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Tempestades de poeira representam uma séria ameaça para muitos países ao redor do mundo devido ao seu impacto destrutivo na agricultura, saúde humana, redes de transporte e infraestrutura. Consequentemente, a erosão eólica é considerada um problema global. Uma das abordagens ecologicamente corretas para conter a erosão eólica é o uso da precipitação de carbonato induzida por microrganismos (MICP). No entanto, os subprodutos da MICP baseada na degradação da ureia, como a amônia, não são ideais quando produzidos em grandes quantidades. Este estudo apresenta duas formulações de bactérias produtoras de formiato de cálcio para a degradação de MICP sem a produção de ureia e compara de forma abrangente seu desempenho com duas formulações de bactérias produtoras de acetato de cálcio que não produzem amônia. As bactérias consideradas são Bacillus subtilis e Bacillus amyloliquefaciens. Primeiramente, foram determinados os valores otimizados dos fatores que controlam a formação de CaCO3. Em seguida, foram realizados testes em túnel de vento em amostras de dunas de areia tratadas com as formulações otimizadas, e foram medidas a resistência à erosão eólica, a velocidade limite de desprendimento e a resistência ao bombardeio de areia. Os alomorfos de carbonato de cálcio (CaCO3) foram avaliados por meio de microscopia óptica, microscopia eletrônica de varredura (MEV) e análise de difração de raios X. As formulações à base de formiato de cálcio apresentaram desempenho significativamente melhor do que as formulações à base de acetato em termos de formação de carbonato de cálcio. Além disso, B. subtilis produziu mais carbonato de cálcio do que B. amyloliquefaciens. As micrografias de MEV mostraram claramente a ligação e a impressão de bactérias ativas e inativas no carbonato de cálcio causadas pela sedimentação. Todas as formulações reduziram significativamente a erosão eólica.
A erosão eólica é reconhecida há muito tempo como um grande problema que afeta regiões áridas e semiáridas, como o sudoeste dos Estados Unidos, o oeste da China, a África subsaariana e grande parte do Oriente Médio¹. A baixa pluviosidade em climas áridos e hiperáridos transformou grandes porções dessas regiões em desertos, dunas de areia e terras incultivas. A erosão eólica contínua representa ameaças ambientais à infraestrutura, como redes de transporte, terras agrícolas e áreas industriais, levando a condições de vida precárias e altos custos de desenvolvimento urbano nessas regiões²,³,⁴. É importante ressaltar que a erosão eólica não impacta apenas o local onde ocorre, mas também causa problemas de saúde e econômicos em comunidades remotas, à medida que transporta partículas pelo vento para áreas distantes da fonte⁵,⁶.
O controle da erosão eólica continua sendo um problema global. Vários métodos de estabilização do solo são utilizados para controlar a erosão eólica. Esses métodos incluem materiais como aplicação de água7, cobertura morta com óleo8, biopolímeros5, precipitação de carbonato induzida por microrganismos (MICP)9,10,11,12 e precipitação de carbonato induzida por enzimas (EICP)1. A umidificação do solo é um método padrão de supressão de poeira no campo. No entanto, sua rápida evaporação torna esse método de eficácia limitada em regiões áridas e semiáridas1. A aplicação de compostos de cobertura morta com óleo aumenta a coesão da areia e o atrito interpartículas. Sua propriedade coesiva une os grãos de areia; no entanto, a cobertura morta com óleo também apresenta outros problemas: sua cor escura aumenta a absorção de calor e leva à morte de plantas e microrganismos. Seu odor e vapores podem causar problemas respiratórios e, principalmente, seu alto custo é outro obstáculo. Os biopolímeros são um dos métodos ecologicamente corretos propostos recentemente para mitigar a erosão eólica; eles são extraídos de fontes naturais, como plantas, animais e bactérias. A goma xantana, a goma guar, a quitosana e a goma gelana são os biopolímeros mais comumente usados ​​em aplicações de engenharia⁵. No entanto, biopolímeros solúveis em água podem perder resistência e serem lixiviados do solo quando expostos à água¹³,¹⁴. A precipitação eletroquímica de íons (EICP) tem se mostrado um método eficaz de supressão de poeira para diversas aplicações, incluindo estradas não pavimentadas, barragens de rejeitos e canteiros de obras. Embora seus resultados sejam promissores, algumas desvantagens potenciais devem ser consideradas, como o custo e a falta de sítios de nucleação (que aceleram a formação e a precipitação de cristais de CaCO₃¹⁵,¹⁶).
