Biomineralización de arena de coral por Bacillus thuringiensis aislado de una cueva de travertino

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 8687 (2023) Citar este artículo

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El travertino es un producto típico de la mineralización microbiana en la naturaleza y su composición mineral es principalmente calcita y aragonito. En este artículo, se extrae Bacillus thuringiensis, un tipo de bacteria mineralizadora del cristal de travertino para cementar arena de coral, y se estudia el efecto de refuerzo de la tecnología de precipitación de carbonato inducida por microbios (MICP) en arena de coral bajo diferentes tiempos de cementación. En primer lugar, las condiciones de cultivo se optimizan en nueve pares de ensayos, incluido el contenido de urea, la inoculación microbiana, la velocidad del agitador y el tiempo de incubación. En condiciones óptimas de cultivo, la arena de coral se cementa mediante el método de remojo. Con el aumento de los tiempos de refuerzo, el coeficiente de permeabilidad de la muestra de arena se reduce a 10−4 cm/s, y la resistencia al corte aumenta en más del 130 %. En comparación con Sporosarcina pasteurii, la cohesión y el ángulo de fricción interna de la columna de arena de coral cementada por Bacillus thuringiensis aumentan en más del 50 % y el 10 %, respectivamente. La distribución del área del espectro T2 muestra que con el aumento del número de cementaciones, la amplitud del pico principal disminuye, lo que indica que los poros grandes se llenan mejor, también se reduce el número de poros medianos y pequeños, y el área de los poros es significativamente reducido, con una amplitud de alrededor del 44%. Los experimentos anteriores verificaron que el microorganismo en travertino también podría usarse en la tecnología MICP e incluso lograr un mejor efecto de refuerzo. También proporciona una nueva forma e idea para la selección de bacterias mineralizadas por tecnología MICP.

Los peligros de ingeniería, como la fuga de grietas en los cimientos de las presas1, la contaminación por relaves de metales pesados2, la licuefacción de los cimientos3,4 y la inestabilidad de las pendientes5, a menudo provocan pérdidas de propiedad e incluso víctimas. Durante mucho tiempo, los profesionales e investigadores científicos relevantes se han comprometido a estudiar medidas relevantes para reducir la aparición de tales problemas de ingeniería. La tecnología de biomineralización es una tecnología de ingeniería civil prometedora desarrollada sobre la base de la investigación interdisciplinaria en los últimos años. Tiene buenas perspectivas de aplicación para tratar tales problemas de ingeniería. La precipitación de carbonato inducida por microbios (MICP) es uno de los representantes típicos de la biomineralización. Esta tecnología utiliza principalmente algunos microorganismos hidrolíticos de urea, que pueden formar carbonato de calcio con función cementante impulsando la hidrólisis de la urea y utilizando iones de carbonato e iones de calcio en la solución. Bajo la acción de MICP, el suelo suelto se cementa o la grieta se sella, para lograr los requisitos de ingeniería correspondientes.

Actualmente, las principales especies microbianas utilizadas en la tecnología MICP son Bacillus pasteuris octadiae (CGMCC 1.3687), Sporosarcina pasterurii (ATCC 11859), Bacillus pasteuris octadiae (DSMZ 33) y Bacillus spheriformis (LMG 22257). Con el desarrollo en el estudio del refuerzo del suelo, muchos académicos separaron de forma independiente diferentes tipos de bacterias hidrolíticas de urea y lograron una serie de logros en la reducción de la permeabilidad y la mejora de la resistencia del suelo. Chu et al.6 separaron el Bacillus sp.VS1 de la arena de la playa tropical y utilizaron la bacteria para fortalecer suelos arenosos de gran tamaño, mejoraron la resistencia a la permeabilidad y las propiedades mecánicas de la base del suelo reforzado. Qian et al.7 utilizaron el Bacillus S3 extraído para cementar la columna de arena, la resistencia a la compresión recortada de las muestras alcanzó 1,9 MPa después del tratamiento, utilizaron el Bacillus S3 separado para reforzar el suelo arenoso, la resistencia a la compresión de la arena cementada se acercó a 2 MPa. Khan et al.8 aislaron la Parahodobacter sp. del suelo cerca de beachrock y lo aplicó para tratar arena de coral en la prueba de la aguja, la UCS estimada de los especímenes en algunos puntos podría exceder los 7 MPa.

