トラバーチンの洞窟から分離されたバチルス・チューリンギエンシスによるサンゴ砂の生物鉱物化

Scientific Reports volume 13、記事番号: 8687 (2023) この記事を引用

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トラバーチンは自然界における微生物の鉱化作用の典型的な生成物であり、その鉱物組成は主に方解石とアラゴナイトです。 本論文では、石灰化細菌の一種であるBacillus thuringiensisをトラバーチン結晶から抽出してサンゴ砂をセメント化し、異なるセメント時間の下での微生物誘導炭酸塩沈殿（MICP）技術のサンゴ砂に対する強化効果を研究した。 まず、尿素含有量、微生物の接種、シェーカー速度、インキュベーション時間を含む培養条件が 9 組のトライアルで最適化されます。 最適な養殖条件のもと、浸漬法によりサンゴ砂をセメント化します。 補強回数の増加に伴い、砂サンプルの透水係数は 10-4 cm/s に減少し、せん断強度は 130% 以上増加しました。 Sporosarcina pasturii と比較して、Bacillus thuringiensis によってセメント化されたサンゴ砂柱の凝集力と内部摩擦角は、それぞれ 50% 以上および 10% 以上増加しました。 T2 スペクトルの面積分布は、セメンテーションの数が増加するにつれて、メイン ピークの振幅が減少することを示しています。これは、大きな細孔がよりよく充填され、中程度の細孔と小さな細孔の数も減少し、細孔面積が減少していることを示しています。振幅は約 44% と大幅に減少しました。 上記の実験により、トラバーチン中の微生物も MICP 技術に使用でき、より優れた補強効果を達成できることが確認されました。 また、MICP 技術による石化細菌の選択のための新しい方法とアイデアも提供します。

ダム基礎の亀裂漏水 1、重金属尾鉱汚染 2、基礎液状化 3,4、斜面の不安定性 5 などの工学上の危険は、多くの場合、物的損失や死傷者さえも引き起こします。 長い間、関連する専門家や科学研究者は、そのような工学的問題の発生を減らすための関連対策の研究に熱心に取り組んできました。 バイオミネラリゼーション技術は、近年学際的な研究に基づいて開発された有望な土木技術です。 このような工学的問題を扱う上で、応用の可能性が十分にあります。 微生物誘発炭酸塩沈殿 (MICP) は、バイオミネラリゼーションの代表的なものの 1 つです。 この技術は主に一部の尿素加水分解微生物を利用しており、尿素加水分解を促進し、溶液中の炭酸イオンとカルシウムイオンを利用してセメンチング機能を持つ炭酸カルシウムを生成します。 MICP の作用下で、対応する工学的要件を達成するために、緩い土壌がセメントで固められるか、亀裂が密閉されます。

現在、MICP 技術で使用される主な微生物種は、Bacillus pasturis octadiae (CGMCC 1.3687)、Sporosarcina pasterurii (ATCC 11859)、Bacillus pasturis octadiae (DSMZ 33)、および Bacillus spheriformis (LMG 22257) です。 土壌強化の研究の発展に伴い、多くの学者が独自に異なる種類の尿素加水分解細菌を分離し、土壌の透水性の低下と強度の向上において一連の成果を達成しました。 Chu ら 6 は、熱帯海浜砂から Bacillus sp.VS1 を分離し、その細菌を使用して大型の砂質土壌を強化し、強化された土壌基礎の透水抵抗と機械的特性が向上しました。 Qian et al.7 は、抽出したバチルス S3 を砂柱のセメント化に使用し、処理後のサンプルの圧縮強度は 1.9 MPa に達し、分離したバチルス S3 を砂質土壌の補強に利用し、セメント化砂の圧縮強度はほぼゼロに近づきました。 2MPa。 Khan ら 8 は、パラホドバクター属を分離しました。 ビーチロック近くの土壌から採取し、ニードルテストでサンゴ砂の処理に適用したところ、いくつかの点で試験片の推定 UCS が 7 MPa を超える可能性がありました。