A precipitação de carbonato induzida por microrganismos (MICP) foi descrita pela primeira vez no final do século XIX por Murray e Irwin (1890) e Steinmann (1901) em seu estudo sobre a degradação da ureia por microrganismos marinhos17. A MICP é um processo biológico natural que envolve uma variedade de atividades microbianas e processos químicos nos quais o carbonato de cálcio é precipitado pela reação de íons carbonato de metabólitos microbianos com íons cálcio no ambiente18,19. A MICP envolvendo o ciclo do nitrogênio degradador de ureia (MICP degradadora de ureia) é o tipo mais comum de precipitação de carbonato induzida por microrganismos, na qual a urease produzida por bactérias catalisa a hidrólise da ureia20,21,22,23,24,25,26,27 da seguinte forma:
Na MICP envolvendo o ciclo do carbono da oxidação de sais orgânicos (MICP sem degradação de ureia), bactérias heterotróficas usam sais orgânicos como acetato, lactato, citrato, succinato, oxalato, malato e glioxilato como fontes de energia para produzir minerais carbonatos28. Na presença de lactato de cálcio como fonte de carbono e íons de cálcio, a reação química de formação de carbonato de cálcio é mostrada na equação (5).
No processo MICP, as células bacterianas fornecem sítios de nucleação particularmente importantes para a precipitação de carbonato de cálcio; a superfície da célula bacteriana é carregada negativamente e pode atuar como um adsorvente para cátions divalentes, como os íons de cálcio. Ao adsorver íons de cálcio nas células bacterianas, quando a concentração de íons carbonato é suficiente, os cátions de cálcio e os ânions carbonato reagem e o carbonato de cálcio é precipitado na superfície bacteriana29,30. O processo pode ser resumido da seguinte forma31,32:
Os cristais de carbonato de cálcio biogerados podem ser divididos em três tipos: calcita, vaterita e aragonita. Dentre eles, a calcita e a vaterita são os alomorfos de carbonato de cálcio induzidos por bactérias mais comuns33,34. A calcita é o alomorfo de carbonato de cálcio termodinamicamente mais estável35. Embora a vaterita seja considerada metaestável, ela eventualmente se transforma em calcita36,37. A vaterita é o mais denso desses cristais. É um cristal hexagonal que possui melhor capacidade de preenchimento de poros do que outros cristais de carbonato de cálcio devido ao seu tamanho maior38. Tanto o MICP degradado por ureia quanto o não degradado por ureia podem levar à precipitação de vaterita13,39,40,41.
Embora a MICP tenha demonstrado potencial promissor na estabilização de solos problemáticos e suscetíveis à erosão eólica42,43,44,45,46,47,48, um dos subprodutos da hidrólise da ureia é a amônia, que pode causar problemas de saúde de leves a graves, dependendo do nível de exposição49. Esse efeito colateral torna o uso dessa tecnologia controverso, especialmente quando grandes áreas precisam ser tratadas, como na supressão de poeira. Além disso, o odor da amônia é intolerável quando o processo é realizado com altas taxas de aplicação e grandes volumes, o que pode afetar sua aplicabilidade prática. Embora estudos recentes tenham demonstrado que os íons amônio podem ser reduzidos por meio de sua conversão em outros produtos, como a estruvita, esses métodos não removem completamente os íons amônio50. Portanto, ainda há necessidade de explorar soluções alternativas que não gerem íons amônio. O uso de vias de degradação não relacionadas à ureia para a MICP pode fornecer uma solução potencial que tem sido pouco explorada no contexto da mitigação da erosão eólica. Fattahi et al. Investigaram a degradação de MICP sem ureia usando acetato de cálcio e Bacillus megaterium41, enquanto Mohebbi et al. usaram acetato de cálcio e Bacillus amyloliquefaciens9. No entanto, o estudo deles não foi comparado com outras fontes de cálcio e bactérias heterotróficas que poderiam, em última análise, melhorar a resistência à erosão eólica. Há também uma carência de literatura que compare as vias de degradação sem ureia com as vias de degradação com ureia na mitigação da erosão eólica.
Além disso, a maioria dos estudos sobre erosão eólica e controle de poeira foi realizada em amostras de solo com superfícies planas.1,51,52,53 No entanto, superfícies planas são menos comuns na natureza do que colinas e depressões. É por isso que as dunas de areia são a característica paisagística mais comum em regiões desérticas.
Para superar as limitações mencionadas, este estudo teve como objetivo introduzir um novo conjunto de agentes bacterianos não produtores de amônia. Para isso, consideramos vias de precipitação microbiana de carbonato (MICP) que não degradam ureia. A eficiência de duas fontes de cálcio (formiato de cálcio e acetato de cálcio) foi investigada. Até onde sabemos, a precipitação de carbonato utilizando duas combinações de fontes de cálcio e bactérias (formiato de cálcio-Bacillus subtilis e formiato de cálcio-Bacillus amyloliquefaciens) não foi investigada em estudos anteriores. A escolha dessas bactérias baseou-se nas enzimas que produzem, as quais catalisam a oxidação do formiato de cálcio e do acetato de cálcio para formar a precipitação microbiana de carbonato. Conduzimos um estudo experimental completo para determinar os fatores ótimos, como pH, tipos de bactérias e fontes de cálcio e suas concentrações, a proporção entre a solução bacteriana e a fonte de cálcio e o tempo de cura. Por fim, a eficácia desse conjunto de agentes bacterianos na supressão da erosão eólica por meio da precipitação de carbonato de cálcio foi investigada através da realização de uma série de testes em túnel de vento em dunas de areia para determinar a magnitude da erosão eólica, a velocidade limite de desprendimento e a resistência da areia ao bombardeio eólico. Também foram realizadas medições de penetrômetro e estudos microestruturais (como análise de difração de raios X (DRX) e microscopia eletrônica de varredura (MEV)).
