Mejora del suelo de arena a través de la precipitación de calcita inducida microbiana (MICP) por inmersión

Resumen

Aquí, la tecnología de precipitación de calcita inducida microbianamente (MICP) se presenta para mejorar las propiedades del suelo por inmersión.

Resumen

El objetivo de este artículo es desarrollar un método de inmersión para mejorar las muestras tratadas con precipitación de calcita inducida microbianamente (MICP). Se ensambló un reactor por lotes para sumergir muestras de suelo en medios de cementación. Los medios de cementación pueden difundirse libremente en las muestras de suelo en el reactor por lotes en lugar de inyectar los medios de cementación. Un molde flexible de contacto completo, un molde rígido de contacto completo y un molde de ladrillo con núcleo se utilizaron para preparar diferentes portamuestras de suelo. Se seleccionaron fibras sintéticas y fibras naturales para reforzar las muestras de suelo tratadas con MICP. Se midió el CaCO₃ precipitado en diferentes áreas de las muestras tratadas con MICP. Los resultados de distribución de CaCO₃ demostraron que el CaCO₃ precipitado se distribuyó uniformemente en la muestra de suelo por el método de inmersión.

Introducción

Como tecnología biológica de mejora del suelo, la precipitación de calcita inducida microbianamente (MICP) es capaz de mejorar las propiedades de ingeniería del suelo. Se ha utilizado para mejorar la fuerza, rigidez, y permeabilidad del suelo. La técnica MICP ha ganado mucha atención para la mejora del suelo en todo el mundo^1,2,3,4. La precipitación de carbonato ocurre naturalmente y puede ser inducida por organismos no patógenos que son nativos del ambiente del suelo⁵. La reacción biogeoquímica MICP es impulsada por la existencia de bacterias ureolíticas, urea y una solución rica en calcio^5,6. Sporosarcina pasteurii es una enzima ureasa altamente activa que cataliza la red de reacción hacia la precipitación de la calcita^7,8. El proceso de hidrólisis de urea produce amonio disuelto (NH⁴⁺) y carbonato inorgánico (CO₃^2-). Los iones de carbonato reaccionan con los iones de calcio para precipitarse como cristales de carbonato de calcio. Las reacciones de hidrólisis de urea se muestran aquí:

El caCO₃ precipitado puede unir las partículas de arena para mejorar las propiedades de ingeniería del suelo tratado con MICP. La técnica MICP se ha aplicado en diversas aplicaciones, tales como la mejora de la resistencia y la rigidez del suelo, la reparación del hormigón, y la remediación ambiental^{9,10,11,12, 13 , 14 , 15}.

¹⁶ desarrollaron un método de inmersión para preparar muestras tratadas con MICP. En este método se utilizó un molde flexible de contacto completo hecho de geotextil. El caCO₃ precipitado se distribuyó uniformemente a través de sus muestras tratadas con MICP. ¹⁷ desarrolló un molde rígido de contacto completo para preparar muestras de vigas tratadas con MICP mediante un método de inmersión. La muestra tratada con MICP preparada por este método utilizando un molde de contacto completo rígido puede formar la forma de viga adecuada. La muestra tratada con MICP se dividió en cuatro y se midió el contenido de CaCO_3. El contenido de CaCO₃ osciló entre 8,4 y 1,5% a 9,4 a 1,2% en peso, lo que indicaba que el CaCO₃ se distribuía uniformemente en las muestras tratadas con MICP por el método de inmersión. Estas muestras tratadas con MICP también lograron mejores propiedades mecánicas. Estas biomuestras tratadas con MICP alcanzaron una resistencia a la flexión de 950 kPa, que era similar a la de 20- 25% muestras tratadas con cemento (600- 1300 kPa). ¹⁰ añadió fibra discreta distribuida aleatoriamente en el suelo arenoso y tratada el suelo por el método de inmersión MICP. Encontraron que la resistencia a la cizalladura, la ductilidad y la tensión de falla del suelo tratado con MICP se mejoraron obviamente mediante la adición de fibra adecuada.

El método de inmersión para MICP se ha mejorado continuamente^10,16,17. Este método se puede utilizar para preparar muestras de suelo tratadas con MICP y materiales de construcción prefabricados tratados con MICP, como ladrillos y vigas. Se desarrollaron diferentes dimensiones de geometría del molde de preparación de muestras. Se añadieron fibras en las muestras tratadas con MICP para mejorar sus propiedades. Este protocolo detallado estaba destinado a documentar los métodos de inmersión para el tratamiento MICP.

Protocolo

NOTA: Todo el material relevante utilizado en los siguientes procedimientos no es peligroso. Todavía se necesitan equipos de protección personal (gafas de seguridad, guantes, abrigo de laboratorio, pantalones de longitud completa, zapatos de punta cerrada).

