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Las tormentas de polvo representan una grave amenaza para muchos países del mundo debido a su impacto destructivo en la agricultura, la salud humana, las redes de transporte y la infraestructura. Como resultado, la erosión eólica se considera un problema global. Una de las estrategias ecológicas para frenar la erosión eólica es el uso de la precipitación de carbonato inducida por microbios (MICP). Sin embargo, los subproductos de la MICP basada en la degradación de urea, como el amoníaco, no son ideales cuando se producen en grandes cantidades. Este estudio presenta dos formulaciones de bacterias de formiato de calcio para la degradación de MICP sin producir urea y compara exhaustivamente su rendimiento con dos formulaciones de bacterias de acetato de calcio no productoras de amoníaco. Las bacterias consideradas son Bacillus subtilis y Bacillus amyloliquefaciens. Primero, se determinaron los valores optimizados de los factores que controlan la formación de CaCO₃. Posteriormente, se realizaron pruebas en túnel de viento en muestras de dunas de arena tratadas con las formulaciones optimizadas, y se midieron la resistencia a la erosión eólica, la velocidad umbral de desprendimiento y la resistencia al bombardeo de arena. Se evaluaron los alomorfos de carbonato de calcio (CaCO₃) mediante microscopía óptica, microscopía electrónica de barrido (MEB) y análisis de difracción de rayos X. Las formulaciones a base de formiato de calcio mostraron un rendimiento significativamente mejor que las formulaciones a base de acetato en cuanto a la formación de carbonato de calcio. Además, B. subtilis produjo más carbonato de calcio que B. amyloliquefaciens. Las micrografías de MEB mostraron claramente la unión e impronta de bacterias activas e inactivas en el carbonato de calcio causada por la sedimentación. Todas las formulaciones redujeron significativamente la erosión eólica.
La erosión eólica se reconoce desde hace tiempo como un problema importante que enfrentan las regiones áridas y semiáridas, como el suroeste de Estados Unidos, el oeste de China, el África subsahariana y gran parte de Oriente Medio. La escasez de precipitaciones en climas áridos e hiperáridos ha transformado grandes extensiones de estas regiones en desiertos, dunas de arena y tierras baldías. La erosión eólica continua plantea amenazas ambientales a infraestructuras como las redes de transporte, las tierras agrícolas y los terrenos industriales, lo que genera malas condiciones de vida y altos costos de desarrollo urbano en estas regiones. Es importante destacar que la erosión eólica no solo afecta el lugar donde se produce, sino que también causa problemas de salud y económicos en comunidades remotas, ya que transporta partículas por el viento a zonas alejadas de su origen.
El control de la erosión eólica sigue siendo un problema global. Diversos métodos de estabilización del suelo se utilizan para controlar la erosión eólica. Estos métodos incluyen materiales como la aplicación de agua7, acolchados de aceite8, biopolímeros5, precipitación de carbonato inducida por microbios (MICP)9,10,11,12 y precipitación de carbonato inducida por enzimas (EICP)1. La humectación del suelo es un método estándar para la supresión de polvo en el campo. Sin embargo, su rápida evaporación hace que este método sea de eficacia limitada en regiones áridas y semiáridas1. La aplicación de compuestos de acolchado de aceite aumenta la cohesión de la arena y la fricción entre partículas. Su propiedad cohesiva une los granos de arena; sin embargo, los acolchados de aceite también plantean otros problemas; su color oscuro aumenta la absorción de calor y provoca la muerte de plantas y microorganismos. Su olor y vapores pueden causar problemas respiratorios y, más notablemente, su alto costo es otro obstáculo. Los biopolímeros son uno de los métodos ecológicos propuestos recientemente para mitigar la erosión eólica; se extraen de fuentes naturales como plantas, animales y bacterias. La goma xantana, la goma guar, el quitosano y la goma gellan son los biopolímeros más utilizados en aplicaciones de ingeniería5. Sin embargo, los biopolímeros solubles en agua pueden perder resistencia y filtrarse del suelo al exponerse al agua13,14. El EICP ha demostrado ser un método eficaz de supresión de polvo en diversas aplicaciones, como caminos sin pavimentar, estanques de relaves y obras de construcción. Si bien sus resultados son alentadores, deben considerarse algunas posibles desventajas, como el costo y la falta de sitios de nucleación (que acelera la formación y precipitación de cristales de CaCO315,16).
El MICP fue descrito por primera vez a finales del siglo XIX por Murray e Irwin (1890) y Steinmann (1901) en su estudio sobre la degradación de la urea por microorganismos marinos. El MICP es un proceso biológico natural que implica diversas actividades microbianas y procesos químicos en los que el carbonato de calcio se precipita mediante la reacción de los iones carbonato de los metabolitos microbianos con los iones calcio del medio ambiente. El MICP, que participa en el ciclo del nitrógeno que degrada la urea (MICP que degrada la urea), es el tipo más común de precipitación de carbonato inducida por microbios, en el que la ureasa producida por bacterias cataliza la hidrólisis de la urea.