A produção de carbonato de cálcio requer íons de cálcio e íons carbonato. Os íons de cálcio podem ser obtidos de diversas fontes de cálcio, como cloreto de cálcio, hidróxido de cálcio e leite em pó desnatado^54,55. Os íons carbonato podem ser produzidos por diversos métodos microbianos, como hidrólise da ureia e oxidação aeróbica ou anaeróbica da matéria orgânica⁵⁶. Neste estudo, os íons carbonato foram obtidos a partir da reação de oxidação de formiato e acetato. Além disso, utilizamos sais de cálcio de formiato e acetato para produzir carbonato de cálcio puro, obtendo-se, portanto, apenas CO₂ e H₂O como subprodutos. Nesse processo, apenas uma substância serve como fonte de cálcio e fonte de carbonato, e não há produção de amônia. Essas características tornam o método de produção de fonte de cálcio e carbonato que consideramos muito promissor.
As reações correspondentes do formiato de cálcio e do acetato de cálcio para formar carbonato de cálcio são mostradas nas fórmulas (7)-(14). As fórmulas (7)-(11) mostram que o formiato de cálcio se dissolve em água para formar ácido fórmico ou formiato. A solução é, portanto, uma fonte de íons cálcio e hidróxido livres (fórmulas 8 e 9). Como resultado da oxidação do ácido fórmico, os átomos de carbono do ácido fórmico são convertidos em dióxido de carbono (fórmula 10). O carbonato de cálcio é finalmente formado (fórmulas 11 e 12).
Da mesma forma, o carbonato de cálcio é formado a partir do acetato de cálcio (equações 13–15), exceto que, em vez de ácido fórmico, forma-se ácido acético ou acetato.
Sem a presença de enzimas, o acetato e o formiato não podem ser oxidados à temperatura ambiente. A FDH (formato desidrogenase) e a CoA (coenzima A) catalisam a oxidação do formiato e do acetato para formar dióxido de carbono, respectivamente (Eqs. 16, 17) 57, 58, 59. Diversas bactérias são capazes de produzir essas enzimas, e bactérias heterotróficas, nomeadamente Bacillus subtilis (PTCC nº 1204 (Coleção Persa de Culturas Tipo), também conhecida como NCIMB nº 13061 (Coleção Internacional de Bactérias, Leveduras, Fagos, Plasmídeos, Sementes de Plantas e Culturas de Tecidos Celulares Vegetais)) e Bacillus amyloliquefaciens (PTCC nº 1732, NCIMB nº 12077), foram utilizadas neste estudo. Essas bactérias foram cultivadas em um meio contendo peptona de carne (5 g/L) e extrato de carne (3 g/L), denominado caldo nutritivo (NBR) (105443 Merck).
Assim, foram preparadas quatro formulações para induzir a precipitação de carbonato de cálcio utilizando duas fontes de cálcio e duas bactérias: formiato de cálcio e Bacillus subtilis (FS), formiato de cálcio e Bacillus amyloliquefaciens (FA), acetato de cálcio e Bacillus subtilis (AS) e acetato de cálcio e Bacillus amyloliquefaciens (AA).
Na primeira parte do projeto experimental, foram realizados testes para determinar a combinação ideal que resultaria na máxima produção de carbonato de cálcio. Como as amostras de solo continham carbonato de cálcio, um conjunto de testes de avaliação preliminar foi elaborado para medir com precisão o CaCO3 produzido pelas diferentes combinações, e misturas de meio de cultura e soluções de fonte de cálcio foram avaliadas. Para cada combinação de fonte de cálcio e solução bacteriana definida anteriormente (FS, FA, AS e AA), fatores de otimização (concentração da fonte de cálcio, tempo de cura, concentração da solução bacteriana medida pela densidade óptica da solução (DO), proporção entre fonte de cálcio e solução bacteriana e pH) foram derivados e utilizados nos testes em túnel de vento para tratamento de dunas de areia descritos nas seções seguintes.
Para cada combinação, foram realizados 150 experimentos para estudar o efeito da precipitação de CaCO3 e avaliar diversos fatores, como a concentração da fonte de cálcio, o tempo de cura, o valor de DO bacteriano, a proporção entre a fonte de cálcio e a solução bacteriana e o pH durante a oxidação aeróbica da matéria orgânica (Tabela 1). A faixa de pH para o processo otimizado foi selecionada com base nas curvas de crescimento de Bacillus subtilis e Bacillus amyloliquefaciens, visando obter um crescimento mais rápido. Isso é explicado com mais detalhes na seção Resultados.
