Biomineralisation von Korallensand durch Bacillus thuringiensis, isoliert aus einer Travertinhöhle

May 31, 2024

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 8687 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Travertin ist ein typisches Produkt der mikrobiellen Mineralisierung in der Natur und seine Mineralzusammensetzung besteht hauptsächlich aus Calcit und Aragonit. In dieser Arbeit wird Bacillus thuringiensis, eine Art mineralisierendes Bakterium, aus dem Travertinkristall extrahiert, um Korallensand zu zementieren, und die verstärkende Wirkung der mikrobiell induzierten Karbonatfällungstechnologie (MICP) auf Korallensand bei verschiedenen Zementierungszeiten untersucht. Zunächst werden die Kulturbedingungen in neun Versuchspaaren optimiert, darunter Harnstoffgehalt, mikrobielle Inokulation, Schüttelgeschwindigkeit und Inkubationszeit. Unter optimalen Kulturbedingungen wird der Korallensand durch das Einweichverfahren zementiert. Mit zunehmender Bewehrungsdauer sinkt der Permeabilitätskoeffizient der Sandprobe auf 10−4 cm/s und die Scherfestigkeit erhöht sich um mehr als 130 %. Im Vergleich zu Sporosarcina pasteurii sind die Kohäsion und der innere Reibungswinkel der durch Bacillus thuringiensis zementierten Korallensandsäule um mehr als 50 % bzw. 10 % erhöht. Die Flächenverteilung des T2-Spektrums zeigt, dass mit zunehmender Zementierungszahl die Amplitude des Hauptpeaks abnimmt, was darauf hindeutet, dass die großen Poren besser gefüllt sind, die Anzahl der mittleren und kleinen Poren ebenfalls verringert ist und die Porenfläche kleiner wird deutlich reduziert, wobei die Amplitude etwa 44 % beträgt. Die oben genannten Experimente bestätigten, dass Mikroorganismen in Travertin auch in der MICP-Technologie eingesetzt werden könnten und sogar eine bessere Verstärkungswirkung erzielt werden könnten. Es bietet auch eine neue Möglichkeit und Idee für die Auswahl mineralisierter Bakterien durch die MICP-Technologie.

Technische Gefahren wie Risslecks im Dammfundament1, Schwermetallverschmutzung2, Fundamentverflüssigung3,4 und Hanginstabilität5 führen oft zu Sachschäden und sogar zu Todesfällen. Seit langem beschäftigen sich einschlägige Praktiker und wissenschaftliche Forscher mit der Untersuchung relevanter Maßnahmen zur Reduzierung des Auftretens solcher technischer Probleme. Die Biomineralisationstechnologie ist eine vielversprechende Bauingenieurtechnologie, die auf der Grundlage interdisziplinärer Forschung in den letzten Jahren entwickelt wurde. Es hat gute Anwendungsaussichten bei der Bewältigung solcher technischer Probleme. Die mikrobiell induzierte Karbonatfällung (MICP) ist einer der typischen Vertreter der Biomineralisierung. Diese Technologie nutzt hauptsächlich einige harnstoffhydrolytische Mikroorganismen, die Kalziumkarbonat mit zementierender Funktion bilden können, indem sie die Harnstoffhydrolyse vorantreiben und Karbonationen und Kalziumionen in der Lösung verwenden. Unter der Einwirkung von MICP wird der lockere Boden zementiert oder der Riss abgedichtet, um die entsprechenden technischen Anforderungen zu erfüllen.

Derzeit werden in der MICP-Technologie hauptsächlich Bacillus pasteuris octadiae (CGMCC 1.3687), Sporosarcina pasterurii (ATCC 11859), Bacillus pasteuris octadiae (DSMZ 33) und Bacillus spheriformis (LMG 22257) verwendet. Mit der Weiterentwicklung der Bodenverstärkungsforschung trennten viele Wissenschaftler unabhängig voneinander verschiedene Arten von Harnstoffhydrolysebakterien und erzielten eine Reihe von Erfolgen bei der Verringerung der Durchlässigkeit und der Verbesserung der Bodenfestigkeit. Chu et al.6 trennten den Bacillus sp.VS1 aus tropischem Strandsand und nutzten die Bakterien zur Stärkung großformatiger Sandböden. Der Durchlässigkeitswiderstand und die mechanischen Eigenschaften des verstärkten Bodenfundaments wurden verbessert. Qian et al.7 verwendeten den extrahierten Bacillus S3 zum Zementieren der Sandsäule. Die ermittelte Druckfestigkeit der Proben erreichte nach der Behandlung 1,9 MPa. Sie verwendeten den abgetrennten Bacillus S3 zur Verstärkung des Sandbodens. Die Druckfestigkeit des zementierten Sandes näherte sich an 2 MPa. Khan et al.8 isolierten den Parahodobacter sp. Aus dem Boden in der Nähe von Beachrock und der Anwendung zur Behandlung von Korallensand im Nadeltest konnte der geschätzte UCS der Proben an einigen Stellen 7 MPa überschreiten.