En el MICP, que implica el ciclo del carbono de la oxidación de sales orgánicas (MICP sin degradación de urea), las bacterias heterótrofas utilizan sales orgánicas como acetato, lactato, citrato, succinato, oxalato, malato y glioxilato como fuentes de energía para producir minerales carbonatados28. En presencia de lactato de calcio como fuente de carbono e iones de calcio, la reacción química de formación de carbonato de calcio se muestra en la ecuación (5).
En el proceso MICP, las células bacterianas proporcionan sitios de nucleación que son particularmente importantes para la precipitación de carbonato de calcio. La superficie celular bacteriana tiene carga negativa y puede actuar como adsorbente de cationes divalentes, como los iones de calcio. Al adsorber iones de calcio sobre las células bacterianas, cuando la concentración de iones de carbonato es suficiente, los cationes y aniones de calcio reaccionan y el carbonato de calcio se precipita sobre la superficie bacteriana. El proceso se puede resumir de la siguiente manera:
Los cristales de carbonato de calcio biogenerados se pueden dividir en tres tipos: calcita, vaterita y aragonito. Entre ellos, la calcita y la vaterita son los alomorfos de carbonato de calcio inducidos por bacterias más comunes33,34. La calcita es el alomorfo de carbonato de calcio más estable termodinámicamente35. Aunque se ha descrito que la vaterita es metaestable, eventualmente se transforma en calcita36,37. La vaterita es el más denso de estos cristales. Es un cristal hexagonal que presenta una mejor capacidad de llenado de poros que otros cristales de carbonato de calcio debido a su mayor tamaño38. Tanto el MICP degradado por urea como el no degradado por urea pueden provocar la precipitación de vaterita13,39,40,41.
Aunque el MICP ha demostrado un potencial prometedor para estabilizar suelos problemáticos y susceptibles a la erosión eólica42,43,44,45,46,47,48, uno de los subproductos de la hidrólisis de la urea es el amoníaco, que puede causar problemas de salud de leves a graves, según el nivel de exposición49. Este efecto secundario hace que el uso de esta tecnología en particular sea controvertido, especialmente cuando se requieren tratar grandes áreas, como para la supresión de polvo. Además, el olor a amoníaco es intolerable cuando el proceso se realiza con altas tasas de aplicación y grandes volúmenes, lo que puede afectar su aplicabilidad práctica. Si bien estudios recientes han demostrado que los iones de amonio se pueden reducir convirtiéndolos en otros productos como la estruvita, estos métodos no eliminan completamente los iones de amonio50. Por lo tanto, aún es necesario explorar soluciones alternativas que no generen iones de amonio. El uso de vías de degradación distintas de la urea para el MICP puede proporcionar una solución potencial que se ha explorado poco en el contexto de la mitigación de la erosión eólica. Fattahi et al. Investigaron la degradación de MICP sin urea utilizando acetato de calcio y Bacillus megaterium41, mientras que Mohebbi et al. utilizaron acetato de calcio y Bacillus amyloliquefaciens9. Sin embargo, su estudio no se comparó con otras fuentes de calcio y bacterias heterotróficas que podrían mejorar la resistencia a la erosión eólica. Además, no existe literatura que compare las vías de degradación sin urea con las vías de degradación con urea para la mitigación de la erosión eólica.
Además, la mayoría de los estudios sobre erosión eólica y control de polvo se han realizado en muestras de suelo con superficies planas.1,51,52,53 Sin embargo, las superficies planas son menos comunes en la naturaleza que las colinas y las depresiones. Por ello, las dunas de arena son el elemento paisajístico más común en las regiones desérticas.
Para superar las deficiencias mencionadas anteriormente, este estudio tuvo como objetivo introducir un nuevo conjunto de agentes bacterianos no productores de amoníaco. Para este propósito, consideramos las vías MICP no degradantes de urea. Se investigó la eficiencia de dos fuentes de calcio (formiato de calcio y acetato de calcio). Hasta donde saben los autores, la precipitación de carbonato utilizando dos combinaciones de fuentes de calcio y bacterias (es decir, formiato de calcio-Bacillus subtilis y formiato de calcio-Bacillus amyloliquefaciens) no se ha investigado en estudios previos. La elección de estas bacterias se basó en las enzimas que producen que catalizan la oxidación del formiato de calcio y el acetato de calcio para formar la precipitación microbiana de carbonato. Diseñamos un estudio experimental exhaustivo para encontrar los factores óptimos como el pH, los tipos de bacterias y fuentes de calcio y sus concentraciones, la proporción de bacterias a solución de fuente de calcio y el tiempo de curado. Finalmente, se investigó la eficacia de este conjunto de agentes bacterianos para suprimir la erosión eólica a través de la precipitación de carbonato de calcio mediante la realización de una serie de pruebas en túneles de viento sobre dunas de arena para determinar la magnitud de la erosión eólica, la velocidad umbral de ruptura y la resistencia de la arena al bombardeo del viento, y también se realizaron mediciones con penetrómetro y estudios microestructurales (por ejemplo, análisis de difracción de rayos X (XRD) y microscopía electrónica de barrido (SEM)).
