Name: sandy soil improvement through microbially induced calcite precipitation (micp) by immersion
Uploaded: 2019-09-12T14:30:00
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Questo lavoro è stato sostenuto dalla National Science Foundation Grant No. 1531382 e MarTREC.

NOTA: Tutto il materiale pertinente utilizzato nelle seguenti procedure non è pericoloso. Sono ancora necessari dispositivi di protezione personale (occhiali di sicurezza, guanti, camice da laboratorio, pantaloni a figura intera, scarpe chiuse).
1. Preparazione della soluzione batterica
<ol><li>Preparazione del mezzo di crescita (NH4-YE medio) NOTA: I componenti dei mezzi di crescita per litro di acqua deionizzata sono: 20 g di estratto di lievito; 10 g di (NH4)<sub...

<ol>
	<li>Cheng, L., Shahin, M. A., Mujah, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Influence+of+key+environmental+conditions+on+microbially+induced+cementation+for+soil+stabilization.">Influence of key environmental conditions on microbially induced cementation for soil stabilization.</a> Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering. 143 (1), 04016083-04016091 (2016).</li><li>Whiffin, V. S., van Paassen, L. A., Harkes, M. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microbial+carbonate+precipitation+as+a+soil+improvement+technique.">Microbial carbonate precipitation as a soil improvement technique.</a> Geomicrobiology Journal. 24 (5), 417-423 (2007).</li><li>van Paassen, L. A., Ghose, R., van der Linden, T. J., van der Star, W. R., van Loosdrecht, M. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Quantifying+biomediated+ground+improvement+by+ureolysis:+large-scale+biogrout+experiment.">Quantifying biomediated ground improvement by ureolysis: large-scale biogrout experiment.</a> Journal of Geotechnical And Geoenvironmental Engineering. 136 (12), 1721-1728 (2010).</li><li>Montoya, B. M., DeJong, J. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Stress-strain+behavior+of+sands+cemented+by+microbially+induced+calcite+precipitation.">Stress-strain behavior of sands cemented by microbially induced calcite precipitation.</a> Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering. 141 (6), 04015019 (2015).</li><li>DeJong, J. T., Fritzges, M. B., N&#252;sslein, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microbially+induced+cementation+to+control+sand+response+to+undrained+shear.">Microbially induced cementation to control sand response to undrained shear.</a> Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering. 132 (11), 1381-1392 (2006).</li><li>Zhao, Q., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Factors+affecting+improvement+of+engineering+properties+of+MICP-treated+soil+catalyzed+by+bacteria+and+urease.">Factors affecting improvement of engineering properties of MICP-treated soil catalyzed by bacteria and urease.</a> Journal of Materials in Civil Engineering. 26 (12), 04014094 (2014).</li><li>Castanier, S., Le M&#233;tayer-Levrel, G., Perthuisot, J. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ca-carbonates+precipitation+and+limestone+genesis&#8212;the+microbiogeologist+point+of+view.">Ca-carbonates precipitation and limestone genesis&#8212;the microbiogeologist point of view.</a> Sedimentary Geology. 126 (1-4), 9-23 (1999).</li><li>Burne, R. A., Chen, Y. Y. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Bacterial+ureases+in+infectious+diseases.">Bacterial ureases in infectious diseases.</a> Microbes and Infection. 2 (5), 533-542 (2000).