Karbonatmineralien sind in der Natur weit verbreitet; zum Beispiel Kalkstein, Marmor, Dolomit. Diese Gesteinsarten enthalten große Mengen an Kalziumkarbonat. In der Natur können verschiedene Mikroorganismen während ihres Stoffwechsels die Bildung von Calciumcarbonat induzieren. Es ist erwähnenswert, dass Travertin eines der typischen Calciumcarbonatprodukte in diesem Stoffwechselweg ist. Der Karbonatniederschlag ist über die ganze Welt verteilt9. Im Bewegungsprozess der Geologie und des Wassersystems lösen sich die Kalziumionen in der Kalksteinschicht ständig im Grundwasser auf, wodurch das Grundwasser einen hohen Gehalt an mineralischem Kalzium enthält. Wenn Grundwasser über die Erdoberfläche fließt, verbindet sich das im Grundwasser gelöste Mineral Kalzium mit H2O und CO2 in der Umgebung zu Kalziumkarbonat-Niederschlägen und wandelt sich dann in Travertin um. Die Untersuchung der Mikrobenmineralisierung zeigt, dass Mikroben eine wichtige Rolle bei der Bildung von Karbonatgesteinen spielen. Fouke10, Sugihara et al.11 und Javad et al.12 fanden heraus, dass Mikroben in der Travertin-Ablagerungsumgebung weit verbreitet sind und dass einige Arten von extrazellulären Metaboliten, die von Mikroorganismen während des Wachstumsprozesses produziert werden, freies Ca2+ oder CaCO3 in Wasser und Mikroorganismen einfangen und aggregieren können dienen als Vorlagen für die Keimbildung und das Wachstum von Calciumcarbonatkristallen13. Darüber hinaus kann der mikrobielle Stoffwechsel die Bildung von Travertinablagerungen fördern14. Tugba et al.15 und Zhang et al.16 fanden heraus, dass die Bildung von Travertin den Leckagedurchgang besser abdichten kann und auch gebrochene oder gebrochene Karbonatsteinstrukturen in einigen Felsformationen wieder verbinden kann, um die Bruchoberfläche zu heilen und so zu verbessern die Undurchlässigkeit und Stabilität unterirdischer Bauwerke.

Derzeit hat die MICP-Technologie große Fortschritte bei der Verstärkung von Kieselsand erzielt17,18,19,20, während die Anwendung der MICP-Technologie bei der Behandlung von Korallensand21 weniger untersucht wurde. Studien zur Mikrostruktur und Scherfestigkeit der zementierten Korallensandproben sind vergleichsweise selten. Auf dieser Grundlage wurden die aus Travertin gewonnenen harnstoffhydrolytischen Bakterien zur Zementierung von Korallensand verwendet. An den zementierten Proben wurden der Perkolationstest und der Schertest durchgeführt, um deren physikalische und mechanische Eigenschaften zu bewerten. Zur quantitativen Analyse der Poren wurde die Kernspinresonanz-Bildgebungstechnologie (NMR) eingesetzt, und zur Analyse des Zementierungszustands wurde das Rasterelektronenmikroskop (REM) eingesetzt. Abschließend wurde die Zementierungswirkung von Korallensand umfassend bewertet.

Bei der Felduntersuchung einer unterirdischen Kammer eines Wasserkraftprojekts stellten die Autoren fest, dass das Phänomen der Travertinkristallisation an der Sickerstelle in der Kammer offensichtlich war und einige der kleinen Risse auf natürliche Weise durch Travertinkristalle repariert worden waren, wie in Abb. 1a. Abbildung 1b ist eine typische Travertinprobe aus dieser Kammer. Die in dieser Arbeit verwendeten harnstoffhydrolytischen Bakterien wurden aus dieser Probe extrahiert.

Typischer Travertin: (a) Travertin-Phänomen im Tunnel; (b) Travertinkristalle.

Die detaillierte Extraktion und Reinigung des Harnstoff-hydrolytischen Bakterienprozesses war wie folgt:

1 g Travertinprobe wurde in einen Keramikmörser gegeben und vorsichtig zu Pulver zerstoßen, das Pulver mit 99 ml sterilem Wasser vermischt und dann in einen 250 ml Erlenmeyerkolben gegossen. Der Erlenmeyerkolben wurde 5 Minuten lang geschüttelt, um das Pulver gleichmäßig zu verteilen. Somit wurde ein Verdünnungsmittel mit einer Konzentration von 1/100 (10–2) g/ml erhalten.

1 ml Verdünnungsmittel wurde in ein Reagenzglas mit 9 ml sterilem Wasser gegeben und dann nacheinander verdünnt, um jeweils 10–3, 10–4, 10–5, 10–6 bzw. 10–7 g/ml zu erhalten. Mit der Pipettenpistole wurden 0,2 ml Verdünnungsmittel mit 10–5, 10–6 bzw. 10–7 g/ml absorbiert und dann auf das Agarplattenmedium inokuliert. Zur gleichmäßigen Verteilung wurde ein steril beschichteter Glasstab verwendet, das beschichtete Plattenmedium wurde umgedreht und 24 Stunden lang bei einer Temperatur von 30 °C in den Inkubator gestellt.

Als die Bakterien auf dem Plattenmedium wuchsen, wurden die verstreuten und glatten Kolonien mit dem Impfring aufgenommen und auf dem Agar-Schrägmedium mit der „Z“-Linie inokuliert. Nach der Inokulation wird das Schrägmedium bei gleicher Kulturtemperatur und -zeit in den Inkubator gegeben.

Wenn die Bakterien auf dem Schrägkulturmedium gewachsen sind, inokuliert man die Kolonien erneut in das Plattenkulturmedium und wiederholt dies 4 bis 5 Mal, um den gereinigten Bakterienstamm zu erhalten.

Nachdem die Bakterien gereinigt waren, wurden 100 ml des vorbereiteten flüssigen Kulturmediums entnommen und in einen Erlenmeyerkolben mit einem Fassungsvermögen von 250 ml gegeben, mit dem Impfring wurden die Kolonien im Schrägkulturmedium in den Erlenmeyerkolben beimpft und dann gegeben Den Erlenmeyerkolben 48 Stunden lang in einen Schüttler mit einer Temperatur von 30 °C und einer Rotationsgeschwindigkeit von 120 U/min geben, um die expandierte Kulturflüssigkeit zu erhalten.