Los minerales de carbonato se encuentran ampliamente distribuidos en la naturaleza; por ejemplo, piedra caliza, mármol, dolomita. Este tipo de rocas contienen altas cantidades de carbonato de calcio. En la naturaleza, una variedad de microorganismos pueden inducir la formación de carbonato de calcio durante su metabolismo. Vale la pena señalar que el travertino es uno de los productos típicos de carbonato de calcio en esta vía metabólica. La precipitación de carbonato está ampliamente distribuida por todo el mundo9. En el proceso de movimiento de la geología y el sistema de agua, los iones de calcio en el estrato de piedra caliza se disuelven constantemente en el agua subterránea, lo que hace que el agua subterránea tenga un alto contenido de calcio mineral. Cuando el agua subterránea se desborda en la superficie de la tierra, el calcio mineral disuelto en el agua subterránea se combina con el H2O y el CO2 en el medio ambiente para formar una precipitación de carbonato de calcio y luego convertirse en travertino. El estudio de la mineralización de microbios muestra que los microbios juegan un papel importante en la formación de rocas carbonatadas. Fouke10, Sugihara et al.11 y Javad et al.12 encontraron que los microbios existen ampliamente en el entorno de deposición de travertino, algunos tipos de metabolitos extracelulares producidos por microorganismos durante el proceso de crecimiento pueden capturar y agregar Ca2+ o CaCO3 libres en el agua, y los microorganismos sirven como moldes para la nucleación y el crecimiento de cristales de carbonato de calcio13. Además, el metabolismo microbiano puede promover la generación de depósitos de travertino14. Tugba et al.15 y Zhang et al.16 encontraron que la formación de travertino puede sellar mejor el paso de fuga y también puede volver a unir estructuras de piedra de carbonato rotas o fracturadas en algunas formaciones rocosas para curar la superficie de fractura, a fin de mejorar la impermeabilidad y estabilidad de las estructuras subterráneas.

En la actualidad, la tecnología MICP ha logrado grandes avances en el refuerzo de arenas silíceas17,18,19,20, mientras que la aplicación de la tecnología MICP en el tratamiento de arenas de coral21 ha sido menos estudiada. Los estudios sobre la microestructura y la resistencia al corte de las muestras de arena coralina cementada son relativamente menores. En base a esto, las bacterias hidrolíticas de urea extraídas del travertino se utilizaron para cementar arena de coral. La prueba de percolación y la prueba de corte se realizaron en las muestras cementadas para evaluar sus propiedades físicas y mecánicas. Se adoptó la tecnología de imágenes por resonancia magnética nuclear (RMN) para analizar cuantitativamente los poros, y se aplicó el microscopio electrónico de barrido (SEM) para analizar el estado de cementación. Finalmente, se evaluó exhaustivamente el efecto de cementación de la arena de coral.

En la investigación de campo de una cámara subterránea de un proyecto hidroeléctrico, los autores encontraron que el fenómeno de cristalización del travertino en el punto de filtración de la cámara era obvio, y algunas de las pequeñas grietas habían sido reparadas naturalmente con cristales de travertino, como se muestra en la Fig. 1a. La Figura 1b es una muestra típica de travertino tomada de esta cámara. Las bacterias hidrolíticas de urea utilizadas en este artículo se extrajeron de esta muestra.

Travertino típico: (a) Fenómeno de travertino en el túnel; (b) Cristales de travertino.

El proceso detallado de extracción y purificación del proceso de bacterias hidrolíticas de urea fue el siguiente:

Se puso 1 g de muestra de travertino en un mortero cerámico y se trituró suavemente hasta convertirlo en polvo, se mezcló el polvo con 99 ml de agua estéril y luego se vertió en un matraz cónico de 250 ml. El matraz cónico se agitó durante 5 min para dispersar uniformemente el polvo. Así, se obtuvo un diluyente con una concentración de 1/100 (10-2) g/mL.

Se colocó 1 mL de diluyente en un tubo de ensayo que contenía 9 mL de agua estéril y luego se diluyó para obtener 10–3, 10–4, 10–5, 10–6, 10–7 g/mL, respectivamente. La pistola de pipetas se utilizó para absorber 0,2 mL de diluyente con 10–5, 10–6, 10–7 g/mL, respectivamente, y luego se inoculó en el medio de la placa de agar. Se utilizó una varilla de vidrio recubierta estéril para dispersarlo uniformemente, y el medio de la placa recubierta se invirtió y se colocó en la incubadora a una temperatura de 30 °C durante 24 h.

Cuando la bacteria creció en el medio de la placa, usó el anillo de inoculación para recoger las colonias dispersas y uniformes, y las inoculó en el medio inclinado de agar con la línea 'Z'. Después de la inoculación, coloque el medio inclinado en la incubadora con la misma temperatura y tiempo de cultivo.

Cuando las bacterias crecieron en el medio de cultivo inclinado, inoculó las colonias en el medio de cultivo en placa nuevamente y repitió 4 ~ 5 veces para obtener la cepa bacteriana purificada.

Después de purificada la bacteria, se tomaron 100 mL del medio de cultivo líquido preparado y se colocaron en un matraz cónico con una capacidad de 250 mL, se usó el anillo de inoculación para inocular las colonias en el medio de cultivo inclinado en el matraz cónico y luego se puso el matraz cónico en un agitador con una temperatura de 30 ° C y una velocidad de rotación de 120 r/min durante 48 h para obtener el líquido de cultivo expandido.