炭酸塩鉱物は自然界に広く分布しています。 たとえば、石灰岩、大理石、ドロマイトなど。 これらの種類の岩石には大量の炭酸カルシウムが含まれています。 自然界では、さまざまな微生物が代謝中に炭酸カルシウムの生成を誘導します。 トラバーチンがこの代謝経路における典型的な炭酸カルシウム生成物の 1 つであることは注目に値します。 炭酸塩の沈殿は世界中に広く分布しています9。 地質や水系の移動過程において、石灰岩地層中のカルシウムイオンは常に地下水に溶け込み、地下水にはミネラルカルシウムが多く含まれています。 地下水が地表から溢れると、地下水に溶けたミネラルカルシウムが環境中のH2OやCO2と結合して炭酸カルシウム沈殿物を形成し、その後トラバーチンに変化します。 微生物の鉱化作用の研究により、微生物が炭酸塩岩の形成に重要な役割を果たしていることが示されています。 Fouke10、Sugahara et al.11、および Javad et al.12 は、微生物がトラバーチン堆積環境に広く存在し、増殖過程で微生物によって生成されるある種の細胞外代謝産物が水中の遊離 Ca2+ または CaCO3 を捕捉して凝集させることができること、および微生物が炭酸カルシウム結晶の核生成と成長のテンプレートとして機能します13。 さらに、微生物の代謝はトラバーチン沈着の生成を促進する可能性があります14。 Tugba et al.15 と Zhang et al.16 は、トラバーチンの形成により漏洩経路をより適切にシールできること、また一部の岩石層の壊れた炭酸石構造を再結合して破面を修復し、破面を改善できることを発見しました。地下構造の不浸透性と安定性。

現在、MICP 技術は珪砂の強化において大きな進歩を遂げています 17,18,19,20 が、サンゴ砂の処理における MICP 技術の応用はあまり研究されていません 21。 セメント化サンゴ砂サンプルの微細構造とせん断抵抗に関する研究は比較的少ないです。 これに基づいて、トラバーチンから抽出した尿素加水分解細菌をサンゴ砂のセメントに使用しました。 セメント結合サンプルの物理的および機械的特性を評価するために、浸透試験およびせん断試験を実施しました。 細孔の定量分析には核磁気共鳴（NMR）イメージング技術を採用し、接合状態の分析には走査型電子顕微鏡（SEM）を採用した。 最後に、サンゴ砂のセメンテーション効果を総合的に評価しました。

水力発電プロジェクトの地下室の現地調査で、図に示すように、室の浸透点でのトラバーチンの結晶化現象が明らかであり、小さな亀裂の一部がトラバーチンの結晶によって自然に修復されていることを発見しました。 1a. 図 1b は、このチャンバーから採取された典型的なトラバーチンのサンプルです。 この論文で使用した尿素加水分解細菌はこのサンプルから抽出されました。

典型的なトラバーチン: (a) トンネル内のトラバーチン現象。 (b) トラバーチン結晶。

尿素加水分解細菌の詳細な抽出と精製プロセスは次のとおりです。

トラバーチンサンプル 1 g をセラミック乳鉢に入れ、ゆっくりと粉砕して粉末にし、粉末を 99 mL の滅菌水と混合し、次に 250 mL 三角フラスコに注ぎました。 三角フラスコを５分間振盪して粉末を均一に分散させた。 このようにして、濃度 1/100 (10-2) g/mL の希釈液が得られました。

滅菌水 9 mL の入った試験管に希釈液 1 mL を入れ、それぞれ 10-3、10-4、10-5、10-6、10-7 g/mL になるように順次希釈しました。 ピペットガンを使用して、それぞれ 10-5、10-6、10-7 g/mL の希釈液 0.2 mL を吸収し、寒天平板培地に接種しました。 滅菌コーティングされたガラス棒を使用して均一に分散させ、コーティングされた平板培地を裏返して、温度 30 °C のインキュベーターに 24 時間入れました。

平板培地上で菌が生育したら、点在する滑らかなコロニーを接種リングで拾い、Zラインの寒天斜面培地上に接種した。 接種後、同じ培養温度と時間で培養器に傾斜培地を置きます。

斜面培地で菌が生育したら、再度平板培地に植菌し、これを４～５回繰り返して精製菌株を得る。

菌体精製後、調製した液体培地を容量250mLの三角フラスコに100mL採取し、接種リングを用いて傾斜培地のコロニーを三角フラスコに接種し、三角フラスコを温度３０℃、回転速度１２０ｒ／ｍｉｎの振盪機に４８時間入れて、膨張培養液を得た。

