรที่มีกรดฟอร์มิกเป็นส่วนประกอบมีอัตราการเกิด CaCO3 สูงกว่าในระยะเริ่มต้นเมื่อเทียบกับสูตรที่มีอะซิเตตเป็นส่วนประกอบ อย่างไรก็ตาม อัตราการเกิดจะชะลอตัวลงเมื่อเวลาในการบ่มเพิ่มขึ้น จากรูปที่ 6c สรุปได้ว่าแม้ในความเข้มข้นของแบคทีเรียที่สูงกว่า OD1 ก็ไม่มีส่วนสำคัญต่อการเกิดแคลเซียมคาร์บอเนต
การเปลี่ยนแปลงปริมาตรของ CO2 (และปริมาณ CaCO3 ที่สอดคล้องกัน) ที่วัดโดยเครื่องวัดแคลเซียมของ Bernard เป็นฟังก์ชันของ (a) ความเข้มข้นของแหล่งแคลเซียม (b) เวลาการแข็งตัว (c) OD (d) ค่า pH เริ่มต้น (e) อัตราส่วนของแหล่งแคลเซียมต่อสารละลายแบคทีเรีย (สำหรับแต่ละสูตร) ​​และ (f) ปริมาณแคลเซียมคาร์บอเนตสูงสุดที่ผลิตได้สำหรับแต่ละส่วนผสมของแหล่งแคลเซียมและแบคทีเรีย
ในส่วนของผลกระทบของค่า pH เริ่มต้นของตัวกลาง รูปที่ 6d แสดงให้เห็นว่าสำหรับ FA และ FS การผลิต CaCO3 มีค่าสูงสุดที่ pH 7 การสังเกตนี้สอดคล้องกับการศึกษาในอดีตที่ระบุว่าเอนไซม์ FDH มีความเสถียรมากที่สุดที่ pH 7-6.7 อย่างไรก็ตาม สำหรับ AA และ AS การตกตะกอนของ CaCO3 เพิ่มขึ้นเมื่อ pH เกิน 7 การศึกษาในอดีตยังแสดงให้เห็นว่าช่วง pH ที่เหมาะสมที่สุดสำหรับกิจกรรมของเอนไซม์ CoA อยู่ระหว่าง 8 ถึง 9.2-6.8 เมื่อพิจารณาว่าช่วง pH ที่เหมาะสมที่สุดสำหรับกิจกรรมของเอนไซม์ CoA และการเจริญเติบโตของ B. amyloliquefaciens คือ (8-9.2) และ (6-8) ตามลำดับ (รูปที่ 5a) จึงคาดว่า pH ที่เหมาะสมที่สุดของสูตร AA คือ 8 และช่วง pH ทั้งสองนี้ทับซ้อนกัน ข้อเท็จจริงนี้ได้รับการยืนยันจากการทดลอง ดังแสดงในรูปที่ 6d เนื่องจากค่า pH ที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการเจริญเติบโตของ B. subtilis คือ 7-9 (รูปที่ 5b) และค่า pH ที่เหมาะสมที่สุดสำหรับกิจกรรมของเอนไซม์ CoA คือ 8-9.2 ดังนั้นคาดว่าผลผลิตการตกตะกอน CaCO3 สูงสุดจะอยู่ในช่วง pH 8-9 ซึ่งได้รับการยืนยันโดยรูปที่ 6d (กล่าวคือ ค่า pH ที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการตกตะกอนคือ 9) ผลลัพธ์ที่แสดงในรูปที่ 6e บ่งชี้ว่าอัตราส่วนที่เหมาะสมที่สุดของสารละลายแหล่งแคลเซียมต่อสารละลายแบคทีเรียคือ 1 สำหรับทั้งสารละลายอะซิเตตและฟอร์เมต เพื่อเป็นการเปรียบเทียบ ประสิทธิภาพของสูตรต่างๆ (เช่น AA, AS, FA และ FS) ได้รับการประเมินโดยพิจารณาจากการผลิต CaCO3 สูงสุดภายใต้เงื่อนไขต่างๆ (เช่น ความเข้มข้นของแหล่งแคลเซียม