La concentración bacteriana y la actividad de la ureasa se utilizaron como dos indicadores para medir el rendimiento MICP de Bacillus thuringiensis. En la medición se utilizó una longitud de onda de 600 nm (OD600), por lo que el valor de OD600 podría representar la concentración de la solución bacteriana22. La actividad de la ureasa se midió por conductividad eléctrica siguiendo los siguientes pasos: se añadió 1 mL de solución bacteriana a 9 mL de solución de urea 1,1 mol/L, y se midió el cambio de conductividad eléctrica (ms/cm min) en 5 min multiplicando el múltiplo de dilución para obtener la actividad de la ureasa (mmol/L min)23. La concentración bacteriana (valor OD600) se midió en 1,28 y la actividad de la ureasa fue de 13,63 mmol/L min. En las mismas condiciones de cultivo, la concentración bacteriana y la actividad de ureasa de Sporosarcina pasteurii fueron 0,84 y 10,49 mmol/L min, respectivamente. En comparación con Sporosarcina pasteurii, la concentración bacteriana y la actividad de ureasa de la cepa aislada de la muestra de travertino aumentaron un 34,38 % y un 29,93 %, lo que indica que la cepa tiene una mayor capacidad de producción de ureasa. El medio de cultivo en placa de agar, el medio de cultivo inclinado de agar y el medio de cultivo líquido se muestran en la Fig. 2. La morfología de las bacterias purificadas se observó mediante un microscopio óptico como se muestra en la Fig. 3. El medio estaba compuesto por los siguientes componentes: 10 g /L de peptona, 3 g/L de extracto de carne de res, 5 g/L de cloruro de sodio y 20,02 g/L de urea. Para aislar las bacterias, se añadieron 15 g/L de agar al medio de cultivo sólido (medio de cultivo en placa y medio de cultivo inclinado) al mismo tiempo. Finalmente, la bacteria purificada se identificó mediante secuenciación de ADNr 16S como Bacillus thuringiensis.

Diferentes tipos de medios: (a) medio de cultivo en placa de agar; (b) medio de cultivo inclinado de agar; (c) Medio de cultivo líquido.

Morfología de las bacterias purificadas.

Para mejorar aún más la concentración bacteriana y la actividad de la ureasa, según investigaciones relevantes22,24, el contenido de urea (20,02 g/L, 40,04 g/L, 60,06 g/L), la inoculación microbiana (10 mL/L, 15 mL/ L, 20 mL/L), la velocidad del agitador (120 r/min, 150 r/min y 180 r/min) y el tiempo de incubación (24 h, 48 h, 72 h) se seleccionaron como cuatro factores de influencia para obtener el mejor cultivo condiciones de Bacillus thuringiensis. La concentración de la solución bacteriana se probó mediante un experimento ortogonal para los cuatro factores anteriores, y se utilizó el experimento ortogonal L9 (34) y la tabla de prueba ortogonal se muestra en la Tabla 1. El valor de absorbancia (OD600) medido por espectrofotómetro se tomó como la concentración de solución bacteriana. Los resultados detallados se muestran en la Tabla 2.

Los valores medios de DO600 estaban dentro del rango de 1,25 a 1,83 y los valores medios de la actividad de la ureasa oscilaban entre 11,29 y 15,86 mmol/L min de la Tabla 2. Prueba N° 3 y prueba N°. 7 tenía valores de OD600 relativamente más altos, pero en comparación con la prueba n.º 3, la prueba n.º 7 necesitaba menos inoculación microbiana y un tiempo de cultivo más corto para lograr una mayor concentración bacteriana, por lo que se eligió la prueba n.º 7 como la condición de cultivo óptima en este documento. Es decir, la condición de cultivo para Bacillus thuringiensis fue la siguiente: contenido de urea 60,06 g/L, inoculación microbiana 10 mL/L, velocidad del agitador 180 r/min y tiempo de incubación 48 h. Todo el Bacillus thuringiensis utilizado en la prueba de cemento posterior se cultivó en esta condición.

El ensayo de cementación de arena de coral se realizó por infiltración libre. Los moldes para sujetar la arena de coral eran moldes de silicona porosa elástica de 50 mm de diámetro y 100 mm de altura. La pared lateral del molde era porosa. Para evitar que la arena de coral se filtre por el fondo, se colocó un manguito de fijación con un diámetro interior de 50 mm en el fondo del molde (había un pequeño orificio en el centro del fondo del manguito de fijación para para facilitar la salida del líquido de desecho), se utilizó un vendaje para unir el manguito de fijación al fondo del molde, como se muestra en la Fig. 4.

Molde de silicona porosa elástica.