細菌濃度とウレアーゼ活性は、Bacillus thuringiensis の MICP 性能を測定するための 2 つの指標として使用されました。 測定には 600 nm の波長 (OD600) が使用されたため、OD600 の値は菌液の濃度を表すことができます 22。 ウレアーゼ活性は、以下の手順に従って電気伝導度によって測定されました。1 mL の細菌溶液を 9 mL の 1.1 mol/L 尿素溶液に添加し、希釈倍数を乗じて 5 分間の電気伝導度の変化 (ms/cm min) を測定しました。ウレアーゼ活性 (mmol/L min)23 を求めました。細菌濃度 (OD600 値) は 1.28 と測定され、ウレアーゼ活性は 13.63 mmol/L min でした。 同じ培養条件下で、Sporosarcina pasturii の細菌濃度とウレアーゼ活性は、それぞれ 0.84 と 10.49 mmol/L 分でした。 Sporosarcina pasturii と比較して、トラバーチンサンプルから単離された菌株の細菌濃度とウレアーゼ活性は 34.38% および 29.93% 増加しており、この菌株がより高いウレアーゼ生産能力を持っていることが示されました。 寒天平板培地、寒天傾斜培地、液体培地を図2に示します。精製した菌体の形態を光学顕微鏡で観察したところ図3に示しました。培地の組成は以下のとおりです。 10g /L ペプトン、3 g/L ビーフエキス、5 g/L 塩化ナトリウム、および 20.02 g/L 尿素。 細菌を分離するために、固体培地（平板培地および傾斜培地）に15 g/Lの寒天を同時に添加した。 最終的に、精製された細菌は 16S rDNA シーケンスによってバチルス チューリンギエンシスであると同定されました。

さまざまな種類の培地: (a) 寒天平板培地。 (b) 寒天傾斜培地。 (c) 液体培地。

精製された細菌の形態。

関連する研究 22,24 によれば、細菌濃度とウレアーゼ活性をさらに向上させるために、尿素含有量 (20.02 g/L、40.04 g/L、60.06 g/L)、微生物接種 (10 mL/L、15 mL/L) L、20 mL/L)、シェーカー速度 (120 r/min、150 r/min、180 r/min)、インキュベーション時間 (24 時間、48 時間、72 時間) が、最良の培養物を得る 4 つの影響因子として選択されました。バチルス・チューリンゲンシスの状態。 菌液の濃度は、上記4因子について直交実験により検定し、L9(34)直交実験を使用し、直交検定表を表1に示した。濃度は分光光度計で測定した吸光度値(OD600)とした。細菌溶液の。 詳細な結果を表 2 に示します。

表２から、ＯＤ６００平均値は１．２５〜１．８３の範囲内にあり、ウレアーゼ活性平均値は１１．２９〜１５．８６ｍｍｏｌ／Ｌ分の範囲であった。 7 は比較的高い OD600 値を示しましたが、テスト NO.3 と比較して、テスト NO.7 はより高い細菌濃度を達成するために必要な微生物の接種量が少なく、培養時間が短いため、この論文ではテスト NO.7 が最適な培養条件として選択されました。 すなわち、バチルス・チューリンギエンシスの培養条件は、尿素含有量６０．０６ｇ／Ｌ、微生物接種量１０ｍＬ／Ｌ、シェーカー速度１８０ｒ／ｍｉｎ、インキュベーション時間４８時間であった。 その後のセメント試験で使用されるすべてのバチルス・チューリンギエンシスはこの条件で培養されました。

サンゴ砂の固結試験は自由浸透法により実施した。 サンゴ砂を保持する型には、直径 50 mm、高さ 100 mm の弾性のある多孔質シリコーン型を使用しました。 モールドの側壁は多孔質であった。 底部からサンゴ砂が漏れ出るのを防ぐため、内径50mmの固定スリーブを型の底に設置しました（固定スリーブの底の中央には、サンゴ砂を固定するための小さな穴がありました）廃液の流出を容易にするため）、図4に示すように、包帯を利用して固定スリーブを金型の底部に固定しました。

弾力性のある多孔質シリコンモールド。

サンゴ砂の比重は２．８０であった。 補強効果を最適化し、均一な強度のセメンテッド砂柱を得るために、地質工学用標準ふるいによるふるい分け後にサンプルを調製しました。 粒子分布曲線を図5に示します。