1. Preparación de la solución bacteriana

1. Preparación del medio de crecimiento (medio NH₄-YE)
   NOTA: Los componentes de los medios de crecimiento por litro de agua desionizada son: 20 g de extracto de levadura; 10 g de (NH₄)₂SO₄; y tampón Tris de 0,13 M (pH 9,0).
   1. Ingredientes de Autoclave por separado.
   2. Disolver 20 g de extracto de levadura, y 10 g de (NH₄)₂SO₄ en 1 L de agua desionizada que contiene 0,13 M Tris tampón.
   3. Mezclar los componentes utilizando el agitador magnético después de la esterilización.
2. Procedimiento de propagación de Sporosarcina pasteurii
   NOTA: Utilice tubos centrífugos de 50 ml en este experimento.
   1. Descongelar las bacterias congeladas en un vial.
   2. Abra el vial.
   3. Transfiera 0,1 ml de suspensión bacteriana a un tubo centrífugo con 10 ml de medio de crecimiento fresco. Mezclar bien a mano (la tasa de inoculación es 1:100). Repita 5 suspensiones bacterianas más con medio de crecimiento. Preparar un tubo de control sólo con 10 de medio de crecimiento fresco en su interior.
      NOTA: El crioprotector utilizado en el procedimiento de congelación/secado puede inhibir el crecimiento en el tubo primario. Las tapas de los tubos se apretaron libremente para mantener la condición aeróbica.
   4. Incubar todos los tubos en una coctelera a 200 rpm a 30 oC durante 48 a 72 horas. Detener la incubación si el medio de crecimiento se turbia después de 48 h. De lo contrario, extender la incubación hasta un máximo de 72 h.
   5. Centrifugar los tubos con bacterias y medio de crecimiento a 4.000 x g durante 20 min.
   6. Retire el sobrenadante, reemplace con 25 ml de medio de crecimiento fresco y mezcle bien con una máquina de vórtice.
   7. Repita los pasos 1.2.3-1.2.6 dos veces para estimular completamente la actividad de las bacterias.
   8. Utilice la suspensión de los tubos en el paso 1.2.7 para inocular más tubos con 25 ml de medio de crecimiento para mejorar el cultivo de bacterias (la tasa de inoculación es 1:100).
   9. Incubar todos los tubos en una coctelera a 200 rpm a 30 oC durante 48 horas.
   10. Centrifugar los tubos con bacterias y medio de crecimiento a 4.000 x g durante 20 min.
   11. Retire el sobrenadante, sustitúyalo por un medio de crecimiento fresco y mezcle bien con una máquina de vórtice.
   12. Ajuste la concentración de bacterias utilizando un nuevo medio de crecimiento antes de los experimentos MICP. Calcular la concentración de bacterias por densidad óptica de la suspensión a 600 nm, que se midió utilizando un espectrofotómetro. El OD₆₀₀ en este experimento fue 0.6.

2. Preparación de medios de cementación

NOTA: Los medios de cementación se utilizan para proporcionar productos químicos que inducen la precipitación de la calcita durante el tratamiento con MICP. La relación molar urea-Ca²⁺ es 1:1. Los componentes químicos de los soportes de cementación se muestran en el Cuadro 1. El siguiente procedimiento es para 20 L de medios de cementación con 0,5 M Ca.

1. Prepare 20 L de agua en una caja de plástico.
2. Disolver 200 g de NH₄Cl, 60 g de caldo de nutrientes, 42,4 g de NaHCO₃, 600 g de urea y 1470 g de CaCl_2o2H₂O en los 20 L de agua destilada. Mezcle bien con la varilla de agitación.

