Makasih udah ngunjungin nature.com. Versi browser yang lu pake punya dukungan CSS yang terbatas. Buat pengalaman yang paling bagus, kite saranin lu make versi browser terbaru (atau matiin mode kompatibilitas di Internet Explorer). Selain itu, untuk memastikan dukungan yang terus berlanjut, situs ini kagak bakalan nyediain gaya atau JavaScript.
Badai debu menimbulkan ancaman serius bagi banyak negara di seluruh dunia karena dampak destruktifnya pada pertanian, kesehatan manusia, jaringan transportasi dan infrastruktur. Alhasil, erosi angin dianggap sebagai masalah global. Salah satu pendekatan ramah lingkungan untuk mengekang erosi angin adalah penggunaan curah hujan karbonat yang diinduksi mikroba (MICP). Namun, produk sampingan dari MICP berbasis degradasi urea, seperti amonia, tidak ideal ketika diproduksi dalam jumlah besar. Penelitian ini menyajikan dua formulasi bakteri kalsium format untuk degradasi MICP tanpa menghasilkan urea dan secara komprehensif membandingkan kinerja mereka dengan dua formulasi bakteri kalsium asetat non-penghasil amonia. Bakteri yang dipertimbangkan adalah Bacillus subtilis dan Bacillus amyloliquefaciens. Pertama, nilai-nilai yang dioptimalkan dari faktor-faktor yang mengendalikan pembentukan CaCO3 ditentukan. Tes terowongan angin kemudian dilakukan pada sampel bukit pasir yang diperlakukan dengan formulasi yang dioptimalkan, dan ketahanan erosi angin, kecepatan ambang batas pelucutan, dan ketahanan pemboman pasir diukur. Alomorf kalsium karbonat (CaCO3) dievaluasi pake mikroskop optik, mikroskop elektron pindai (SEM), dan analisis difraksi sinar-X. Formulasi berbasis kalsium format berkinerja jauh lebih baik daripada formulasi berbasis asetat dalam hal pembentukan kalsium karbonat. Selain itu, B. subtilis menghasilkan lebih banyak kalsium karbonat daripada B. amyloliquefaciens. Mikrograf SEM dengan jelas nunjukin pengikatan dan pencetakan bakteri aktif dan inaktif pada kalsium karbonat yang disebabkan oleh sedimentasi. Semua formulasi secara signifikan mengurangi erosi angin.
Erosi angin udah lama diakui sebagai masalah utama yang dihadapi daerah kering dan semi-kering seperti Amerika Serikat barat daya, Cina barat, Afrika Sahara, dan sebagian besar Timur Tengah1. Curah hujan yang rendah di iklim kering dan hiper-kering telah mengubah sebagian besar daerah ini menjadi gurun, bukit pasir, dan lahan yang tidak dibudidayakan. Erosi angin yang terus berlanjut menimbulkan ancaman lingkungan terhadap infrastruktur seperti jaringan transportasi, lahan pertanian, dan lahan industri, yang menyebabkan kondisi hidup yang buruk dan biaya pembangunan perkotaan yang tinggi di daerah-daerah ini2,3,4. Yang penting, erosi angin kagak cuma ngaruh ke lokasi dimana itu terjadi, tapi juga nyebabin masalah kesehatan dan ekonomi di komunitas terpencil karena mengangkut partikel melalui angin ke daerah yang jauh dari sumber5,6.
Pengendalian erosi angin tetep jadi masalah global. Berbagai metode stabilisasi tanah dipake buat ngontrol erosi angin. Metode-metode ini termasuk bahan-bahan seperti aplikasi air7, mulsa minyak8, biopolimer5, pengendapan karbonat diinduksi mikroba (MICP)9,10,11,12 dan pengendapan karbonat diinduksi enzim (EICP)1. Pembasahan tanah adalah metode standar untuk menekan debu di lapangan. Namun, penguapannya yang cepat membuat metode ini terbatas efektivitasnya di daerah kering dan semi-kering1. Penggunaan senyawa mulsa minyak meningkatkan kohesi pasir dan gesekan antar partikel. Sifat kohesif mereka mengikat butiran pasir; tapi, mulsa minyak juga menimbulkan masalah lain; warna gelap mereka meningkatkan penyerapan panas dan menyebabkan kematian tanaman dan mikroorganisme. Bau dan asap mereka bisa nyebabin masalah pernapasan, dan yang paling penting, biaya tinggi mereka adalah rintangan lain. Biopolimer adalah salah satu metode ramah lingkungan yang baru-baru ini diusulkan untuk mengurangi erosi angin; mereka diekstrak dari sumber alami seperti tanaman, hewan dan bakteri. Permen karet xanthan, permen karet guar, kitosan dan permen karet gellan adalah biopolimer yang paling sering digunain dalam aplikasi teknik5. Tapi, biopolimer yang larut dalam air bisa kehilangan kekuatan dan meresap dari tanah ketika terkena air13,14. EICP telah terbukti menjadi metode penekanan debu yang efektif untuk berbagai aplikasi termasuk jalan yang tidak beraspal, kolam tailing dan lokasi konstruksi. Meskipun hasilnya menggembirakan, beberapa kekurangan potensial harus dipertimbangkan, seperti biaya dan kurangnya situs nukleasi (yang mempercepat pembentukan dan pengendapan kristal CaCO315,16).