粒子分布曲線。

サンゴ砂に対する異なるセメンテーション時間の影響を研究するために、2 つの異なるセメンテーション グループが考慮されました。1 つは 7 回、もう 1 つは 14 回のセメンテーションです。 なお、実験室内の温度は２５℃、湿度は４０％であった。

図６によれば、浸炭試験は以下の手順で実施した。

サンゴ砂のセメンテーションプロセス。

セメンテーションの前に、サンゴ砂を 0.1 mol/L HCl 溶液に、次に 0.1 mol/L NaOH 溶液にそれぞれ 12 時間浸漬することで前処理し、その後、蒸留水で洗浄し、後で使用するために一定の重量になるまで乾燥させました。

サンゴ砂を３層に分けて弾性のある多孔質シリコン型に入れ、各層を軽く振動させて圧縮し、各層の表面を粗面化して層を圧縮した。 次に、型の上部から蒸留水を注入して、砂粒子間の空気を除去しました。

80 mL の細菌溶液を砂サンプルに注入し、細菌は砂粒子に完全に付着するまで 12 時間カラム内に留まりました。

セメンチング溶液は、1 mol/L 塩化カルシウムと 1 mol/L 尿素を等量混合したものであった。 それらをよく混合した後、セメント溶液（160 mL、0.5 mol/L）を砂サンプルに注入し、細菌が尿素を完全に加水分解し、溶液中のカルシウムイオンを結合して炭酸カルシウムを生成できるまで、36 時間放置しました。 。

(3)と(4)を合わせて1回のセメンテーションと呼び、これを7回または14回繰り返してサンゴ砂をセメンテーションさせます。

各グループのセメンテーション時間に達した後、セメンテーションされたサンプルを一定重量に達するまで 60 °C のサーモスタットに置き、追跡関連の巨視的物理力学または顕微鏡的試験を実施しました。

典型的なセメント砂サンプルを図 7 に示します。

異なるセメンテーション時間における典型的な微生物セメンテッドサンゴ砂のサンプル。

関連する研究 23 では、炭酸カルシウムの含有量が 60 kg/m3 を超えると、砂サンプルの強度が大幅に向上することが示されているため、炭酸カルシウムの含有量は補強効果を測定するための重要な要素の 1 つです。 セメント質珪砂サンプル中の炭酸カルシウムの堆積は、通常、酸洗プロセスによって測定されます26。しかし、サンゴ砂には炭酸カルシウムの含有量が高く、酸洗プロセスは適していません。 したがって、本論文では、炭酸カルシウムの沈殿を区別するために、セメンテーション前後のサンゴ砂サンプルの重量差を測定します。

乾燥条件下でセメンテーション前後の異なるグループのサンプルの質量を測定することにより、砂柱中に生成された炭酸カルシウムの質量を計算し、サンプル中の炭酸カルシウムの含有量を換算して計算します。

図 8 は、7 回のセメンテーションではサンプルの炭酸カルシウム含有量が 17.75 ～ 21.95% であるのに対し、14 回では 23.85 ～ 30.00% であり、平均値はそれぞれ 19.82% と 27.66% であることを示しています。 比較すると、セメンテーション回数 14 回のサンプルの平均含有量は、セメンテーション回数 7 回のサンプルよりも約 8.00% 高く、セメンテーションサイクルが増えるほど、砂サンプル中の炭酸カルシウムの析出量が増えることが示されています。 また、図 7 の典型的なサンプルから、14 回のセメンテーションを行ったサンプルの表面は、7 回よりも明らかに滑らかで、細孔が少なくなっていることがわかります。これは、より多くの炭酸カルシウムが生成されて、砂の間および内部の細孔を埋めることを示しています。粒子。

異なるセメンテーション時間における砂サンプル中の炭酸カルシウム含有量。

Peng et al.21 による 7 回のセメンテーション後の砂サンプル中の炭酸カルシウム含有量は 10.70% です。 Leon et al.27 による現場グラウト注入および補強試験における含有量は、さまざまな測定点で 12.60 ～ 27.30% の範囲にあります。 Zhao et al.28 による沈殿含有量は、沈殿した炭酸塩を溶解するためにサンプルを HCl 溶液 (0.1 M) で洗浄することを特徴とし、最大炭酸カルシウム含有量は約 14.40% です。 これらの研究と比較して、この研究では、Bacillus thuringiensis がサンゴ砂サンプル中により高い炭酸カルシウム含有量を生成しました。これは、Bacillus thuringiensis が炭酸カルシウムを生成する優れた能力を持っていることを示しています。