Die Bakterienkonzentration und die Ureaseaktivität wurden als zwei Indikatoren zur Messung der MICP-Leistung von Bacillus thuringiensis verwendet. Bei der Messung wurde eine Wellenlänge von 600 nm (OD600) verwendet, sodass der Wert von OD600 die Konzentration der Bakterienlösung darstellen konnte22. Die Urease-Aktivität wurde anhand der elektrischen Leitfähigkeit anhand der folgenden Schritte gemessen: 1 ml Bakterienlösung wurde zu 9 ml 1,1 mol/l Harnstofflösung gegeben und die Änderung der elektrischen Leitfähigkeit (ms/cm·min) in 5 Minuten wurde durch Multiplikation des Verdünnungsvielfachen gemessen um die Urease-Aktivität (mmol/L min)23 zu erhalten. Die Bakterienkonzentration (OD600-Wert) wurde mit 1,28 gemessen und die Urease-Aktivität betrug 13,63 mmol/L min. Unter den gleichen Kulturbedingungen betrugen die Bakterienkonzentration und die Ureaseaktivität von Sporosarcina pasteurii 0,84 bzw. 10,49 mmol/L min. Im Vergleich zu Sporosarcina pasteurii war die Bakterienkonzentration und Ureaseaktivität des aus der Travertinprobe isolierten Stammes um 34,38 % bzw. 29,93 % erhöht, was darauf hindeutet, dass der Stamm eine höhere Fähigkeit zur Ureaseproduktion aufweist. Agarplatten-Kulturmedium, Agar-Schrägkulturmedium und flüssiges Kulturmedium sind in Abb. 2 dargestellt. Die Morphologie der gereinigten Bakterien wurde mit einem optischen Mikroskop beobachtet, wie in Abb. 3 gezeigt. Das Medium bestand aus den folgenden Komponenten: 10 g /L Pepton, 3 g/L Rindfleischextrakt, 5 g/L Natriumchlorid und 20,02 g/L Harnstoff. Zur Isolierung der Bakterien wurden dem festen Kulturmedium (Plattenkulturmedium und Schrägkulturmedium) gleichzeitig 15 g/L Agar zugesetzt. Schließlich wurden die gereinigten Bakterien durch 16S-rDNA-Sequenzierung als Bacillus thuringiensis identifiziert.

Verschiedene Arten von Medien: (a) Agarplatten-Kulturmedium; (b) Agar-Schrägkulturmedium; (c) Flüssiges Kulturmedium.

Morphologie der gereinigten Bakterien.

Um die Bakterienkonzentration und Urease-Aktivität weiter zu verbessern, wird laut relevanten Untersuchungen22,24 der Harnstoffgehalt (20,02 g/L, 40,04 g/L, 60,06 g/L) und die mikrobielle Inokulation (10 ml/L, 15 ml/L) erhöht. L, 20 ml/L), Schüttelgeschwindigkeit (120 U/min, 150 U/min und 180 U/min) und Inkubationszeit (24 h, 48 h, 72 h) wurden als vier Einflussfaktoren ausgewählt, um die beste Kultur zu erhalten Bedingungen von Bacillus thuringiensis. Die Konzentration der Bakterienlösung wurde durch ein orthogonales Experiment auf die oben genannten vier Faktoren getestet, und das orthogonale Experiment L9 (34) wurde verwendet und die orthogonale Testtabelle ist in Tabelle 1 dargestellt. Der mit einem Spektrophotometer gemessene Absorptionswert (OD600) wurde als Konzentration genommen Bakterienlösung. Die detaillierten Ergebnisse sind in Tabelle 2 dargestellt.

Die OD600-Mittelwerte lagen im Bereich von 1,25 bis 1,83 und die Mittelwerte der Ureaseaktivität lagen im Bereich von 11,29 bis 15,86 mmol/L min (siehe Tabelle 2). Test Nr. 3 und Test Nr. Test Nr. 7 hatte relativ höhere OD600-Werte, aber im Vergleich zu Test Nr. 3 benötigte Test Nr. 7 weniger mikrobielle Inokulation und eine kürzere Kulturzeit, um eine höhere Bakterienkonzentration zu erreichen, sodass Test Nr. 7 in dieser Arbeit als optimale Kulturbedingung ausgewählt wurde. Das heißt, die Kulturbedingungen für Bacillus thuringiensis waren wie folgt: Harnstoffgehalt 60,06 g/L, mikrobielle Inokulation 10 ml/L, Schüttelgeschwindigkeit 180 U/min und Inkubationszeit 48 Stunden. Alle im anschließenden Zementtest verwendeten Bacillus thuringiensis wurden in diesem Zustand kultiviert.

Der Zementierungstest von Korallensand wurde durch freie Infiltration durchgeführt. Die Formen zum Halten des Korallensands waren elastische, poröse Silikonformen mit einem Durchmesser von 50 mm und einer Höhe von 100 mm. Die Seitenwand der Form war porös. Um zu verhindern, dass der Korallensand am Boden ausläuft, wurde am Boden der Form eine Fixierhülse mit einem Innendurchmesser von 50 mm angebracht (dazu war in der Mitte des Bodens der Fixierhülse ein kleines Loch angebracht). Um das Abfließen der Abfallflüssigkeit zu erleichtern, wurde ein Verband verwendet, um die Befestigungshülse am Boden der Form zu befestigen, wie in Abb. 4 dargestellt.

Elastische poröse Silikonform.