MICP pertama kali dijelasin di akhir abad ke-19 oleh Murray dan Irwin (1890) dan Steinmann (1901) dalam studi mereka tentang degradasi urea oleh mikroorganisme laut17. MICP adalah proses biologis yang terjadi secara alami yang melibatkan berbagai aktivitas mikroba dan proses kimia di mana kalsium karbonat diendapkan oleh reaksi ion karbonat dari metabolit mikroba dengan ion kalsium di lingkungan18,19. MICP yang melibatkan siklus nitrogen yang mendegradasi urea (MICP yang mendegradasi urea) adalah jenis pengendapan karbonat yang diinduksi mikroba yang paling umum, di mana urease yang diproduksi oleh bakteri mengkatalisis hidrolisis urea20,21,22,23,24,25,26,27 sebagai berikut:
Di MICP yang melibatkan siklus karbon oksidasi garam organik (MICP tanpa tipe degradasi urea), bakteri heterotrofik menggunakan garam organik seperti asetat, laktat, sitrat, suksinat, oksalat, malat dan glioksilat sebagai sumber energi untuk menghasilkan mineral karbonat28. Dengan adanya kalsium laktat sebagai sumber karbon dan ion kalsium, reaksi kimia pembentukan kalsium karbonat ditunjukkan pada persamaan (5).
Di proses MICP, sel bakteri nyediain situs nukleasi yang penting banget buat pengendapan kalsium karbonat; permukaan sel bakteri bermuatan negatif dan dapat bertindak sebagai adsorben untuk kation divalen seperti ion kalsium. Dengan menyerap ion kalsium ke sel bakteri, ketika konsentrasi ion karbonat cukup, kation kalsium dan anion karbonat bereaksi dan kalsium karbonat mengendapkan di permukaan bakteri29,30. Prosesnye bisa dirangkum sebagai berikut31,32:
Kristal kalsium karbonat yang dihasilkan bisa dibagi jadi tiga jenis: kalsit, vaterit, dan aragonit. Diantaranya, kalsit dan vaterit adalah alomorf kalsium karbonat yang diinduksi bakteri yang paling umum33,34. Kalsit adalah kalsium karbonat allomorph35 yang paling stabil secara termodinamis. Meskipun vaterit udah dilaporkan metastabil, akhirnya berubah jadi kalsit36,37. Vaterit adalah kristal yang paling padat. Ini adalah kristal segi enam yang memiliki kemampuan pengisian pori yang lebih baik daripada kristal kalsium karbonat lainnya karena ukurannya yang lebih besar38. MICP yang terdegradasi urea dan tidak terdegradasi urea dapat menyebabkan pengendapan vaterite13,39,40,41.
Meskipun MICP udah nunjukin potensi yang menjanjikan dalam menstabilkan tanah yang bermasalah dan tanah yang rentan terhadap erosi angin42,43,44,45,46,47,48, salah satu produk sampingan dari hidrolisis urea adalah amonia, yang dapat menyebabkan masalah kesehatan ringan hingga parah tergantung pada tingkat paparan49. Efek samping ini bikin penggunaan teknologi ini kontroversial, terutama ketika area yang luas perlu dirawat, seperti untuk menekan debu. Selain itu, bau amonia kagak bisa ditolerir kalo prosesnye dilakuin dengan tingkat aplikasi yang tinggi dan volume yang gede, yang bisa mempengaruhi penerapan praktisnye. Meskipun penelitian terbaru udah nunjukin kalo ion amonium bisa dikurangi dengan mengubahnya jadi produk lain seperti struvit, metode ini kagak sepenuhnya ngilangin ion amonium50. Oleh karena itu, masih perlu untuk menjelajahi solusi alternatif yang tidak menghasilkan ion amonium. Penggunaan jalur degradasi non-urea untuk MICP mungkin memberikan solusi potensial yang telah dijelajahi dengan buruk dalam konteks mitigasi erosi angin. Fattahi dkk. nyelidikin degradasi MICP bebas urea make kalsium asetat dan Bacillus megaterium41, sementara Mohebbi dkk. pake kalsium asetat dan Bacillus amyloliquefaciens9. Namun, penelitian mereka kagak dibandingin dengan sumber kalsium lain dan bakteri heterotrofik yang pada akhirnya bisa meningkatkan ketahanan erosi angin. Ada juga kurangnya literatur yang membandingkan jalur degradasi bebas urea dengan jalur degradasi urea dalam mitigasi erosi angin.
Selain itu, sebagian besar studi pengendalian erosi angin dan debu telah dilakukan pada sampel tanah dengan permukaan datar.1,51,52,53 Namun, permukaan datar kurang umum di alam daripada bukit dan lekukan. Ini nih kenapa bukit pasir adalah fitur lanskap yang paling umum di daerah gurun.
Buat ngatasin kekurangan yang disebutin di atas, penelitian ini bertujuan buat ngenalin set baru agen bakteri penghasil non-amonia. Untuk tujuan ini, kite mempertimbangkan jalur MICP non-urea degradasi. Efisiensi dari dua sumber kalsium (kalsium format dan kalsium asetat) diselidiki. Sejauh pengetahuan penulis, pengendapan karbonat menggunakan dua sumber kalsium dan kombinasi bakteri (yaitu kalsium format-Bacillus subtilis dan kalsium format-Bacillus amyloliquefaciens) belum diselidiki dalam penelitian sebelumnya. Pilihan bakteri ini didasarkan pada enzim yang mereka hasilkan yang mengkatalisis oksidasi kalsium format dan kalsium asetat untuk membentuk pengendapan karbonat mikroba. Kita merancang studi eksperimental yang menyeluruh untuk menemukan faktor-faktor optimal seperti pH, jenis bakteri dan sumber kalsium dan konsentrasinya, rasio bakteri terhadap larutan sumber kalsium dan waktu penyembuhan. Akhirnya, efektivitas dari set agen bakteri ini dalam menekan erosi angin melalui curah hujan kalsium karbonat diselidiki dengan melakukan serangkaian tes terowongan angin pada bukit pasir untuk menentukan besaran erosi angin, kecepatan pecah ambang batas dan ketahanan pemboman angin pasir, dan pengukuran penetrometer dan studi mikrostruktur (sinar-X X) mikroskop elektron (SEM)) juga dilakukan.