La densidad específica de la arena de coral fue de 2,80. Con el fin de optimizar el efecto de refuerzo y obtener la columna de arena cementada con resistencia uniforme, las muestras se prepararon después de pasar por el tamiz estándar geotécnico. La curva de distribución de partículas se ilustra en la Fig. 5.

Curva de distribución de partículas.

Para estudiar el efecto de los diferentes tiempos de cementación en la arena de coral, se consideraron dos grupos de cementación diferentes, uno fue cementado 7 veces, el otro fue 14 veces. Además, la temperatura y la humedad en el laboratorio fueron de 25 °C y 40 %, respectivamente.

De acuerdo con la Fig. 6, la prueba de cementación se llevó a cabo mediante los siguientes pasos.

Proceso de cementación de la arena de coral.

Antes de la cementación, la arena de coral se pretrató empapándola en una solución de HCl de 0,1 mol/L y luego en una solución de NaOH de 0,1 mol/L durante 12 h, respectivamente 25, y luego se lavó con agua destilada y se secó hasta peso constante para su uso posterior.

La arena de coral se dividió en tres capas para ponerlas en un molde de silicona poroso elástico, cada capa se hizo vibrar y compactar ligeramente, se hizo rugosa la superficie de cada capa para compactar las capas. Luego se inyectó agua destilada desde la parte superior del molde para eliminar el aire entre las partículas de arena.

Se inyectaron 80 ml de solución de bacterias en las muestras de arena y las bacterias permanecieron en las columnas durante 12 h hasta que se adhirieron por completo a las partículas de arena.

La solución cementante fue una mezcla de 1 mol/L de cloruro de calcio y 1 mol/L de urea por el mismo volumen. Después de mezclarlos bien, se inyectó la solución cementante (160 mL 0,5 mol/L) en la muestra de arena y se dejó reposar durante 36 h hasta que las bacterias hidrolizaron por completo la urea y combinaron los iones de calcio en la solución para producir carbonato de calcio. .

Los pasos (3) y (4) se denominan colectivamente como un tiempo de cementación y se repitieron 7 o 14 veces para cementar la arena de coral.

Después de alcanzar los tiempos de cementación de cada grupo, las muestras cementadas se colocaron en el termostato a 60 °C hasta que alcanzaron el peso constante, y se les realizó el seguimiento correspondiente a las pruebas de mecánica física macroscópica o microscópica.

Las muestras típicas de arena cementada se muestran en la Fig.7.

Muestras típicas de arena de coral microbiana cementada bajo diferentes tiempos de cementación.

Estudios relevantes23 han demostrado que cuando el contenido de carbonato de calcio es superior a 60 kg/m3, la resistencia de la muestra de arena mejorará significativamente, por lo que el contenido de carbonato de calcio es uno de los factores importantes para medir el efecto de refuerzo. Los depósitos de carbonato de calcio en muestras de arena silícea cementada generalmente se miden mediante el proceso de decapado26, pero la arena de coral tiene un alto contenido de carbonato de calcio, el proceso de decapado no es adecuado. Por lo tanto, se mide la diferencia de peso entre la muestra de arena de coral antes y después de la cementación para distinguir la precipitación de carbonato de calcio en este documento.

Pesando la masa de las diferentes muestras del grupo antes y después de la cementación en condiciones secas, se calculó la masa de carbonato de calcio generada en la columna de arena, y su contenido en las muestras se calcula mediante conversión.

La figura 8 muestra que el contenido de carbonato de calcio se encuentra entre 17,75 y 21,95 % en las muestras con 7 tiempos de cementación, mientras que se encuentra entre 23,85 y 30,00 % con 14 tiempos, con valores medios de 19,82 % y 27,66 %, respectivamente. En comparación, el contenido medio para las muestras de 14 tiempos de cementación es aproximadamente un 8,00 % más alto que el de 7 veces, lo que indica que cuantos más ciclos de cementación, más precipitación de carbonato de calcio en las muestras de arena. También se puede ver en la muestra típica de la Fig. 7 que la superficie de la muestra bajo 14 tiempos de cementación es obviamente más suave y tiene menos poros que 7 veces, lo que indica que se genera más carbonato de calcio para llenar los poros entre y dentro de la arena. partículas

Contenido de carbonato de calcio en las muestras de arena bajo diferentes tiempos de cementación.

El contenido de carbonato de calcio en la muestra de arena después de 7 tiempos de cementación por Peng et al.21 es 10,70%. El contenido en el ensayo de lechada y refuerzo in situ de Leon et al.27 oscila entre 12,60 y 27,30% en diferentes puntos de medición. El contenido de precipitación de Zhao et al.28 se caracteriza por el lavado de las muestras en solución de HCl (0,1 M) para disolver el carbonato precipitado, y el contenido máximo de carbonato de calcio es de alrededor de 14,40%. En comparación con estas investigaciones, el Bacillus thuringiensis produjo un mayor contenido de carbonato de calcio en las muestras de arena de coral de este estudio, lo que indica que el Bacillus thuringiensis tiene una buena capacidad para generar carbonato de calcio.