3. Preparación de moldes

1. Preparación de molde flexible de contacto completo (FCFM)
   NOTA: El molde flexible de contacto completo está hecho de geotextil. El geotextil tiene una resistencia a la tracción de agarre de 1.689 N, una resistencia al desgarro trapezoidal de 667 N, un tamaño de apertura aparente de 0,15 mm, un caudal de agua de 34 mm/s, un espesor de 1,51 mm y una masa unitaria de 200 g/m^2. El tamaño del molde se puede variar para preparar diferentes tamaños de muestra (por ejemplo, muestra de prueba de compresión no confinado o muestra de prueba de cizallamiento directo).
   1. Como la FCFM consiste en una parte anular, un fondo y una cubierta, cortar el geotextil en partes constitutivas de FCFM.
   2. Cose las tres partes de FCFM juntas como se muestra en la Figura 1.
2. Preparación de molde de contacto completo rígido (RFCM) para bio-ladrillos
   NOTA: El molde rígido de contacto completo consta de una capa flexible y un soporte rígido. La capa flexible está hecha del mismo geotextil que el FCFM. El soporte rígido está hecho de una lámina perforada de polipropileno con orificios escalonados de 6,35 mm de diámetro distribuidos en la lámina perforada de polipropileno y la distancia de separación entre los orificios adyacentes es de 9,53 mm. Un molde consta de tres cámaras y el tamaño de cada cámara es de 177,8 mm de longitud, 76,2 mm de ancho y 38,1 mm de altura. El tamaño de RFCM se puede variar para preparar diferentes tamaños de muestra. Los orificios en el soporte rígido permiten que los medios de cementación fluyan a través de la capa flexible libremente.
   1. Prepare la lámina perforada de polipropileno para piezas constitutivas del soporte rígido.
   2. Montar las piezas de soporte rígido con tornillos y tuercas de plástico.
   3. Prepare las partes constitutivas de la capa flexible geotextil. La capa flexible consiste en una parte inferior y una cubierta.
   4. Encierre la parte inferior de la capa flexible en el soporte rígido.
   5. Una vez que la arena se agrega en el molde, coloque la cubierta de capa flexible y fijar cosiendo en la parte superior de la muestra de arena como se muestra en la Figura 2.
3. Preparación de molde de ladrillo hueco
   NOTA: El molde de ladrillo hueco incluye un soporte rígido, una capa flexible y tubos de cartón. El tamaño del tubo de cartón es de 60 mm x 140 mm x 60 mm. Se incluyen tres cámaras en un molde y el tamaño de cada cámara de molde es de 177,8 mm de longitud, 76,2 mm de ancho y 38,1 mm de altura en este procedimiento.
   1. Prepare la lámina perforada de polipropileno para las piezas constitutivas del soporte rígido.
   2. Taladre agujeros en la parte inferior de la pieza de soporte rígido. El tamaño de los orificios es de 61 mm de diámetro. La ubicación de los agujeros en cada cámara se muestra en la Figura 3a.
   3. Montar las piezas del soporte rígido con tornillos y tuercas de plástico.
   4. Montar los tubos de cartón en los orificios perforados en la parte inferior del soporte rígido.
   5. Prepare las partes constitutivas de la capa flexible geotextil. La capa flexible consiste en una parte inferior y una cubierta. Los agujeros también son necesarios en la capa flexible en la misma ubicación de los tubos de cartón.
   6. Una vez que la arena se agrega en el molde, coloque la cubierta de capa flexible y fijar cosiendo en la parte superior de la muestra de arena como se muestra en la Figura 3b.

4. Preparación del reactor por lotes

NOTA: El reactor que se muestra en la Figura 4 consta de una caja de plástico, medios de cementación, un estante con soporte de muestra y bombas de aire. Las muestras de suelo pueden sumergirse completamente en los medios de cementación, mientras que los medios de cementación pueden difundirse libremente en las muestras de suelo mediante este método. La bomba de aire en el reactor proporciona oxígeno para las bacterias. Para determinar los efectos del suministro de oxígeno diferente en el tratamiento MICP catalizado por Sporosarcina pasteurii, Li et al. 2017¹⁸ llevó a cabo pruebas de contraste en tres condiciones diferentes: una condición aireada, una condición restringida al aire, y un al aire libre. Encontraron que una condición bien oxigenada es esencial para mejorar los procesos MICP catalizados por bacterias aeróbicas.

1. Conecte la bomba de aire con el suministro de aire mediante una manguera de plástico.
2. Coloque la bomba de aire en la caja de plástico.
3. Vierta los medios de cementación en la caja de plástico.

