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

May 31, 2024

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 aragonita. En este artículo, se extrae Bacillus thuringiensis, un tipo de bacteria mineralizada del cristal de travertino para cementar la arena de coral, y se estudia el efecto de refuerzo de la tecnología de precipitación microbiana de carbonatos inducida (MICP) sobre la arena de coral en diferentes tiempos de cementación. En primer lugar, las condiciones de cultivo se optimizan en nueve pares de pruebas, 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 de un 130%. En comparación con Sporosarcina pasturii, la cohesión y el ángulo de fricción interna de la columna de arena de coral cementada por Bacillus thuringiensis aumentan en más de un 50% y un 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, el número de poros medianos y pequeños también se reduce y el área de los poros es mayor. significativamente reducido, con una amplitud de aproximadamente el 44%. Los experimentos anteriores verificaron que los microorganismos del travertino también podrían 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 mediante la tecnología MICP.

Los peligros de ingeniería, como las fugas por grietas en los cimientos de la presa1, 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 y los investigadores científicos se han comprometido a estudiar medidas pertinentes 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 investigaciones interdisciplinarias en los últimos años. Tiene buenas perspectivas de aplicación para abordar este tipo de problemas de ingeniería. La precipitación de carbonatos 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 urea y utilizando iones de carbonato e iones de calcio en la solución. Bajo la acción de MICP, el suelo suelto se cementa o se sella la grieta, 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 del estudio del refuerzo del suelo, muchos estudiosos 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 Bacillus sp.VS1 de la arena de playas tropicales y utilizaron las bacterias para fortalecer suelos arenosos de gran tamaño, mejorando 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 recesada 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 2 MPa. Khan et al.8 aislaron Parahodobacter sp. del suelo cerca de beachrock y lo aplicó para tratar arena de coral en la prueba de aguja, el UCS estimado de los especímenes en algunos puntos podría exceder los 7 MPa.

Los minerales carbonatados 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 del carbonato de calcio en esta vía metabólica. La precipitación de carbonatos está ampliamente distribuida por todo el mundo9. En el proceso de movimiento de la geología y el sistema hídrico, los iones de calcio en el estrato de piedra caliza se disuelven constantemente en el agua subterránea, lo que hace que el agua subterránea contenga un alto contenido de calcio mineral. Cuando el agua subterránea se desborda de la superficie terrestre, el calcio mineral disuelto en el agua subterránea se combina con el H2O y el CO2 del 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 desempeñan un papel importante en la formación de rocas carbonatadas. Fouke10, Sugihara et al.11 y Javad et al.12 encontraron que el microbio existe ampliamente en el ambiente de deposición de travertino, algunos tipos de metabolitos extracelulares producidos por microorganismos durante el proceso de crecimiento pueden capturar y agregar Ca2+ o CaCO3 libre en el agua, y los microorganismos sirven como plantillas para la nucleación y el crecimiento de cristales de carbonato de calcio13. Además, el metabolismo microbiano puede promover la generación de depósito de travertino14. Tugba et al.15 y Zhang et al.16 descubrieron que la formación de travertino puede sellar mejor el paso de fuga y también puede volver a unir estructuras de piedra carbonatada rotas o fracturadas en algunas formaciones rocosas para curar la superficie de la 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 coralinas21 ha sido menos estudiada. Los estudios sobre la microestructura y la resistencia al corte de las muestras de arena de coral cementada son relativamente menores. En base a esto, las bacterias hidrolíticas de urea extraídas del travertino se utilizaron para cementar la arena de coral. A las muestras cementadas se les realizó la prueba de percolación y la prueba de corte 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 de travertino en el punto de filtración de la cámara era obvio, y algunas de las pequeñas grietas habían sido reparadas naturalmente por 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 del travertino en el túnel; (b) Cristales de travertino.

La extracción y purificación detallada del proceso de bacterias hidrolíticas de urea fue la 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 esterilizada y luego se vertió en un matraz cónico de 250 ml. El matraz cónico se agitó durante 5 minutos para dispersar uniformemente el polvo. Así, se obtuvo un diluyente con una concentración de 1/100 (10-2) g/mL.