La característica de filtración es igualmente un factor importante que influye en la resistencia mecánica de los cuerpos cementados al evaluar el efecto de refuerzo. El medidor de percolación de rocas HYS-4 se utilizó para realizar pruebas de percolación en las muestras de arena bajo diferentes presiones osmóticas (0,5 MPa, 1,0 MPa, 1,5 MPa, 2,0 MPa, 2,5 MPa) y diferentes tensiones laterales (1,0 MPa, 1,5 MPa, 2,0 MPa , 2,5 MPa, 3,0 MPa) para estudiar las características de percolación. Antes de la prueba, la muestra se aspiró y se saturó con agua destilada durante 24 h para garantizar que el flujo de filtración en la muestra fuera monofásico.

De acuerdo con la Fórmula (1) 29, se puede calcular el coeficiente de permeabilidad de muestras bajo diferentes tensiones laterales y presión osmótica.

donde, k es el coeficiente de permeabilidad de la muestra de arena, Q es la velocidad de flujo del fluido a través de la muestra de arena en la unidad de tiempo, L es la longitud de la muestra de arena, γw es la intensidad del agua, ΔP es la diferencia de carga en ambos extremos de la muestra de arena, A es el área de la sección transversal de la muestra de arena.

Las pruebas preliminares muestran que el coeficiente de permeabilidad de la muestra de arena calcárea antes de cementar es de aproximadamente 10-2 cm/s, después de cementar mediante diferentes ciclos, los autores pueden observar en la Fig. 9 que el coeficiente de permeabilidad de las muestras se reduce a 10-4 cm /s, cayendo en dos órdenes de magnitud, esto es consistente con investigaciones previas30,31, que ilustran que el Bacillus thuringiensis también puede rellenar y cementar bien las partículas de arena de coral y mejorar la permeabilidad del cuerpo solidificado. En comparación, el coeficiente de permeabilidad de la muestra con 14 tiempos de cementación es más del 60% menor que con 7 veces. Es decir, Bacillus thuringiensis puede inducir más precipitación de carbonato de calcio con más ciclos de cementación. Las muestras se llenan con el CaCO3 precipitado y las partículas de arena adyacentes son cementadas por ellas, los poros internos de la muestra disminuyen, reduciendo así el coeficiente de permeabilidad.

Coeficiente de permeabilidad de las muestras de arena bajo diferentes presiones osmóticas con diferentes tiempos de cementación.

Para analizar las propiedades de corte, la prueba de corte se realiza en las columnas de arena. Las pruebas de corte se realizaron utilizando un aparato de corte directo (Fig. 10a). El dispositivo de carga de corte se muestra en la Fig. 10b. Para estas pruebas se consideran cuatro esfuerzos normales de 400 kPa, 600 kPa, 800 kPa y 1000 kPa. La tasa de cizallamiento fue 1%/min32 y la condición de parada de cizallamiento fue cuando la resistencia al cizallamiento se mantuvo en un valor relativamente estable.

Aparato de corte directo: (a) dispositivo de prueba de corte directo computarizado YZW1000; (b) Dispositivo de carga de corte.

Las curvas de esfuerzo cortante-desplazamiento cortante de muestras típicas se muestran en la Fig. 11. Bajo diferentes tiempos de cementación, las curvas de esfuerzo cortante-desplazamiento cortante bajo carga cortante son básicamente las mismas, es decir, la curva tiende gradualmente a ser estable después de alcanzar el fuerza máxima y presenta el estado de flujo cortante. La diferencia es que con el aumento del tiempo de cementación, la resistencia al corte bajo el mismo esfuerzo normal aumenta en diferentes grados. En comparación con 7 tiempos de cementación, la resistencia al corte de las muestras de menos de 14 veces aumenta en un 41,2 %, 36,5 %, 32,3 % y 29,6 %, respectivamente. Al mismo tiempo, el desplazamiento de cortante correspondiente aumenta cuando la curva alcanza la resistencia pico relativamente estable.

Curva de esfuerzo cortante-desplazamiento cortante de las muestras de arena bajo diferentes tiempos de cementación.

Para analizar más a fondo la influencia de los dos tiempos de cementación diferentes en los parámetros de resistencia al corte, se realizó un ajuste lineal para la resistencia al corte bajo diferentes esfuerzos normales y se obtuvieron los parámetros de resistencia al corte correspondientes, como se muestra en la Fig. 12.

Parámetros de resistencia al corte de muestras cementadas bajo diferentes tiempos de cementación.

El ángulo de fricción interna y la cohesión de las muestras de arena para diferentes tiempos de cementación son 32,11° y 36,49°, 122,28 kPa y 233,74 kPa, respectivamente. En comparación con 7 veces, el ángulo de fricción interna y la cohesión de 14 veces mejoran en un 13,63 % y un 91,15 %. Muestra que con el aumento de los tiempos de cementación, la cohesión mejora mucho, lo que es consistente con la conclusión de Wu et al.33, y bajo los mismos ciclos de cementación, la cohesión y el ángulo de fricción interna en este trabajo son superiores a 1,5 veces y 1,1 veces mayor que los resultados.

Se utilizó resonancia magnética nuclear (RMN) para detectar los átomos de hidrógeno dentro del medio poroso en un campo magnético de baja intensidad, para obtener el espectro de distribución T2 del fluido en los poros del material y, por lo tanto, analizar las características microscópicas de la estructura del poro. dentro de los medios porosos34. El sistema de análisis de imágenes MacroMR12-110H-1 NMR se utiliza para escanear las muestras. De acuerdo con el espectro de distribución T2 y los parámetros característicos relevantes, las características estructurales de los poros microscópicos dentro de las muestras de arena se analizan cuantitativamente.

Los espectros T2 de una muestra cementada saturada típica se muestran en la Fig. 13. La abscisa representa el tiempo de relajación y la ordenada representa la amplitud. Cuanto más largo sea el tiempo de relajación, más grandes serán los poros. Cuanto mayor es la amplitud, más poros hay. Los espectros T2 de las muestras tienen múltiples picos, y el pico principal es de alrededor de 1000 ms. El patrón de distribución general del atlas es hacia la derecha. Está dominado principalmente por un tiempo de relajación prolongado y una velocidad de relajación lenta, lo que indica que los pequeños poros de las muestras están bien sellados.

Distribución típica del espectro T2 de la muestra bajo diferentes tiempos de cementación.

El área espectral de RMN puede describir cuantitativamente los cambios en el número y tamaño de la estructura de poros de la muestra35. De acuerdo con el principio de formación de imágenes, la proporción de llenado de líquido en diferentes poros se usa para reflejar la distribución de poros, los poros se dividen en poros pequeños (< 10 ms), poros medianos (10 ~ 100 ms) y poros grandes (> 100 ms). ms) basado en el tiempo de relajación transversal del área espectral T2. Luego se calcula la distribución del área espectral T2 bajo cada tamaño de poro.

La Tabla 3 muestra el cambio del área de poro del espectro T2 de la muestra bajo diferentes tiempos de cementación. En general, los macroporos proporcionan la mayor parte del área de los poros36. Se puede ver en la Fig. 13 que con el aumento de los tiempos de cementación, aumenta la cantidad de carbonato de calcio generado por la amplitud del espectro T2, que puede llenar mejor los poros entre y dentro de las partículas de arena. Por lo tanto, el número de poros bajo cada tamaño de poro disminuyó significativamente y el área total de poros disminuyó en un 43,67 %.

Para seguir observando el efecto de relleno y cementación de la muestra junto con la altura, se escanearon y analizaron las secciones superior, media e inferior. La Figura 14 muestra las imágenes de escaneo de las dos muestras, donde el negro es el fondo, el azul es la arena de coral y la cementación de carbonato de calcio, y el rojo es la región donde se encuentran las moléculas de agua. Cuanto más brillante es el rojo, más densas son las moléculas de agua y más poros hay.

Escaneo de sección transversal de RMN de las muestras de arena bajo diferentes tiempos de cementación: (a) 7 veces; (b) 14 veces.

Del análisis de la sección de escaneo, los poros de 14 veces son menos de 7 veces, lo que ilustra que el efecto de relleno total de 14 veces es mejor que 7 veces. Debido a que en el proceso de cementación, los ciclos de cementación de 7 veces son relativamente menores, la cantidad de precipitación de carbonato de calcio es pequeña, debido a la acumulación insuficiente de carbonato de calcio, el efecto de llenado de los poros de gran tamaño es deficiente, los resultados del escaneo tienen mucho rojo área resaltada, esto es consistente con las áreas de distribución de espectro T2. Al comparar los perfiles de sección transversal de las dos muestras, se encuentra que el efecto de llenado de las muestras se debilita de arriba a abajo. Con el experimento de refuerzo en curso, el carbonato de calcio generado bien puede llenar los poros entre las partículas y cementar las partículas adyacentes. En el proceso de precipitación de carbonato de calcio, los poros se pueblan gradualmente de arriba a abajo de la muestra, se reducen los canales de infiltración de la bacteria y la solución cementante en el proceso de cementación posterior. Por lo tanto, el carbonato de calcio precipitado se debilita, por lo que los cristales de CaCO3 se distribuyen homogéneamente a lo largo de las muestras, la parte roja se vuelve más y más prominente desde el área superior hasta el área inferior de la muestra, lo que significa más poros en las muestras.