浸透特性は、補強効果を評価する際に、接合体の機械的強度に影響を与える同様に重要な要素です。 HYS-4 岩石浸透計を使用して、さまざまな浸透圧 (0.5 MPa、1.0 MPa、1.5 MPa、2.0 MPa、2.5 MPa) およびさまざまな横応力 (1.0 MPa、1.5 MPa、2.0 MPa) の下で砂サンプルの浸透試験を実施しました。 、2.5 MPa、3.0 MPa）を使用してパーコレーション特性を調べます。 試験前に、サンプル内の浸出流が単相であることを確認するために、サンプルを真空にし、蒸留水で 24 時間飽和させました。

式 (1) 29 に従って、異なる横応力と浸透圧下でのサンプルの透過係数を計算できます。

ここで、k は砂サンプルの浸透係数、Q は砂サンプルを通過する単位時間当たりの流体の流量、L は砂サンプルの長さ、γw は水の強度、ΔP は両端の水頭差です。砂サンプルの断面積、A は砂サンプルの断面積です。

予備試験では、セメント結合前の石灰質砂サンプルの透水係数は約 10-2 cm/s であることが示されていますが、異なるサイクルでセメント結合した後、著者らは図 9 からサンプルの透水係数が 10-4 cm/s まで低下していることを観察できます。 /s は 2 桁減少しており、これは以前の研究 30,31 と一致しており、Bacillus thuringiensis がサンゴ砂粒子を十分に充填して接着し、固化体の透過性を改善することもできることを示しています。 比較すると、14 回のセメンテーションでのサンプルの透過係数は、7 回でのサンプルの透過係数より 60% 以上低くなります。 つまり、Bacillus thuringiensis は、セメンテーションサイクルを増やすと、より多くの炭酸カルシウムの沈殿を誘発する可能性があります。 サンプルは沈殿した CaCO3 で満たされ、隣接する砂粒子がそれらによってセメント結合され、サンプルの内部細孔が減少し、したがって透過係数が減少します。

異なる浸透圧と異なるセメンテーション時間の下での砂サンプルの浸透係数。

せん断特性を解析するために、砂柱に対してせん断試験が行われます。 せん断試験は直接せん断装置を使用して実施されました (図 10a)。 せん断負荷装置を図 10b に示します。 これらのテストでは、400 kPa、600 kPa、800 kPa、および 1000 kPa の 4 つの垂直応力が考慮されます。 せん断速度は 1%/min32、せん断強度が比較的安定した値に保たれたときをせん断停止条件としました。

直接せん断装置: (a) YZW1000 コンピュータ化された直接せん断試験装置。 (b) せん断荷重装置。

典型的なサンプルのせん断応力-せん断変位曲線を図11に示します。異なるセメンテーション時間の下で、せん断荷重下でのせん断応力-せん断変位曲線は基本的に同じです。つまり、曲線は、セメンテーション時間に達した後、徐々に安定する傾向があります。ピーク強度とせん断流の状態を示します。 違いは、セメンテーション時間が長くなると、同じ垂直応力下でのせん断強度が異なる程度に増加することです。 7回のセメンテーション回数と比較して、14回未満のサンプルのせん断強度はそれぞれ41.2%、36.5%、32.3%、29.6%増加しました。 同時に、曲線が比較的安定したピーク強度に達すると、対応するせん断変位が増加します。

異なるセメンテーション時間における砂サンプルのせん断応力 - せん断変位曲線。

せん断強度パラメータに対する 2 つの異なるセメンテーション時間の影響をさらに分析するために、異なる垂直応力の下でせん断強度に対して線形フィッティングを実行し、図 12 に示すように、対応するせん断強度パラメータが取得されました。

異なる接着時間における接着サンプルのせん断強度パラメータ。

異なるセメンテーション時間における砂サンプルの内部摩擦角と凝集力は、それぞれ 32.11°と 36.49°、122.28 kPa、233.74 kPa でした。 7倍と比較して、14倍の内部摩擦角と凝集力は13.63%、91.15%向上しました。 これは、浸炭時間が増加すると凝集力が大幅に向上することを示しており、これは Wu et al.33 の結論と一致しており、同じ浸炭サイクルの下では、この論文の凝集力と内部摩擦角は 1.5 以上です。結果よりも1.1倍大きくなりました。