Se puso 1 ml de diluyente en un tubo de ensayo que contenía 9 ml de agua esterilizada y luego se diluyó por turnos para obtener 10–3, 10–4, 10–5, 10–6, 10–7 g/ml, respectivamente. Se usó la pistola de pipeta 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 usó una varilla de vidrio recubierta estéril para dispersarla uniformemente, y el medio de la placa recubierta se invirtió y se puso en la incubadora a una temperatura de 30 °C durante 24 h.

Cuando las bacterias crecieron en el medio de la placa, se utilizó el anillo de inoculación para recoger las colonias dispersas y suaves y las inoculó en el medio inclinado de agar con la línea 'Z'. Después de la inoculación, se colocó el medio inclinado en la incubadora con la misma temperatura y tiempo de cultivo.

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

Después de purificar las bacterias, 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 ureasa se utilizaron como dos indicadores para medir el rendimiento de 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 mediante conductividad eléctrica siguiendo los siguientes pasos: se añadió 1 ml de solución bacteriana a 9 ml de solución de urea de 1,1 mol/l y se midió el cambio de conductividad eléctrica (ms/cm min) en 5 min multiplicando la dilución por múltiplos. para obtener actividad ureasa (mmol/L min)23. Se midió que la concentración bacteriana (valor de DO600) era 1,28 y la actividad ureasa era 13,63 mmol/L min. En las mismas condiciones de cultivo, la concentración bacteriana y la actividad 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 en un 34,38% y un 29,93%, lo que indica que la cepa tiene una mayor capacidad de producción de ureasa. En la Fig. 2 se muestran el medio de cultivo en placa de agar, el medio de cultivo inclinado de agar y el medio de cultivo líquido. 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, 5 g/L de cloruro de sodio y 20,02 g/L de urea. Para aislar las bacterias, se agregaron 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 fue identificada 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 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 el espectrofotómetro se tomó como la concentración. de solución bacteriana. Los resultados detallados se muestran en la Tabla 2.

Los valores medios de OD600 estuvieron dentro del rango de 1,25 a 1,83 y los valores medios de actividad de ureasa variaron de 11,29 a 15,86 mmol/L min de la Tabla 2. Prueba NO.3 y prueba NO. 7 tuvo valores de OD600 relativamente más altos, pero en comparación con la prueba NO.3, la prueba NO.7 necesitó menos inoculación microbiana y un tiempo de cultivo más corto para lograr una concentración bacteriana más alta, por lo que se eligió la prueba NO.7 como la condición de cultivo óptima en este documento. Es decir, las condiciones de cultivo para Bacillus thuringiensis fueron las siguientes: contenido de urea 60,06 g/L, inoculación microbiana 10 mL/L, velocidad del agitador 180 r/min y tiempo de incubación 48 h. Todos los Bacillus thuringiensis utilizados en la prueba de cemento posterior se cultivaron en estas condiciones.

La prueba de cementación de arena coralina se realizó mediante infiltración libre. Los moldes para contener 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 escapara por el fondo, se colocó un manguito de fijación con un diámetro interior de 50 mm en el fondo del molde (había un pequeño agujero en el centro del fondo del manguito de fijación para para facilitar la salida del líquido residual), se utilizó una venda 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 2,80. Para optimizar el efecto de refuerzo y obtener la columna de arena cementada con una resistencia uniforme, las muestras se prepararon después de tamizarlas con un 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 sobre la arena de coral, se consideraron dos grupos de cementación diferentes, uno se cementó 7 veces y el otro 14 veces. Además, la temperatura y humedad en el laboratorio fueron de 25 °C y 40%, respectivamente.

Según la Fig. 6, la prueba de cementación se realizó mediante los siguientes pasos.

Proceso de cementación de la arena coralina.

