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धूल भरी आंधियां दुनिया भर के कई देशों के लिए गंभीर खतरा पैदा करती हैं, क्योंकि इनका कृषि, मानव स्वास्थ्य, परिवहन नेटवर्क और बुनियादी ढांचे पर विनाशकारी प्रभाव पड़ता है। परिणामस्वरूप, पवन अपरदन को एक वैश्विक समस्या माना जाता है। पवन अपरदन को रोकने के लिए पर्यावरण के अनुकूल उपायों में से एक सूक्ष्मजीव-प्रेरित कार्बोनेट अवक्षेपण (MICP) का उपयोग है। हालांकि, यूरिया-अपघटन-आधारित MICP के उप-उत्पाद, जैसे अमोनिया, बड़ी मात्रा में उत्पादित होने पर आदर्श नहीं होते हैं। यह अध्ययन यूरिया का उत्पादन किए बिना MICP के अपघटन के लिए कैल्शियम फॉर्मेट बैक्टीरिया के दो फॉर्मूलेशन प्रस्तुत करता है और अमोनिया-रहित कैल्शियम एसीटेट बैक्टीरिया के दो फॉर्मूलेशन के साथ उनके प्रदर्शन की व्यापक तुलना करता है। जिन बैक्टीरिया पर विचार किया गया है वे हैं बैसिलस सबटिलिस और बैसिलस एमाइलोलिक्वेफेशियंस। सबसे पहले, CaCO3 निर्माण को नियंत्रित करने वाले कारकों के अनुकूलित मान निर्धारित किए गए। इसके बाद, अनुकूलित फॉर्मूलेशन से उपचारित रेत के टीलों के नमूनों पर पवन सुरंग परीक्षण किए गए और पवन अपरदन प्रतिरोध, अपघटन सीमा वेग और रेत बमबारी प्रतिरोध को मापा गया। ऑप्टिकल माइक्रोस्कोपी, स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (एसईएम) और एक्स-रे विवर्तन विश्लेषण का उपयोग करके कैल्शियम कार्बोनेट (CaCO3) के विभिन्न रूपों का मूल्यांकन किया गया। कैल्शियम कार्बोनेट निर्माण के मामले में, कैल्शियम फॉर्मेट-आधारित फॉर्मूलेशन ने एसीटेट-आधारित फॉर्मूलेशन की तुलना में काफी बेहतर प्रदर्शन किया। इसके अलावा, बी. सबटिलिस ने बी. एमाइलोलिक्वेफेशियंस की तुलना में अधिक कैल्शियम कार्बोनेट का उत्पादन किया। एसईएम माइक्रोग्राफ ने अवसादन के कारण कैल्शियम कार्बोनेट पर सक्रिय और निष्क्रिय बैक्टीरिया के बंधन और छाप को स्पष्ट रूप से दिखाया। सभी फॉर्मूलेशन ने हवा के कटाव को काफी हद तक कम किया।
दक्षिण-पश्चिमी संयुक्त राज्य अमेरिका, पश्चिमी चीन, सहारा अफ्रीका और मध्य पूर्व के अधिकांश हिस्सों जैसे शुष्क और अर्ध-शुष्क क्षेत्रों में पवन अपरदन को लंबे समय से एक प्रमुख समस्या के रूप में पहचाना जाता रहा है।1 शुष्क और अति-शुष्क जलवायु में कम वर्षा के कारण इन क्षेत्रों के बड़े हिस्से रेगिस्तान, रेत के टीलों और बंजर भूमि में परिवर्तित हो गए हैं। निरंतर पवन अपरदन परिवहन नेटवर्क, कृषि भूमि और औद्योगिक भूमि जैसे बुनियादी ढांचे के लिए पर्यावरणीय खतरे पैदा करता है, जिससे इन क्षेत्रों में जीवन स्तर खराब होता है और शहरी विकास की लागत बढ़ जाती है।2,3,4 महत्वपूर्ण बात यह है कि पवन अपरदन न केवल उस स्थान को प्रभावित करता है जहां यह होता है, बल्कि दूरस्थ समुदायों में स्वास्थ्य और आर्थिक समस्याएं भी पैदा करता है क्योंकि यह हवा द्वारा कणों को स्रोत से दूर के क्षेत्रों में ले जाता है।5,6
हवा से होने वाले मिट्टी के कटाव पर नियंत्रण एक वैश्विक समस्या बनी हुई है। मिट्टी के स्थिरीकरण के लिए विभिन्न विधियों का उपयोग किया जाता है। इन विधियों में जल का प्रयोग7, तेल मल्च8, बायोपोलीमर्स5, सूक्ष्मजीव-प्रेरित कार्बोनेट अवक्षेपण (MICP)9,10,11,12 और एंजाइम-प्रेरित कार्बोनेट अवक्षेपण (EICP)1 जैसी सामग्री शामिल हैं। मिट्टी को गीला करना खेतों में धूल को दबाने की एक मानक विधि है। हालांकि, इसके तेजी से वाष्पीकरण के कारण यह विधि शुष्क और अर्ध-शुष्क क्षेत्रों में सीमित प्रभावी है1। तेल मल्चिंग यौगिकों के प्रयोग से रेत का सामंजस्य और कणों के बीच घर्षण बढ़ता है। इनका सामंजस्य गुण रेत के कणों को आपस में बांधता है; हालांकि, तेल मल्च अन्य समस्याएं भी पैदा करते हैं; इनका गहरा रंग ऊष्मा अवशोषण को बढ़ाता है और पौधों और सूक्ष्मजीवों की मृत्यु का कारण बनता है। इनकी गंध और धुएं से श्वसन संबंधी समस्याएं हो सकती हैं, और सबसे महत्वपूर्ण बात यह है कि इनकी उच्च लागत एक और बाधा है। बायोपोलीमर्स हवा से होने वाले मिट्टी के कटाव को कम करने के लिए हाल ही में प्रस्तावित पर्यावरण-अनुकूल विधियों में से एक हैं; इन्हें पौधों, जानवरों और बैक्टीरिया जैसे प्राकृतिक स्रोतों से निकाला जाता है। इंजीनियरिंग अनुप्रयोगों में ज़ैंथन गम, ग्वार गम, चिटोसन और गेलन गम सबसे अधिक उपयोग किए जाने वाले बायोपोलिमर हैं।5 हालांकि, पानी में घुलनशील बायोपोलिमर पानी के संपर्क में आने पर अपनी शक्ति खो सकते हैं और मिट्टी से रिसकर बाहर निकल सकते हैं।13,14 ईआईसीपी को कच्ची सड़कों, टेलिंग तालाबों और निर्माण स्थलों सहित विभिन्न अनुप्रयोगों के लिए धूल नियंत्रण की एक प्रभावी विधि के रूप में दिखाया गया है। हालांकि इसके परिणाम उत्साहजनक हैं, कुछ संभावित कमियों पर भी विचार किया जाना चाहिए, जैसे कि लागत और न्यूक्लिएशन साइट्स की कमी (जो CaCO3 क्रिस्टल के निर्माण और अवक्षेपण को तेज करती है)।15,16