Produksi kalsium karbonat membutuhkan ion kalsium dan ion karbonat. Ion kalsium bisa didapet dari berbagai sumber kalsium seperti kalsium klorida, kalsium hidroksida, dan susu bubuk skim54,55. Ion karbonat dapat diproduksi dengan berbagai metode mikroba seperti hidrolisis urea dan oksidasi aerobik atau anaerobik dari bahan organik56. Di penelitian ini, ion karbonat diperoleh dari reaksi oksidasi format dan asetat. Selain itu, kite make garam kalsium format dan asetat buat ngehasilin kalsium karbonat murni, jadi cuma CO2 dan H2O yang didapet sebagai produk sampingan. Dalam proses ini, cuma satu zat yang berfungsi sebagai sumber kalsium dan sumber karbonat, dan kagak ada amonia yang diproduksi. Karakteristik-karakteristik ini membuat sumber kalsium dan metode produksi karbonat yang kami anggap sangat menjanjikan.
Reaksi yang sesuai dari kalsium format dan kalsium asetat untuk membentuk kalsium karbonat ditunjukkan dalam rumus (7)-(14). Rumus (7)-(11) nunjukin kalo kalsium format larut di air buat ngebentuk asam format atau format. Larutan itu adalah sumber ion kalsium dan hidroksida bebas (rumus 8 dan 9). Sebagai hasil dari oksidasi asam formik, atom karbon dalam asam formik diubah menjadi karbon dioksida (rumus 10). Kalsium karbonat akhirnya terbentuk (rumus 11 dan 12).
Sama, kalsium karbonat terbentuk dari kalsium asetat (persamaan 13-15), kecuali asam asetat atau asetat terbentuk sebagai pengganti asam format.
Tanpa adanya enzim, asetat dan format kagak bisa dioksidasi di suhu kamar. FDH (format dehidrogenase) dan CoA (koenzim A) mengkatalisis oksidasi format dan asetat untuk membentuk karbon dioksida, masing-masing (Pers. 16, 17) 57, 58, 59. Berbagai bakteri mampu menghasilkan enzim-enzim ini, dan heterotrofik, yaitu bakteri Basililus subtilis (PT Tipe Perpesian #140) Koleksi Kultur), juga dikenal sebagai NCIMB #13061 (Koleksi Internasional Bakteri, Ragi, Fag, Plasmid, Biji Tanaman dan Kultur Jaringan Sel Tanaman)) dan Bacillus amyloliquefaciens (PTCC #1732, NCIMB #12077), digunakan dalam penelitian ini. Bakteri ini dibudidayakan di media yang mengandung pepton daging (5 g/L) dan ekstrak daging (3 g/L), yang disebut kaldu nutrisi (NBR) (105443 Merck).
Jadi, empat formulasi disiapkan untuk menginduksi pengendapan kalsium karbonat menggunakan dua sumber kalsium dan dua bakteri: kalsium format dan Bacillus subtilis (FS), kalsium format dan Bacillus amyloliquefaciens (FA), kalsium asetat dan Bacillus subtilis (AS), dan kalsium asetat dan Bacillus amyloliquefaciens (AAA).
Di bagian pertama dari desain eksperimental, tes dilakukan untuk menentukan kombinasi optimal yang akan mencapai produksi kalsium karbonat maksimum. Karena sampel tanah mengandung kalsium karbonat, seperangkat tes evaluasi awal dirancang untuk mengukur secara akurat CaCO3 yang dihasilkan oleh kombinasi yang berbeda, dan campuran media kultur dan larutan sumber kalsium dievaluasi. Untuk setiap kombinasi sumber kalsium dan larutan bakteri yang didefinisikan di atas (FS, FA, AS, dan AA), faktor optimasi (konsentrasi sumber kalsium, waktu penyembuhan, konsentrasi larutan bakteri yang diukur dengan kepadatan optik larutan (OD), rasio larutan sumber kalsium terhadap bakteri, dan pH) diturunkan dan digunakan dalam uji terowongan angin pengolahan bukit pasir yang dijelaskan berikut dalam bagian-bagian berikut.
Untuk setiap kombinasi, 150 percobaan dilakukan untuk mempelajari efek penurunan CaCO3 dan mengevaluasi berbagai faktor, yaitu konsentrasi sumber kalsium, waktu penyembuhan, nilai OD bakteri, rasio sumber kalsium terhadap larutan bakteri dan pH selama oksidasi aerobik bahan organik (Tabel 1). Rentang pH untuk proses yang dioptimalkan dipilih berdasarkan kurva pertumbuhan Bacillus subtilis dan Bacillus amyloliquefaciens untuk mendapatkan pertumbuhan yang lebih cepat. Ini dijelasin lebih rinci di bagian Hasil.