เวลาในการบ่ม OD อัตราส่วนของแหล่งแคลเซียมต่อสารละลายแบคทีเรีย และค่า pH เริ่มต้น) ในบรรดาสูตรที่ศึกษา สูตร FS มีการผลิต CaCO3 สูงที่สุด ซึ่งสูงกว่าสูตร AA ประมาณสามเท่า (รูปที่ 6f) ได้ทำการทดลองควบคุมโดยปราศจากแบคทีเรียจำนวน 4 ครั้ง สำหรับแหล่งแคลเซียมทั้งสองชนิด และไม่พบการตกตะกอนของ CaCO3 หลังจาก 30 วัน
ภาพจากกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงของสูตรทั้งหมดแสดงให้เห็นว่าวาเทอไรต์เป็นเฟสหลักที่เกิดการก่อตัวของแคลเซียมคาร์บอเนต (รูปที่ 7) ผลึกวาเทอไรต์มีรูปร่างทรงกลม69,70,71 พบว่าแคลเซียมคาร์บอเนตตกตะกอนบนเซลล์แบคทีเรียเนื่องจากพื้นผิวของเซลล์แบคทีเรียมีประจุลบและสามารถทำหน้าที่เป็นสารดูดซับสำหรับแคตไอออนสองวาเลนต์ ยกตัวอย่างเช่น สูตร FS ในการศึกษานี้ หลังจาก 24 ชั่วโมง แคลเซียมคาร์บอเนตเริ่มก่อตัวบนเซลล์แบคทีเรียบางส่วน (รูปที่ 7a) และหลังจาก 48 ชั่วโมง จำนวนเซลล์แบคทีเรียที่เคลือบด้วยแคลเซียมคาร์บอเนตเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ นอกจากนี้ ดังแสดงในรูปที่ 7b ยังสามารถตรวจพบอนุภาควาเทอไรต์ได้อีกด้วย สุดท้าย หลังจาก 72 ชั่วโมง แบคทีเรียจำนวนมากดูเหมือนจะถูกยึดไว้ด้วยผลึกวาเทอไรต์ และจำนวนอนุภาควาเทอไรต์เพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ (รูปที่ 7c)
การสังเกตการตกตะกอนของ CaCO3 ในองค์ประกอบ FS ด้วยกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงเมื่อเวลาผ่านไป: (a) 24 ชั่วโมง, (b) 48 ชั่วโมง และ (c) 72 ชั่วโมง
เพื่อตรวจสอบลักษณะทางสัณฐานวิทยาของเฟสที่ตกตะกอนเพิ่มเติม จึงได้ทำการวิเคราะห์ด้วยการเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์ (XRD) และกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกน (SEM) สเปกตรัม XRD (รูปที่ 8a) และภาพถ่าย SEM (รูปที่ 8b, c) ยืนยันการมีอยู่ของผลึกวาเทอไรต์ เนื่องจากมีรูปร่างคล้ายผักกาดหอม และพบความสอดคล้องกันระหว่างยอดของวาเทอไรต์และยอดของตะกอน
(a) การเปรียบเทียบสเปกตรัมการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ของ CaCO3 ที่เกิดขึ้นและวาเทอไรต์ (b) ภาพถ่าย SEM ของวาเทอไรต์ที่กำลังขยาย 1 kHz และ (c) 5.27 kHz ตามลำดับ