Die spezifische Dichte des Korallensandes betrug 2,80. Um die Verstärkungswirkung zu optimieren und eine zementierte Sandsäule mit gleichmäßiger Festigkeit zu erhalten, wurden die Proben nach der Siebung mit dem geotechnischen Standardsieb vorbereitet. Die Partikelverteilungskurve ist in Abb. 5 dargestellt.

Partikelverteilungskurve.

Um die Auswirkung der unterschiedlichen Zementierungszeiten auf den Korallensand zu untersuchen, wurden zwei verschiedene Zementierungsgruppen betrachtet, eine davon wurde 7-mal, die andere 14-mal zementiert. Darüber hinaus betrugen die Temperatur und die Luftfeuchtigkeit im Labor 25 °C bzw. 40 %.

Gemäß Abb. 6 wurde der Zementierungstest in den folgenden Schritten durchgeführt.

Zementierungsprozess des Korallensandes.

Vor der Zementierung wurde der Korallensand vorbehandelt, indem er 12 bzw. 25 Stunden lang in 0,1 mol/l HCl-Lösung und dann in 0,1 mol/l NaOH-Lösung eingeweicht und dann mit destilliertem Wasser gewaschen und zur späteren Verwendung bis zur Gewichtskonstanz getrocknet wurde.

Der Korallensand wurde in drei Schichten geteilt und in eine elastische, poröse Silikonform gegeben. Jede Schicht wurde leicht gerüttelt und verdichtet. Die Oberfläche jeder Schicht wurde aufgeraut, um die Schichten zu verdichten. Dann wurde das destillierte Wasser von der Oberseite der Form eingespritzt, um die Luft zwischen den Sandpartikeln zu entfernen.

80 ml Bakterienlösung wurden in die Sandproben injiziert und die Bakterien blieben 12 Stunden lang in den Säulen, bis sie vollständig an den Sandpartikeln hafteten.

Die Zementierungslösung war eine Mischung aus 1 Mol/L Calciumchlorid und 1 Mol/L Harnstoff im gleichen Volumen. Nachdem sie gut vermischt waren, wurde die Zementierungslösung (160 ml, 0,5 mol/l) in die Sandprobe injiziert und 36 Stunden lang stehen gelassen, bis die Bakterien den Harnstoff vollständig hydrolysiert und die Calciumionen in der Lösung kombiniert haben, um Calciumcarbonat zu erzeugen .

Die Schritte (3) und (4) werden zusammen als eine Zementierungszeit bezeichnet und wurden sieben oder 14 Mal wiederholt, um den Korallensand zu zementieren.

Nach Erreichen der Zementierungszeiten jeder Gruppe wurden die zementierten Proben in den Thermostat bei 60 °C gegeben, bis sie das konstante Gewicht erreichten, und die anschließenden makroskopischen physikalisch-mechanischen oder mikroskopischen Tests wurden an ihnen durchgeführt.

Typische zementierte Sandproben sind in Abb. 7 dargestellt.

Typische mikrobiell zementierte Korallensandproben bei unterschiedlichen Zementierungszeiten.

Relevante Studien23 haben gezeigt, dass sich die Festigkeit der Sandprobe erheblich verbessert, wenn der Calciumcarbonatgehalt mehr als 60 kg/m3 beträgt. Daher ist der Calciumcarbonatgehalt einer der wichtigen Faktoren zur Messung der Verstärkungswirkung. Calciumcarbonatablagerungen in zementierten Quarzsandproben werden üblicherweise durch das Beizverfahren gemessen26, da Korallensand jedoch einen hohen Gehalt an Calciumcarbonat aufweist, ist das Beizverfahren nicht geeignet. Daher wird in dieser Arbeit der Gewichtsunterschied zwischen der Korallensandprobe vor und nach der Zementierung gemessen, um die Calciumcarbonat-Ausfällung zu unterscheiden.

Durch Wiegen der Masse der verschiedenen Gruppenproben vor und nach der Zementierung unter trockenen Bedingungen wurde die in der Sandsäule erzeugte Calciumcarbonatmasse berechnet und deren Gehalt in den Proben durch Umrechnung berechnet.

Abbildung 8 zeigt, dass der Calciumcarbonatgehalt in den Proben unter 7 Zementierungszeiten zwischen 17,75 und 21,95 % liegt, während er unter 14 Zementierungszeiten zwischen 23,85 und 30,00 % liegt, mit Mittelwerten von 19,82 % bzw. 27,66 %. Im Vergleich dazu ist der mittlere Gehalt der Proben mit 14 Zementierungszyklen etwa 8,00 % höher als der mit 7 Zementierungszyklen, was darauf hindeutet, dass je mehr Zementierungszyklen, desto mehr Kalziumkarbonat in den Sandproben ausfällt. Aus der typischen Probe in Abb. 7 ist auch ersichtlich, dass die Oberfläche der Probe nach 14 Zementierungszeiten offensichtlich glatter ist und weniger Poren aufweist als nach 7 Zeiten, was darauf hindeutet, dass mehr Kalziumkarbonat erzeugt wird, um die Poren zwischen und im Sand zu füllen Partikel.

Calciumcarbonatgehalt in den Sandproben bei unterschiedlichen Zementierungszeiten.

Der Calciumcarbonatgehalt in der Sandprobe nach 7 Zementierungszeiten beträgt nach Peng et al.21 10,70 %. Der Gehalt im In-situ-Injektions- und Bewehrungsversuch von Leon et al.27 liegt an verschiedenen Messpunkten zwischen 12,60 und 27,30 %. Der Niederschlagsgehalt von Zhao et al.28 wird durch das Waschen der Proben in HCl-Lösung (0,1 M) charakterisiert, um ausgefälltes Carbonat aufzulösen, und der maximale Calciumcarbonatgehalt beträgt etwa 14,40 %. Im Vergleich zu diesen Untersuchungen erzeugte der Bacillus thuringiensis in dieser Studie einen höheren Kalziumkarbonatgehalt in den Korallensandproben, was darauf hindeutet, dass der Bacillus thuringiensis eine gute Fähigkeit zur Kalziumkarbonatbildung besitzt.