Langkah-langkah berikut digunakan untuk menyiapkan sampel untuk fase optimasi. Larutan MICP pertama-tama disiapkan dengan menyesuaikan pH awal medium kultur dan kemudian di autoklaf pada suhu 121 °C selama 15 menit. Regangan kemudian diinokulasi dalam aliran udara laminar dan dipertahankan dalam inkubator goyang pada suhu 30 °C dan 180 rpm. Begitu OD bakteri mencapai tingkat yang diinginkan, itu dicampur dengan larutan sumber kalsium dalam proporsi yang diinginkan (Gambar 1a). Larutan MICP dibiarin bereaksi dan ngademin di inkubator goyang pada 220 rpm dan 30 °C untuk waktu yang mencapai nilai target. CaCO3 yang diendapkan dipisahin setelah sentrifugasi pada 6000 g selama 5 menit dan kemudian dikeringkan pada 40 °C untuk menyiapkan sampel untuk uji kalsimeter (Gambar 1b). Penurunan CaCO3 kemudian diukur menggunakan kalsimeter Bernard, di mana bubuk CaCO3 bereaksi dengan 1,0 N HCl (ASTM-D4373-02) untuk menghasilkan CO2, dan volume gas ini adalah ukuran kandungan CaCO3 (Gambar 1c). Untuk mengubah volume CO2 menjadi kandungan CaCO3, kurva kalibrasi dihasilkan dengan mencuci bubuk CaCO3 murni dengan 1 N HCl dan memplotnya terhadap CO2 yang berevolusi. Morfologi dan kemurnian bubuk CaCO3 yang diendapkan diselidiki menggunakan pencitraan SEM dan analisis XRD. Mikroskop optik dengan pembesaran 1000 dipake buat mempelajari pembentukan kalsium karbonat di sekitar bakteri, fase kalsium karbonat yang terbentuk, dan aktivitas bakteri.
Cekungan Dejegh adalah daerah yang terkenal terkikis di Provinsi Fars barat daya Iran, dan para peneliti mengumpulkan sampel tanah yang terkikis angin dari daerah tersebut. Sampel diambil dari permukaan tanah untuk penelitian. Tes indikator pada sampel tanah menunjukkan bahwa tanah adalah tanah berpasir dengan lumpur yang diurut dengan buruk dan diklasifikasikan sebagai SP-SM menurut Sistem Klasifikasi Tanah Terpadu (USC) (Gambar 2a). Analisis XRD nunjukin kalo tanah Dejegh terutama terdiri dari kalsit dan kuarsa (Gambar 2b). Selain itu, analisis EDX nunjukin kalo elemen lain kayak Al, K, dan Fe juga hadir dalam proporsi yang lebih kecil.
Buat nyiapin bukit pasir laboratorium buat pengujian erosi angin, tanah dihancurin dari ketinggian 170 mm lewat corong diameter 10 mm ke permukaan yang kokoh, menghasilkan bukit pasir khas setinggi 60 mm dan diameter 210 mm. Di alam, bukit pasir dengan kepadatan terendah terbentuk oleh proses aeolian. Sama, sampel yang disiapin pake prosedur di atas punya kepadatan relatif terendah, γ = 14,14 kN/m3, membentuk kerucut pasir yang diendapkan di permukaan horizontal dengan sudut istirahat sekitar 29,7°.
Larutan MICP optimal yang didapet di bagian sebelumnya disemprot ke lereng bukit pasir dengan tingkat aplikasi 1, 2 dan 3 lm-2 dan kemudian sampel disimpan di inkubator pada suhu 30 °C (Gambar 3) selama 9 hari (yaitu waktu pengawetan optimal) dan kemudian diambil untuk pengujian terowongan angin.
Untuk setiap perlakuan, empat spesimen disiapkan, satu untuk mengukur kandungan kalsium karbonat dan kekuatan permukaan menggunakan penetrometer, dan sisa tiga spesimen digunakan untuk uji erosi pada tiga kecepatan yang berbeda. Di tes terowongan angin, jumlah erosi ditentukan pada kecepatan angin yang berbeda, dan kemudian kecepatan putus ambang batas untuk setiap spesimen perlakuan ditentukan menggunakan plot jumlah erosi versus kecepatan angin. Selain tes erosi angin, spesimen yang diobati dibombardir pasir (yaitu, percobaan lompat). Dua spesimen tambahan disiapkan untuk tujuan ini dengan laju aplikasi 2 dan 3 L m−2. Uji pemboman pasir berlangsung 15 menit dengan fluks 120 gm-1, yang berada dalam kisaran nilai yang dipilih dalam penelitian sebelumnya60,61,62. Jarak horizontal antara nosel abrasif dan dasar bukit pasir adalah 800 mm, terletak 100 mm di atas dasar terowongan. Posisi ini diatur biar hampir semua partikel pasir yang melompat jatuh ke bukit pasir.
Uji terowongan angin dilakukan di terowongan angin terbuka dengan panjang 8 m, lebar 0,4 m dan tinggi 1 m (Gambar 4a). Terowongan angin terbuat dari lembaran baja galvanis dan dapat menghasilkan kecepatan angin hingga 25 m/s. Selain itu, konverter frekuensi digunakan untuk menyesuaikan frekuensi kipas dan secara bertahap meningkatkan frekuensi untuk mendapatkan kecepatan angin target. Gambar 4b nunjukin diagram skematik bukit pasir yang terkikis oleh angin dan profil kecepatan angin yang diukur di terowongan angin.