एमआईसीपी का सर्वप्रथम वर्णन 19वीं शताब्दी के उत्तरार्ध में मरे और इरविन (1890) और स्टीनमैन (1901) ने समुद्री सूक्ष्मजीवों द्वारा यूरिया के अपघटन के अपने अध्ययन में किया था।17 एमआईसीपी एक प्राकृतिक रूप से घटित होने वाली जैविक प्रक्रिया है जिसमें विभिन्न प्रकार की सूक्ष्मजीवीय गतिविधियाँ और रासायनिक प्रक्रियाएँ शामिल होती हैं, जिसमें सूक्ष्मजीवीय चयापचयों से कार्बोनेट आयनों की पर्यावरण में कैल्शियम आयनों के साथ प्रतिक्रिया द्वारा कैल्शियम कार्बोनेट अवक्षेपित होता है।18,19 यूरिया-अपघटनकारी नाइट्रोजन चक्र (यूरिया-अपघटनकारी एमआईसीपी) से संबंधित एमआईसीपी सूक्ष्मजीव-प्रेरित कार्बोनेट अवक्षेपण का सबसे सामान्य प्रकार है, जिसमें जीवाणुओं द्वारा उत्पादित यूरिएस यूरिया के जल अपघटन को उत्प्रेरित करता है।20,21,22,23,24,25,26,27 इस प्रकार है:
कार्बनिक लवण ऑक्सीकरण के कार्बन चक्र (यूरिया अपघटन प्रकार के बिना एमआईसीपी) से जुड़े एमआईसीपी में, परपोषी जीवाणु एसिटेट, लैक्टेट, साइट्रेट, सक्सिनेट, ऑक्सालेट, मैलेट और ग्लाइऑक्साइलेट जैसे कार्बनिक लवणों को ऊर्जा स्रोतों के रूप में उपयोग करके कार्बोनेट खनिज28 का उत्पादन करते हैं। कार्बन स्रोत के रूप में कैल्शियम लैक्टेट और कैल्शियम आयनों की उपस्थिति में, कैल्शियम कार्बोनेट निर्माण की रासायनिक प्रतिक्रिया समीकरण (5) में दर्शाई गई है।
एमआईसीपी प्रक्रिया में, जीवाणु कोशिकाएं न्यूक्लिएशन स्थल प्रदान करती हैं जो कैल्शियम कार्बोनेट के अवक्षेपण के लिए विशेष रूप से महत्वपूर्ण हैं; जीवाणु कोशिका की सतह ऋणात्मक रूप से आवेशित होती है और कैल्शियम आयनों जैसे द्विसंयोजक धनायनों के लिए एक अधिशोषक के रूप में कार्य कर सकती है। जीवाणु कोशिकाओं पर कैल्शियम आयनों के अधिशोषण द्वारा, जब कार्बोनेट आयन सांद्रता पर्याप्त होती है, तो कैल्शियम धनायन और कार्बोनेट ऋणायन प्रतिक्रिया करते हैं और कैल्शियम कार्बोनेट जीवाणु सतह पर अवक्षेपित हो जाता है29,30। इस प्रक्रिया को संक्षेप में इस प्रकार बताया जा सकता है31,32:
जीवजनित कैल्शियम कार्बोनेट क्रिस्टलों को तीन प्रकारों में विभाजित किया जा सकता है: कैल्साइट, वैटेराइट और आर्गोनाइट। इनमें से, कैल्साइट और वैटेराइट सबसे आम जीवाणु-प्रेरित कैल्शियम कार्बोनेट एलोमॉर्फ हैं33,34। कैल्साइट सबसे थर्मोडायनामिक रूप से स्थिर कैल्शियम कार्बोनेट एलोमॉर्फ है35। हालांकि वैटेराइट को मेटास्टेबल बताया गया है, यह अंततः कैल्साइट में परिवर्तित हो जाता है36,37। वैटेराइट इन क्रिस्टलों में सबसे सघन है। यह एक षट्कोणीय क्रिस्टल है जिसमें अपने बड़े आकार के कारण अन्य कैल्शियम कार्बोनेट क्रिस्टलों की तुलना में बेहतर छिद्र भरने की क्षमता होती है38। यूरिया-अपघटित और यूरिया-अपघटित दोनों प्रकार के एमआईसीपी वैटेराइट के अवक्षेपण का कारण बन सकते हैं13,39,40,41।
हालांकि एमआईसीपी ने समस्याग्रस्त मिट्टी और हवा के कटाव के प्रति संवेदनशील मिट्टी को स्थिर करने में आशाजनक क्षमता दिखाई है42,43,44,45,46,47,48, यूरिया जल अपघटन के उप-उत्पादों में से एक अमोनिया है, जो जोखिम के स्तर के आधार पर हल्के से गंभीर स्वास्थ्य समस्याएं पैदा कर सकता है49। यह दुष्प्रभाव इस विशेष तकनीक के उपयोग को विवादास्पद बनाता है, खासकर जब बड़े क्षेत्रों का उपचार करना हो, जैसे कि धूल नियंत्रण के लिए। इसके अलावा, जब प्रक्रिया को उच्च अनुप्रयोग दरों और बड़ी मात्रा में किया जाता है तो अमोनिया की गंध असहनीय होती है, जो इसकी व्यावहारिक प्रयोज्यता को प्रभावित कर सकती है। हालांकि हाल के अध्ययनों से पता चला है कि अमोनियम आयनों को स्ट्रुवाइट जैसे अन्य उत्पादों में परिवर्तित करके कम किया जा सकता है, ये विधियां अमोनियम आयनों को पूरी तरह से नहीं हटाती हैं50। इसलिए, अभी भी ऐसे वैकल्पिक समाधानों की खोज की आवश्यकता है जो अमोनियम आयन उत्पन्न न करें। एमआईसीपी के लिए गैर-यूरिया अपघटन मार्गों का उपयोग एक संभावित समाधान प्रदान कर सकता है, जिसका हवा के कटाव को कम करने के संदर्भ में बहुत कम अध्ययन किया गया है। फत्ताही एट अल. ने कैल्शियम एसीटेट और बैसिलस मेगाटेरियम41 का उपयोग करके यूरिया-मुक्त एमआईसीपी निम्नीकरण का अध्ययन किया, जबकि मोहेब्बी एट अल. ने कैल्शियम एसीटेट और बैसिलस एमाइलोलिक्वेफेशियंस9 का उपयोग किया। हालांकि, उनके अध्ययन की तुलना अन्य कैल्शियम स्रोतों और परपोषी जीवाणुओं से नहीं की गई, जो अंततः पवन अपरदन प्रतिरोध को बेहतर बना सकते हैं। पवन अपरदन शमन में यूरिया-मुक्त निम्नीकरण मार्गों की तुलना यूरिया-आधारित निम्नीकरण मार्गों से करने वाले साहित्य का भी अभाव है।
इसके अतिरिक्त, अधिकांश पवन अपरदन और धूल नियंत्रण संबंधी अध्ययन समतल सतहों वाले मृदा नमूनों पर किए गए हैं।1,51,52,53 हालांकि, प्रकृति में पहाड़ियों और गड्ढों की तुलना में समतल सतहें कम पाई जाती हैं। यही कारण है कि रेगिस्तानी क्षेत्रों में रेत के टीले सबसे आम भू-आकृति हैं।