Die Sickercharakteristik ist ebenso ein wichtiger Einflussfaktor für die mechanische Festigkeit zementierter Körper bei der Beurteilung der Verstärkungswirkung. Mit dem Gesteinsperkolationsmessgerät HYS-4 wurden Perkolationstests an den Sandproben unter verschiedenen osmotischen Drücken (0,5 MPa, 1,0 MPa, 1,5 MPa, 2,0 MPa, 2,5 MPa) und unterschiedlichen seitlichen Belastungen (1,0 MPa, 1,5 MPa, 2,0 MPa) durchgeführt , 2,5 MPa, 3,0 MPa), um die Perkolationseigenschaften zu untersuchen. Vor dem Test wurde die Probe 24 Stunden lang vakuumiert und mit destilliertem Wasser gesättigt, um sicherzustellen, dass der Sickerstrom in der Probe einphasig war.

Nach Formel (1) 29 kann der Permeabilitätskoeffizient von Proben unter unterschiedlichen seitlichen Belastungen und osmotischem Druck berechnet werden.

Dabei ist k der Permeabilitätskoeffizient der Sandprobe, Q die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit durch die Sandprobe in der Zeiteinheit, L die Länge der Sandprobe, γw die Wasserintensität und ΔP der Druckunterschied an beiden Enden der Sandprobe, A ist die Querschnittsfläche der Sandprobe.

Vorläufige Tests zeigen, dass der Permeabilitätskoeffizient der Kalksandprobe vor dem Zementieren etwa 10–2 cm/s beträgt. Nach dem Zementieren in verschiedenen Zyklen können die Autoren aus Abb. 9 erkennen, dass der Permeabilitätskoeffizient der Proben auf 10–4 cm gesunken ist /s um zwei Größenordnungen sinkt, steht dies im Einklang mit früheren Untersuchungen30,31, die zeigen, dass der Bacillus thuringiensis auch Korallensandpartikel gut füllen und zementieren und die Durchlässigkeit des verfestigten Körpers verbessern kann. Im Vergleich dazu ist der Permeabilitätskoeffizient der Probe bei 14 Zementierungszeiten mehr als 60 % niedriger als bei 7 Zementierungszeiten. Das heißt, Bacillus thuringiensis kann mit mehr Zementierungszyklen eine stärkere Calciumcarbonatausfällung induzieren. Die Proben werden mit dem ausgefällten CaCO3 gefüllt und die angrenzenden Sandpartikel werden dadurch zementiert, die inneren Poren der Probe verkleinern sich und somit verringert sich der Permeabilitätskoeffizient.

Permeabilitätskoeffizient der Sandproben bei unterschiedlichem osmotischem Druck und unterschiedlichen Zementierungszeiten.

Zur Analyse der Schereigenschaften wird der Scherversuch an den Sandsäulen durchgeführt. Die Scherversuche wurden mit Direktschergeräten durchgeführt (Abb. 10a). Die Scherbelastungsvorrichtung ist in Abb. 10b dargestellt. Für diesen Test werden vier Normalspannungen von 400 kPa, 600 kPa, 800 kPa und 1000 kPa berücksichtigt. Die Schergeschwindigkeit betrug 1 %/min32 und die Scherstoppbedingung lag vor, wenn die Scherfestigkeit auf einem relativ stabilen Wert gehalten wurde.

Direktschergerät: (a) computergesteuertes Direktscherprüfgerät YZW1000; (b) Scherbelastungsgerät.

Die Scherspannungs-Scherverschiebungs-Kurven typischer Proben sind in Abb. 11 dargestellt. Bei unterschiedlichen Zementierungszeiten sind die Scherspannungs-Scherverschiebungs-Kurven unter Scherlast im Wesentlichen gleich, das heißt, die Kurve neigt nach Erreichen allmählich dazu, stabil zu sein Spitzenfestigkeit und stellt den Zustand der Scherströmung dar. Der Unterschied besteht darin, dass mit zunehmender Zementationszeit die Scherfestigkeit bei gleicher Normalspannung unterschiedlich stark ansteigt. Im Vergleich zu 7 Zementierungszeiten erhöht sich die Scherfestigkeit der Proben unter 14 Zeiten um 41,2 %, 36,5 %, 32,3 % bzw. 29,6 %. Gleichzeitig nimmt die entsprechende Scherverschiebung zu, wenn die Kurve die relativ stabile Spitzenfestigkeit erreicht.

Schubspannungs-Schub-Verschiebungskurve der Sandproben bei unterschiedlichen Zementierungszeiten.

Um den Einfluss der beiden unterschiedlichen Zementierungszeiten auf die Scherfestigkeitsparameter weiter zu analysieren, wurde eine lineare Anpassung der Scherfestigkeit unter verschiedenen Normalspannungen durchgeführt und entsprechende Scherfestigkeitsparameter erhalten, wie in Abb. 12 dargestellt.

Scherfestigkeitsparameter zementierter Proben bei unterschiedlichen Zementierungszeiten.