5. Preparación de muestras de suelo

1. Preparación de la muestra de suelo tratada con MICP
   NOTA: La arena de Ottawa (99,7% de cuarzo) se utiliza en los experimentos. La arena es uniforme con un tamaño de partícula mediana de 0,46 mm y no se incluyen multas. Se clasifica como arena mal calificada basada en el Sistema Unificado clasificado de suelo (USCS).
   1. Añadir arena seca en moldes por el método de pluviación de aire (FCFM, RFCM, molde de ladrillo hueco) para alcanzar una condición de densidad mediana(D_r en el rango de aproximadamente 42-55%, y densidad seca de arena en el rango de 1.58–1.64 g/cm³).
      NOTA: El peso de la arena varía según los diferentes tipos de moldes: 145 x 5 g de arena para la muestra de prueba SCP, que es de 38,6 mm de diámetro y 76,2 mm de altura.
   2. Coloque la cubierta en la parte superior de las muestras y arréglala cosiendo.
   3. Vierta la solución bacteriana con un valor de densidad óptica fijo a través de la cubierta geotextil permeable en las muestras y asegúrese de que están saturadas.
      NOTA: La cantidad de solución bacteriana varió según diferentes muestras: 50 ml de solución bacteriana para una muestra de prueba de SCP, que es de 38,6 mm de diámetro y 76,2 mm de altura.
   4. Coloque las muestras en el estante soportado de la muestra tal y como se muestra en del cuadro 5a.
   5. Sumerja todo el estante en el reactor por lotes lleno de medios de cementación.
   6. Encienda el suministro de aire y ajuste la salida de aire para mantener una saturación de aire del 100%. Espere 7 días de reacción MICP.
   7. Saque las muestras del reactor como se muestra en la Figura 5b.
   8. Retire las muestras cortando el molde flexible de contacto completo o desmoldeando el soporte rígido y luego cortando la capa flexible.
   9. Lave las muestras con agua para eliminar la solución residual en el espacio de los poros.
   10. Colocar las muestras en el horno de 105 oC durante 48 h hasta que sus pesos permanezcan constantes. Las muestras se pueden analizar o tratar adicionalmente después del secado del horno.
2. Preparación de muestras de suelo tratadas con MICP reforzada con fibra
   NOTA: La fibra sintética (ver Tabla de Materiales)y la fibra de palma natural como se muestra en la Figura 6 se utilizan en estos procedimientos.
   1. Para la fibra sintética, mezclar el contenido propuesto de fibras y 900 g de arena seca en pequeños incrementos a mano para obtener una mezcla uniforme. El contenido de fibra en este experimento se fija como 0.3% en peso de la arena seca.
   2. Para la fibra de palma natural, distribuir 760 g de arena en cuatro partes iguales. Agregue estas cuatro partes de arena y tres capas de fibra en RFCM a intervalos.
   3. Repita el mismo procedimiento que los pasos 5.1.2—5.1.10 para obtener la muestra tratada con MICP.
3. Preparación de ladrillos tratados con cemento con tratamiento biosuperficial
   NOTA: El cemento Portland (TIPO I/II) con gravedad específica de 3.15 se utiliza como agente cementador para las muestras tratadas con cemento en este experimento. La ganancia de resistencia temprana de este cemento permitió que los diversos tiempos de curado oscilaban entre 7 y 21 días. La proporción de cemento añadido en este procedimiento es del 10% en peso de arena seca.
   1. Mezclar 900 g de arena, 90 g de cemento y 200 ml de agua para lograr una mezcla uniforme.
   2. Agregue la mezcla al molde rígido. El tamaño del molde rígido es de 177,8 mm de longitud, 76,2 mm de ancho y 38,1 mm de altura.
   3. Curar durante 7 días a una humedad constante del 100% y una temperatura constante de 25oC.
   4. Colocar las muestras en el horno de 105 oC durante 48 horas hasta que sus pesos permanezcan constantes.
   5. Repita el mismo procedimiento que los pasos 5.1.3—5.1.8.
   6. Colocar las muestras en el horno de 105 oC durante 48 horas hasta que sus pesos permanezcan constantes. Las muestras se pueden analizar o tratar adicionalmente después del secado del horno.

Resultados

La Figura 7 muestra la distribución de CaCO₃ precipitada a lo largo de la muestra tratada con MICP. La muestra tratada con MICP se dividió en tres áreas diferentes. El contenido de CaCO₃ en cada área fue probado por el método de lavado ácido. Para disolver los carbonatos precipitados, las muestras secas tratadas con MICP se lavaron en una solución de HCl (0,1 M), luego se enjuagaron, drenaron y se secaron en el horno durante 48 horas. El valor diferenciado entre ...

Discusión

La técnica MICP por inmersión se presentó en este documento. Las muestras de suelo se sumergieron en el reactor por lotes para ser penetradas completamente por los medios de cementación en el proceso MICP. En este método, se aplicó un molde flexible de contacto completo, un molde rígido de contacto completo y un molde de ladrillo con núcleo para preparar muestras tratadas con MICP.

Se pueden diseñar diferentes moldes para diferentes requisitos de geometría. La estructura fibrosa de g...

Materiales

Name	Company	Catalog Number	Comments
Ammonium Chloride, >99%	Bio-world	40100196-3 (705033)
Ammonium Sulfate	Bio-world	30635330-3
Calcium Chloride Dihydrate, >99%	Bio-world	40300016-3 (705111)
Nutrient Broth	Bio-world	30620056-3
Sodium Bicarbonate, >99%	Bio-world	41900068-3 (705727)
Sporosarcina pasteurii	American Type Culture Collection	ATCC 11859
Synthetic fiber	FIBERMESH	Fibermesh 150e3
Tris-Base, Biotechnology Grade, >99.7%	Bio-world	42020309-2 (730205)
Urea, USP Grade, >99%	Bio-world	42100008-2 (705986)
Yeast Extract	Bio-world	30620096-3 (760095)