उपरोक्त कमियों को दूर करने के लिए, इस अध्ययन का उद्देश्य अमोनिया उत्पन्न न करने वाले जीवाणुओं का एक नया समूह प्रस्तुत करना था। इसके लिए, हमने यूरिया अपघटन न करने वाले एमआईसीपी मार्गों पर विचार किया। दो कैल्शियम स्रोतों (कैल्शियम फॉर्मेट और कैल्शियम एसीटेट) की दक्षता का अध्ययन किया गया। लेखकों के ज्ञान के अनुसार, दो कैल्शियम स्रोत और जीवाणुओं के संयोजन (अर्थात कैल्शियम फॉर्मेट-बैसिलस सबटिलिस और कैल्शियम फॉर्मेट-बैसिलस एमाइलोलिक्वेफेशियंस) का उपयोग करके कार्बोनेट अवक्षेपण का अध्ययन पूर्व के अध्ययनों में नहीं किया गया है। इन जीवाणुओं का चयन उनके द्वारा उत्पादित एंजाइमों के आधार पर किया गया था जो कैल्शियम फॉर्मेट और कैल्शियम एसीटेट के ऑक्सीकरण को उत्प्रेरित करके सूक्ष्मजीवी कार्बोनेट अवक्षेपण बनाते हैं। हमने पीएच, जीवाणुओं और कैल्शियम स्रोतों के प्रकार और उनकी सांद्रता, जीवाणुओं और कैल्शियम स्रोत विलयन का अनुपात और उपचार समय जैसे इष्टतम कारकों का पता लगाने के लिए एक विस्तृत प्रायोगिक अध्ययन तैयार किया। अंत में, कैल्शियम कार्बोनेट अवक्षेपण के माध्यम से पवन अपरदन को दबाने में जीवाणु एजेंटों के इस समूह की प्रभावशीलता की जांच रेत के टीलों पर पवन सुरंग परीक्षणों की एक श्रृंखला आयोजित करके की गई, ताकि रेत के पवन अपरदन की मात्रा, सीमांत विखंडन वेग और पवन बमबारी प्रतिरोध का निर्धारण किया जा सके, और साथ ही पेनेट्रोमीटर माप और सूक्ष्म संरचनात्मक अध्ययन (जैसे एक्स-रे विवर्तन (एक्सआरडी) विश्लेषण और स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (एसईएम)) भी किए गए।
कैल्शियम कार्बोनेट के उत्पादन के लिए कैल्शियम आयनों और कार्बोनेट आयनों की आवश्यकता होती है। कैल्शियम आयन विभिन्न कैल्शियम स्रोतों जैसे कैल्शियम क्लोराइड, कैल्शियम हाइड्रोक्साइड और स्किम्ड मिल्क पाउडर54,55 से प्राप्त किए जा सकते हैं। कार्बोनेट आयन विभिन्न सूक्ष्मजीवीय विधियों जैसे यूरिया जल अपघटन और कार्बनिक पदार्थों के वायवीय या अवायवीय ऑक्सीकरण56 द्वारा उत्पादित किए जा सकते हैं। इस अध्ययन में, कार्बोनेट आयन फॉर्मेट और एसीटेट की ऑक्सीकरण अभिक्रिया से प्राप्त किए गए। इसके अतिरिक्त, हमने शुद्ध कैल्शियम कार्बोनेट के उत्पादन के लिए फॉर्मेट और एसीटेट के कैल्शियम लवणों का उपयोग किया, जिससे उप-उत्पाद के रूप में केवल CO2 और H2O प्राप्त हुए। इस प्रक्रिया में, केवल एक पदार्थ कैल्शियम स्रोत और कार्बोनेट स्रोत के रूप में कार्य करता है, और अमोनिया का उत्पादन नहीं होता है। ये विशेषताएँ हमारे द्वारा विचार की गई कैल्शियम स्रोत और कार्बोनेट उत्पादन विधि को अत्यंत आशाजनक बनाती हैं।
कैल्शियम फॉर्मेट और कैल्शियम एसीटेट की कैल्शियम कार्बोनेट बनाने वाली अभिक्रियाओं को सूत्र (7)-(14) में दर्शाया गया है। सूत्र (7)-(11) दर्शाते हैं कि कैल्शियम फॉर्मेट पानी में घुल कर फॉर्मिक अम्ल या फॉर्मेट बनाता है। इस प्रकार विलयन मुक्त कैल्शियम और हाइड्रॉक्साइड आयनों का स्रोत होता है (सूत्र 8 और 9)। फॉर्मिक अम्ल के ऑक्सीकरण के परिणामस्वरूप, फॉर्मिक अम्ल में मौजूद कार्बन परमाणु कार्बन डाइऑक्साइड में परिवर्तित हो जाते हैं (सूत्र 10)। अंततः कैल्शियम कार्बोनेट बनता है (सूत्र 11 और 12)।
इसी प्रकार, कैल्शियम एसीटेट से कैल्शियम कार्बोनेट बनता है (समीकरण 13-15), सिवाय इसके कि फॉर्मिक एसिड के बजाय एसिटिक एसिड या एसीटेट बनता है।
एंजाइमों की अनुपस्थिति में, एसीटेट और फॉर्मेट का ऑक्सीकरण कमरे के तापमान पर नहीं हो सकता। FDH (फॉर्मेट डीहाइड्रोजिनेज) और CoA (कोएंजाइम A) क्रमशः फॉर्मेट और एसीटेट के ऑक्सीकरण को उत्प्रेरित करके कार्बन डाइऑक्साइड बनाते हैं (समीकरण 16, 17) 57, 58, 59। विभिन्न जीवाणु इन एंजाइमों का उत्पादन करने में सक्षम हैं, और परपोषी जीवाणु, अर्थात् बैसिलस सबटिलिस (PTCC #1204 (फ़ारसी टाइप कल्चर कलेक्शन), जिसे NCIMB #13061 (बैक्टीरिया, यीस्ट, फ़ेज, प्लास्मिड, पादप बीज और पादप कोशिका ऊतक संस्कृतियों का अंतर्राष्ट्रीय संग्रह) के रूप में भी जाना जाता है) और बैसिलस एमाइलोलिकेफैसिन्स (PTCC #1732, NCIMB #12077), का उपयोग इस अध्ययन में किया गया था। इन बैक्टीरिया को मीट पेप्टोन (5 ग्राम/लीटर) और मीट एक्सट्रेक्ट (3 ग्राम/लीटर) युक्त माध्यम में संवर्धित किया गया, जिसे न्यूट्रिएंट ब्रोथ (एनबीआर) (105443 मर्क) कहा जाता है।
इस प्रकार, दो कैल्शियम स्रोतों और दो बैक्टीरिया का उपयोग करके कैल्शियम कार्बोनेट अवक्षेपण को प्रेरित करने के लिए चार फॉर्मूलेशन तैयार किए गए: कैल्शियम फॉर्मेट और बैसिलस सबटिलिस (एफएस), कैल्शियम फॉर्मेट और बैसिलस एमाइलोलिक्वेफेशियंस (एफए), कैल्शियम एसीटेट और बैसिलस सबटिलिस (एएस), और कैल्शियम एसीटेट और बैसिलस एमाइलोलिक्वेफेशियंस (एए)।
प्रायोगिक डिज़ाइन के पहले भाग में, अधिकतम कैल्शियम कार्बोनेट उत्पादन प्राप्त करने के लिए सर्वोत्तम संयोजन निर्धारित करने हेतु परीक्षण किए गए। चूंकि मिट्टी के नमूनों में कैल्शियम कार्बोनेट मौजूद था, इसलिए विभिन्न संयोजनों द्वारा उत्पादित CaCO3 को सटीक रूप से मापने के लिए प्रारंभिक मूल्यांकन परीक्षणों का एक सेट तैयार किया गया, और संवर्धन माध्यम और कैल्शियम स्रोत विलयनों के मिश्रणों का मूल्यांकन किया गया। ऊपर परिभाषित कैल्शियम स्रोत और जीवाणु विलयन के प्रत्येक संयोजन (FS, FA, AS, और AA) के लिए, अनुकूलन कारक (कैल्शियम स्रोत सांद्रता, उपचार समय, विलयन के प्रकाशीय घनत्व (OD) द्वारा मापी गई जीवाणु विलयन सांद्रता, कैल्शियम स्रोत और जीवाणु विलयन का अनुपात, और pH) प्राप्त किए गए और उनका उपयोग रेत के टीलों के उपचार के लिए पवन सुरंग परीक्षणों में किया गया, जिनका वर्णन निम्नलिखित अनुभागों में किया गया है।