</li><li>Bernardi, D., DeJong, J. T., Montoya, B. M., Martinez, B. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Bio-bricks:+biologically+cemented+sandstone+bricks.">Bio-bricks: biologically cemented sandstone bricks.</a> Construction and Building Materials. 55, 462-469 (2014).</li><li>Li, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Influence+of+fiber+addition+on+mechanical+properties+of+MICP-treated+sand.">Influence of fiber addition on mechanical properties of MICP-treated sand.</a> Journal of Materials in Civil Engineering. 28 (4), 04015166 (2015).</li><li>Achal, V., Kawasaki, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Biogrout:+a+novel+binding+material+for+soil+improvement+and+concrete+repair.">Biogrout: a novel binding material for soil improvement and concrete repair.</a> Frontiers in Microbiology. 7, 314 (2016).</li><li>Al Qabany, A., Soga, K., Santamarina, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Factors+affecting+efficiency+of+microbially+induced+calcite+precipitation.">Factors affecting efficiency of microbially induced calcite precipitation.</a> Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering. 138 (8), 992-1001 (2011).</li><li>Lin, H., Suleiman, M. T., Brown, D. G., Kavazanjian, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mechanical+behavior+of+sands+treated+by+microbially+induced+carbonate+precipitation.">Mechanical behavior of sands treated by microbially induced carbonate precipitation.</a> Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering. 142 (2), 04015066 (2015).</li><li>Lauchnor, E. G., Topp, D. M., Parker, A. E., Gerlach, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Whole+cell+kinetics+of+ureolysis+by+sporosarcina+pasteurii.">Whole cell kinetics of ureolysis by sporosarcina pasteurii.</a> Journal of Applied Microbiology. 118 (6), 1321-1332 (2015).</li><li>Nafisi, A., Montoya, B. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+new+framework+for+identifying+cementation+level+of+MICP-treated+sands.">A new framework for identifying cementation level of MICP-treated sands.</a> IFCEE. , (2018).</li><li>Zhao, Q., Li, L., Li, C., Zhang, H., Amini, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+full+contact+flexible+mold+for+preparing+samples+based+on+microbial-induced+calcite+precipitation+technology.">A full contact flexible mold for preparing samples based on microbial-induced calcite precipitation technology.</a> Geotechnical Testing Journal. 37 (5), 917-921 (2014).</li><li>Bu, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Development+of+a+Rigid+Full-Contact+Mold+for+Preparing+Biobeams+through+Microbial-Induced+Calcite+Precipitation.">Development of a Rigid Full-Contact Mold for Preparing Biobeams through Microbial-Induced Calcite Precipitation.</a> Geotechnical Testing Journal. 42 (3), 656-669 (2018).</li><li>Li, M., Wen, K., Li, Y., Zhu, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Impact+of+oxygen+availability+on+microbially+induced+calcite+precipitation+(MICP)+treatment.">Impact of oxygen availability on microbially induced calcite precipitation (MICP) treatment.</a> Geomicrobiology Journal. 35 (1), 15-22 (2018).</li><li>Martinez, B. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Experimental+optimization+of+microbial-induced+carbonate+precipitation+for+soil+improvement.">Experimental optimization of microbial-induced carbonate precipitation for soil improvement.</a> Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering. 139 (4), 587-598 (2013).</li></ol>