La producción de carbonato de calcio requiere iones de calcio e iones de carbonato. Los iones de calcio se pueden obtener de diversas fuentes de calcio, como el cloruro de calcio, el hidróxido de calcio y la leche desnatada en polvo54,55. Los iones de carbonato se pueden producir mediante diversos métodos microbianos, como la hidrólisis de urea y la oxidación aeróbica o anaeróbica de materia orgánica56. En este estudio, se obtuvieron iones de carbonato a partir de la reacción de oxidación de formiato y acetato. Además, utilizamos sales de calcio de formiato y acetato para producir carbonato de calcio puro, por lo que solo se obtuvieron CO₂ y H₂O como subproductos. En este proceso, solo una sustancia sirve como fuente de calcio y fuente de carbonato, y no se produce amoníaco. Estas características hacen que el método de producción de fuente de calcio y carbonato que consideramos sea muy prometedor.
Las reacciones correspondientes del formiato de calcio y el acetato de calcio para formar carbonato de calcio se muestran en las fórmulas (7)-(14). Las fórmulas (7)-(11) muestran que el formiato de calcio se disuelve en agua para formar ácido fórmico o formiato. Por lo tanto, la solución es una fuente de iones calcio e hidróxido libres (fórmulas 8 y 9). Como resultado de la oxidación del ácido fórmico, los átomos de carbono del ácido fórmico se convierten en dióxido de carbono (fórmula 10). Finalmente, se forma carbonato de calcio (fórmulas 11 y 12).
De manera similar, el carbonato de calcio se forma a partir de acetato de calcio (ecuaciones 13-15), excepto que se forma ácido acético o acetato en lugar de ácido fórmico.
Sin la presencia de enzimas, el acetato y el formato no pueden oxidarse a temperatura ambiente. La FDH (formiato deshidrogenasa) y la CoA (coenzima A) catalizan la oxidación del formato y el acetato para formar dióxido de carbono, respectivamente (Ecs. 16, 17) 57, 58, 59. Varias bacterias son capaces de producir estas enzimas, y las bacterias heterotróficas, a saber, Bacillus subtilis (PTCC #1204 (Colección Persa de Cultivos Tipo), también conocida como NCIMB #13061 (Colección Internacional de Bacterias, Levaduras, Fagos, Plásmidos, Semillas de Plantas y Cultivos de Tejidos Celulares de Plantas)) y Bacillus amyloliquefaciens (PTCC #1732, NCIMB #12077), se utilizaron en este estudio. Estas bacterias se cultivaron en un medio que contenía peptona de carne (5 g/L) y extracto de carne (3 g/L), llamado caldo nutritivo (NBR) (105443 Merck).
Así, se prepararon cuatro formulaciones para inducir la precipitación de carbonato de calcio utilizando dos fuentes de calcio y dos bacterias: formiato de calcio y Bacillus subtilis (FS), formiato de calcio y Bacillus amyloliquefaciens (FA), acetato de calcio y Bacillus subtilis (AS), y acetato de calcio y Bacillus amyloliquefaciens (AA).
En la primera parte del diseño experimental, se realizaron pruebas para determinar la combinación óptima que permitiera alcanzar la máxima producción de carbonato de calcio. Dado que las muestras de suelo contenían carbonato de calcio, se diseñó un conjunto de pruebas de evaluación preliminares para medir con precisión el CaCO₃ producido por las diferentes combinaciones, y se evaluaron mezclas de medio de cultivo y soluciones de fuente de calcio. Para cada combinación de fuente de calcio y solución bacteriana definida anteriormente (FS, FA, AS y AA), se derivaron factores de optimización (concentración de la fuente de calcio, tiempo de curado, concentración de la solución bacteriana medida por la densidad óptica de la solución [DO], relación fuente de calcio/solución bacteriana y pH) y se utilizaron en las pruebas de túnel de viento para el tratamiento de dunas de arena que se describen en las siguientes secciones.
Para cada combinación, se realizaron 150 experimentos para estudiar el efecto de la precipitación de CaCO₃ y evaluar diversos factores, como la concentración de la fuente de calcio, el tiempo de curado, el valor de DO bacteriana, la relación entre la fuente de calcio y la solución bacteriana y el pH durante la oxidación aeróbica de la materia orgánica (Tabla 1). El rango de pH para el proceso optimizado se seleccionó con base en las curvas de crecimiento de Bacillus subtilis y Bacillus amyloliquefaciens para obtener un crecimiento más rápido. Esto se explica con más detalle en la sección de Resultados.