Der innere Reibungswinkel und die Kohäsion der Sandproben für verschiedene Zementierungszeiten betragen 32,11° und 36,49°, 122,28 kPa bzw. 233,74 kPa. Im Vergleich zu 7-fach wird der Winkel der inneren Reibung und der Zusammenhalt von 14-fach um 13,63 % bzw. 91,15 % verbessert. Es zeigt sich, dass mit der Verlängerung der Zementierungszeiten die Kohäsion stark verbessert wird, was mit der Schlussfolgerung von Wu et al.33 übereinstimmt, und dass bei den gleichen Zementierungszyklen die Kohäsion und der innere Reibungswinkel in dieser Arbeit über 1,5 liegen mal und 1,1 mal größer als die Ergebnisse.

Kernspinresonanz (NMR) wurde verwendet, um die Wasserstoffatome im Inneren des porösen Mediums in einem Magnetfeld geringer Intensität zu erkennen, das T2-Verteilungsspektrum der Flüssigkeit in den Poren des Materials zu erhalten und dadurch die mikroskopischen Porenstruktureigenschaften zu analysieren im Inneren des porösen Mediums34. Zum Scannen der Proben wird das NMR-Bildanalysesystem MacroMR12-110H-1 verwendet. Anhand des T2-Verteilungsspektrums und relevanter charakteristischer Parameter werden die strukturellen Eigenschaften mikroskopischer Poren im Inneren der Sandproben quantitativ analysiert.

Die T2-Spektren einer typischen gesättigten zementierten Probe sind in Abb. 13 dargestellt. Die Abszisse stellt die Relaxationszeit und die Ordinate die Amplitude dar. Je länger die Entspannungszeit ist, desto größer sind die Poren. Je größer die Amplitude, desto mehr Poren sind vorhanden. Die T2-Spektren der Proben weisen mehrere Peaks auf, und der Hauptpeak liegt bei etwa 1000 ms. Das allgemeine Verteilungsmuster des Atlas ist nach rechts gerichtet. Es wird hauptsächlich durch eine lange Relaxationszeit und eine langsame Relaxationsgeschwindigkeit dominiert, was darauf hindeutet, dass die kleinen Poren in den Proben gut verschlossen sind.

Typische Verteilung des T2-Spektrums einer Probe bei unterschiedlichen Zementierungszeiten.

Der NMR-Spektralbereich kann die Änderungen in der Anzahl und Größe der Porenstruktur der Probe quantitativ beschreiben35. Gemäß dem Bildgebungsprinzip wird der Anteil der Flüssigkeitsfüllung in verschiedenen Poren verwendet, um die Porenverteilung widerzuspiegeln. Die Poren werden in kleine Poren (< 10 ms), mittlere Poren (10 ~ 100 ms) und große Poren (> 100) unterteilt ms) basierend auf der transversalen Relaxationszeit des T2-Spektralbereichs. Dann wird die T2-Spektralflächenverteilung unter jeder Porengröße berechnet.

Tabelle 3 zeigt die Änderung der Porenfläche des T2-Spektrums der Probe bei unterschiedlichen Zementierungszeiten. Im Allgemeinen stellen Makroporen den größten Teil der Porenfläche dar36. Aus Abb. 13 ist ersichtlich, dass mit zunehmender Zementierungsdauer die durch die Amplitude des T2-Spektrums erzeugte Menge an Calciumcarbonat zunimmt, wodurch die Poren zwischen und innerhalb der Sandpartikel besser gefüllt werden können. Daher nahm die Anzahl der Poren unter jeder Porengröße deutlich ab und die Gesamtporenfläche verringerte sich um 43,67 %.

Um den Füll- und Zementierungseffekt der Probe sowie die Höhe weiter zu beobachten, wurden der obere, mittlere und untere Abschnitt gescannt und analysiert. Abbildung 14 zeigt die Scanbilder der beiden Proben, wobei Schwarz der Hintergrund, Blau der Korallensand und die Kalziumkarbonat-Zementierung und Rot der Bereich ist, in dem sich die Wassermoleküle befinden. Je heller das Rot, desto dichter sind die Wassermoleküle und desto mehr Poren sind vorhanden.

NMR-Querschnittsscan der Sandproben bei unterschiedlichen Zementierungszeiten: (a) 7-mal; (b) 14 Mal.

Aus der Analyse des Scanabschnitts geht hervor, dass die Porengröße bei 14 Mal kleiner als bei 7 Mal ist, was zeigt, dass der gesamte Fülleffekt bei 14 Mal besser als bei 7 Mal ist. Da beim Zementierungsprozess die Zementierungszyklen von 7 relativ kürzer sind, ist die Menge des Kalziumkarbonatniederschlags aufgrund der unzureichenden Ansammlung von Kalziumkarbonat gering, der Fülleffekt großer Poren ist schlecht und die Scanergebnisse sind stark rot Der hervorgehobene Bereich stimmt mit den Verteilungsbereichen des T2-Spektrums überein. Beim Vergleich der Querschnittsprofile der beiden Proben zeigt sich, dass die Füllwirkung der Proben von oben nach unten abgeschwächt ist. Bei laufendem Verstärkungsexperiment kann das erzeugte Calciumcarbonat die Poren zwischen den Partikeln gut füllen und die benachbarten Partikel zementieren. Bei der Calciumcarbonat-Fällung werden die Poren der Probe nach und nach von oben nach unten besiedelt, die Infiltrationskanäle der Bakterien und der Zementierungslösung im anschließenden Zementierungsprozess werden verkleinert. Dadurch wird das ausgefällte Calciumcarbonat geschwächt, sodass die CaCO3-Kristalle gleichmäßig in den Proben verteilt sind. Der rote Teil tritt vom oberen zum unteren Bereich der Probe immer stärker hervor, was zu mehr Poren in den Proben führt.