As etapas a seguir foram utilizadas para preparar as amostras para a fase de otimização. A solução de MICP foi preparada ajustando-se o pH inicial do meio de cultura e, em seguida, autoclavada a 121 °C por 15 min. A cepa foi então inoculada em fluxo laminar e mantida em incubadora com agitação a 30 °C e 180 rpm. Assim que a densidade óptica (DO) das bactérias atingiu o nível desejado, a solução foi misturada com a solução da fonte de cálcio na proporção desejada (Figura 1a). A solução de MICP foi deixada reagir e solidificar em incubadora com agitação a 220 rpm e 30 °C pelo tempo necessário para atingir o valor alvo. O CaCO3 precipitado foi separado após centrifugação a 6000 g por 5 min e, em seguida, seco a 40 °C para preparar as amostras para o teste de calcimetria (Figura 1b). A precipitação de CaCO3 foi então medida utilizando um calcímetro de Bernard, onde o pó de CaCO3 reage com HCl 1,0 N (ASTM-D4373-02) para produzir CO2, e o volume desse gás é uma medida do teor de CaCO3 (Figura 1c). Para converter o volume de CO2 em teor de CaCO3, uma curva de calibração foi gerada lavando-se o pó de CaCO3 puro com HCl 1 N e plotando-a em função do CO2 liberado. A morfologia e a pureza do pó de CaCO3 precipitado foram investigadas utilizando imagens de MEV (Microscopia Eletrônica de Varredura) e análise de DRX (Difração de Raios X). Um microscópio óptico com ampliação de 1000x foi utilizado para estudar a formação de carbonato de cálcio ao redor das bactérias, a fase do carbonato de cálcio formado e a atividade das bactérias.
A Bacia de Dejegh é uma região conhecida por sua alta erosão, localizada no sudoeste da província de Fars, no Irã. Os pesquisadores coletaram amostras de solo erodido pelo vento nessa área, a partir da superfície. Os testes indicadores mostraram que o solo era arenoso mal selecionado com silte e foi classificado como SP-SM de acordo com o Sistema Unificado de Classificação de Solos (USC) (Figura 2a). A análise por difração de raios X (DRX) revelou que o solo de Dejegh era composto principalmente de calcita e quartzo (Figura 2b). Além disso, a análise por espectroscopia de raios X por dispersão de energia (EDX) indicou a presença de outros elementos, como alumínio (Al), potássio (K) e ferro (Fe), em menor proporção.
Para preparar as dunas de laboratório para os testes de erosão eólica, o solo foi compactado a partir de uma altura de 170 mm através de um funil de 10 mm de diâmetro até uma superfície firme, resultando em uma duna típica com 60 mm de altura e 210 mm de diâmetro. Na natureza, as dunas de areia de menor densidade são formadas por processos eólicos. De forma semelhante, a amostra preparada utilizando o procedimento acima apresentou a menor densidade relativa, γ = 14,14 kN/m³, formando um cone de areia depositado em uma superfície horizontal com um ângulo de repouso de aproximadamente 29,7°.
A solução MICP ideal obtida na seção anterior foi pulverizada na encosta da duna em taxas de aplicação de 1, 2 e 3 lm-2 e, em seguida, as amostras foram armazenadas em uma incubadora a 30 °C (Fig. 3) por 9 dias (ou seja, o tempo de cura ideal) e, posteriormente, retiradas para testes em túnel de vento.
Para cada tratamento, foram preparadas quatro amostras: uma para medir o teor de carbonato de cálcio e a resistência superficial utilizando um penetrômetro, e as três restantes para testes de erosão em três velocidades diferentes. Nos testes em túnel de vento, a quantidade de erosão foi determinada em diferentes velocidades do vento e, em seguida, a velocidade limite de ruptura para cada amostra tratada foi determinada utilizando um gráfico da quantidade de erosão versus a velocidade do vento. Além dos testes de erosão eólica, as amostras tratadas foram submetidas a bombardeio de areia (ou seja, experimentos de salto). Duas amostras adicionais foram preparadas para esse fim, com taxas de aplicação de 2 e 3 L m⁻². O teste de bombardeio de areia durou 15 minutos com um fluxo de 120 g m⁻¹, que está dentro da faixa de valores selecionados em estudos anteriores⁶⁰,⁶¹,⁶². A distância horizontal entre o bocal abrasivo e a base da duna era de 800 mm, localizado a 100 mm acima do fundo do túnel. Essa posição foi definida de forma que quase todas as partículas de areia saltadas caíssem sobre a duna.
O teste em túnel de vento foi realizado em um túnel de vento aberto com 8 m de comprimento, 0,4 m de largura e 1 m de altura (Figura 4a). O túnel de vento é feito de chapas de aço galvanizado e pode gerar uma velocidade de vento de até 25 m/s. Além disso, um conversor de frequência é usado para ajustar a frequência do ventilador e aumentá-la gradualmente para obter a velocidade de vento desejada. A Figura 4b mostra o diagrama esquemático das dunas de areia erodidas pelo vento e o perfil de velocidade do vento medido no túnel de vento.