प्रत्येक संयोजन के लिए, CaCO3 अवक्षेपण के प्रभाव का अध्ययन करने और कार्बनिक पदार्थ के वायवीय ऑक्सीकरण के दौरान कैल्शियम स्रोत सांद्रता, उपचार समय, जीवाणु OD मान, कैल्शियम स्रोत और जीवाणु विलयन का अनुपात तथा pH जैसे विभिन्न कारकों का मूल्यांकन करने के लिए 150 प्रयोग किए गए (तालिका 1)। अनुकूलित प्रक्रिया के लिए pH सीमा का चयन बैसिलस सबटिलिस और बैसिलस एमाइलोलिक्वेफेशियंस के वृद्धि वक्रों के आधार पर किया गया ताकि तीव्र वृद्धि प्राप्त की जा सके। इसका विस्तृत विवरण परिणाम अनुभाग में दिया गया है।
अनुकूलन चरण के लिए नमूने तैयार करने हेतु निम्नलिखित चरणों का पालन किया गया। सर्वप्रथम, कल्चर माध्यम के प्रारंभिक pH को समायोजित करके MICP विलयन तैयार किया गया और फिर इसे 121°C पर 15 मिनट के लिए ऑटोक्लेव किया गया। इसके बाद, स्ट्रेन को लैमिनर वायु प्रवाह में इनोक्यूलेट किया गया और 30°C और 180 rpm पर शेकिंग इनक्यूबेटर में रखा गया। जब बैक्टीरिया का OD वांछित स्तर पर पहुँच गया, तो इसे वांछित अनुपात में कैल्शियम स्रोत विलयन के साथ मिलाया गया (चित्र 1a)। MICP विलयन को 220 rpm और 30°C पर शेकिंग इनक्यूबेटर में लक्ष्य मान तक पहुँचने तक प्रतिक्रिया करने और जमने दिया गया। अवक्षेपित CaCO3 को 6000 g पर 5 मिनट के लिए सेंट्रीफ्यूगेशन द्वारा अलग किया गया और फिर कैल्सीमीटर परीक्षण के लिए नमूने तैयार करने हेतु 40°C पर सुखाया गया (चित्र 1b)। इसके बाद बर्नार्ड कैल्सीमीटर का उपयोग करके CaCO3 के अवक्षेपण को मापा गया, जिसमें CaCO3 पाउडर 1.0 N HCl (ASTM-D4373-02) के साथ अभिक्रिया करके CO2 उत्पन्न करता है, और इस गैस की मात्रा CaCO3 की मात्रा का माप है (चित्र 1c)। CO2 की मात्रा को CaCO3 की मात्रा में परिवर्तित करने के लिए, शुद्ध CaCO3 पाउडर को 1 N HCl से धोकर और उत्पन्न CO2 के सापेक्ष उसका ग्राफ बनाकर एक अंशांकन वक्र तैयार किया गया। अवक्षेपित CaCO3 पाउडर की आकृति विज्ञान और शुद्धता का अध्ययन SEM इमेजिंग और XRD विश्लेषण द्वारा किया गया। जीवाणुओं के चारों ओर कैल्शियम कार्बोनेट के निर्माण, निर्मित कैल्शियम कार्बोनेट की अवस्था और जीवाणुओं की गतिविधि का अध्ययन करने के लिए 1000 आवर्धन वाले ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप का उपयोग किया गया।
देजेघ बेसिन ईरान के दक्षिण-पश्चिमी फ़ार्स प्रांत में स्थित एक प्रसिद्ध अत्यधिक अपरदित क्षेत्र है, और शोधकर्ताओं ने इस क्षेत्र से वायु अपरदन द्वारा निर्मित मिट्टी के नमूने एकत्र किए। अध्ययन के लिए नमूने मिट्टी की सतह से लिए गए थे। मिट्टी के नमूनों पर किए गए संकेतक परीक्षणों से पता चला कि मिट्टी कम क्रमबद्ध रेतीली मिट्टी थी जिसमें गाद भी थी और एकीकृत मृदा वर्गीकरण प्रणाली (यूएससी) के अनुसार इसे एसपी-एसएम के रूप में वर्गीकृत किया गया था (चित्र 2ए)। एक्सआरडी विश्लेषण से पता चला कि देजेघ की मिट्टी मुख्य रूप से कैल्साइट और क्वार्ट्ज से बनी थी (चित्र 2बी)। इसके अतिरिक्त, ईडीएक्स विश्लेषण से पता चला कि एल्युमिनियम, पोटेशियम और आयरन जैसे अन्य तत्व भी कम मात्रा में मौजूद थे।
पवन अपरदन परीक्षण के लिए प्रयोगशाला में टीले तैयार करने हेतु, मिट्टी को 170 मिमी की ऊंचाई से 10 मिमी व्यास वाले फ़नल के माध्यम से कुचलकर ठोस सतह बनाई गई, जिसके परिणामस्वरूप 60 मिमी ऊंचाई और 210 मिमी व्यास का एक विशिष्ट टीला प्राप्त हुआ। प्रकृति में, सबसे कम घनत्व वाले रेत के टीले वायुजनित प्रक्रियाओं द्वारा निर्मित होते हैं। इसी प्रकार, उपरोक्त प्रक्रिया का उपयोग करके तैयार किए गए नमूने का सापेक्ष घनत्व सबसे कम था, γ = 14.14 kN/m³, जिससे लगभग 29.7° के विश्राम कोण पर क्षैतिज सतह पर जमा एक रेत का शंकु बना।
पिछले खंड में प्राप्त इष्टतम एमआईसीपी घोल को 1, 2 और 3 एलएम-2 की अनुप्रयोग दरों पर टीले की ढलान पर छिड़का गया और फिर नमूनों को 9 दिनों (यानी इष्टतम उपचार समय) के लिए 30 डिग्री सेल्सियस (चित्र 3) पर एक इनक्यूबेटर में संग्रहीत किया गया और फिर पवन सुरंग परीक्षण के लिए बाहर निकाला गया।
प्रत्येक उपचार के लिए चार नमूने तैयार किए गए, जिनमें से एक का उपयोग पेनेट्रोमीटर द्वारा कैल्शियम कार्बोनेट की मात्रा और सतह की मजबूती मापने के लिए किया गया, और शेष तीन नमूनों का उपयोग तीन अलग-अलग वेगों पर क्षरण परीक्षणों के लिए किया गया। पवन सुरंग परीक्षणों में, विभिन्न पवन गतियों पर क्षरण की मात्रा निर्धारित की गई, और फिर प्रत्येक उपचारित नमूने के लिए क्षरण की मात्रा बनाम पवन गति के ग्राफ का उपयोग करके थ्रेशोल्ड ब्रेकअवे वेग निर्धारित किया गया। पवन क्षरण परीक्षणों के अलावा, उपचारित नमूनों को रेत बमबारी (अर्थात, उछाल प्रयोग) के अधीन किया गया। इस उद्देश्य के लिए 2 और 3 L m−2 की अनुप्रयोग दरों पर दो अतिरिक्त नमूने तैयार किए गए। रेत बमबारी परीक्षण 120 gm−1 के प्रवाह के साथ 15 मिनट तक चला, जो पिछले अध्ययनों60,61,62 में चयनित मानों की सीमा के भीतर है। अपघर्षक नोजल और टीले के आधार के बीच क्षैतिज दूरी 800 मिमी थी, जो सुरंग के तल से 100 मिमी ऊपर स्थित थी। यह स्थिति इस प्रकार निर्धारित की गई थी कि लगभग सभी उछलते हुए रेत के कण टीले पर गिरें।