Beim SEM-Scannen gebrochener Proben nach Scherversagen bei unterschiedlichen Zementierungszeiten werden die Zementierungszustände von Korallensandpartikeln bei 200- bzw. 1200-facher Vergrößerung beobachtet, wie in Abb. 15 dargestellt. Die Ergebnisse zeigen, dass hauptsächlich Kalziumkarbonat durch mikrobielle Mineralisierung entsteht in zwei Staaten aufgeteilt. Erstens befinden sich die CaCO3-Kristalle zwischen Korallensandpartikeln. Zweitens zementieren CaCO3-Kristalle zwei benachbarte Korallensandpartikel. Unter dem MICP-Effekt wird eine große Menge verstreuter Calciumcarbonat-Ausfällung erzeugt, die sich auf den Kern des Mikroorganismus konzentriert. Mit zunehmender Ausfällung und Akkumulation werden die Poren zwischen den Sandpartikeln langsam gefüllt, wodurch die beiden Sandpartikel miteinander zementiert werden . Durch den Vergleich lässt sich erkennen, dass es im Vergleich zu 7 Zementierungszeiten zu einem gewissen Grad an Verkleinerung der Poren zwischen den Partikeln kommt und dass die erzeugte Calciumcarbonat-Ausfällung zwischen den Partikeln und auf der Oberfläche der Partikel nach 14 Zementierungszeiten enger wird.

Die Mikrostruktur der Calciumcarbonat-Ausfällung in den Sandproben bei unterschiedlichen Zementierungszeiten: (a) 200-fache Vergrößerung unter 7-facher Vergrößerung; (b) 1200-fach unter 7-fach vergrößern; (c) 200-fache Vergrößerung unter 14-fach; (d) 1200-fache Vergrößerung unter 14-fach.

Gleichzeitig wurden SEM-Scanbilder der Kalksandpartikel vor der Zementierungsbehandlung als Referenz hinzugefügt, wie in Abb. 16 dargestellt. Es ist ersichtlich, dass Kalksandpartikel auch innere Poren enthalten, die durch die Calciumcarbonatausfällung nicht nur zementiert wurden Kalksandpartikel, sondern füllten auch die Poren im Inneren der Partikel.

Kalkhaltige Sandpartikel vor der Zementierungsbehandlung.

Die REM-Bilder der Proben unter 7 Zementierungszeiten zeigen, dass es mehr Kalziumkarbonatablagerungen zwischen den losen Körnern gibt, aber weniger Kalziumkarbonat zum Zementieren zweier benachbarter Sandpartikel verwendet wird. Der weniger effektive Kontakt zwischen den Partikeln führt zu mehr Poren zwischen den Sandpartikeln und einer weniger kompakten Zementierung. Aus makroökonomischer Sicht zeigt es, dass der Permeabilitätskoeffizient groß und die Scherfestigkeit nicht hoch ist.

Die Probe unter 14 Zementierungszeiten weist weniger Poren und mehr Kalziumkarbonat zwischen Sandpartikeln auf als 7 Mal. Das ausgefällte Kalziumkarbonat nimmt zu, der unzementierte Anteil zwischen den Partikeln nimmt ab, was dazu führt, dass um die Sandpartikel herum mehr Kalziumkarbonat entsteht, wobei die Größe des Kalziumkarbonats mit zunehmenden Zementierungszyklen zunimmt. Einerseits können Sandpartikel besser umhüllt und mit Poren zwischen Sandpartikeln gefüllt werden, andererseits werden die benachbarten unzementierten Korallensandpartikel durch die größere Calciumcarbonat-Ausfällung leichter zementiert, wodurch die beiden benachbarten Sandpartikel fest zementiert werden zu einem Ganzen. Makroskopisch werden die Permeabilität und Scherfestigkeit der zementierten Proben weiter verbessert.

Basierend auf der obigen Analyse können der Fülleffekt und der Zementierungszustand zwischen Korallensandpartikeln durch das Evolutionsmodell dargestellt werden, wie in Abb. 17 dargestellt.

Schematische Darstellung des MICP-Zement-Sandproben-Entwicklungsmodells: (a) Porenverteilung der Sandprobe vor der Verstärkung; (b) Bacillus thuringiensis, adsorbiert auf der Oberfläche von Sandpartikeln; (c) Calciumcarbonatverteilung in der Sandprobe für 7 Zementierungszeiten; (d) Calciumcarbonatverteilung in der Sandprobe für 14 Zementierungszeiten.

Aus Abb. 16a–d ist ersichtlich, dass Korallensand unterschiedlicher Größe auf natürliche Weise unterschiedlich große Poren in der porösen Form bildet. Und die losen Sandpartikel werden durch die Injektion der Bakterienlösung von negativ geladenen Bakterien in den Zellwänden eingeschlossen. Aufgrund des Stoffwechsels der Bakterien löst sich das erzeugte Kohlendioxid in Wasser auf und bildet Kohlensäurewurzel. Beim Einspritzen der Zementlösung sammeln sich die Kalziumionen in der Zementlösung um die Bakterien herum an und binden sich an das Carbonat in der Lösung. Um einen Calciumcarbonat-Niederschlag mit Bakterien als Keimbildungsstelle zu bilden, hat der Niederschlag eine zementierende Wirkung und kann die Poren zwischen Korallensandpartikeln füllen sowie benachbarte Sandpartikel zementieren.

Wenn einerseits der Korallensand durch die Infiltrationsmethode zementiert wird, zementiert und füllt das erzeugte Kalziumkarbonat während des Injektionsprozesses der Bakterien- und Zementierungslösung nach und nach die Poren im oberen Teil der Probe, wodurch der Infiltrationskanal entsteht Da die Lösung im späteren Stadium blockiert wird, weist die Probe das Phänomen der Inhomogenität von oben nach unten auf.