ผลการทดสอบในอุโมงค์ลมแสดงในรูปที่ 9a และ 9b จากรูปที่ 9a จะเห็นได้ว่าความเร็วลมที่ทำให้เกิดการกัดเซาะ (TDV) ของทรายที่ไม่ได้รับการบำบัดอยู่ที่ประมาณ 4.32 เมตร/วินาที ที่อัตราการใช้ 1 ลิตร/ตารางเมตร (รูปที่ 9a) ความชันของเส้นอัตราการสูญเสียดินสำหรับเศษส่วน FA, FS, AA และ UMC มีค่าใกล้เคียงกับเนินทรายที่ไม่ได้รับการบำบัด ซึ่งแสดงให้เห็นว่าการบำบัดที่อัตราการใช้นี้ไม่มีประสิทธิภาพ และทันทีที่ความเร็วลมเกิน TDV เปลือกดินบางๆ ก็จะหายไป และอัตราการกัดเซาะของเนินทรายจะเท่ากับเนินทรายที่ไม่ได้รับการบำบัด ความชันของการกัดเซาะของเศษส่วน AS ก็ต่ำกว่าเศษส่วนอื่นๆ ที่มีค่าแกน x ต่ำกว่า (เช่น TDV) (รูปที่ 9a) ลูกศรในรูปที่ 9b แสดงให้เห็นว่าที่ความเร็วลมสูงสุด 25 ม./วินาที ไม่มีการกัดเซาะเกิดขึ้นในเนินทรายที่ได้รับการบำบัดที่อัตราการใช้ 2 และ 3 ลิตร/ตร.ม. กล่าวอีกนัยหนึ่ง สำหรับ FS, FA, AS และ UMC เนินทรายมีความต้านทานต่อการกัดเซาะจากลมที่เกิดจากการตกตะกอนของ CaCO³ มากกว่าที่อัตราการใช้ 2 และ 3 ลิตร/ตร.ม. เมื่อเทียบกับความเร็วลมสูงสุด (คือ 25 ม./วินาที) ดังนั้น ค่า TDV 25 ม./วินาที ที่ได้จากการทดสอบเหล่านี้จึงเป็นค่าต่ำสุดสำหรับอัตราการใช้ที่แสดงในรูปที่ 9b ยกเว้นกรณีของ AA ซึ่งค่า TDV เกือบเท่ากับความเร็วสูงสุดของอุโมงค์ลม
การทดสอบการกัดเซาะโดยลม (ก) การสูญเสียน้ำหนักเทียบกับความเร็วลม (อัตราการใช้งาน 1 ลิตร/ตร.ม.) (ข) ความเร็วการฉีกขาดที่ระดับวิกฤตเทียบกับอัตราการใช้งานและสูตร (CA สำหรับแคลเซียมอะซิเตต, CF สำหรับแคลเซียมฟอร์เมต)
รูปที่ 10 แสดงการกัดเซาะพื้นผิวของเนินทรายที่ได้รับการบำบัดด้วยสูตรและอัตราการใช้งานที่แตกต่างกันหลังจากการทดสอบการกระแทกด้วยทราย และผลลัพธ์เชิงปริมาณแสดงในรูปที่ 11 กรณีที่ไม่ได้รับการบำบัดไม่ได้แสดงไว้เนื่องจากไม่แสดงความต้านทานและถูกกัดเซาะอย่างสมบูรณ์ (สูญเสียมวลทั้งหมด) ในระหว่างการทดสอบการกระแทกด้วยทราย จากรูปที่ 11 เห็นได้ชัดว่าตัวอย่างที่ได้รับการบำบัดด้วยสารประกอบชีวภาพ AA สูญเสียน้ำหนักไป 83.5% ที่อัตราการใช้งาน 2 ลิตร/ตารางเมตร ในขณะที่ตัวอย่างอื่นๆ ทั้งหมดแสดงการกัดเซาะน้อยกว่า 30% ในระหว่างกระบวนการกระแทกด้วยทราย เมื่อเพิ่มอัตราการใช้งานเป็น 3 ลิตร/ตารางเมตร ตัวอย่างที่ได้รับการบำบัดทั้งหมดสูญเสียน้ำหนักไปน้อยกว่า 25% ที่อัตราการใช้งานทั้งสอง สารประกอบ FS แสดงความต้านทานต่อการกระแทกด้วยทรายได้ดีที่สุด ความต้านทานต่อการกระแทกสูงสุดและต่ำสุดในตัวอย่างที่ได้รับการบำบัดด้วย FS และ AA สามารถอธิบายได้จากการตกตะกอนของ CaCO3 สูงสุดและต่ำสุด (รูปที่ 6f)