Escaneo SEM de muestras rotas después de una falla por corte bajo diferentes tiempos de cementación, los estados de cementación de las partículas de arena de coral se observan con un aumento de 200 y 1200 veces respectivamente, como se muestra en la Fig. 15. Los resultados muestran que el carbonato de calcio producido por la mineralización microbiana es principalmente dividida en dos estados. En primer lugar, los cristales de CaCO3 se encuentran entre las partículas de arena de coral. En segundo lugar, los cristales de CaCO3 cementan dos partículas de arena de coral adyacentes. Bajo el efecto MICP, se produce una gran cantidad de precipitación de carbonato de calcio dispersa centrada en el núcleo del microorganismo, con el aumento de la precipitación y la acumulación, los poros entre las partículas de arena se llenan lentamente y las dos partículas de arena se cementan entre sí. . A través de la comparación, se puede ver que en comparación con 7 tiempos de cementación, hay un cierto grado de reducción en los poros entre partículas, y la precipitación de carbonato de calcio generada es más estrecha entre partículas y en la superficie de las partículas después de 14 tiempos de cementación.

La microestructura de la precipitación de carbonato de calcio en las muestras de arena bajo diferentes tiempos de cementación: (a) magnificar 200 × menos de 7 veces; (b) ampliar 1200 × menos de 7 veces; (c) ampliar 200 × menos de 14 veces; (d) ampliar 1200 × menos de 14 veces.

Al mismo tiempo, se agregaron como referencia las imágenes de escaneo SEM de las partículas de arena calcárea antes del tratamiento de cementación, como se muestra en la Fig. 16. Se puede ver que las partículas de arena calcárea también contienen poros internos, la precipitación de carbonato de calcio no solo cementó el partículas de arena calcárea sino que también llenaron los poros dentro de las partículas.

Partículas de arena calcárea antes del tratamiento de cementación.

Las imágenes SEM de las muestras con 7 tiempos de cementación muestran que hay más depósitos de carbonato de calcio entre los granos sueltos, pero se usa menos carbonato de calcio para cementar dos partículas de arena adyacentes. El contacto menos efectivo entre las partículas da como resultado más poros entre las partículas de arena y una cementación menos compacta. Desde una perspectiva macro, muestra que el coeficiente de permeabilidad es grande y la resistencia al corte no es alta.

La muestra con 14 tiempos de cementación tiene menos poros y más carbonato de calcio entre las partículas de arena que 7 veces. El carbonato de calcio precipitado aumenta, la porción no cementada entre partículas disminuye, dando como resultado que se genera más carbonato de calcio alrededor de las partículas de arena, el tamaño del carbonato de calcio aumenta con el aumento de los ciclos de cementación. Por un lado, las partículas de arena se pueden recubrir mejor y llenar con poros entre las partículas de arena, por otro lado, las partículas de arena de coral no cementadas adyacentes se cementan más fácilmente por la precipitación de carbonato de calcio más grande, lo que hace que las dos partículas de arena adyacentes estén fuertemente cementadas. en un todo. Macroscópicamente, se mejoran aún más la permeabilidad y la resistencia al corte de las muestras cementadas.

Con base en el análisis anterior, el efecto de relleno y el estado de cementación entre las partículas de arena de coral se pueden representar mediante el modelo de evolución, como se muestra en la Fig. 17.

Diagrama esquemático del modelo de evolución de la muestra de arena cementada con MICP: (a) Distribución de poros de la muestra de arena antes del refuerzo; (b) Bacillus thuringiensis adsorbido en la superficie de las partículas de arena; (c) Distribución de carbonato de calcio en la muestra de arena durante 7 tiempos de cementación; (d) Distribución de carbonato de calcio en la muestra de arena durante 14 tiempos de cementación.

Se puede ver en la Fig. 16a-d que diferentes tamaños de arena de coral forman naturalmente los poros de diferentes tamaños en el molde poroso. Y las partículas de arena sueltas están encerradas por bacterias cargadas negativamente en las paredes celulares a medida que se inyecta la solución bacteriana. Debido al metabolismo de las bacterias, el dióxido de carbono producido se disuelve en agua para formar una raíz de ácido carbónico. A medida que se inyecta la solución de cemento, los iones de calcio en la solución de cemento se acumulan alrededor de las bacterias y se unen al carbonato en la solución. Por lo tanto, para formar una precipitación de carbonato de calcio con bacterias como sitio de nucleación, la precipitación tiene un efecto cementante y puede llenar los poros entre las partículas de arena de coral, así como también cementar las partículas de arena adyacentes.

Por un lado, cuando la arena de coral se cementa por el método de infiltración, durante el proceso de inyección de la solución bacteriana y cementante, el carbonato de calcio generado gradualmente cementará y llenará los poros en la parte superior de la muestra, provocando el canal de infiltración. de la solución que se bloqueará en la etapa posterior, como resultado, la muestra muestra el fenómeno de falta de homogeneidad de arriba a abajo.