Los siguientes pasos se utilizaron para preparar las muestras para la fase de optimización. La solución MICP se preparó primero ajustando el pH inicial del medio de cultivo y luego se esterilizó en autoclave a 121 °C durante 15 min. La cepa se inoculó en un flujo de aire laminar y se mantuvo en una incubadora con agitación a 30 °C y 180 rpm. Una vez que la DO de las bacterias alcanzó el nivel deseado, se mezcló con la solución de fuente de calcio en la proporción deseada (Figura 1a). La solución MICP se dejó reaccionar y solidificar en una incubadora con agitación a 220 rpm y 30 °C durante un tiempo que alcanzó el valor objetivo. El CaCO3 precipitado se separó después de la centrifugación a 6000 g durante 5 min y luego se secó a 40 °C para preparar las muestras para la prueba del calcímetro (Figura 1b). La precipitación de CaCO3 se midió con un calcímetro Bernard. El polvo de CaCO3 reacciona con HCl 1,0 N (ASTM-D4373-02) para producir CO2, y el volumen de este gas es una medida del contenido de CaCO3 (Figura 1c). Para convertir el volumen de CO2 en contenido de CaCO3, se generó una curva de calibración lavando el polvo de CaCO3 puro con HCl 1 N y representándola gráficamente frente al CO2 desprendido. La morfología y la pureza del polvo de CaCO3 precipitado se investigaron mediante imágenes de SEM y análisis de XRD. Se utilizó un microscopio óptico con un aumento de 1000 para estudiar la formación de carbonato de calcio alrededor de las bacterias, la fase del carbonato de calcio formado y la actividad de las bacterias.
La cuenca de Dejegh es una región altamente erosionada, bien conocida, en la provincia suroccidental de Fars, Irán. Los investigadores recolectaron muestras de suelo erosionado por el viento en la zona. Las muestras se tomaron de la superficie del suelo para el estudio. Las pruebas indicadoras realizadas en las muestras de suelo mostraron que se trataba de un suelo arenoso con limo, mal clasificado, clasificado como SP-SM según el Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (USC) (Figura 2a). El análisis de XRD mostró que el suelo de Dejegh estaba compuesto principalmente de calcita y cuarzo (Figura 2b). Además, el análisis EDX mostró la presencia de otros elementos como Al, K y Fe, en proporciones menores.
Para preparar las dunas de laboratorio para las pruebas de erosión eólica, se trituró el suelo desde una altura de 170 mm a través de un embudo de 10 mm de diámetro hasta obtener una superficie firme, lo que dio como resultado una duna típica de 60 mm de altura y 210 mm de diámetro. En la naturaleza, las dunas de arena de menor densidad se forman mediante procesos eólicos. De igual manera, la muestra preparada mediante el procedimiento anterior presentó la menor densidad relativa, γ = 14,14 kN/m³, formando un cono de arena depositado sobre una superficie horizontal con un ángulo de reposo de aproximadamente 29,7°.
La solución óptima de MICP obtenida en la sección anterior se pulverizó sobre la ladera de la duna a tasas de aplicación de 1, 2 y 3 lm-2 y luego las muestras se almacenaron en una incubadora a 30 °C (Fig. 3) durante 9 días (es decir, el tiempo de curado óptimo) y luego se sacaron para realizar pruebas en el túnel de viento.
Para cada tratamiento, se prepararon cuatro especímenes, uno para medir el contenido de carbonato de calcio y la resistencia superficial usando un penetrómetro, y los tres especímenes restantes se usaron para pruebas de erosión a tres velocidades diferentes. En las pruebas de túnel de viento, la cantidad de erosión se determinó a diferentes velocidades del viento, y luego se determinó la velocidad de ruptura umbral para cada espécimen de tratamiento usando un gráfico de la cantidad de erosión versus la velocidad del viento. Además de las pruebas de erosión eólica, los especímenes tratados se sometieron a bombardeo de arena (es decir, experimentos de salto). Se prepararon dos especímenes adicionales para este propósito con tasas de aplicación de 2 y 3 L m−2. La prueba de bombardeo de arena duró 15 min con un flujo de 120 gm−1, que está dentro del rango de valores seleccionados en estudios previos60,61,62. La distancia horizontal entre la boquilla abrasiva y la base de la duna fue de 800 mm, ubicada 100 mm por encima del fondo del túnel. Esta posición se estableció de manera que casi todas las partículas de arena saltarinas cayeran sobre la duna.
La prueba en túnel de viento se realizó en un túnel de viento abierto de 8 m de largo, 0,4 m de ancho y 1 m de alto (Figura 4a). El túnel de viento está fabricado con láminas de acero galvanizado y puede generar una velocidad del viento de hasta 25 m/s. Además, se utiliza un convertidor de frecuencia para ajustar la frecuencia del ventilador y aumentarla gradualmente hasta obtener la velocidad del viento objetivo. La Figura 4b muestra el diagrama esquemático de las dunas erosionadas por el viento y el perfil de velocidad del viento medido en el túnel de viento.