Akhirnya, untuk membandingkan hasil formulasi MICP non-urealitik yang diusulkan dalam penelitian ini dengan hasil tes kontrol MICP urealitik, sampel bukit pasir juga disiapkan dan diperlakuin dengan larutan biologis yang mengandung urea, kalsium klorida dan Sporosarcina pasteurii (karena Sporosarcina pasteurii memiliki kemampuan yang signifikan untuk menghasilkan urease663). Kepadatan optik larutan bakteri adalah 1,5, dan konsentrasi urea dan kalsium klorida adalah 1 M (dipilih berdasarkan nilai yang direkomendasikan dalam penelitian sebelumnya36,64,65). Media kultur terdiri dari kaldu nutrisi (8 g/L) dan urea (20 g/L). Larutan bakteri disemprot ke permukaan bukit pasir dan dibiarin selama 24 jam untuk bakteri nempel. Setelah 24 jam penempelan, larutan penyemen (kalsium klorida dan urea) disemprot. Tes kontrol MICP urealitik selanjutnya disebut sebagai UMC. Kandungan kalsium karbonat dari sampel tanah yang diolah secara urealitik dan non-urealitis diperoleh dengan cara mencuci sesuai dengan prosedur yang diusulkan oleh Choi dkk.66
Gambar 5 nunjukin kurva pertumbuhan Bacillus amyloliquefaciens dan Bacillus subtilis di media kultur (larutan nutrisi) dengan kisaran pH awal 5 sampe 10. Seperti yang ditunjukin di gambar, Bacillus amyloliquefaciens dan Bacillus subtilis tumbuh lebih cepet di pH 6-8 dan 7-9, masing-masing. Oleh karena itu, rentang pH ini diadopsi dalam tahap optimasi.
Kurva pertumbuhan (a) Bacillus amyloliquefaciens dan (b) Bacillus subtilis pada nilai pH awal yang berbeda dari media nutrisi.
Gambar 6 nunjukin jumlah karbon dioksida yang diproduksi di Bernard limemeter, yang mewakili kalsium karbonat yang diendapkan (CaCO3). Karena satu faktor diperbaiki di setiap kombinasi dan faktor-faktor lainnya divariasikan, setiap titik pada grafik ini sesuai dengan volume maksimum karbon dioksida dalam set percobaan itu. Seperti yang ditunjukin di gambar, seiring konsentrasi sumber kalsium meningkat, produksi kalsium karbonat meningkat. Oleh karena itu, konsentrasi sumber kalsium secara langsung mempengaruhi produksi kalsium karbonat. Karena sumber kalsium dan sumber karbon sama (yaitu, kalsium format dan kalsium asetat), semakin banyak ion kalsium yang dilepaskan, semakin banyak kalsium karbonat yang terbentuk (Gambar 6a). Di formulasi AS dan AA, produksi kalsium karbonat terus meningkat dengan meningkatnya waktu penyembuhan sampai jumlah endapan hampir tidak berubah setelah 9 hari. Di formulasi FA, laju pembentukan kalsium karbonat menurun ketika waktu penyembuhan melebihi 6 hari. Dibandingin ama formulasi laen, formulasi FS nunjukin tingkat pembentukan kalsium karbonat yang relatif rendah setelah 3 hari (Gambar 6b). Di formulasi FA dan FS, 70% dan 87% dari total produksi kalsium karbonat didapat setelah tiga hari, sementara di formulasi AA dan AS, proporsi ini cuma sekitar 46% dan 45%, masing-masing. Ini nunjukin kalo formulasi berbasis asam formik punya tingkat pembentukan CaCO3 yang lebih tinggi di tahap awal dibandingin dengan formulasi berbasis asetat. Namun, laju pembentukan melambat dengan meningkatnya waktu penyembuhan. Bisa disimpulkan dari Gambar 6c bahwa bahkan pada konsentrasi bakteri di atas OD1, tidak ada kontribusi yang signifikan terhadap pembentukan kalsium karbonat.
Perubahan volume CO2 (dan kandungan CaCO3 yang sesuai) diukur oleh kalsimeter Bernard sebagai fungsi dari (a) konsentrasi sumber kalsium, (b) waktu pengaturan, (c) OD, (d) pH awal, (e) rasio sumber kalsium terhadap larutan bakteri (untuk setiap formulasi); dan (f) jumlah maksimum kalsium karbonat yang diproduksi untuk setiap kombinasi sumber kalsium dan bakteri.
Mengenai efek pH awal medium, Gambar 6d nunjukin kalo buat FA dan FS, produksi CaCO3 mencapai nilai maksimum di pH 7. Pengamatan ini konsisten dengan penelitian sebelumnya bahwa enzim FDH paling stabil di pH 7-6,7. Namun, untuk AA dan AS, pengendapan CaCO3 meningkat ketika pH melebihi 7. Penelitian sebelumnya juga menunjukkan bahwa rentang pH optimal untuk aktivitas enzim CoA adalah dari 8 hingga 9,2-6,8. Mengingat bahwa rentang pH optimal untuk aktivitas enzim CoA dan pertumbuhan B. amyloliquefaciens adalah (8-9.2) dan (6-8), masing-masing (Gambar 5a), pH optimal formulasi AA diharapkan menjadi 8, dan dua rentang pH tumpang tindih. Fakta ini dikonfirmasi oleh percobaan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6d. Karena pH optimal untuk pertumbuhan B. subtilis adalah 7-9 (Gambar 5b) dan pH optimal untuk aktivitas enzim CoA adalah 8-9,2, hasil curah hujan CaCO3 maksimum diharapkan berada dalam kisaran pH 8-9, yang dikonfirmasi oleh Gambar 6d (yaitu, pH curah hujan optimal adalah 99). Hasil yang ditunjukin di Gambar 6e nunjukin kalo rasio optimal larutan sumber kalsium ke larutan bakteri adalah 1 untuk larutan asetat dan format. Sebagai perbandingan, kinerja formulasi yang berbeda (yaitu, AA, AS, FA, dan FS) dievaluasi berdasarkan produksi CaCO3 maksimum dalam kondisi yang berbeda (yaitu, konsentrasi sumber kalsium, waktu pengawetan, OD, rasio sumber kalsium terhadap larutan bakteri, dan pH awal). Di antara formulasi yang dipelajari, formulasi FS memiliki produksi CaCO3 tertinggi, yang sekitar tiga kali lipat dari formulasi AA (Gambar 6f). Empat percobaan kontrol bebas bakteri dilakukan untuk kedua sumber kalsium dan tidak ada pengendapan CaCO3 yang diamati setelah 30 hari.