Finalmente, para comparar os resultados da formulação MICP não urealítica proposta neste estudo com os resultados do teste de controle MICP urealítico, amostras de dunas também foram preparadas e tratadas com uma solução biológica contendo ureia, cloreto de cálcio e Sporosarcina pasteurii (já que Sporosarcina pasteurii possui uma capacidade significativa de produzir urease63). A densidade óptica da solução bacteriana foi de 1,5 e as concentrações de ureia e cloreto de cálcio foram de 1 M (selecionadas com base nos valores recomendados em estudos anteriores36,64,65). O meio de cultura consistiu em caldo nutritivo (8 g/L) e ureia (20 g/L). A solução bacteriana foi pulverizada na superfície da duna e deixada por 24 horas para a adesão bacteriana. Após 24 horas de adesão, uma solução cimentante (cloreto de cálcio e ureia) foi pulverizada. O teste de controle MICP urealítico será referido daqui em diante como UMC. O teor de carbonato de cálcio das amostras de solo tratadas urealiticamente e não urealiticamente foi obtido por lavagem de acordo com o procedimento proposto por Choi et al.66
A Figura 5 mostra as curvas de crescimento de Bacillus amyloliquefaciens e Bacillus subtilis no meio de cultura (solução nutritiva) com uma faixa de pH inicial de 5 a 10. Como mostrado na figura, Bacillus amyloliquefaciens e Bacillus subtilis cresceram mais rapidamente em pH 6-8 e 7-9, respectivamente. Portanto, essa faixa de pH foi adotada na etapa de otimização.
Curvas de crescimento de (a) Bacillus amyloliquefaciens e (b) Bacillus subtilis em diferentes valores iniciais de pH do meio de cultura.
A Figura 6 mostra a quantidade de dióxido de carbono produzido no calcômetro de Bernard, que representa o carbonato de cálcio precipitado (CaCO3). Como um fator foi fixado em cada combinação e os demais foram variados, cada ponto nesses gráficos corresponde ao volume máximo de dióxido de carbono naquele conjunto de experimentos. Como mostrado na figura, à medida que a concentração da fonte de cálcio aumentou, a produção de carbonato de cálcio também aumentou. Portanto, a concentração da fonte de cálcio afeta diretamente a produção de carbonato de cálcio. Como a fonte de cálcio e a fonte de carbono são as mesmas (ou seja, formiato de cálcio e acetato de cálcio), quanto mais íons de cálcio forem liberados, mais carbonato de cálcio será formado (Figura 6a). Nas formulações AS e AA, a produção de carbonato de cálcio continuou a aumentar com o aumento do tempo de cura até que a quantidade de precipitado permanecesse praticamente inalterada após 9 dias. Na formulação FA, a taxa de formação de carbonato de cálcio diminuiu quando o tempo de cura ultrapassou 6 dias. Comparada com as outras formulações, a formulação FS apresentou uma taxa de formação de carbonato de cálcio relativamente baixa após 3 dias (Figura 6b). Nas formulações FA e FS, 70% e 87% da produção total de carbonato de cálcio foi obtida após três dias, enquanto nas formulações AA e AS, essa proporção foi de apenas cerca de 46% e 45%, respectivamente. Isso indica que a formulação à base de ácido fórmico apresenta uma taxa de formação de CaCO3 mais elevada no estágio inicial em comparação com a formulação à base de acetato. No entanto, a taxa de formação diminui com o aumento do tempo de cura. Pode-se concluir, a partir da Figura 6c, que mesmo em concentrações bacterianas acima de DO1, não há contribuição significativa para a formação de carbonato de cálcio.
Variação no volume de CO2 (e conteúdo correspondente de CaCO3) medida pelo calcímetro de Bernard em função de (a) concentração da fonte de cálcio, (b) tempo de presa, (c) DO, (d) pH inicial, (e) proporção da fonte de cálcio para a solução bacteriana (para cada formulação); e (f) quantidade máxima de carbonato de cálcio produzida para cada combinação de fonte de cálcio e bactérias.