Finalmente, para comparar los resultados de la formulación no urealítica de MICP propuesta en este estudio con los resultados de la prueba de control urealítica de MICP, también se prepararon muestras de dunas y se trataron con una solución biológica que contenía urea, cloruro de calcio y Sporosarcina pasteurii (ya que Sporosarcina pasteurii tiene una capacidad significativa para producir ureasa63). La densidad óptica de la solución bacteriana fue de 1,5 y las concentraciones de urea y cloruro de calcio fueron de 1 M (seleccionadas con base en los valores recomendados en estudios previos36,64,65). El medio de cultivo consistió en caldo nutritivo (8 g/L) y urea (20 g/L). La solución bacteriana se pulverizó sobre la superficie de la duna y se dejó durante 24 horas para la fijación bacteriana. Después de 24 horas de fijación, se pulverizó una solución cementante (cloruro de calcio y urea). La prueba de control urealítica de MICP se denominará en adelante UMC. El contenido de carbonato de calcio de muestras de suelo tratadas urealíticamente y no urealíticamente se obtuvo mediante lavado de acuerdo con el procedimiento propuesto por Choi et al.66
La Figura 5 muestra las curvas de crecimiento de Bacillus amyloliquefaciens y Bacillus subtilis en el medio de cultivo (solución nutritiva) con un rango de pH inicial de 5 a 10. Como se muestra en la figura, Bacillus amyloliquefaciens y Bacillus subtilis crecieron más rápido a pH 6-8 y 7-9, respectivamente. Por lo tanto, este rango de pH se adoptó en la etapa de optimización.
Curvas de crecimiento de (a) Bacillus amyloliquefaciens y (b) Bacillus subtilis a diferentes valores iniciales de pH del medio nutritivo.
La Figura 6 muestra la cantidad de dióxido de carbono producido en el medidor de cal Bernard, que representa el carbonato de calcio precipitado (CaCO3). Dado que un factor se mantuvo fijo en cada combinación y los demás se modificaron, cada punto en estos gráficos corresponde al volumen máximo de dióxido de carbono en ese conjunto de experimentos. Como se muestra en la figura, a medida que aumentaba la concentración de la fuente de calcio, aumentaba la producción de carbonato de calcio. Por lo tanto, la concentración de la fuente de calcio afecta directamente la producción de carbonato de calcio. Dado que la fuente de calcio y la fuente de carbono son la misma (es decir, formiato de calcio y acetato de calcio), cuantos más iones de calcio se liberan, más carbonato de calcio se forma (Figura 6a). En las formulaciones AS y AA, la producción de carbonato de calcio continuó aumentando con el tiempo de curado hasta que la cantidad de precipitado se mantuvo prácticamente sin cambios después de 9 días. En la formulación FA, la tasa de formación de carbonato de calcio disminuyó cuando el tiempo de curado superó los 6 días. En comparación con otras formulaciones, la formulación FS mostró una tasa de formación de carbonato de calcio relativamente baja después de 3 días (Figura 6b). En las formulaciones FA y FS, el 70 % y el 87 % de la producción total de carbonato de calcio se obtuvo después de tres días, mientras que en las formulaciones AA y AS, esta proporción fue de tan solo el 46 % y el 45 %, respectivamente. Esto indica que la formulación a base de ácido fórmico presenta una mayor tasa de formación de CaCO₃ en la etapa inicial en comparación con la formulación a base de acetato. Sin embargo, la tasa de formación disminuye con el aumento del tiempo de curado. De la Figura 6c se puede concluir que, incluso con concentraciones bacterianas superiores a la DO₂, no hay una contribución significativa a la formación de carbonato de calcio.
Cambio en el volumen de CO2 (y el contenido de CaCO3 correspondiente) medido por el calcímetro Bernard en función de (a) la concentración de la fuente de calcio, (b) el tiempo de fraguado, (c) la DO, (d) el pH inicial, (e) la relación entre la fuente de calcio y la solución bacteriana (para cada formulación); y (f) la cantidad máxima de carbonato de calcio producido para cada combinación de fuente de calcio y bacterias.
Con respecto al efecto del pH inicial del medio, la Figura 6d muestra que para FA y FS, la producción de CaCO3 alcanzó un valor máximo a pH 7. Esta observación es consistente con estudios previos que indican que las enzimas FDH son más estables a pH 7-6.7. Sin embargo, para AA y AS, la precipitación de CaCO3 aumentó cuando el pH excedió 7. Estudios previos también mostraron que el rango de pH óptimo para la actividad enzimática de CoA es de 8 a 9.2-6.8. Considerando que los rangos de pH óptimos para la actividad enzimática de CoA y el crecimiento de B. amyloliquefaciens son (8-9.2) y (6-8), respectivamente (Figura 5a), se espera que el pH óptimo de la formulación de AA sea 8, y los dos rangos de pH se superponen. Este hecho fue confirmado por experimentos, como se muestra en la Figura 6d. Dado que el pH óptimo para el crecimiento de B. subtilis es de 7-9 (Figura 5b) y el pH óptimo para la actividad enzimática de CoA es de 8-9,2, se espera que el rendimiento máximo de precipitación de CaCO3 esté en el rango de pH de 8-9, lo cual se confirma en la Figura 6d (es decir, el pH óptimo de precipitación es 9). Los resultados que se muestran en la Figura 6e indican que la relación óptima entre la solución de fuente de calcio y la solución bacteriana es 1 para las soluciones de acetato y formiato. A modo de comparación, se evaluó el rendimiento de diferentes formulaciones (es decir, AA, AS, FA y FS) en función de la producción máxima de CaCO3 en diferentes condiciones (es decir, concentración de la fuente de calcio, tiempo de curado, DO, relación entre la fuente de calcio y la solución bacteriana y pH inicial). Entre las formulaciones estudiadas, la formulación FS tuvo la mayor producción de CaCO3, que fue aproximadamente tres veces mayor que la formulación AA (Figura 6f). Se realizaron cuatro experimentos de control sin bacterias para ambas fuentes de calcio y no se observó precipitación de CaCO3 después de 30 días.