Gambar mikroskop optik dari semua formulasi nunjukin kalo vaterit adalah fase utama di mana kalsium karbonat terbentuk (Gambar 7). Kristal vaterit berbentuk bola69,70,71. Ditemukan bahwa kalsium karbonat mengendap pada sel bakteri karena permukaan sel bakteri bermuatan negatif dan dapat bertindak sebagai adsorben untuk kation divalen. Ngambil formulasi FS sebagai contoh di penelitian ini, setelah 24 jam, kalsium karbonat mulai terbentuk pada beberapa sel bakteri (Gambar 7a), dan setelah 48 jam, jumlah sel bakteri yang dilapisi dengan kalsium karbonat meningkat secara signifikan. Selain itu, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7b, partikel vaterit juga dapat dideteksi. Akhirnya, setelah 72 jam, sejumlah besar bakteri tampaknya terikat oleh kristal vaterit, dan jumlah partikel vaterit meningkat secara signifikan (Gambar 7c).
Pengamatan mikroskop optik pengendapan CaCO3 dalam komposisi FS dari waktu ke waktu: (a) 24, (b) 48 dan (c) 72 jam.
Buat nyelidikin lebih lanjut morfologi fase yang diendapkan, difraksi sinar-X (XRD) dan analisis SEM dari bubuk-bubuk itu dilakuin. Spektrum XRD (Gambar 8a) dan mikrograf SEM (Gambar 8b, c) mengkonfirmasi adanya kristal vaterit, karena mereka memiliki bentuk seperti selada dan korespondensi antara puncak vaterit dan puncak endapan diamati.
(a) Perbandingan spektrum difraksi sinar-X dari CaCO3 yang terbentuk dan vaterit. Mikrograf SEM dari vaterit pada (b) 1 kHz dan (c) pembesaran 5,27 kHz, masing-masing.
Hasil dari tes terowongan angin ditunjukin di Gambar 9a, b. Bisa diliat dari Gambar 9a kalo kecepatan erosi ambang batas (TDV) dari pasir yang kagak diolah sekitar 4,32 m/s. Pada laju aplikasi 1 l/m2 (Gambar 9a), kemiringan garis laju kehilangan tanah untuk fraksi FA, FS, AA dan UMC kira-kira sama dengan untuk bukit pasir yang tidak diolah. Ini nunjukin kalo perlakuan pada tingkat aplikasi ini kagak efektif dan begitu kecepatan angin melebihi TDV, kerak tanah tipis menghilang dan tingkat erosi bukit pasir sama dengan bukit pasir yang kagak diolah. Kemiringan erosi fraksi AS juga lebih rendah daripada fraksi lain dengan absis yang lebih rendah (yaitu TDV) (Gambar 9a). Panah di Gambar 9b nunjukin kalo pada kecepatan angin maksimum 25 m/s, kagak ada erosi yang terjadi di bukit pasir yang diolah dengan laju aplikasi 2 dan 3 l/m2. Dengan kata lain, untuk FS, FA, AS dan UMC, bukit pasir lebih tahan terhadap erosi angin yang disebabkan oleh pengendapan CaCO3 pada laju aplikasi 2 dan 3 l/m2 daripada pada kecepatan angin maksimum (yaitu 25 m/s). Jadi, nilai TDV 25 m/s yang didapet di tes-tes ini adalah batas bawah untuk tingkat aplikasi yang ditunjukin di Gambar 9b, kecuali untuk kasus AA, di mana TDV hampir sama dengan kecepatan terowongan angin maksimum.
Uji erosi angin (a) Penurunan berat versus kecepatan angin (tingkat aplikasi 1 l/m2), (b) Kecepatan sobek ambang versus tingkat aplikasi dan formulasi (CA untuk kalsium asetat, CF untuk kalsium format).
Gambar 10 nunjukin erosi permukaan gundukan pasir yang diolah dengan formulasi dan tingkat aplikasi yang berbeda setelah uji pemboman pasir dan hasil kuantitatif ditunjukin di Gambar 11. Kasus yang kagak diolah kagak ditunjukin karena kagak nunjukin ketahanan dan benar-benar terkikis (kehilangan massa total) selama uji pemboman pasir. Jelas dari Gambar 11 bahwa sampel yang diobati dengan biokomposisi AA kehilangan 83,5% dari beratnya pada laju aplikasi 2 l/m2 sementara semua sampel lain menunjukkan erosi kurang dari 30% selama proses pemboman pasir. Pas tingkat aplikasi ditingkatin jadi 3 l/m2, semua sampel yang diobati kehilangan kurang dari 25% dari berat badan mereka. Di kedua tingkat aplikasi, senyawa FS menunjukkan ketahanan terbaik terhadap pemboman pasir. Ketahanan pemboman maksimum dan minimum di sampel yang diobati FS dan AA dapat dikaitkan dengan penurunan CaCO3 maksimum dan minimum mereka (Gambar 6f).