核磁気共鳴（NMR）を用いて低強度磁場中で多孔質体内部の水素原子を検出し、材料細孔内の流体のT2分布スペクトルを取得し、微細な細孔構造特性を解析しました。多孔質媒体の内部34。 MacroMR12-110H-1 NMR イメージング分析システムを使用してサンプルをスキャンします。 T2分布スペクトルと関連する特性パラメータに従って、砂サンプル内の微細孔の構造特性が定量的に分析されます。

典型的な飽和接合サンプルの T2 スペクトルを図 13 に示します。横軸は緩和時間を表し、縦軸は振幅を表します。 緩和時間が長いほど、毛穴は大きくなります。 振幅が大きいほど、細孔が多くなります。 サンプルの T2 スペクトルには複数のピークがあり、メイン ピークは約 1000 ms です。 アトラスの全体的な分布パターンは右向きです。 これは主に長い緩和時間と遅い緩和速度によって支配されており、サンプル内の小さな細孔が十分に密閉されていることを示しています。

異なるセメンテーション時間での典型的なサンプルの T2 スペクトル分布。

NMR スペクトル領域は、サンプルの細孔構造の数とサイズの変化を定量的に説明できます 35。 イメージング原理によれば、さまざまな細孔を満たしている流体の割合が細孔の分布を反映するために使用され、細孔は小細孔（< 10 ms）、中細孔（10 ～ 100 ms）、および大細孔（> 100 ms）に分けられます。 ms) T2 スペクトル領域の横緩和時間に基づきます。 次に、各細孔サイズでの T2 スペクトル領域分布が計算されます。

表 3 は、異なるセメンテーション時間の下でのサンプル T2 スペクトルの細孔面積の変化を示しています。 一般に、マクロ細孔は細孔領域の大部分を占めます 36。 図13から、セメンテーション時間が増加すると、T2スペクトルの振幅によって生成される炭酸カルシウムの量が増加し、砂粒子の間および内部の細孔をよりよく埋めることができることがわかります。 したがって、各細孔サイズの下の細孔の数は大幅に減少し、総細孔面積は 43.67% 減少しました。

高さとともにサンプルの充填とセメントの効果をさらに観察するために、上部、中間、下部のセクションをスキャンして分析しました。 図 14 は 2 つのサンプルのスキャン画像を示しています。黒は背景、青はサンゴ砂と炭酸カルシウムのセメンテーション、赤は水分子が存在する領域です。 赤が明るいほど、水分子の密度が高く、毛穴の数が多くなります。

異なるセメンテーション時間での砂サンプルの NMR 断面スキャン: (a) 7 回。 (b) 14 回。

スキャン断面の分析から、14 回の毛穴は 7 回より少なく、14 回の全体的な充填効果が 7 回よりも優れていることを示しています。 セメンテーションプロセスでは、7回のセメンテーションサイクルが比較的少なく、炭酸カルシウムの沈殿量が少なく、炭酸カルシウムの蓄積が不十分であるため、大きなサイズの細孔の充填効果が低く、スキャン結果は非常に赤くなっています。強調表示された領域、これは T2 スペクトル分布領域と一致します。 2 つのサンプルの断面プロファイルを比較すると、サンプルの充填効果が上から下に向かって弱くなっていることがわかります。 強化実験を続けると、生成された炭酸カルシウムが粒子間の細孔を十分に満たし、隣接する粒子を結合させることができます。 炭酸カルシウムの沈殿プロセスでは、細孔がサンプルの上から下に徐々に増え、細菌の浸潤チャネルとその後のセメンチングプロセスにおけるセメンチング溶液が減少します。 したがって、沈降炭酸カルシウムは弱くなり、CaCO3 結晶はサンプル内に均一に分布します。赤い部分はサンプルの上部から下部に向かってますます目立つようになり、サンプル内の細孔が増えたことを意味します。