Las imágenes de microscopía óptica de todas las formulaciones mostraron que la vaterita fue la fase principal en la que se formó el carbonato de calcio (Figura 7). Los cristales de vaterita tenían forma esférica69,70,71. Se encontró que el carbonato de calcio precipitó sobre las células bacterianas porque la superficie de las células bacterianas estaba cargada negativamente y podía actuar como un adsorbente para cationes divalentes. Tomando la formulación FS como ejemplo en este estudio, después de 24 horas, el carbonato de calcio comenzó a formarse en algunas células bacterianas (Figura 7a), y después de 48 horas, el número de células bacterianas recubiertas con carbonato de calcio aumentó significativamente. Además, como se muestra en la Figura 7b, también se pudieron detectar partículas de vaterita. Finalmente, después de 72 horas, un gran número de bacterias parecía estar unido a los cristales de vaterita, y el número de partículas de vaterita aumentó significativamente (Figura 7c).
Observaciones de microscopía óptica de la precipitación de CaCO3 en composiciones de FS a lo largo del tiempo: (a) 24, (b) 48 y (c) 72 h.
Para investigar más a fondo la morfología de la fase precipitada, se realizaron análisis de difracción de rayos X (DRX) y microscopía electrónica de barrido (MEB) de los polvos. Los espectros de DRX (Fig. 8a) y las micrografías de MEB (Fig. 8b, c) confirmaron la presencia de cristales de vaterita, ya que presentaban una forma similar a la de una lechuga y se observó una correspondencia entre los picos de vaterita y los del precipitado.
(a) Comparación de los espectros de difracción de rayos X del CaCO3 y la vaterita formados. Micrografías SEM de vaterita a (b) 1 kHz y (c) 5,27 kHz de aumento, respectivamente.
Los resultados de las pruebas en túnel de viento se muestran en las Figuras 9a y b. En la Figura 9a se puede observar que la velocidad umbral de erosión (VUD) de la arena sin tratar es de aproximadamente 4,32 m/s. Con una tasa de aplicación de 1 l/m² (Figura 9a), las pendientes de las líneas de tasa de pérdida de suelo para las fracciones FA, FS, AA y UMC son aproximadamente las mismas que para la duna sin tratar. Esto indica que el tratamiento con esta tasa de aplicación es ineficaz y, en cuanto la velocidad del viento supera la VUD, la fina costra de suelo desaparece y la tasa de erosión de la duna es la misma que para la duna sin tratar. La pendiente de erosión de la fracción AS también es menor que la de las otras fracciones con abscisas más bajas (es decir, VUD) (Figura 9a). Las flechas en la Figura 9b indican que, con una velocidad máxima del viento de 25 m/s, no se produjo erosión en las dunas tratadas con las tasas de aplicación de 2 y 3 l/m². En otras palabras, para FS, FA, AS y UMC, las dunas fueron más resistentes a la erosión eólica causada por la deposición de CaCO³ con las tasas de aplicación de 2 y 3 l/m² que con la velocidad máxima del viento (es decir, 25 m/s). Por lo tanto, el valor de TDV de 25 m/s obtenido en estas pruebas es el límite inferior para las tasas de aplicación que se muestran en la Figura 9b, excepto en el caso de AA, donde el TDV es casi igual a la velocidad máxima del túnel de viento.
Ensayo de erosión eólica (a) Pérdida de peso en función de la velocidad del viento (tasa de aplicación 1 l/m2), (b) Velocidad de arranque umbral en función de la tasa de aplicación y la formulación (CA para acetato de calcio, CF para formiato de calcio).