Hasil pemboman gundukan pasir dengan komposisi yang berbeda pada laju aliran 2 dan 3 l/m2 (panah menunjukkan arah angin, silang menunjukkan arah angin tegak lurus dengan bidang gambar).
Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 12, kandungan kalsium karbonat dari semua rumus meningkat seiring dengan meningkatnya laju aplikasi dari 1 L/m2 menjadi 3 L/m2. Selain itu, di semua tingkat aplikasi, rumus dengan kandungan kalsium karbonat tertinggi adalah FS, diikuti oleh FA dan UMC. Ini nunjukin kalo rumus-rumus ini mungkin punya ketahanan permukaan yang lebih tinggi.
Gambar 13a nunjukin perubahan ketahanan permukaan sampel tanah yang kagak diolah, kontrol dan diolah yang diukur dengan uji permeameter. Dari gambar ini, keliatan kalo ketahanan permukaan formulasi UMC, AS, FA dan FS meningkat secara signifikan dengan peningkatan laju aplikasi. Namun, peningkatan kekuatan permukaan relatif kecil dalam formulasi AA. Seperti yang ditunjukkan pada gambar, formulasi FA dan FS dari MICP non-urea-degradasi memiliki permeabilitas permukaan yang lebih baik dibandingkan dengan MICP yang terdegradasi urea. Gambar 13b nunjukin perubahan TDV dengan ketahanan permukaan tanah. Dari gambar ini, jelas keliatan kalo buat bukit pasir dengan ketahanan permukaan lebih dari 100 kPa, kecepatan pelucutan ambang batas bakal melebihi 25 m/s. Karena ketahanan permukaan in situ dapat dengan mudah diukur dengan permeameter, pengetahuan ini dapat membantu untuk memperkirakan TDV tanpa adanya pengujian terowongan angin, sehingga berfungsi sebagai indikator kontrol kualitas untuk aplikasi lapangan.
Hasil SEM ditunjukin di Gambar 14. Gambar 14a-b nunjukin partikel yang digedein dari sampel tanah yang kagak diolah, yang jelas nunjukin kalo itu kohesif dan kagak punya ikatan alami atau sementasi. Gambar 14c nunjukin mikrograf SEM dari sampel kontrol yang diobati dengan MICP yang terdegradasi urea. Gambar ini nunjukin adanya endapan CaCO3 sebagai polimorf kalsit. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 14d-o, CaCO3 yang diendapkan mengikat partikel-partikel bersama; kristal vaterit bola juga bisa diidentifikasi di mikrograf SEM. Hasil dari penelitian ini dan penelitian sebelumnya nunjukin kalo ikatan CaCO3 yang terbentuk sebagai polimorf vaterit juga bisa ngasih kekuatan mekanis yang wajar; hasil kite nunjukin kalo ketahanan permukaan meningkat jadi 350 kPa dan kecepatan pemisahan ambang batas meningkat dari 4.32 jadi lebih dari 25 m/s. Hasil ini konsisten dengan hasil penelitian sebelumnya bahwa matriks CaCO3 yang diendapkan MICP adalah vaterit, yang memiliki kekuatan mekanis yang wajar dan ketahanan erosi angin13,40 dan dapat mempertahankan ketahanan erosi angin yang wajar bahkan setelah 180 hari terpapar kondisi lingkungan lapangan13.
(a, b) mikrograf SEM tanah yang kagak diolah, (c) kontrol degradasi urea MICP, (df) sampel yang diolah AA, (gi) sampel yang diolah AS, (jl) sampel yang diolah FA, dan (mo) sampel yang diolah FS pada tingkat aplikasi 3 L/m2 pada perbesaran yang berbeda.
Gambar 14d-f nunjukin kalo setelah perlakuan dengan senyawa AA, kalsium karbonat mengendap di permukaan dan di antara butiran pasir, sementara beberapa butiran pasir yang kagak dilapisi juga diamati. Untuk komponen AS, meskipun jumlah CaCO3 yang terbentuk kagak meningkat secara signifikan (Gambar 6f), jumlah kontak antara butiran pasir yang disebabkan oleh CaCO3 meningkat secara signifikan dibandingkan dengan senyawa AA (Gambar 14g-i).
Dari Gambar 14j-l dan 14m-o jelas kalo penggunaan kalsium format sebagai sumber kalsium mengarah ke peningkatan lebih lanjut dalam pengendapan CaCO3 dibandingkan dengan senyawa AS, yang konsisten dengan pengukuran meteran kalsium di Gambar 6f. CaCO3 tambahan ini tampaknya terutama diendapkan pada partikel pasir dan belum tentu meningkatkan kualitas kontak. Ini mengkonfirmasi perilaku yang diamati sebelumnya: meskipun ada perbedaan dalam jumlah curah hujan CaCO3 (Gambar 6f), ketiga formulasi (AS, FA dan FS) tidak berbeda secara signifikan dalam hal kinerja anti-eolian (angin) (Gambar 11) dan ketahanan permukaan (Gambar 13a).
