Biomineralizzazione della sabbia corallina da parte del Bacillus thuringiensis isolato da una grotta di travertino

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 8687 (2023) Citare questo articolo

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Il travertino è un prodotto tipico della mineralizzazione microbica presente in natura e la sua composizione minerale è principalmente calcite e aragonite. In questo articolo, il Bacillus thuringiensis, un tipo di batterio mineralizzato, viene estratto dal cristallo di travertino per cementare la sabbia corallina, e viene studiato l'effetto di rinforzo della tecnologia di precipitazione di carbonato indotta microbica (MICP) sulla sabbia corallina in diversi tempi di cementazione. Innanzitutto, le condizioni di coltura vengono ottimizzate in nove coppie di prove, tra cui il contenuto di urea, l'inoculazione microbica, la velocità dell'agitatore e il tempo di incubazione. Nelle condizioni di coltura ottimali, la sabbia corallina viene cementata mediante il metodo dell'ammollo. Con l’aumento dei tempi di rinforzo, il coefficiente di permeabilità del campione di sabbia si riduce a 10−4 cm/s e la resistenza al taglio aumenta di oltre il 130%. Rispetto a Sporosarcina pasteurii, la coesione e l'angolo di attrito interno della colonna di sabbia corallina cementata da Bacillus thuringiensis sono aumentati rispettivamente di oltre il 50% e il 10%. La distribuzione dell'area dello spettro T2 mostra che con l'aumento del numero di cementazioni, l'ampiezza del picco principale diminuisce, indicando che i pori grandi sono meglio riempiti, anche il numero di pori medi e piccoli è ridotto e l'area dei pori è significativamente ridotto, con un'ampiezza di circa il 44%. Gli esperimenti di cui sopra hanno verificato che i microrganismi presenti nel travertino potrebbero essere utilizzati anche nella tecnologia MICP e persino ottenere un migliore effetto di rinforzo. Fornisce inoltre un nuovo modo e un'idea per la selezione dei batteri mineralizzati mediante la tecnologia MICP.

Rischi tecnici come perdite di crepe nelle fondamenta delle dighe1, inquinamento da residui di metalli pesanti2, liquefazione delle fondazioni3,4 e instabilità dei pendii5 spesso portano a perdite di proprietà e persino vittime. Per molto tempo, professionisti e ricercatori scientifici sono stati impegnati a studiare misure rilevanti per ridurre il verificarsi di tali problemi ingegneristici. La tecnologia di biomineralizzazione è una promettente tecnologia di ingegneria civile sviluppata sulla base della ricerca interdisciplinare negli ultimi anni. Ha buone prospettive di applicazione nell'affrontare tali problemi di ingegneria. La precipitazione di carbonati indotta da microbi (MICP) è uno dei tipici rappresentanti della biomineralizzazione. Questa tecnologia utilizza principalmente alcuni microrganismi idrolitici dell'urea, che possono formare carbonato di calcio con funzione di cementazione guidando l'idrolisi dell'urea e utilizzando ioni carbonato e ioni calcio nella soluzione. Sotto l'azione del MICP, il terreno sciolto viene cementato o la fessura viene sigillata, in modo da soddisfare i corrispondenti requisiti ingegneristici.

Attualmente, le principali specie microbiche utilizzate nella tecnologia MICP sono Bacillus pasteuris octadiae (CGMCC 1.3687), Sporosarcina pasterurii (ATCC 11859), Bacillus pasteuris octadiae (DSMZ 33) e Bacillus spheriformis (LMG 22257). Con lo sviluppo nello studio del rinforzo del suolo, molti studiosi hanno separato in modo indipendente diversi tipi di batteri idrolitici dell'urea e hanno ottenuto una serie di risultati nella riduzione della permeabilità e nel miglioramento della resistenza del suolo. Chu et al.6 hanno separato il Bacillus sp.VS1 dalla sabbia delle spiagge tropicali e hanno utilizzato i batteri per rafforzare i terreni sabbiosi di grandi dimensioni, migliorando la resistenza alla permeabilità e le proprietà meccaniche delle fondamenta del terreno rinforzato. Qian et al.7 hanno utilizzato il Bacillus S3 estratto per cementare la colonna di sabbia, la resistenza alla compressione dei campioni ha raggiunto 1,9 MPa dopo il trattamento, hanno utilizzato il Bacillus S3 separato per rinforzare il terreno sabbioso, la resistenza alla compressione della sabbia cementata si è avvicinata 2MPa. Khan et al.8 hanno isolato il Parahodobacter sp. dal terreno vicino alla spiaggia e lo ha applicato per trattare la sabbia corallina nel test dell'ago, l'UCS stimato dei campioni in alcuni punti potrebbe superare i 7 MPa.