ผลลัพธ์จากการยิงทรายใส่เนินทรายที่มีองค์ประกอบแตกต่างกันด้วยอัตราการไหล 2 และ 3 ลิตร/ตารางเมตร (ลูกศรแสดงทิศทางลม เครื่องหมายกากบาทแสดงทิศทางลมตั้งฉากกับระนาบของภาพวาด)
ดังแสดงในรูปที่ 12 ปริมาณแคลเซียมคาร์บอเนตของสูตรทั้งหมดเพิ่มขึ้นเมื่ออัตราการใช้งานเพิ่มขึ้นจาก 1 ลิตร/ตร.ม. เป็น 3 ลิตร/ตร.ม. นอกจากนี้ ที่อัตราการใช้งานทุกระดับ สูตรที่มีปริมาณแคลเซียมคาร์บอเนตสูงสุดคือ FS ตามด้วย FA และ UMC ตามลำดับ ซึ่งบ่งชี้ว่าสูตรเหล่านี้อาจมีความต้านทานพื้นผิวสูงกว่า
รูปที่ 13a แสดงการเปลี่ยนแปลงความต้านทานพื้นผิวของตัวอย่างดินที่ไม่ได้รับการบำบัด ตัวอย่างควบคุม และตัวอย่างที่ได้รับการบำบัด ซึ่งวัดโดยการทดสอบด้วยเครื่องวัดการซึมผ่าน จากรูปนี้ จะเห็นได้ชัดว่าความต้านทานพื้นผิวของสูตร UMC, AS, FA และ FS เพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญเมื่ออัตราการใช้เพิ่มขึ้น อย่างไรก็ตาม การเพิ่มขึ้นของความแข็งแรงของพื้นผิวค่อนข้างน้อยในสูตร AA ดังแสดงในรูป สูตร FA และ FS ของ MICP ที่ไม่ย่อยสลายด้วยยูเรียมีการซึมผ่านของพื้นผิวที่ดีกว่าเมื่อเทียบกับ MICP ที่ย่อยสลายด้วยยูเรีย รูปที่ 13b แสดงการเปลี่ยนแปลงของ TDV กับความต้านทานพื้นผิวของดิน จากรูปนี้ จะเห็นได้ชัดว่าสำหรับเนินทรายที่มีความต้านทานพื้นผิวมากกว่า 100 kPa ความเร็วการกัดเซาะวิกฤตจะเกิน 25 m/s เนื่องจากความต้านทานพื้นผิวในพื้นที่สามารถวัดได้ง่ายด้วยเครื่องวัดการซึมผ่าน ความรู้นี้จึงสามารถช่วยในการประมาณค่า TDV ในกรณีที่ไม่มีการทดสอบในอุโมงค์ลม ซึ่งทำหน้าที่เป็นตัวบ่งชี้การควบคุมคุณภาพสำหรับการใช้งานภาคสนาม
ผลการวิเคราะห์ด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกน (SEM) แสดงในรูปที่ 14 รูปที่ 14a-b แสดงอนุภาคที่ขยายใหญ่ขึ้นของตัวอย่างดินที่ไม่ได้รับการบำบัด ซึ่งแสดงให้เห็นอย่างชัดเจนว่าดินมีความเหนียวแน่นและไม่มีการยึดเกาะหรือการเชื่อมประสานตามธรรมชาติ รูปที่ 14c แสดงภาพจุลภาค SEM ของตัวอย่างควบคุมที่ได้รับการบำบัดด้วย MICP ที่ย่อยสลายด้วยยูเรีย ภาพนี้แสดงให้เห็นถึงการปรากฏของตะกอน CaCO3 ในรูปผลึกแคลไซต์หลายรูปแบบ ดังแสดงในรูปที่ 14d-o ตะกอน CaCO3 จะยึดอนุภาคเข้าด้วยกัน นอกจากนี้ยังสามารถระบุผลึกวาเทอไรต์ทรงกลมได้ในภาพจุลภาค SEM ผลการศึกษาในครั้งนี้และการศึกษาครั้งก่อนๆ บ่งชี้ว่าพันธะ CaCO3 ที่เกิดขึ้นในรูปผลึกวาเทอไรต์หลายรูปแบบสามารถให้ความแข็งแรงเชิงกลที่เหมาะสมได้เช่นกัน ผลการศึกษาของเราแสดงให้เห็นว่าความต้านทานพื้นผิวเพิ่มขึ้นเป็น 350 kPa และความเร็วในการแยกตัวที่จุดวิกฤตเพิ่มขึ้นจาก 4.32 เป็นมากกว่า 25 m/s ผลลัพธ์นี้สอดคล้องกับผลการศึกษาครั้งก่อนๆ ที่พบว่าเมทริกซ์ของ CaCO3 ที่ตกตะกอนด้วย MICP คือวาเทอไรต์ ซึ่งมีความแข็งแรงเชิงกลและความต้านทานต่อการกัดเซาะจากลมในระดับที่เหมาะสม13,40 และสามารถรักษาความต้านทานต่อการกัดเซาะจากลมในระดับที่เหมาะสมได้แม้หลังจากสัมผัสกับสภาพแวดล้อมภาคสนามเป็นเวลา 180 วัน13
(a, b) ภาพถ่าย SEM ของดินที่ไม่ได้รับการบำบัด (c) ตัวอย่างควบคุมการย่อยสลายยูเรียด้วย MICP (df) ตัวอย่างที่ได้รับการบำบัดด้วย AA (gi) ตัวอย่างที่ได้รับการบำบัดด้วย AS (jl) ตัวอย่างที่ได้รับการบำบัดด้วย FA และ (mo) ตัวอย่างที่ได้รับการบำบัดด้วย FS ที่อัตราการใช้ 3 ลิตร/ตร.ม. ที่กำลังขยายต่างกัน
รูปที่ 14d-f แสดงให้เห็นว่าหลังจากบำบัดด้วยสารประกอบ AA แล้ว แคลเซียมคาร์บอเนตจะตกตะกอนบนพื้นผิวและระหว่างเม็ดทราย ในขณะเดียวกันก็พบเม็ดทรายบางส่วนที่ไม่มีการเคลือบผิว สำหรับส่วนประกอบ AS แม้ว่าปริมาณของ CaCO3 ที่เกิดขึ้นจะไม่เพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ (รูปที่ 6f) แต่ปริมาณการสัมผัสระหว่างเม็ดทรายที่เกิดจาก CaCO3 กลับเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญเมื่อเทียบกับสารประกอบ AA (รูปที่ 14g-i)
จากรูปที่ 14j-l และ 14m-o เห็นได้ชัดว่าการใช้แคลเซียมฟอร์เมตเป็นแหล่งแคลเซียมทำให้ปริมาณการตกตะกอนของ CaCO3 เพิ่มขึ้นมากกว่าสารประกอบ AS ซึ่งสอดคล้องกับการวัดด้วยเครื่องวัดแคลเซียมในรูปที่ 6f CaCO3 ที่เพิ่มขึ้นนี้ดูเหมือนจะตกตะกอนบนอนุภาคทรายเป็นส่วนใหญ่และไม่ได้ช่วยปรับปรุงคุณภาพการสัมผัสแต่อย่างใด สิ่งนี้ยืนยันพฤติกรรมที่สังเกตได้ก่อนหน้านี้: แม้จะมีความแตกต่างในปริมาณการตกตะกอนของ CaCO3 (รูปที่ 6f) แต่สูตรทั้งสาม (AS, FA และ FS) ก็ไม่มีความแตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญในแง่ของประสิทธิภาพในการต้านทานลม (รูปที่ 11) และความต้านทานของพื้นผิว (รูปที่ 13a)