図 15 に示すように、異なるセメンテーション時間でのせん断破壊後の破壊サンプルの SEM スキャンにより、サンゴ砂粒子のセメンテーション状態がそれぞれ 200 倍と 1200 倍の倍率で観察されます。結果は、主に微生物の石化によって生成された炭酸カルシウムであることを示しています。 2つの状態に分かれます。 まず、CaCO3 の結晶はサンゴ砂の粒子の間にあります。 第二に、CaCO3 結晶は 2 つの隣接するサンゴ砂粒子を接着します。 MICP効果により、微生物の核を中心に大量の分散した炭酸カルシウムの沈殿が生成され、沈殿と蓄積の増加に伴い、砂粒子間の細孔がゆっくりと埋められ、2つの砂粒子が互いに結合します。 。 比較すると、セメンテーション回数が7回の場合と比較して、セメンテーション回数が14回の場合には、粒子間の細孔がある程度減少し、生成した炭酸カルシウムが粒子間および粒子表面により緊密に析出していることが分かる。

異なるセメンテーション時間での砂サンプル中の炭酸カルシウム沈殿の微細構造: (a) 200 × 7 倍未満に拡大。 (b) 1200 × 7 倍未満に拡大します。 (c) 200 × 14 倍未満に拡大します。 (d) 1200 × 14 倍未満に拡大します。

同時に、図16に示すように、浸炭処理前の石灰質砂粒子のSEMスキャン画像を参考として追加しました。石灰質砂粒子には内部細孔も含まれていることがわかり、炭酸カルシウムの沈殿は砂を凝固させるだけでなく、石灰質砂の粒子だけでなく、粒子内部の細孔も満たしました。

セメンテーション処理前の石灰質砂粒子。

7 回のセメンテーション時間でのサンプルの SEM 画像は、ばらばらの粒子間にはより多くの炭酸カルシウムの堆積があるが、2 つの隣接する砂粒子をセメンテーションするために使用される炭酸カルシウムは少ないことを示しています。 粒子間の効果的な接触が低下すると、砂粒子間の細孔が増加し、セメンテーションの緻密さが低下します。 マクロ的に見ると、浸透係数が大きく、せん断強度が高くないことがわかります。

セメンテーション回数が 14 回のサンプルでは、​​7 回に比べて細孔が少なく、砂粒子間の炭酸カルシウムが多くなっています。 沈降炭酸カルシウムが増加し、粒子間の未セメント部分が減少し、その結果、砂粒子の周囲により多くの炭酸カルシウムが生成され、セメンテーションサイクルの増加とともに炭酸カルシウムのサイズが増加します。 一方で、砂粒子はよりよくコーティングされ、砂粒子間の細孔を埋めることができます。他方では、隣接する未セメント化サンゴ砂粒子は、より大きな炭酸カルシウムの沈殿によってより容易にセメント化され、これにより、2 つの隣接する砂粒子はしっかりとセメント化されます。全体に。 肉眼的には、セメント結合サンプルの浸透性とせん断強度がさらに向上します。

上記の解析に基づいて、サンゴ砂粒子間の充填効果と接着状態は、図17に示すように進化モデルで表すことができます。

MICP セメント砂サンプルの進化モデルの概略図：（a）補強前の砂サンプルの細孔分布。 (b) 砂粒子の表面に吸着された Bacillus thuringiensis。 (c) 7 回のセメンテーション時間における砂サンプル中の炭酸カルシウムの分布。 (d) 14 回のセメンテーションにおける砂サンプル中の炭酸カルシウムの分布。

図 16a ～ d から、さまざまなサイズのサンゴ砂が多孔質鋳型内にさまざまなサイズの細孔を自然に形成していることがわかります。 そして、バクテリア溶液が注入されると、緩い砂粒子は細胞壁内のマイナスに帯電したバクテリアによって囲まれます。 バクテリアの代謝により、生成された二酸化炭素は水に溶解して炭酸根を形成します。セメント溶液が注入されると、セメント溶液中のカルシウムイオンがバクテリアの周囲に蓄積し、溶液中の炭酸塩と結合します。 したがって、核生成サイトとしてバクテリアを含む炭酸カルシウムの沈殿物を形成すると、沈殿物はセメント効果を持ち、サンゴ砂粒子の間の細孔を埋めるだけでなく、隣接する砂粒子をセメントで埋めることができます。