La Figura 10 muestra la erosión superficial de las dunas de arena tratadas con diferentes formulaciones y tasas de aplicación después de la prueba de bombardeo de arena y los resultados cuantitativos se muestran en la Figura 11. El caso sin tratar no se muestra porque no mostró resistencia y se erosionó completamente (pérdida total de masa) durante la prueba de bombardeo de arena. Es claro en la Figura 11 que la muestra tratada con la biocomposición AA perdió el 83,5% de su peso a la tasa de aplicación de 2 l/m2 mientras que todas las demás muestras mostraron menos del 30% de erosión durante el proceso de bombardeo de arena. Cuando la tasa de aplicación se incrementó a 3 l/m2, todas las muestras tratadas perdieron menos del 25% de su peso. En ambas tasas de aplicación, el compuesto FS mostró la mejor resistencia al bombardeo de arena. La resistencia máxima y mínima al bombardeo en las muestras tratadas con FS y AA se puede atribuir a su precipitación máxima y mínima de CaCO3 (Figura 6f).
Resultados del bombardeo de dunas de arena de diferente composición con caudales de 2 y 3 l/m2 (las flechas indican la dirección del viento, las cruces indican la dirección del viento perpendicular al plano del dibujo).
Como se muestra en la Figura 12, el contenido de carbonato de calcio de todas las fórmulas aumentó al aumentar la tasa de aplicación de 1 L/m² a 3 L/m². Además, en todas las tasas de aplicación, la fórmula con mayor contenido de carbonato de calcio fue FS, seguida de FA y UMC. Esto sugiere que estas fórmulas podrían presentar una mayor resistencia superficial.
La Figura 13a muestra el cambio en la resistencia superficial de muestras de suelo sin tratar, control y tratadas, medido mediante la prueba del permeámetro. A partir de esta figura, es evidente que la resistencia superficial de las formulaciones UMC, AS, FA y FS aumentó significativamente con el aumento de la tasa de aplicación. Sin embargo, el aumento en la resistencia superficial fue relativamente pequeño en la formulación AA. Como se muestra en la figura, las formulaciones FA y FS de MICP no degradado con urea tienen mejor permeabilidad superficial en comparación con MICP degradado con urea. La Figura 13b muestra el cambio en TDV con la resistencia superficial del suelo. A partir de esta figura, es claramente evidente que para dunas con una resistencia superficial mayor a 100 kPa, la velocidad umbral de desprendimiento superará los 25 m/s. Dado que la resistencia superficial in situ se puede medir fácilmente mediante el permeámetro, este conocimiento puede ayudar a estimar la TDV en ausencia de pruebas en túnel de viento, sirviendo así como un indicador de control de calidad para aplicaciones de campo.
Los resultados del SEM se muestran en la Figura 14. Las Figuras 14a-b muestran las partículas agrandadas de la muestra de suelo sin tratar, lo que indica claramente que es cohesiva y no tiene unión ni cementación natural. La Figura 14c muestra la micrografía SEM de la muestra de control tratada con MICP degradado con urea. Esta imagen muestra la presencia de precipitados de CaCO3 como polimorfos de calcita. Como se muestra en las Figuras 14d-o, el CaCO3 precipitado une las partículas; también se pueden identificar cristales esféricos de vaterita en las micrografías SEM. Los resultados de este estudio y estudios previos indican que los enlaces de CaCO3 formados como polimorfos de vaterita también pueden proporcionar una resistencia mecánica razonable; nuestros resultados muestran que la resistencia superficial aumenta a 350 kPa y la velocidad de separación umbral aumenta de 4,32 a más de 25 m/s. Este resultado es consistente con los resultados de estudios previos de que la matriz de CaCO3 precipitado con MICP es vaterita, que tiene una resistencia mecánica y una resistencia a la erosión eólica razonables13,40 y puede mantener una resistencia a la erosión eólica razonable incluso después de 180 días de exposición a las condiciones ambientales del campo13.
(a, b) Micrografías SEM de suelo sin tratar, (c) control de degradación de urea MICP, (df) muestras tratadas con AA, (gi) muestras tratadas con AS, (jl) muestras tratadas con FA y (mo) muestras tratadas con FS a una tasa de aplicación de 3 L/m2 con diferentes aumentos.
La Figura 14d-f muestra que, tras el tratamiento con compuestos AA, se precipitó carbonato de calcio en la superficie y entre los granos de arena, aunque también se observaron algunos granos de arena sin recubrimiento. En el caso de los componentes AS, aunque la cantidad de CaCO₃ formada no aumentó significativamente (Fig. 6f), la cantidad de contactos entre granos de arena causados ​​por CaCO₃ aumentó significativamente en comparación con los compuestos AA (Fig. 14g-i).
De las Figuras 14j-l y 14m-o se desprende claramente que el uso de formiato de calcio como fuente de calcio produce un aumento adicional en la precipitación de CaCO₃ en comparación con el compuesto AS, lo cual concuerda con las mediciones del medidor de calcio de la Figura 6f. Este CaCO₃ adicional parece depositarse principalmente sobre las partículas de arena y no mejora necesariamente la calidad del contacto. Esto confirma el comportamiento observado previamente: a pesar de las diferencias en la cantidad de precipitación de CaCO₃ (Figura 6f), las tres formulaciones (AS, FA y FS) no difieren significativamente en cuanto a rendimiento antieólico (viento) (Figura 11) ni en resistencia superficial (Figura 13a).