यह पवन सुरंग परीक्षण 8 मीटर लंबाई, 0.4 मीटर चौड़ाई और 1 मीटर ऊंचाई वाली एक खुली पवन सुरंग में किया गया (चित्र 4a)। यह पवन सुरंग गैल्वनाइज्ड स्टील शीट से बनी है और 25 मीटर/सेकंड तक की पवन गति उत्पन्न कर सकती है। इसके अतिरिक्त, पंखे की आवृत्ति को समायोजित करने और लक्षित पवन गति प्राप्त करने के लिए आवृत्ति को धीरे-धीरे बढ़ाने के लिए एक आवृत्ति कनवर्टर का उपयोग किया गया। चित्र 4b में हवा द्वारा अपरदित रेत के टीलों का योजनाबद्ध आरेख और पवन सुरंग में मापी गई पवन गति प्रोफ़ाइल दर्शाई गई है।
अंत में, इस अध्ययन में प्रस्तावित गैर-यूरियालिटिक एमआईसीपी फॉर्मूलेशन के परिणामों की तुलना यूरियालिटिक एमआईसीपी नियंत्रण परीक्षण के परिणामों से करने के लिए, टीले के नमूने भी तैयार किए गए और उन्हें यूरिया, कैल्शियम क्लोराइड और स्पोरोसारसीना पेस्ट्यूरी (क्योंकि स्पोरोसारसीना पेस्ट्यूरी में यूरिएस63 उत्पन्न करने की महत्वपूर्ण क्षमता होती है) युक्त जैविक घोल से उपचारित किया गया। जीवाणु घोल का ऑप्टिकल घनत्व 1.5 था, और यूरिया और कैल्शियम क्लोराइड की सांद्रता 1 M थी (पिछले अध्ययनों36,64,65 में अनुशंसित मानों के आधार पर चयनित)। संवर्धन माध्यम में पोषक तत्व ब्रोथ (8 ग्राम/लीटर) और यूरिया (20 ग्राम/लीटर) शामिल थे। जीवाणु घोल को टीले की सतह पर छिड़का गया और जीवाणुओं के जुड़ने के लिए 24 घंटे के लिए छोड़ दिया गया। 24 घंटे के जुड़ाव के बाद, एक सीमेंटिंग घोल (कैल्शियम क्लोराइड और यूरिया) छिड़का गया। यूरियालिटिक एमआईसीपी नियंत्रण परीक्षण को आगे यूएमसी के रूप में संदर्भित किया गया है। चोई एट अल.66 द्वारा प्रस्तावित प्रक्रिया के अनुसार धुलाई करके यूरियालिटिक और गैर-यूरियालिटिक उपचारित मिट्टी के नमूनों में कैल्शियम कार्बोनेट की मात्रा प्राप्त की गई।
चित्र 5 में 5 से 10 के प्रारंभिक pH मान वाले संवर्धन माध्यम (पोषक विलयन) में बैसिलस एमाइलोलिक्वेफेशियंस और बैसिलस सबटिलिस की वृद्धि वक्र दर्शाए गए हैं। जैसा कि चित्र में दिखाया गया है, बैसिलस एमाइलोलिक्वेफेशियंस और बैसिलस सबटिलिस क्रमशः pH 6-8 और 7-9 पर तेजी से बढ़े। अतः, अनुकूलन चरण में इसी pH मान को अपनाया गया।
पोषक माध्यम के विभिन्न प्रारंभिक पीएच मानों पर (ए) बैसिलस एमाइलोलिक्वेफेशियंस और (बी) बैसिलस सबटिलिस के विकास वक्र।
चित्र 6 बर्नार्ड लाइममीटर में उत्पादित कार्बन डाइऑक्साइड की मात्रा को दर्शाता है, जो अवक्षेपित कैल्शियम कार्बोनेट (CaCO3) को दर्शाता है। चूंकि प्रत्येक संयोजन में एक कारक स्थिर था और अन्य कारकों को बदला गया था, इसलिए इन ग्राफ़ पर प्रत्येक बिंदु प्रयोगों के उस सेट में कार्बन डाइऑक्साइड की अधिकतम मात्रा को दर्शाता है। जैसा कि चित्र में दिखाया गया है, कैल्शियम स्रोत की सांद्रता बढ़ने पर कैल्शियम कार्बोनेट का उत्पादन भी बढ़ता है। अतः, कैल्शियम स्रोत की सांद्रता कैल्शियम कार्बोनेट के उत्पादन को सीधे प्रभावित करती है। चूंकि कैल्शियम स्रोत और कार्बन स्रोत समान हैं (अर्थात कैल्शियम फॉर्मेट और कैल्शियम एसीटेट), इसलिए जितने अधिक कैल्शियम आयन मुक्त होते हैं, उतना ही अधिक कैल्शियम कार्बोनेट बनता है (चित्र 6a)। AS और AA फॉर्मूलेशन में, कैल्शियम कार्बोनेट का उत्पादन उपचार समय बढ़ने के साथ लगातार बढ़ता रहा, जब तक कि 9 दिनों के बाद अवक्षेप की मात्रा लगभग अपरिवर्तित नहीं हो गई। FA फॉर्मूलेशन में, उपचार समय 6 दिनों से अधिक होने पर कैल्शियम कार्बोनेट निर्माण की दर कम हो गई। अन्य फॉर्मूलेशन की तुलना में, FS फॉर्मूलेशन ने 3 दिनों के बाद अपेक्षाकृत कम कैल्शियम कार्बोनेट निर्माण दर दिखाई (चित्र 6b)। फॉर्मूलेशन FA और FS में, तीन दिनों के बाद कुल कैल्शियम कार्बोनेट उत्पादन का क्रमशः 70% और 87% प्राप्त हुआ, जबकि फॉर्मूलेशन AA और AS में यह अनुपात केवल लगभग 46% और 45% था। इससे पता चलता है कि एसिटेट-आधारित फॉर्मूलेशन की तुलना में फॉर्मिक एसिड-आधारित फॉर्मूलेशन में प्रारंभिक चरण में CaCO3 निर्माण दर अधिक है। हालांकि, क्योरिंग समय बढ़ने के साथ निर्माण दर धीमी हो जाती है। चित्र 6c से यह निष्कर्ष निकाला जा सकता है कि OD1 से अधिक जीवाणु सांद्रता पर भी, कैल्शियम कार्बोनेट निर्माण में कोई महत्वपूर्ण योगदान नहीं होता है।
बर्नार्ड कैल्सीमीटर द्वारा मापी गई CO2 की मात्रा (और संबंधित CaCO3 सामग्री) में परिवर्तन, निम्नलिखित कारकों के फलन के रूप में दर्शाया गया है: (a) कैल्शियम स्रोत की सांद्रता, (b) स्थिर होने का समय, (c) OD, (d) प्रारंभिक pH, (e) कैल्शियम स्रोत और जीवाणु विलयन का अनुपात (प्रत्येक सूत्र के लिए); और (f) कैल्शियम स्रोत और जीवाणुओं के प्रत्येक संयोजन के लिए उत्पादित कैल्शियम कार्बोनेट की अधिकतम मात्रा।