一方、浸透法でサンゴ砂をセメント化する場合、バクテリアとセメンチング溶液を注入する過程で、生成した炭酸カルシウムが徐々にセメント化してサンプル上部の細孔を埋め、浸透路が発生します。後の段階でブロックされる溶液の影響により、サンプルは上から下まで不均一な現象を示します。

一方、サンプル中にはさまざまな傾斜砂粒子が存在するため、サンプル内の細孔径分布は比較的均一です。 セメンテーションサイクルが少ない場合、沈降炭酸カルシウムの量が少なく、サイズが大きくないため、大および中細孔の充填効果は良好ではありません。 セメンテーション時間が増加すると、炭酸カルシウムの沈殿が増加し、相互にセメント化し、炭酸カルシウムの凝集体サイズが増加するため、大、中、小の細孔の充填効果が明らかに向上します。 ミクロ宇宙試験の結果から、14回に比べて7回では細孔の数が大幅に減少し、砂粒子間のセメント結合がより緊密でしっかりしていることがわかります。 マクロ物理的および機械的特性の観点から見ると、浸透性は減少し、強度は増加します。

この論文は、トラバーチンの形成過程と微生物環境を分析し、トラバーチンからバチルス・チューリンゲンシスと呼ばれる新しいタイプの尿素加水分解細菌を抽出しました。 細菌の精製と直交試験の実行後、比較的良好な培養条件が選択されます。 次に、Bacillus thuringiensis を使用して 2 つのグループのサンゴ砂のセメンテーション試験を実施します。 以下の結論が導き出されます。

Bacillus thuringiensis の最適培養条件は次のとおりです: 尿素 60.06 g/L、細菌接種 10 mL/L、シェーカーの振とう速度 180 r/min、および培養時間 48 時間。

サンゴ砂サンプルの透過係数は 10−4 cm/s と低いです。 一般に、セメンテーション回数が増えるほど、浸透係数は小さくなり、せん断強度は大きくなります。 一般的に使用される Sporosarcina pasterurii を含む砂サンプルと比較して、Bacillus thuringiensis によってセメント化された砂サンプルの凝集力と内部摩擦角はそれぞれ 1.5 倍と 1.1 倍以上増加しました。

NMRの結果は、砂サンプルの高さに沿った炭酸カルシウムの分布が不均一であることを示しています。これは、セメンチングプロセスで生成された炭酸カルシウムが砂粒子間の細孔を塞ぎ、その後の細菌とセメンチング溶液の浸透チャネルが減少するためです。炭酸カルシウムの形成と下方への沈降効果に影響を与え、さらにサンプルの多孔性が上から下に向かってますます大きくなります。

SEM分析結果と異なるセメンテーション時間でのサンプルの進化モデルは、生成された炭酸カルシウムが砂粒子間の細孔を効果的に充填し、隣接する砂粒子をセメント化できることを示しています。 セメンテーション回数が増えるほど、より多くの炭酸カルシウムが生成され、特に小および中程度の細孔の場合、砂粒子の効果的な充填とセメンテーションの効果がより顕著になります。

フォローアップ研究では、セメンチング効果に影響を与える他の要因を考慮し、特定の影響要因と機械的強度との相関関係を確立し、固化体の静的および動的特性に焦点を当て、サンゴ砂の微生物強化プロセスを最適化します。セメンテーション時間を短縮してセメンテーション性能を向上させ、最適化された補強プロセスを実際のプロジェクトに適用して、サンゴ砂地域の基礎強化と浸透防止処理に対応する管理アイデアを提供します。

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この研究は、中国国家自然科学財団（プロジェクト番号 U2034203、51979218、51809151、51979151）、中国三峡大学優秀論文研究基金（プロジェクト番号 2020BSPY001）、および湖北省自然科学財団によって発見されました。 (プロジェクト番号 Z2018063)。

中国三峡大学、宜昌市、443000、湖北省、教育省、三峡貯水池地域の地質学的危険に関する主要研究室

ヤオ・シャオ、デン・フアフェン、リー・ジェンリン

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Xiao, Y.、Deng, H. & Li, J. トラバーチンの洞窟から単離されたバチルス・チューリンギエンシスによるサンゴ砂の生物鉱物化。 Sci Rep 13、8687 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-35893-z

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受領日: 2022 年 3 月 30 日

受理日: 2023 年 5 月 25 日

公開日: 2023 年 5 月 29 日

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

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