เพื่อให้เห็นภาพเซลล์แบคทีเรียที่เคลือบด้วย CaCO3 และร่องรอยของแบคทีเรียบนผลึกที่ตกตะกอนได้ชัดเจนยิ่งขึ้น จึงได้ถ่ายภาพด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกน (SEM) ที่กำลังขยายสูง และผลลัพธ์แสดงในรูปที่ 15 ดังที่แสดงไว้ แคลเซียมคาร์บอเนตตกตะกอนบนเซลล์แบคทีเรียและเป็นนิวเคลียสที่จำเป็นสำหรับการตกตะกอนที่นั่น รูปนี้ยังแสดงให้เห็นถึงพันธะที่ใช้งานได้และพันธะที่ไม่ได้ใช้งานซึ่งเกิดจาก CaCO3 จึงสรุปได้ว่าการเพิ่มขึ้นของพันธะที่ไม่ได้ใช้งานไม่ได้นำไปสู่การปรับปรุงพฤติกรรมทางกลเพิ่มเติมเสมอไป ดังนั้น การเพิ่มการตกตะกอนของ CaCO3 จึงไม่ได้นำไปสู่ความแข็งแรงทางกลที่สูงขึ้นเสมอไป และรูปแบบการตกตะกอนมีบทบาทสำคัญ ประเด็นนี้ได้รับการศึกษาในงานของ Terzis และ Laloui72 และ Soghi และ Al-Kabani45,73 ด้วยเช่นกัน เพื่อศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างรูปแบบการตกตะกอนและความแข็งแรงเชิงกลให้ละเอียดมากขึ้น แนะนำให้ทำการศึกษา MICP โดยใช้การถ่ายภาพ µCT ซึ่งอยู่นอกเหนือขอบเขตของการศึกษานี้ (เช่น การแนะนำแหล่งแคลเซียมและแบคทีเรียในรูปแบบต่างๆ สำหรับ MICP ที่ปราศจากแอมโมเนีย)
CaCO3 กระตุ้นให้เกิดพันธะที่ใช้งานได้และไม่ได้ใช้งานในตัวอย่างที่ได้รับการบำบัดด้วย (a) องค์ประกอบ AS และ (b) องค์ประกอบ FS และทิ้งร่องรอยของเซลล์แบคทีเรียไว้บนตะกอน
ดังแสดงในรูปที่ 14j-o และ 15b พบว่ามีฟิล์ม CaCO (จากการวิเคราะห์ EDX พบว่าองค์ประกอบร้อยละของแต่ละธาตุในฟิล์มคือ คาร์บอน 11%, ออกซิเจน 46.62% และแคลเซียม 42.39% ซึ่งใกล้เคียงกับร้อยละของ CaCO ในรูปที่ 16 มาก) ฟิล์มนี้ปกคลุมผลึกวาเทอไรต์และอนุภาคดิน ช่วยรักษาความสมบูรณ์ของระบบดิน-ตะกอน การปรากฏของฟิล์มนี้พบเฉพาะในตัวอย่างที่ได้รับการบำบัดด้วยสูตรที่มีฟอร์เมตเป็นส่วนประกอบเท่านั้น
ตารางที่ 2 เปรียบเทียบความแข็งแรงของพื้นผิว ความเร็วการแยกตัวที่จุดวิกฤต และปริมาณ CaCO3 ที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติของดินที่ได้รับการบำบัดด้วยกระบวนการ MICP ที่ย่อยสลายยูเรียและไม่ย่อยสลายยูเรีย ในการศึกษาครั้งก่อนและการศึกษาครั้งนี้ การศึกษาเกี่ยวกับความต้านทานต่อการกัดเซาะจากลมของตัวอย่างเนินทรายที่ได้รับการบำบัดด้วย MICP นั้นมีจำกัด Meng et al. ได้ทำการศึกษาความต้านทานต่อการกัดเซาะจากลมของตัวอย่างเนินทรายที่ย่อยสลายยูเรียซึ่งได้รับการบำบัดด้วย MICP โดยใช้เครื่องเป่าใบไม้¹³ ในขณะที่ในการศึกษาครั้งนี้ ตัวอย่างเนินทรายที่ไม่ย่อยสลายยูเรีย (รวมถึงตัวอย่างควบคุมที่ย่อยสลายยูเรีย) ได้รับการทดสอบในอุโมงค์ลมและได้รับการบำบัดด้วยแบคทีเรียและสารต่างๆ สี่แบบที่แตกต่างกัน