Supaya lebih bisa ngeliat sel bakteri yang dilapisi CaCO3 dan jejak bakteri pada kristal yang diendapkan, mikrograf SEM pembesaran tinggi diambil dan hasilnya ditunjukin di Gambar 15. Seperti yang ditunjukin, kalsium karbonat mengendap pada sel bakteri dan nyediain inti yang dibutuhin buat pengendapan di sana. Gambar juga menggambarkan hubungan aktif dan non aktif yang diinduksi oleh CaCO3. Bisa disimpulkan bahwa peningkatan hubungan yang kagak aktif kagak selalu mengarah ke peningkatan lebih lanjut dalam perilaku mekanis. Oleh karena itu, peningkatan curah hujan CaCO3 kagak selalu mengarah ke kekuatan mekanis yang lebih tinggi dan pola curah hujan berperan penting. Poin ini juga udah dipelajari di karya Terzis dan Laloui72 dan Soghi dan Al-Kabani45,73. Untuk lebih lanjut mengeksplorasi hubungan antara pola curah hujan dan kekuatan mekanis, studi MICP menggunakan pencitraan μCT direkomendasikan, yang di luar lingkup penelitian ini (yaitu, memperkenalkan kombinasi sumber kalsium dan bakteri yang berbeda untuk MICP bebas amonia).
CaCO3 menginduksi ikatan aktif dan inaktif pada sampel yang diperlakukan dengan (a) komposisi AS dan (b) komposisi FS dan meninggalkan jejak sel bakteri pada sedimen.
Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 14j-o dan 15b, ada film CaCO (menurut analisis EDX, persentase komposisi setiap elemen dalam film adalah karbon 11%, oksigen 46,62% dan kalsium 42,39%, yang sangat dekat dengan persentase CaCO pada Gambar 16). Film ini menutupi kristal vaterit dan partikel tanah, membantu menjaga integritas sistem tanah-sedimen. Kehadiran film ini cuma diliat di sampel yang diperlakuin dengan formulasi berbasis format.
Tabel 2 ngebandingin kekuatan permukaan, kecepatan pelepasan ambang batas, dan kandungan CaCO3 bioinduksi dari tanah yang diolah dengan jalur MICP yang menurai urea dan non-urea dalam penelitian sebelumnya dan penelitian ini. Penelitian tentang ketahanan erosi angin dari sampel bukit pasir yang diolah MICP terbatas. Meng dkk. nyelidikin ketahanan erosi angin dari sampel bukit pasir yang ngehancurin urea yang diolah MICP make alat tiup daun,13 sedangkan di penelitian ini, sampel bukit pasir yang kagak ngehancurin urea (serta kontrol yang ngehancurin urea) diuji di terowongan angin dan diperlakuin dengan empat kombinasi bakteri dan zat yang berbeda.
Seperti yang bisa diliat, beberapa penelitian sebelumnya udah mempertimbangkan tingkat aplikasi yang tinggi melebihi 4 L/m213,41,74. Perlu dicatet kalo tingkat aplikasi yang tinggi mungkin kagak gampang diterapin di lapangan dari sudut pandang ekonomi karena biaya yang terkait dengan pasokan air, transportasi, dan aplikasi volume air yang gede. Tingkat aplikasi yang lebih rendah seperti 1.62-2 L/m2 juga mencapai kekuatan permukaan yang cukup bagus hingga 190 kPa dan TDV melebihi 25 m/s. Di penelitian sekarang, bukit pasir yang diperlakuin dengan MICP berbasis format tanpa degradasi urea mencapai kekuatan permukaan tinggi yang sebanding dengan yang diperoleh dengan jalur degradasi urea dalam rentang tingkat aplikasi yang sama (yaitu, sampel yang diperlakuin dengan MICP berbasis format tanpa degradasi urea juga mampu mencapai rentang nilai kekuatan permukaan yang sama seperti yang dilaporkan oleh Mestreng dkk. 13, Gambar 13a) pada tingkat aplikasi yang lebih tinggi. Bisa juga diliat kalo pada tingkat aplikasi 2 L/m2, hasil kalsium karbonat untuk mitigasi erosi angin pada kecepatan angin 25 m/s adalah 2,25% untuk MICP berbasis format tanpa degradasi urea, yang sangat dekat dengan jumlah CaCO3 yang dibutuhkan (yaitu 2,41%) dibandingkan dengan pasir yang dirawat dengan MICP kontrol dengan degradasi urea yang sama laju aplikasi dan kecepatan angin yang sama (25 m/s).
Jadi, dari tabel ini bisa disimpulkan bahwa jalur degradasi urea dan jalur degradasi bebas urea dapat memberikan kinerja yang cukup dapat diterima dalam hal ketahanan permukaan dan TDV. Perbedaan utamanye adalah jalur degradasi bebas urea kagak mengandung amonia dan karenanye punya dampak lingkungan yang lebih rendah. Selain itu, metode MICP berbasis format tanpa degradasi urea yang diusulkan dalam penelitian ini tampaknya lebih baik daripada metode MICP berbasis asetat tanpa degradasi urea. Meskipun Mohebbi dkk. mempelajari metode MICP berbasis asetat tanpa degradasi urea, penelitian mereka termasuk sampel di permukaan datar9. Karena tingkat erosi yang lebih tinggi yang disebabkan oleh pembentukan eddy di sekitar sampel bukit pasir dan geser yang dihasilkan, yang menghasilkan TDV yang lebih rendah, erosi angin dari sampel bukit pasir diharapkan lebih jelas daripada permukaan datar dengan kecepatan yang sama.