Por otro lado, debido a la existencia de varias partículas de arena graduada en la muestra, la distribución del tamaño de los poros en la muestra es relativamente uniforme. Cuando el ciclo de cementación es menor, la cantidad de carbonato de calcio precipitado es menor y el tamaño no es grande, por lo que el efecto de relleno de los poros grandes y medianos no es bueno. Con el aumento de los tiempos de cementación, la precipitación de carbonato de calcio aumenta y se cementan entre sí, lo que aumenta el tamaño de los agregados de carbonato de calcio, por lo que el efecto de relleno de los poros grandes, medianos y pequeños se mejora evidentemente. Se puede ver a partir de los resultados de las pruebas microcósmicas que la cantidad de poros en 7 veces se reduce significativamente en comparación con 14 veces, y la cementación entre las partículas de arena es más estrecha y estrecha. Desde la perspectiva de las propiedades macrofísicas y mecánicas, la permeabilidad disminuye y la resistencia aumenta.

Este artículo analiza el proceso de formación y el entorno microbiano del travertino, un nuevo tipo de bacteria hidrolítica de urea llamada Bacillus thuringiensis se extrae del travertino. Las condiciones de cultivo relativamente mejores se seleccionan después de la purificación y la realización de pruebas ortogonales en las bacterias. Luego se realizan dos grupos de pruebas de cementación de arena de coral con Bacillus thuringiensis. Se pueden sacar las siguientes conclusiones.

Las condiciones de cultivo óptimas para Bacillus thuringiensis son las siguientes: 60,06 g/l de urea, 10 ml/l de inoculación bacteriana, 180 r/min de velocidad de agitación del agitador y 48 h de tiempo de cultivo.

El coeficiente de permeabilidad de las muestras de arena de coral es tan bajo como 10−4 cm/s. Generalmente, cuantos más tiempos de cementación, menor será el coeficiente de permeabilidad y mayor la resistencia al corte. En comparación con las muestras de arena con Sporosarcina pasterurii de uso común, la fuerza cohesiva y el ángulo de fricción interna de las muestras de arena cementadas con Bacillus thuringiensis aumentan más de 1,5 veces y 1,1 veces respectivamente.

Los resultados de RMN muestran que la distribución de carbonato de calcio a lo largo de la altura de la muestra de arena es desigual, porque el carbonato de calcio generado en el proceso de cementación bloqueará los poros entre las partículas de arena, lo que resultará en la reducción de los canales de infiltración subsiguientes de solución bacteriana y cementante, por lo tanto afectando la formación de carbonato de calcio y el efecto de sedimentación hacia abajo, lo que lleva a que la porosidad de la muestra se haga más grande y más de arriba a abajo.

Los resultados del análisis SEM y el modelo de evolución de las muestras bajo diferentes tiempos de cementación muestran que el carbonato de calcio generado podría llenar efectivamente los poros entre las partículas de arena y cementar las partículas de arena adyacentes. Cuantos más tiempos de cementación, más carbonato de calcio se produce y más significativo el efecto de llenado y cementación efectivos de las partículas de arena, especialmente para los poros pequeños y medianos.

En la investigación de seguimiento, consideraremos otros factores que afectan el efecto de cementación, estableceremos una correlación entre ciertos factores que influyen y la resistencia mecánica, nos centraremos en las propiedades estáticas y dinámicas del cuerpo solidificado, optimizaremos el proceso de refuerzo microbiano de la arena de coral. para reducir el tiempo de cementación y mejorar el rendimiento de la cementación, y aplicar el proceso de refuerzo optimizado al proyecto real para proporcionar las ideas de gestión correspondientes para la consolidación de cimientos y el tratamiento antifiltración en áreas de arena coralina.

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Descargar referencias

Este estudio fue encontrado por la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (Proyecto No. U2034203, 51979218, 51809151 y 51979151), el Fondo de Investigación para Disertaciones Excelentes de la Universidad China Three Gorges (Proyecto No. 2020BSPY001) y la Fundación de Ciencias Naturales de la provincia de Hubei (Proyecto N° Z2018063).

Laboratorio clave de peligros geológicos en el área del embalse de las Tres Gargantas, Ministerio de Educación, Facultad de Ingeniería Civil y Arquitectura, Universidad de las Tres Gargantas de China, Yichang, 443000, provincia de Hubei, China

Yao Xiao, Huafeng Deng y Jianlin Li

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YX: Conceptualización, Curación de datos, Redacción del borrador original. HD: Metodología, Análisis formal, Revisión de redacción y edición. JL: Investigación, Supervisión, Validación.

Correspondencia a Huafeng Deng.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Xiao, Y., Deng, H. & Li, J. Biomineralización de arena de coral por Bacillus thuringiensis aislado de una cueva de travertino. Informe científico 13, 8687 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-35893-z

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Recibido: 30 de marzo de 2022

Aceptado: 25 de mayo de 2023

Publicado: 29 mayo 2023

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

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