ดังที่เห็นได้ งานวิจัยก่อนหน้านี้บางชิ้นได้พิจารณาอัตราการใช้ที่สูงเกิน 4 ลิตร/ตร.ม.13,41,74 เป็นที่น่าสังเกตว่าอัตราการใช้ที่สูงอาจไม่สามารถนำไปใช้ในภาคสนามได้ง่ายนักในแง่เศรษฐกิจ เนื่องจากต้นทุนที่เกี่ยวข้องกับการจัดหาน้ำ การขนส่ง และการใช้น้ำปริมาณมาก อัตราการใช้ที่ต่ำกว่า เช่น 1.62-2 ลิตร/ตร.ม. ก็สามารถให้ความแข็งแรงของพื้นผิวที่ดีพอสมควรถึง 190 กิโลปาสคาล และ TDV เกิน 25 ม./วินาที ในการศึกษาปัจจุบัน เนินทรายที่ได้รับการบำบัดด้วย MICP ที่ใช้ฟอร์เมตโดยไม่มีการย่อยสลายยูเรีย ให้ความแข็งแรงของพื้นผิวสูงเทียบเท่ากับที่ได้จากกระบวนการย่อยสลายยูเรียในช่วงอัตราการใช้เดียวกัน (เช่น ตัวอย่างที่ได้รับการบำบัดด้วย MICP ที่ใช้ฟอร์เมตโดยไม่มีการย่อยสลายยูเรียก็สามารถให้ค่าความแข็งแรงของพื้นผิวในช่วงเดียวกันตามที่รายงานโดย Meng et al., 13, รูปที่ 13a) ที่อัตราการใช้ที่สูงขึ้น นอกจากนี้ยังพบว่าที่อัตราการใช้ 2 ลิตร/ตารางเมตร ผลผลิตของแคลเซียมคาร์บอเนตสำหรับการบรรเทาการกัดเซาะจากลมที่ความเร็วลม 25 เมตร/วินาที อยู่ที่ 2.25% สำหรับ MICP ที่ใช้ฟอร์เมตเป็นส่วนประกอบโดยไม่มีการย่อยสลายยูเรีย ซึ่งใกล้เคียงกับปริมาณ CaCO3 ที่ต้องการ (คือ 2.41%) เมื่อเทียบกับเนินทรายที่ได้รับการบำบัดด้วย MICP ควบคุมที่มีการย่อยสลายยูเรียในอัตราการใช้และความเร็วลมเดียวกัน (25 เมตร/วินาที)
ดังนั้น จากตารางนี้จึงสรุปได้ว่า ทั้งกระบวนการย่อยสลายยูเรียและกระบวนการย่อยสลายโดยไม่ใช้ยูเรีย สามารถให้ประสิทธิภาพที่ยอมรับได้ในแง่ของความต้านทานพื้นผิวและค่า TDV ความแตกต่างหลักคือ กระบวนการย่อยสลายโดยไม่ใช้ยูเรียไม่มีแอมโมเนีย จึงมีผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมน้อยกว่า นอกจากนี้ วิธี MICP ที่ใช้ฟอร์เมตโดยไม่ใช้ยูเรียที่เสนอในงานวิจัยนี้ ดูเหมือนจะมีประสิทธิภาพดีกว่าวิธี MICP ที่ใช้แอซิเตตโดยไม่ใช้ยูเรีย แม้ว่า Mohebbi et al. จะศึกษาถึงวิธี MICP ที่ใช้แอซิเตตโดยไม่ใช้ยูเรีย แต่การศึกษาของพวกเขารวมถึงตัวอย่างบนพื้นผิวเรียบ9 เนื่องจากระดับการกัดเซาะที่สูงขึ้นที่เกิดจากการก่อตัวของกระแสน้ำวนรอบตัวอย่างเนินทรายและแรงเฉือนที่เกิดขึ้น ซึ่งส่งผลให้ค่า TDV ต่ำลง จึงคาดว่าการกัดเซาะของลมบนตัวอย่างเนินทรายจะชัดเจนกว่าบนพื้นผิวเรียบที่ความเร็วเท่ากัน