Em relação ao efeito do pH inicial do meio, a Figura 6d mostra que, para FA e FS, a produção de CaCO3 atingiu um valor máximo em pH 7. Essa observação está de acordo com estudos anteriores que demonstram que as enzimas FDH são mais estáveis ​​em pH 7-6,7. No entanto, para AA e AS, a precipitação de CaCO3 aumentou quando o pH ultrapassou 7. Estudos anteriores também mostraram que a faixa de pH ideal para a atividade da enzima CoA é de 8 a 9,2-6,8. Considerando que as faixas de pH ideais para a atividade da enzima CoA e o crescimento de B. amyloliquefaciens são (8-9,2) e (6-8), respectivamente (Figura 5a), espera-se que o pH ideal da formulação AA seja 8, e as duas faixas de pH se sobrepõem. Esse fato foi confirmado pelos experimentos, conforme mostrado na Figura 6d. Como o pH ótimo para o crescimento de B. subtilis é de 7 a 9 (Figura 5b) e o pH ótimo para a atividade da enzima CoA é de 8 a 9,2, espera-se que o rendimento máximo de precipitação de CaCO3 esteja na faixa de pH de 8 a 9, o que é confirmado pela Figura 6d (ou seja, o pH ótimo de precipitação é 9). Os resultados mostrados na Figura 6e indicam que a proporção ideal entre a solução da fonte de cálcio e a solução bacteriana é 1, tanto para a solução de acetato quanto para a de formiato. Para comparação, o desempenho de diferentes formulações (ou seja, AA, AS, FA e FS) foi avaliado com base na produção máxima de CaCO3 sob diferentes condições (ou seja, concentração da fonte de cálcio, tempo de cura, DO, proporção entre a fonte de cálcio e a solução bacteriana e pH inicial). Entre as formulações estudadas, a formulação FS apresentou a maior produção de CaCO3, que foi aproximadamente três vezes maior que a da formulação AA (Figura 6f). Quatro experimentos de controle sem bactérias foram conduzidos para ambas as fontes de cálcio e nenhuma precipitação de CaCO3 foi observada após 30 dias.
As imagens de microscopia óptica de todas as formulações mostraram que a vaterita era a principal fase na qual o carbonato de cálcio se formava (Figura 7). Os cristais de vaterita tinham formato esférico69,70,71. Observou-se que o carbonato de cálcio precipitava nas células bacterianas porque a superfície destas era carregada negativamente e podia atuar como um adsorvente para cátions divalentes. Tomando a formulação FS como exemplo neste estudo, após 24 horas, o carbonato de cálcio começou a se formar em algumas células bacterianas (Figura 7a) e, após 48 horas, o número de células bacterianas revestidas com carbonato de cálcio aumentou significativamente. Além disso, como mostrado na Figura 7b, partículas de vaterita também puderam ser detectadas. Finalmente, após 72 horas, um grande número de bactérias parecia estar ligado aos cristais de vaterita, e o número de partículas de vaterita aumentou significativamente (Figura 7c).
Observações por microscopia óptica da precipitação de CaCO3 em composições FS ao longo do tempo: (a) 24, (b) 48 e (c) 72 h.
Para investigar mais a fundo a morfologia da fase precipitada, foram realizadas análises de difração de raios X (DRX) e microscopia eletrônica de varredura (MEV) dos pós. Os espectros de DRX (Fig. 8a) e as micrografias de MEV (Fig. 8b, c) confirmaram a presença de cristais de vaterita, que apresentavam formato semelhante a uma alface e apresentavam correspondência entre os picos da vaterita e os picos do precipitado.
(a) Comparação dos espectros de difração de raios X do CaCO3 formado e da vaterita. Micrografias SEM da vaterita com ampliações de (b) 1 kHz e (c) 5,27 kHz, respectivamente.
Os resultados dos testes em túnel de vento são mostrados nas Figuras 9a e 9b. Pode-se observar na Figura 9a que a velocidade de erosão limite (VEL) da areia não tratada é de aproximadamente 4,32 m/s. Na taxa de aplicação de 1 l/m² (Figura 9a), as inclinações das retas de perda de solo para as frações FA, FS, AA e UMC são aproximadamente as mesmas que para a duna não tratada. Isso indica que o tratamento, nessa taxa de aplicação, é ineficaz e, assim que a velocidade do vento ultrapassa a VEL, a fina crosta de solo desaparece e a taxa de erosão da duna se iguala à da duna não tratada. A inclinação da erosão da fração AS também é menor que a das outras frações com abscissas menores (ou seja, VEL) (Figura 9a). As setas na Figura 9b indicam que, na velocidade máxima do vento de 25 m/s, não ocorreu erosão nas dunas tratadas com as taxas de aplicação de 2 e 3 l/m². Em outras palavras, para FS, FA, AS e UMC, as dunas foram mais resistentes à erosão eólica causada pela deposição de CaCO³ nas taxas de aplicação de 2 e 3 l/m² do que na velocidade máxima do vento (ou seja, 25 m/s). Assim, o valor de TDV de 25 m/s obtido nesses testes é o limite inferior para as taxas de aplicação mostradas na Figura 9b, exceto para o caso de AA, onde o TDV é quase igual à velocidade máxima do túnel de vento.
Teste de erosão eólica: (a) Perda de peso versus velocidade do vento (taxa de aplicação de 1 l/m²), (b) Velocidade limite de arrancamento versus taxa de aplicação e formulação (CA para acetato de cálcio, CF para formiato de cálcio).