माध्यम के प्रारंभिक pH के प्रभाव के संबंध में, चित्र 6d दर्शाता है कि FA और FS के लिए, CaCO3 का उत्पादन pH 7 पर अधिकतम मान तक पहुँच गया। यह अवलोकन पिछले अध्ययनों के अनुरूप है कि FDH एंजाइम pH 7-6.7 पर सबसे अधिक स्थिर होते हैं। हालांकि, AA और AS के लिए, pH 7 से अधिक होने पर CaCO3 का अवक्षेपण बढ़ गया। पिछले अध्ययनों में यह भी दिखाया गया है कि CoA एंजाइम गतिविधि के लिए इष्टतम pH सीमा 8 से 9.2-6.8 तक है। यह देखते हुए कि CoA एंजाइम गतिविधि और B. amyloliquefaciens की वृद्धि के लिए इष्टतम pH सीमाएँ क्रमशः (8-9.2) और (6-8) हैं (चित्र 5a), AA फॉर्मूलेशन का इष्टतम pH 8 होने की उम्मीद है, और दोनों pH सीमाएँ ओवरलैप करती हैं। इस तथ्य की पुष्टि प्रयोगों द्वारा की गई, जैसा कि चित्र 6d में दिखाया गया है। क्योंकि बी. सबटिलिस की वृद्धि के लिए इष्टतम pH 7-9 है (चित्र 5b) और CoA एंजाइम गतिविधि के लिए इष्टतम pH 8-9.2 है, इसलिए अधिकतम CaCO3 अवक्षेपण 8-9 के pH रेंज में होने की उम्मीद है, जिसकी पुष्टि चित्र 6d से होती है (अर्थात, इष्टतम अवक्षेपण pH 9 है)। चित्र 6e में दर्शाए गए परिणाम बताते हैं कि एसीटेट और फॉर्मेट दोनों विलयनों के लिए कैल्शियम स्रोत विलयन और जीवाणु विलयन का इष्टतम अनुपात 1 है। तुलना के लिए, विभिन्न परिस्थितियों (अर्थात, कैल्शियम स्रोत सांद्रता, उपचार समय, OD, कैल्शियम स्रोत और जीवाणु विलयन का अनुपात, और प्रारंभिक pH) में अधिकतम CaCO3 उत्पादन के आधार पर विभिन्न फॉर्मूलेशन (अर्थात, AA, AS, FA, और FS) के प्रदर्शन का मूल्यांकन किया गया। अध्ययन किए गए फॉर्मूलेशन में, फॉर्मूलेशन FS का CaCO3 उत्पादन सबसे अधिक था, जो फॉर्मूलेशन AA से लगभग तीन गुना था (चित्र 6f)। दोनों कैल्शियम स्रोतों के लिए चार जीवाणु-मुक्त नियंत्रण प्रयोग किए गए और 30 दिनों के बाद कोई CaCO3 अवक्षेपण नहीं देखा गया।
सभी फॉर्मूलेशन के ऑप्टिकल माइक्रोस्कोपी चित्रों से पता चला कि वैटेराइट मुख्य चरण था जिसमें कैल्शियम कार्बोनेट का निर्माण हुआ (चित्र 7)। वैटेराइट क्रिस्टल गोलाकार थे69,70,71। यह पाया गया कि कैल्शियम कार्बोनेट जीवाणु कोशिकाओं पर अवक्षेपित हुआ क्योंकि जीवाणु कोशिकाओं की सतह ऋणात्मक रूप से आवेशित थी और द्विसंयोजक धनायनों के लिए एक अधिशोषक के रूप में कार्य कर सकती थी। इस अध्ययन में फॉर्मूलेशन FS को उदाहरण के रूप में लेते हुए, 24 घंटे के बाद, कुछ जीवाणु कोशिकाओं पर कैल्शियम कार्बोनेट बनना शुरू हो गया (चित्र 7a), और 48 घंटे के बाद, कैल्शियम कार्बोनेट से लेपित जीवाणु कोशिकाओं की संख्या में उल्लेखनीय वृद्धि हुई। इसके अलावा, जैसा कि चित्र 7b में दिखाया गया है, वैटेराइट कणों का भी पता लगाया जा सकता था। अंत में, 72 घंटे के बाद, बड़ी संख्या में जीवाणु वैटेराइट क्रिस्टल से बंधे हुए प्रतीत हुए, और वैटेराइट कणों की संख्या में उल्लेखनीय वृद्धि हुई (चित्र 7c)।
समय के साथ एफएस कंपोजिशन में CaCO3 अवक्षेपण के ऑप्टिकल माइक्रोस्कोपी अवलोकन: (ए) 24, (बी) 48 और (सी) 72 घंटे।
अवक्षेपित अवस्था की आकृति का और अधिक अध्ययन करने के लिए, पाउडर का एक्स-रे विवर्तन (XRD) और SEM विश्लेषण किया गया। XRD स्पेक्ट्रा (चित्र 8a) और SEM माइक्रोग्राफ (चित्र 8b, c) ने वैटेराइट क्रिस्टल की उपस्थिति की पुष्टि की, क्योंकि इनका आकार सलाद के पत्ते जैसा था और वैटेराइट पीक और अवक्षेप पीक के बीच समानता देखी गई।
(a) निर्मित CaCO3 और वैटेराइट के एक्स-रे विवर्तन स्पेक्ट्रा की तुलना। (b) 1 kHz और (c) 5.27 kHz आवर्धन पर वैटेराइट के SEM माइक्रोग्राफ।
पवन सुरंग परीक्षणों के परिणाम चित्र 9a और 9b में दर्शाए गए हैं। चित्र 9a से देखा जा सकता है कि अनुपचारित रेत का थ्रेशोल्ड अपरदन वेग (TDV) लगभग 4.32 मीटर/सेकंड है। 1 लीटर/मीटर² की अनुप्रयोग दर पर (चित्र 9a), अंश FA, FS, AA और UMC के लिए मृदा क्षरण दर रेखाओं की ढलान अनुपचारित टीले के लगभग समान है। इससे पता चलता है कि इस अनुप्रयोग दर पर उपचार अप्रभावी है और जैसे ही हवा की गति TDV से अधिक होती है, मिट्टी की पतली परत गायब हो जाती है और टीले का अपरदन दर अनुपचारित टीले के समान हो जाता है। अंश AS की अपरदन ढलान भी कम भुज (अर्थात TDV) वाले अन्य अंशों की तुलना में कम है (चित्र 9a)। चित्र 9b में तीर दर्शाते हैं कि 25 मीटर/सेकंड की अधिकतम हवा की गति पर, 2 और 3 लीटर/मीटर² की अनुप्रयोग दरों पर उपचारित टीलों में कोई अपरदन नहीं हुआ। दूसरे शब्दों में, FS, FA, AS और UMC के लिए, 2 और 3 l/m² की अनुप्रयोग दरों पर CaCO³ जमाव के कारण होने वाले पवन अपरदन के प्रति टीले अधिकतम पवन गति (अर्थात 25 m/s) की तुलना में अधिक प्रतिरोधी थे। इस प्रकार, इन परीक्षणों में प्राप्त 25 m/s का TDV मान, चित्र 9b में दर्शाई गई अनुप्रयोग दरों के लिए निचली सीमा है, सिवाय AA के मामले के, जहाँ TDV लगभग अधिकतम पवन सुरंग गति के बराबर है।
पवन अपरदन परीक्षण (a) पवन गति के सापेक्ष भार में कमी (अनुप्रयोग दर 1 l/m2), (b) अनुप्रयोग दर और सूत्रण के सापेक्ष सीमा फाड़ने की गति (CA का अर्थ कैल्शियम एसीटेट, CF का अर्थ कैल्शियम फॉर्मेट)।