Andererseits ist die Porengrößenverteilung in der Probe aufgrund des Vorhandenseins unterschiedlich abgestufter Sandpartikel in der Probe relativ gleichmäßig. Wenn der Zementierungszyklus kürzer ist, ist die Menge an ausgefälltem Calciumcarbonat geringer und die Größe ist nicht groß, sodass die Füllwirkung der großen und mittleren Poren nicht gut ist. Mit zunehmender Zementierungsdauer nehmen die Calciumcarbonat-Ausfällungen zu und verfestigen sich miteinander, wodurch die Aggregatgröße des Calciumcarbonats zunimmt, sodass die Füllwirkung großer, mittlerer und kleiner Poren deutlich verbessert wird. Aus mikrokosmischen Testergebnissen geht hervor, dass die Anzahl der Poren im 7-fachen im Vergleich zum 14-fachen deutlich reduziert ist und die Zementierung zwischen den Sandpartikeln enger und fester ist. Aus Sicht der makrophysikalischen und mechanischen Eigenschaften nimmt die Permeabilität ab und die Festigkeit zu.

Dieser Artikel analysiert den Entstehungsprozess und die mikrobielle Umgebung von Travertin. Aus dem Travertin wird eine neue Art von Harnstoff-hydrolytischen Bakterien namens Bacillus thuringiensis extrahiert. Die relativ besseren Kulturbedingungen werden nach der Reinigung und Durchführung orthogonaler Tests an den Bakterien ausgewählt. Anschließend werden zwei Gruppen der Korallensand-Zementierungstests mit Bacillus thuringiensis durchgeführt. Es lassen sich folgende Schlussfolgerungen ziehen.

Die optimalen Kulturbedingungen für Bacillus thuringiensis sind wie folgt: 60,06 g/L Harnstoff, 10 ml/L Bakterienimpfung, 180 U/min Schüttelgeschwindigkeit des Schüttlers und 48 Stunden Kulturzeit.

Der Permeabilitätskoeffizient der Korallensandproben beträgt nur 10−4 cm/s. Im Allgemeinen gilt: Je länger die Zementierungsdauer, desto kleiner der Permeabilitätskoeffizient und desto größer die Scherfestigkeit. Im Vergleich zu den Sandproben mit üblicherweise verwendetem Sporosarcina pasterurii sind die Kohäsionskraft und der innere Reibungswinkel der durch Bacillus thuringiensis zementierten Sandproben um mehr als das 1,5-fache bzw. 1,1-fache erhöht.

NMR-Ergebnisse zeigen, dass die Verteilung von Calciumcarbonat entlang der Höhe der Sandprobe ungleichmäßig ist, da das beim Zementierungsprozess erzeugte Calciumcarbonat die Poren zwischen den Sandpartikeln verstopft, was dazu führt, dass sich die nachfolgenden Infiltrationskanäle für Bakterien und Zementierungslösung verringern Dies wirkt sich auf die Bildung von Kalziumkarbonat und den Sedimentationseffekt nach unten aus, was wiederum dazu führt, dass die Porosität der Probe von oben nach unten immer größer wird.

Die Ergebnisse der SEM-Analyse und das Entwicklungsmodell der Proben bei unterschiedlichen Zementierungszeiten zeigen, dass das erzeugte Calciumcarbonat die Poren zwischen den Sandpartikeln effektiv füllen und die benachbarten Sandpartikel zementieren kann. Je länger die Zementierungszeiten sind, desto mehr Kalziumkarbonat wird produziert und desto größer ist der Effekt einer effektiven Füllung und Zementierung von Sandpartikeln, insbesondere bei kleinen und mittleren Poren.

In der Folgeforschung werden wir weitere Faktoren berücksichtigen, die die Zementierungswirkung beeinflussen, einen Zusammenhang zwischen bestimmten Einflussfaktoren und der mechanischen Festigkeit herstellen, uns auf die statischen und dynamischen Eigenschaften des verfestigten Körpers konzentrieren und den Prozess der mikrobiellen Verstärkung von Korallensand optimieren um die Zementierungszeit zu verkürzen und die Zementierungsleistung zu verbessern und den optimierten Verstärkungsprozess auf das eigentliche Projekt anzuwenden, um entsprechende Managementideen für die Fundamentkonsolidierung und die Versickerungsschutzbehandlung in Korallensandgebieten bereitzustellen.

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Diese Studie wurde von der National Natural Science Foundation of China (Projekt-Nr. U2034203, 51979218, 51809151 und 51979151), dem Research Fund for Excellent Dissertation der China Three Gorges University (Projekt-Nr. 2020BSPY001) und der Natural Science Foundation der Provinz Hubei gefunden (Projekt-Nr. Z2018063).

Schlüssellabor für geologische Gefahren im Gebiet des Drei-Schluchten-Reservoirs, Bildungsministerium, Hochschule für Bauingenieurwesen und Architektur, China Three Gorges University, Yichang, 443000, Provinz Hubei, China

Yao Xiao, Huafeng Deng & Jianlin Li

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YX: Konzeptualisierung, Datenkuratierung, Verfassen des Originalentwurfs. HD: Methodik, formale Analyse, Rezension und Bearbeitung von Texten. JL: Untersuchung, Überwachung, Validierung.

Korrespondenz mit Huafeng Deng.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Xiao, Y., Deng, H. & Li, J. Biomineralisierung von Korallensand durch Bacillus thuringiensis, isoliert aus einer Travertinhöhle. Sci Rep 13, 8687 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-35893-z

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Eingegangen: 30. März 2022

Angenommen: 25. Mai 2023

Veröffentlicht: 29. Mai 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-35893-z

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