A Figura 10 mostra a erosão superficial das dunas de areia tratadas com diferentes formulações e taxas de aplicação após o teste de bombardeio de areia, e os resultados quantitativos são mostrados na Figura 11. O caso sem tratamento não é mostrado porque não apresentou resistência e foi completamente erodido (perda total de massa) durante o teste de bombardeio de areia. É evidente na Figura 11 que a amostra tratada com a biocomposição AA perdeu 83,5% de seu peso na taxa de aplicação de 2 l/m², enquanto todas as outras amostras apresentaram menos de 30% de erosão durante o processo de bombardeio de areia. Quando a taxa de aplicação foi aumentada para 3 l/m², todas as amostras tratadas perderam menos de 25% de seu peso. Em ambas as taxas de aplicação, o composto FS apresentou a melhor resistência ao bombardeio de areia. A resistência máxima e mínima ao bombardeio nas amostras tratadas com FS e AA pode ser atribuída à sua precipitação máxima e mínima de CaCO₃ (Figura 6f).
Resultados do bombardeio de dunas de areia de diferentes composições com vazões de 2 e 3 l/m2 (as setas indicam a direção do vento, as cruzes indicam a direção do vento perpendicular ao plano do desenho).
Conforme mostrado na Figura 12, o teor de carbonato de cálcio em todas as formulações aumentou com o aumento da taxa de aplicação de 1 L/m² para 3 L/m². Além disso, em todas as taxas de aplicação, a formulação com maior teor de carbonato de cálcio foi a FS, seguida pela FA e pela UMC. Isso sugere que essas formulações podem apresentar maior resistência superficial.
A Figura 13a mostra a variação na resistência superficial de amostras de solo não tratadas, de controle e tratadas, medida por permeâmetro. A partir dessa figura, fica evidente que a resistência superficial das formulações UMC, AS, FA e FS aumentou significativamente com o aumento da taxa de aplicação. No entanto, o aumento na resistência superficial foi relativamente pequeno na formulação AA. Como mostrado na figura, as formulações FA e FS de MICP não degradado por ureia apresentam melhor permeabilidade superficial em comparação com o MICP degradado por ureia. A Figura 13b mostra a variação na velocidade de desprendimento limite (TDV) com a resistência superficial do solo. A partir dessa figura, fica claro que, para dunas com resistência superficial superior a 100 kPa, a velocidade de desprendimento limite ultrapassará 25 m/s. Como a resistência superficial in situ pode ser facilmente medida por permeâmetro, esse conhecimento pode ajudar a estimar a TDV na ausência de testes em túnel de vento, servindo, portanto, como um indicador de controle de qualidade para aplicações em campo.
Os resultados da microscopia eletrônica de varredura (MEV) são mostrados na Figura 14. As Figuras 14a-b mostram as partículas ampliadas da amostra de solo não tratada, o que indica claramente que ela é coesa e não possui ligações ou cimentação naturais. A Figura 14c mostra a micrografia de MEV da amostra de controle tratada com MICP degradado por ureia. Esta imagem mostra a presença de precipitados de CaCO3 como polimorfos de calcita. Como mostrado nas Figuras 14d-o, o CaCO3 precipitado une as partículas; cristais esféricos de vaterita também podem ser identificados nas micrografias de MEV. Os resultados deste estudo e de estudos anteriores indicam que as ligações de CaCO3 formadas como polimorfos de vaterita também podem fornecer resistência mecânica razoável; nossos resultados mostram que a resistência superficial aumenta para 350 kPa e a velocidade de separação limite aumenta de 4,32 para mais de 25 m/s. Este resultado é consistente com os resultados de estudos anteriores que a matriz do CaCO3 precipitado por MICP é vaterita, que tem resistência mecânica razoável e resistência à erosão eólica13,40 e pode manter uma resistência razoável à erosão eólica mesmo após 180 dias de exposição às condições ambientais de campo13.
(a, b) Micrografias SEM de solo não tratado, (c) controle de degradação de ureia por MICP, (df) amostras tratadas com AA, (gi) amostras tratadas com AS, (jl) amostras tratadas com FA e (mo) amostras tratadas com FS a uma taxa de aplicação de 3 L/m2 em diferentes ampliações.
A Figura 14d-f mostra que, após o tratamento com compostos AA, o carbonato de cálcio precipitou na superfície e entre os grãos de areia, embora alguns grãos de areia não revestidos também tenham sido observados. Para os componentes AS, embora a quantidade de CaCO3 formada não tenha aumentado significativamente (Fig. 6f), a quantidade de contatos entre os grãos de areia causados ​​pelo CaCO3 aumentou significativamente em comparação com os compostos AA (Fig. 14g-i).
A partir das Figuras 14j-l e 14m-o, fica claro que o uso de formiato de cálcio como fonte de cálcio leva a um aumento adicional na precipitação de CaCO3 em comparação com o composto AS, o que está de acordo com as medições do medidor de cálcio na Figura 6f. Esse CaCO3 adicional parece se depositar principalmente nas partículas de areia e não necessariamente melhora a qualidade do contato. Isso confirma o comportamento observado anteriormente: apesar das diferenças na quantidade de precipitação de CaCO3 (Figura 6f), as três formulações (AS, FA e FS) não diferem significativamente em termos de desempenho antieólico (vento) (Figura 11) e resistência superficial (Figura 13a).