चित्र 10 में विभिन्न फॉर्मूलेशन और अनुप्रयोग दरों से उपचारित रेत के टीलों के सतही क्षरण को रेत बमबारी परीक्षण के बाद दर्शाया गया है, और मात्रात्मक परिणाम चित्र 11 में दिखाए गए हैं। अनुपचारित मामले को नहीं दिखाया गया है क्योंकि इसने कोई प्रतिरोध नहीं दिखाया और रेत बमबारी परीक्षण के दौरान पूरी तरह से नष्ट हो गया (कुल द्रव्यमान हानि)। चित्र 11 से स्पष्ट है कि बायो कम्पोजीशन AA से उपचारित नमूने ने 2 l/m2 की अनुप्रयोग दर पर अपने वजन का 83.5% खो दिया, जबकि अन्य सभी नमूनों में रेत बमबारी प्रक्रिया के दौरान 30% से कम क्षरण हुआ। जब अनुप्रयोग दर को बढ़ाकर 3 l/m2 कर दिया गया, तो सभी उपचारित नमूनों ने अपने वजन का 25% से कम खो दिया। दोनों अनुप्रयोग दरों पर, यौगिक FS ने रेत बमबारी के प्रति सर्वोत्तम प्रतिरोध दिखाया। FS और AA से उपचारित नमूनों में अधिकतम और न्यूनतम बमबारी प्रतिरोध को उनके अधिकतम और न्यूनतम CaCO3 अवक्षेपण (चित्र 6f) के लिए जिम्मेदार ठहराया जा सकता है।
2 और 3 लीटर/मी² की प्रवाह दरों पर विभिन्न संरचनाओं वाले रेत के टीलों पर बमबारी के परिणाम (तीर हवा की दिशा दर्शाते हैं, क्रॉस रेखाएँ चित्र के तल के लंबवत हवा की दिशा दर्शाती हैं)।
चित्र 12 में दर्शाए अनुसार, सभी फॉर्मूलों में कैल्शियम कार्बोनेट की मात्रा 1 लीटर/मीटर² से 3 लीटर/मीटर² तक अनुप्रयोग दर बढ़ने के साथ बढ़ी। इसके अतिरिक्त, सभी अनुप्रयोग दरों पर, सबसे अधिक कैल्शियम कार्बोनेट की मात्रा वाला फॉर्मूला FS था, जिसके बाद FA और UMC का स्थान रहा। इससे संकेत मिलता है कि इन फॉर्मूलों में सतह प्रतिरोध अधिक हो सकता है।
चित्र 13a में परमीमीटर परीक्षण द्वारा मापे गए अनुपचारित, नियंत्रण और उपचारित मृदा नमूनों के सतही प्रतिरोध में परिवर्तन दर्शाया गया है। इस चित्र से स्पष्ट है कि UMC, AS, FA और FS फॉर्मूलेशन का सतही प्रतिरोध अनुप्रयोग दर में वृद्धि के साथ काफी बढ़ गया। हालांकि, AA फॉर्मूलेशन में सतही मजबूती में वृद्धि अपेक्षाकृत कम थी। जैसा कि चित्र में दिखाया गया है, यूरिया-अपघटित MICP की तुलना में गैर-यूरिया-अपघटित MICP के FA और FS फॉर्मूलेशन की सतही पारगम्यता बेहतर है। चित्र 13b में मृदा सतही प्रतिरोध के साथ TDV में परिवर्तन दर्शाया गया है। इस चित्र से स्पष्ट है कि 100 kPa से अधिक सतही प्रतिरोध वाले टीलों के लिए, थ्रेशोल्ड स्ट्रिपिंग वेग 25 m/s से अधिक होगा। चूंकि परमीमीटर द्वारा मौके पर ही सतही प्रतिरोध को आसानी से मापा जा सकता है, इसलिए यह जानकारी पवन सुरंग परीक्षण की अनुपस्थिति में TDV का अनुमान लगाने में सहायक हो सकती है, जिससे यह क्षेत्र अनुप्रयोगों के लिए गुणवत्ता नियंत्रण संकेतक के रूप में कार्य करती है।
एसईएम परिणाम चित्र 14 में दर्शाए गए हैं। चित्र 14a-b में अनुपचारित मिट्टी के नमूने के आवर्धित कण दिखाए गए हैं, जो स्पष्ट रूप से दर्शाते हैं कि यह संसंबद्ध है और इसमें कोई प्राकृतिक बंधन या सीमेंटेशन नहीं है। चित्र 14c में यूरिया-अपघटित एमआईसीपी से उपचारित नियंत्रण नमूने का एसईएम माइक्रोग्राफ दिखाया गया है। यह छवि कैल्साइट बहुरूपों के रूप में CaCO3 अवक्षेपों की उपस्थिति दर्शाती है। जैसा कि चित्र 14d-o में दिखाया गया है, अवक्षेपित CaCO3 कणों को आपस में बांधता है; एसईएम माइक्रोग्राफ में गोलाकार वैटेराइट क्रिस्टल भी देखे जा सकते हैं। इस अध्ययन और पिछले अध्ययनों के परिणाम बताते हैं कि वैटेराइट बहुरूपों के रूप में बने CaCO3 बंधन उचित यांत्रिक शक्ति भी प्रदान कर सकते हैं; हमारे परिणाम दर्शाते हैं कि सतह प्रतिरोध 350 kPa तक बढ़ जाता है और पृथक्करण वेग 4.32 से बढ़कर 25 m/s से अधिक हो जाता है। यह परिणाम पिछले अध्ययनों के परिणामों के अनुरूप है कि एमआईसीपी-अवक्षेपित CaCO3 का मैट्रिक्स वैटेराइट है, जिसमें उचित यांत्रिक शक्ति और पवन क्षरण प्रतिरोध है13,40 और क्षेत्र पर्यावरणीय परिस्थितियों के संपर्क में 180 दिनों के बाद भी उचित पवन क्षरण प्रतिरोध बनाए रख सकता है13।
(a, b) अनुपचारित मिट्टी के SEM माइक्रोग्राफ, (c) MICP यूरिया निम्नीकरण नियंत्रण, (df) AA-उपचारित नमूने, (gi) AS-उपचारित नमूने, (jl) FA-उपचारित नमूने, और (mo) FS-उपचारित नमूने, 3 L/m2 की अनुप्रयोग दर पर विभिन्न आवर्धनों पर।
चित्र 14d-f दर्शाता है कि AA यौगिकों से उपचार के बाद, कैल्शियम कार्बोनेट सतह पर और रेत के कणों के बीच अवक्षेपित हो गया, जबकि कुछ बिना लेपित रेत के कण भी देखे गए। AS घटकों के लिए, यद्यपि निर्मित CaCO3 की मात्रा में उल्लेखनीय वृद्धि नहीं हुई (चित्र 6f), CaCO3 के कारण रेत के कणों के बीच संपर्क की मात्रा AA यौगिकों की तुलना में काफी बढ़ गई (चित्र 14g-i)।
चित्र 14j-l और 14m-o से यह स्पष्ट है कि कैल्शियम स्रोत के रूप में कैल्शियम फॉर्मेट का उपयोग करने से AS यौगिक की तुलना में CaCO3 अवक्षेपण में और अधिक वृद्धि होती है, जो चित्र 6f में कैल्शियम मीटर माप के अनुरूप है। यह अतिरिक्त CaCO3 मुख्य रूप से रेत के कणों पर जमा होता प्रतीत होता है और जरूरी नहीं कि इससे संपर्क गुणवत्ता में सुधार हो। यह पहले देखे गए व्यवहार की पुष्टि करता है: CaCO3 अवक्षेपण की मात्रा में अंतर के बावजूद (चित्र 6f), तीनों फॉर्मूलेशन (AS, FA और FS) पवन-रोधी प्रदर्शन (चित्र 11) और सतह प्रतिरोध (चित्र 13a) के संदर्भ में महत्वपूर्ण रूप से भिन्न नहीं हैं।