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 colocarlas en un molde de silicona poroso elástico, cada capa se vibró ligeramente y se compactó, 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 estuvieron completamente adheridas 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 en 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 pudieron hidrolizar completamente la urea y combinar los iones de calcio en la solución para producir carbonato de calcio. .

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

Luego de alcanzar los tiempos de cementación de cada grupo, las muestras cementadas fueron introducidas en el termostato a 60 °C hasta alcanzar el peso constante, y se les realizaron las siguientes pruebas de mecánica física macroscópica o microscópicas.

En la Fig.7 se muestran muestras típicas de arena cementada.

Muestras típicas de arena de coral cementada microbianamente en 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, en este artículo 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.

Pesando la masa de las muestras de los diferentes grupos 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.

En la Figura 8 se observa que el contenido de carbonato de calcio se encuentra entre 17.75 y 21.95% en las muestras bajo 7 tiempos de cementación, mientras que está entre 23.85 y 30.00% bajo 14 veces, con valores medios de 19.82% y 27.66%, respectivamente. En comparación, el contenido medio de las muestras de 14 tiempos de cementación es aproximadamente un 8,00% mayor 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 lisa 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 del 10,70%. El contenido en el ensayo de refuerzo y lechada in situ de León et al.27 oscila entre el 12,60 y el 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 aproximadamente 14,40%. En comparación con estas investigaciones, Bacillus thuringiensis produjo un mayor contenido de carbonato de calcio en las muestras de arena de coral en este estudio, lo que indica que 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 roca 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.

Según 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 el caudal de fluido a través de la muestra de arena en 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 la cementación es de aproximadamente 10-2 cm/s, después de cementada mediante diferentes ciclos, los autores pueden observar en la Fig. 9 que el coeficiente de permeabilidad de las muestras se redujo a 10-4 cm. /s, cayendo en dos órdenes de magnitud, esto es consistente con investigaciones anteriores30,31, 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 bajo 14 tiempos de cementación es más del 60% menor que bajo 7 veces. Es decir, Bacillus thuringiensis puede inducir más precipitación de carbonato de calcio con más ciclos de cementación. Las muestras se llenan con CaCO3 precipitado y las partículas de arena adyacentes se cementan con 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, se realiza la prueba de corte 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 tensiones normales de 400 kPa, 600 kPa, 800 kPa y 1000 kPa. La velocidad de corte fue del 1%/min32 y la condición de parada del corte fue cuando la resistencia al corte se mantuvo en un valor relativamente estable.

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

Las curvas de tensión cortante-desplazamiento cortante de muestras típicas se muestran en la Fig. 11. Bajo diferentes tiempos de cementación, las curvas de tensión 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 de corte. La diferencia es que con el aumento del tiempo de cementación, la resistencia al corte bajo la misma tensión normal aumenta en diferentes grados. En comparación con 7 tiempos de cementación, la resistencia al corte de las muestras menores de 14 veces aumenta en un 41,2%, 36,5%, 32,3% y 29,6%, respectivamente. Al mismo tiempo, el desplazamiento de corte correspondiente aumenta cuando la curva alcanza la resistencia máxima relativamente estable.

Curva tensión 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 tensiones 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 considerablemente, lo que concuerda 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 artículo 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, de ese modo, analizar las características microscópicas de la estructura de los poros. dentro del medio poroso34. El sistema de análisis de imágenes de RMN MacroMR12-110H-1 se utiliza para escanear las muestras. Según el espectro de distribución T2 y los parámetros característicos relevantes, se analizan cuantitativamente las características estructurales de los poros microscópicos dentro de las muestras de arena.

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 mayor 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 ronda los 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 poros pequeños 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. Según el principio de imagen, la proporción de líquido que se llena en diferentes poros se utiliza para reflejar la distribución de los 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 para cada tamaño de poro.

La Tabla 3 muestra el cambio del área de los poros del espectro T2 de la muestra en 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, lo 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 observar más a fondo el efecto de llenado 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 escaneadas 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.