Para melhor visualizar as células bacterianas revestidas com CaCO3 e a impressão bacteriana nos cristais precipitados, foram obtidas micrografias de MEV (microscopia eletrônica de varredura) de alta magnificação, cujos resultados são mostrados na Figura 15. Como pode ser observado, o carbonato de cálcio precipita sobre as células bacterianas, fornecendo os núcleos necessários para a precipitação. A figura também ilustra as ligações ativas e inativas induzidas pelo CaCO3. Pode-se concluir que qualquer aumento nas ligações inativas não leva necessariamente a uma melhoria adicional no comportamento mecânico. Portanto, o aumento da precipitação de CaCO3 não resulta necessariamente em maior resistência mecânica, sendo o padrão de precipitação um fator importante. Este ponto também foi estudado nos trabalhos de Terzis e Laloui72 e Soghi e Al-Kabani45,73. Para explorar ainda mais a relação entre o padrão de precipitação e a resistência mecânica, recomenda-se a realização de estudos de MICP (precipitação induzida por cálcio) utilizando imagens de µCT (microtomografia computadorizada), o que está além do escopo deste estudo (ou seja, a introdução de diferentes combinações de fonte de cálcio e bactérias para MICP sem amônia).
O CaCO3 induziu ligações ativas e inativas em amostras tratadas com (a) composição AS e (b) composição FS e deixou uma marca de células bacterianas no sedimento.
Como mostrado nas Figuras 14j-o e 15b, há um filme de CaCO₃ (de acordo com a análise EDX, a composição percentual de cada elemento no filme é de 11% de carbono, 46,62% de oxigênio e 42,39% de cálcio, o que é muito próximo da porcentagem de CaCO₃ na Figura 16). Este filme recobre os cristais de vaterita e as partículas do solo, ajudando a manter a integridade do sistema solo-sedimento. A presença deste filme foi observada apenas nas amostras tratadas com a formulação à base de formiato.
A Tabela 2 compara a resistência superficial, a velocidade de desprendimento limite e o teor de CaCO3 bioinduzido de solos tratados com vias de MICP degradadoras e não degradadoras de ureia em estudos anteriores e neste estudo. Estudos sobre a resistência à erosão eólica de amostras de dunas tratadas com MICP são limitados. Meng et al. investigaram a resistência à erosão eólica de amostras de dunas degradadoras de ureia tratadas com MICP usando um soprador de folhas,¹³ enquanto neste estudo, amostras de dunas não degradadoras de ureia (bem como controles degradadores de ureia) foram testadas em um túnel de vento e tratadas com quatro combinações diferentes de bactérias e substâncias.
Como se pode observar, alguns estudos anteriores consideraram altas taxas de aplicação, superiores a 4 L/m²13,41,74. Vale ressaltar que altas taxas de aplicação podem não ser facilmente aplicáveis ​​em campo do ponto de vista econômico, devido aos custos associados ao abastecimento de água, transporte e aplicação de grandes volumes de água. Taxas de aplicação mais baixas, como 1,62-2 L/m², também alcançaram resistências superficiais bastante boas, de até 190 kPa, e TDV superior a 25 m/s. No presente estudo, dunas tratadas com MICP à base de formiato, sem degradação por ureia, alcançaram altas resistências superficiais, comparáveis ​​às obtidas com a via de degradação por ureia, na mesma faixa de taxas de aplicação (ou seja, amostras tratadas com MICP à base de formiato, sem degradação por ureia, também foram capazes de atingir a mesma faixa de valores de resistência superficial relatada por Meng et al., 13, Figura 13a) em taxas de aplicação mais elevadas. Também se pode observar que, na taxa de aplicação de 2 L/m2, o rendimento de carbonato de cálcio para mitigação da erosão eólica a uma velocidade do vento de 25 m/s foi de 2,25% para o MICP à base de formiato sem degradação da ureia, o que é muito próximo da quantidade necessária de CaCO3 (ou seja, 2,41%) em comparação com as dunas tratadas com o MICP de controle com degradação da ureia na mesma taxa de aplicação e na mesma velocidade do vento (25 m/s).
Assim, pode-se concluir desta tabela que tanto a via de degradação com ureia quanto a via de degradação sem ureia podem proporcionar um desempenho bastante aceitável em termos de resistência superficial e TDV. A principal diferença é que a via de degradação sem ureia não contém amônia e, portanto, tem um menor impacto ambiental. Além disso, o método MICP baseado em formiato sem degradação de ureia proposto neste estudo parece ter um desempenho melhor do que o método MICP baseado em acetato sem degradação de ureia. Embora Mohebbi et al. tenham estudado o método MICP baseado em acetato sem degradação de ureia, o estudo deles incluiu amostras em superfícies planas⁹. Devido ao maior grau de erosão causado pela formação de vórtices ao redor das amostras de dunas e ao cisalhamento resultante, que leva a um menor TDV, espera-se que a erosão eólica das amostras de dunas seja mais evidente do que a de superfícies planas na mesma velocidade.