CaCO3 लेपित जीवाणु कोशिकाओं और अवक्षेपित क्रिस्टलों पर जीवाणु छाप को बेहतर ढंग से देखने के लिए, उच्च आवर्धन SEM माइक्रोग्राफ लिए गए और परिणाम चित्र 15 में दिखाए गए हैं। जैसा कि दिखाया गया है, जीवाणु कोशिकाओं पर कैल्शियम कार्बोनेट अवक्षेपित होता है और वहां अवक्षेपण के लिए आवश्यक नाभिक प्रदान करता है। चित्र में CaCO3 द्वारा प्रेरित सक्रिय और निष्क्रिय लिंकेज भी दर्शाए गए हैं। यह निष्कर्ष निकाला जा सकता है कि निष्क्रिय लिंकेज में किसी भी वृद्धि से यांत्रिक व्यवहार में और सुधार होना आवश्यक नहीं है। इसलिए, CaCO3 अवक्षेपण में वृद्धि से यांत्रिक शक्ति में वृद्धि होना आवश्यक नहीं है और अवक्षेपण पैटर्न एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। इस बिंदु का अध्ययन टेरज़िस और लालौई72 और सोगी और अल-कबानी45,73 के कार्यों में भी किया गया है। अवक्षेपण पैटर्न और यांत्रिक शक्ति के बीच संबंध का और अधिक पता लगाने के लिए, µCT इमेजिंग का उपयोग करके MICP अध्ययन की सिफारिश की जाती है, जो इस अध्ययन के दायरे से बाहर है (अर्थात्, अमोनिया-मुक्त MICP के लिए कैल्शियम स्रोत और जीवाणुओं के विभिन्न संयोजनों को प्रस्तुत करना)।
CaCO3 ने (a) AS संरचना और (b) FS संरचना से उपचारित नमूनों में सक्रिय और निष्क्रिय बंधों को प्रेरित किया और तलछट पर जीवाणु कोशिकाओं की छाप छोड़ी।
चित्र 14j-o और 15b में दर्शाए अनुसार, CaCO3 की एक परत मौजूद है (EDX विश्लेषण के अनुसार, इस परत में प्रत्येक तत्व का प्रतिशत कार्बन 11%, ऑक्सीजन 46.62% और कैल्शियम 42.39% है, जो चित्र 16 में CaCO3 के प्रतिशत के लगभग बराबर है)। यह परत वैटेराइट क्रिस्टल और मिट्टी के कणों को ढकती है, जिससे मिट्टी-तलछट प्रणाली की अखंडता बनाए रखने में मदद मिलती है। इस परत की उपस्थिति केवल फॉर्मेट-आधारित फॉर्मूलेशन से उपचारित नमूनों में ही देखी गई।
तालिका 2 में पिछले अध्ययनों और इस अध्ययन में यूरिया-अपघटनकारी और गैर-यूरिया-अपघटनकारी एमआईसीपी मार्गों से उपचारित मृदाओं की सतही मजबूती, सीमा पृथक्करण वेग और जैव-प्रेरित CaCO3 सामग्री की तुलना की गई है। एमआईसीपी-उपचारित टीले के नमूनों के पवन अपरदन प्रतिरोध पर अध्ययन सीमित हैं। मेंग एट अल. ने लीफ ब्लोअर का उपयोग करके एमआईसीपी-उपचारित यूरिया-अपघटनकारी टीले के नमूनों के पवन अपरदन प्रतिरोध की जांच की,13 जबकि इस अध्ययन में, गैर-यूरिया-अपघटनकारी टीले के नमूनों (साथ ही यूरिया-अपघटनकारी नियंत्रणों) का परीक्षण पवन सुरंग में किया गया और उन्हें बैक्टीरिया और पदार्थों के चार अलग-अलग संयोजनों से उपचारित किया गया।
जैसा कि देखा जा सकता है, कुछ पिछले अध्ययनों में 4 L/m213,41,74 से अधिक उच्च अनुप्रयोग दरों पर विचार किया गया है। यह ध्यान देने योग्य है कि जल आपूर्ति, परिवहन और बड़ी मात्रा में पानी के उपयोग से जुड़ी लागतों के कारण आर्थिक दृष्टिकोण से उच्च अनुप्रयोग दरें क्षेत्र में आसानी से लागू नहीं हो सकती हैं। 1.62-2 L/m2 जैसी कम अनुप्रयोग दरों पर भी 190 kPa तक की काफी अच्छी सतही मजबूती और 25 m/s से अधिक का TDV प्राप्त हुआ। वर्तमान अध्ययन में, यूरिया अपघटन के बिना फॉर्मेट-आधारित MICP से उपचारित टीलों ने उच्च सतही मजबूती प्राप्त की जो अनुप्रयोग दरों की समान सीमा में यूरिया अपघटन मार्ग से प्राप्त मजबूती के तुलनीय थी (अर्थात, यूरिया अपघटन के बिना फॉर्मेट-आधारित MICP से उपचारित नमूने भी उच्च अनुप्रयोग दरों पर मेंग एट अल., 13, चित्र 13a द्वारा रिपोर्ट किए गए सतही मजबूती मूल्यों की समान सीमा प्राप्त करने में सक्षम थे)। यह भी देखा जा सकता है कि 2 लीटर/मी² की अनुप्रयोग दर पर, 25 मीटर/सेकंड की हवा की गति पर पवन अपरदन शमन के लिए कैल्शियम कार्बोनेट की उपज, यूरिया अपघटन के बिना फॉर्मेट-आधारित एमआईसीपी के लिए 2.25% थी, जो आवश्यक CaCO₃ की मात्रा (अर्थात 2.41%) के बहुत करीब है, जबकि समान अनुप्रयोग दर और समान हवा की गति (25 मीटर/सेकंड) पर यूरिया अपघटन के साथ नियंत्रण एमआईसीपी से उपचारित टीलों की तुलना में यह अधिक है।
इस प्रकार, इस तालिका से यह निष्कर्ष निकाला जा सकता है कि यूरिया अपघटन मार्ग और यूरिया-मुक्त अपघटन मार्ग दोनों ही सतह प्रतिरोध और TDV के संदर्भ में काफी स्वीकार्य प्रदर्शन प्रदान कर सकते हैं। मुख्य अंतर यह है कि यूरिया-मुक्त अपघटन मार्ग में अमोनिया नहीं होता है और इसलिए इसका पर्यावरणीय प्रभाव कम होता है। इसके अलावा, इस अध्ययन में प्रस्तावित यूरिया अपघटन के बिना फॉर्मेट-आधारित MICP विधि, यूरिया अपघटन के बिना एसीटेट-आधारित MICP विधि से बेहतर प्रदर्शन करती प्रतीत होती है। यद्यपि मोहेब्बी एट अल. ने यूरिया अपघटन के बिना एसीटेट-आधारित MICP विधि का अध्ययन किया था, उनके अध्ययन में समतल सतहों पर नमूने शामिल थे9। टीले के नमूनों के चारों ओर भंवर निर्माण और परिणामस्वरूप उत्पन्न अपरूपण के कारण होने वाले उच्च स्तर के क्षरण के कारण, जिससे TDV कम हो जाता है, समान गति पर टीले के नमूनों का पवन क्षरण समतल सतहों की तुलना में अधिक स्पष्ट होने की संभावना है।