Para visualizar mejor las células bacterianas recubiertas de CaCO3 y la huella bacteriana en los cristales precipitados, se tomaron micrografías SEM de alto aumento y los resultados se muestran en la Figura 15. Como se muestra, el carbonato de calcio precipita en las células bacterianas y proporciona los núcleos necesarios para la precipitación allí. La figura también representa los enlaces activos e inactivos inducidos por CaCO3. Se puede concluir que cualquier aumento en los enlaces inactivos no conduce necesariamente a una mejora adicional en el comportamiento mecánico. Por lo tanto, aumentar la precipitación de CaCO3 no conduce necesariamente a una mayor resistencia mecánica y el patrón de precipitación juega un papel importante. Este punto también se ha estudiado en los trabajos de Terzis y Laloui72 y Soghi y Al-Kabani45,73. Para explorar más a fondo la relación entre el patrón de precipitación y la resistencia mecánica, se recomiendan estudios de MICP utilizando imágenes µCT, lo cual está más allá del alcance de este estudio (es decir, introducir diferentes combinaciones de fuente de calcio y bacterias para MICP libre de amoníaco).
El CaCO3 indujo enlaces activos e inactivos en muestras tratadas con (a) composición AS y (b) composición FS y dejó una huella de células bacterianas en el sedimento.
Como se muestra en las Figuras 14j-o y 15b, existe una película de CaCO3 (según el análisis EDX, la composición porcentual de cada elemento en la película es de carbono 11%, oxígeno 46,62% y calcio 42,39%, muy similar al porcentaje de CaCO3 de la Figura 16). Esta película recubre los cristales de vaterita y las partículas de suelo, lo que contribuye a mantener la integridad del sistema suelo-sedimento. La presencia de esta película solo se observó en las muestras tratadas con la formulación a base de formiato.
La Tabla 2 compara la resistencia superficial, la velocidad umbral de desprendimiento y el contenido de CaCO₃ bioinducido de suelos tratados con vías de MICP degradantes y no degradantes de urea en estudios previos y en este estudio. Los estudios sobre la resistencia a la erosión eólica de muestras de dunas tratadas con MICP son limitados. Meng et al. investigaron la resistencia a la erosión eólica de muestras de dunas degradantes de urea tratadas con MICP utilizando un soplador de hojas,13 mientras que en este estudio, las muestras de dunas no degradantes de urea (así como los controles degradadores de urea) se analizaron en un túnel de viento y se trataron con cuatro combinaciones diferentes de bacterias y sustancias.
Como se puede observar, algunos estudios previos han considerado tasas de aplicación altas que superan los 4 L/m213,41,74. Vale la pena señalar que las tasas de aplicación altas pueden no ser fácilmente aplicables en el campo desde un punto de vista económico debido a los costos asociados con el suministro de agua, el transporte y la aplicación de grandes volúmenes de agua. Las tasas de aplicación más bajas, como 1,62-2 L/m2, también lograron resistencias superficiales bastante buenas de hasta 190 kPa y TDV superiores a 25 m/s. En el presente estudio, las dunas tratadas con MICP a base de formiato sin degradación de urea lograron resistencias superficiales altas que fueron comparables a las obtenidas con la vía de degradación de urea en el mismo rango de tasas de aplicación (es decir, las muestras tratadas con MICP a base de formiato sin degradación de urea también pudieron lograr el mismo rango de valores de resistencia superficial que informaron Meng et al., 13, Figura 13a) a tasas de aplicación más altas. También se puede observar que a una tasa de aplicación de 2 L/m2, el rendimiento de carbonato de calcio para la mitigación de la erosión eólica a una velocidad del viento de 25 m/s fue de 2,25% para el MICP basado en formato sin degradación de urea, lo que está muy cerca de la cantidad requerida de CaCO3 (es decir, 2,41%) en comparación con las dunas tratadas con el MICP de control con degradación de urea a la misma tasa de aplicación y la misma velocidad del viento (25 m/s).
Por lo tanto, se puede concluir de esta tabla que tanto la vía de degradación de urea como la vía de degradación sin urea pueden proporcionar un rendimiento bastante aceptable en términos de resistencia superficial y TDV. La principal diferencia es que la vía de degradación sin urea no contiene amoníaco y, por lo tanto, tiene un menor impacto ambiental. Además, el método MICP basado en formato sin degradación de urea propuesto en este estudio parece tener un mejor rendimiento que el método MICP basado en acetato sin degradación de urea. Aunque Mohebbi et al. estudiaron el método MICP basado en acetato sin degradación de urea, su estudio incluyó muestras en superficies planas9. Debido al mayor grado de erosión causado por la formación de remolinos alrededor de las muestras de dunas y la cizalladura resultante, que resulta en un TDV más bajo, se espera que la erosión eólica de las muestras de dunas sea más obvia que la de las superficies planas a la misma velocidad.