Exploración de la sección transversal por RMN de las muestras de arena en 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 llenado 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 pobre, los resultados del escaneo tienen mucho rojo área resaltada, esto es consistente con las áreas de distribución del espectro T2. Comparando los perfiles de sección transversal de las dos muestras, se descubre que el efecto de llenado de las muestras se debilita de arriba a abajo. Con el experimento de refuerzo en marcha, el carbonato de calcio generado puede llenar los poros entre las partículas y cementar las partículas adyacentes. En el proceso de precipitación del carbonato de calcio, los poros se pueblan gradualmente de arriba a abajo de la muestra, se reducen los canales de infiltración de la solución bacteriana y 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 de manera homogénea en las muestras, la parte roja se vuelve cada vez 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 cizallamiento 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 dividido en dos estados. En primer lugar, los cristales de CaCO3 se encuentran entre 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 disperso 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, lo que hace que las dos partículas de arena se cementen 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 las partículas y la precipitación de carbonato de calcio generada es más intensa entre las 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 en 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 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 pero también llenaron los poros dentro de las partículas.

Partículas de arena calcárea antes del tratamiento de cementación.

Las imágenes SEM de las muestras bajo 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 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 sometida a 14 tiempos de cementación tiene menos poros y más carbonato de calcio entre partículas de arena que 7 veces. El carbonato de calcio precipitado aumenta, la porción no cementada entre las 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 pueden recubrirse mejor y llenarse de poros entre las partículas de arena; por otro lado, las partículas de arena de coral no cementadas adyacentes se cementan más fácilmente debido a la mayor precipitación de carbonato de calcio, lo que hace que las dos partículas de arena adyacentes se cementen firmemente. en un todo. Macroscópicamente, la permeabilidad y la resistencia al corte de las muestras cementadas mejoran aún más.

Según 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 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.

Puede verse en las figuras 16a a d que diferentes tamaños de arena de coral forman naturalmente poros de diferentes tamaños en el molde poroso. Y las partículas de arena sueltas quedan 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 cementante se acumulan alrededor de las bacterias y se unen al carbonato de 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 cementar las partículas de arena adyacentes.

Por un lado, cuando la arena de coral se cementa mediante el método de infiltración, durante el proceso de inyección de la solución bacteriana y cementante, el carbonato de calcio generado cementará y llenará gradualmente los poros de 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 partículas de arena de varios grados 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 llenado de los poros grandes y medianos no es bueno. Con el aumento de los tiempos de cementación, aumenta la precipitación de carbonato de calcio y se cementan entre sí, aumentando así el tamaño del agregado de carbonato de calcio, por lo que el efecto de relleno de los poros grandes, medianos y pequeños evidentemente mejora. Se puede ver en los resultados de las pruebas microcósmicas que el número de poros se reduce significativamente en 7 veces en comparación con 14 veces, y la cementación entre las partículas de arena es más estrecha y firme. 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 ambiente microbiano del travertino, del travertino se extrae un nuevo tipo de bacteria urea-hidrolítica denominada Bacillus thuringiensis. 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 con arena de coral con Bacillus thuringiensis. Se pueden sacar las siguientes conclusiones.

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

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 será la resistencia al corte. En comparación con las muestras de arena con Sporosarcina pasterurii comúnmente utilizada, 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 del 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 dará como resultado que los canales de infiltración posteriores de la solución bacteriana y cementante se reduzcan, por lo tanto afectando la formación de carbonato de calcio y el efecto de sedimentación descendente, 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 es el efecto de llenado y cementación eficaz de las partículas de arena, especialmente para los poros pequeños y medianos.

En la investigación posterior, consideraremos otros factores que afectan el efecto cementante, 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 anti-filtración en áreas de arena de coral.

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

Laboratorio clave de riesgos 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 de borrador original. HD: Metodología, Análisis formal, Revisión y edición de redacción. JL: Investigación, Supervisión, Validación.

Correspondencia a Huafeng Deng.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Xiao, Y., Deng, H. & Li, J. Biomineralización de arena de coral por Bacillus thuringiensis aislado de una cueva de travertino. Representante 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 de mayo de 2023

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

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