La tecnica MICP per immersione è stata presentata in questo documento. I campioni di suolo sono stati immersi nel reattore a lotti per essere completamente penetrati dai supporti di cementazione nel processo MICP. In questo metodo, sono stati applicati uno stampo flessibile a contatto completo a contatto completo, uno stampo rigido a contatto completo e uno stampo in mattoni cored per preparare campioni trattati con MICP.
Diversi stampi possono essere progettati per diversi requisiti di geome...

Come tecnologia biologica di miglioramento del suolo, la precipitazione di calcite microbicamente indotta (MICP) è in grado di migliorare le proprietà ingegneristiche del suolo. È stato utilizzato per migliorare la forza, rigidità, e permeabilità del suolo. La tecnica MICP ha guadagnato molta attenzione per il miglioramento del suolo in tutto il mondo1,2,3,4. Le precipitazioni carboniate avvengono naturalmente e possono essere indotte da organismi non patogeni nativi dell'ambiente del suolo5. La reazione biogeochimica MICP è guidata dall'esistenza di batteri ureolitici, urea e una soluzione ricca di calcio5,6. Sporosarcina pasteurii è un enzima uretra altamente attivo che catalizza la rete di reazione verso la precipitazione di calcite7,8. Il processo di idrolisi dell'urea produce ammonio disciolto (NH4)e carbonato inorganico (CO32-). Gli ioni carbonati reagiscono con gli ioni di calcio per precipitare come cristalli di carbonato di calcio. Le reazioni di idrolisi dell'urea sono mostrate qui:
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/60059/60059equ01.jpg">
<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/60059/60059equ02.jpg">
Il CaCO3 precipitato può legare le particelle di sabbia insieme per migliorare le proprietà ingegneristiche del suolo trattato con MICP. La tecnica MICP è stata applicata in varie applicazioni, come il miglioramento della resistenza e della rigidità del suolo, la riparazione del calcestruzzo e la bonifica ambientale9,10,11,12, 13 del sistema , 14 Del sistema , 15.
Il sistema di installazione hasviluppato un metodo di immersione per preparare campioni trattati con MICP. In questo metodo è stato utilizzato uno stampo flessibile a contatto completo in geotessile. Il CaCO3 precipitato distribuito uniformemente in tutti i campioni trattati con MICP. 17 ha sviluppato uno stampo rigido a contatto completo per preparare campioni di fascio trattati con MICP con un metodo di immersione. Il campione trattato con MICP preparato con questo metodo utilizzando uno stampo rigido a contatto completo può formare la forma appropriata del fascio. Il campione trattato con MICP è stato diviso in quattro e il contenuto di CaCO3 è stato misurato. Il contenuto di CaCO3 variava da 8,4 x 1,5% a 9,4 x 1,2% in peso, il che indicava che la CaCO3 si distribuiva uniformemente nei campioni trattati con MICP con il metodo di immersione. Questi campioni trattati con MICP hanno anche ottenuto migliori proprietà meccaniche. Questi biocampioni trattati con MICP hanno raggiunto una resistenza alla flessione di 950 kPa, simile a quella di 20- 25% di campioni trattati con cemento (600- 1300 kPa). Li et al.10 aggiunto casualmente distribuito fibra discreta nel terreno sabbioso e trattato il terreno con il metodo di immersione MICP. Hanno scoperto che la forza di taglio, la duttilità e il ceppo di guasto del suolo trattato con MICP sono stati migliorati ovviamente con l'aggiunta di fibra appropriata.
Il metodo di immersione per MICP è stato continuamente migliorato10,16,17. Questo metodo può essere utilizzato per preparare campioni di suolo trattati con MICP e materiali da costruzione prefabbricati trattati con MICP, come mattoni e travi. Sono state sviluppate diverse dimensioni geometriche dello stampo di preparazione del campione. Le fibre sono state aggiunte nei campioni trattati con MICP per migliorare le loro proprietà. Questo protocollo dettagliato era destinato a documentare i metodi di immersione per il trattamento MICP.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>Ammonium Chloride, &#62;99%</td>
			<td>Bio-world</td>
			<td>40100196-3 (705033)</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ammonium Sulfate</td>
			<td>Bio-world</td>
			<td>30635330-3</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Calcium Chloride Dihydrate, &#62;99%</td>
			<td>Bio-world</td>
			<td>40300016-3 (705111)</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Nutrient Broth</td>
			<td>Bio-world</td>
			<td>30620056-3</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sodium Bicarbonate, &#62;99%</td>
			<td>Bio-world</td>
			<td>41900068-3 (705727)</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sporosarcina pasteurii</td>
			<td>American Type Culture Collection</td>
			<td>ATCC 11859</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Synthetic fiber</td>
			<td>FIBERMESH</td>
			<td>Fibermesh 150e3</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tris-Base, Biotechnology Grade, &#62;99.7%</td>
			<td>Bio-world</td>
			<td>42020309-2 (730205)</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Urea, USP Grade, &#62;99%</td>
			<td>Bio-world</td>
			<td>42100008-2 (705986)</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Yeast Extract</td>
			<td>Bio-world</td>
			<td>30620096-3 (760095)</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

sandy soil improvement through microbially induced calcite precipitation (micp) by immersion

L'obiettivo di questo articolo è quello di sviluppare un metodo di immersione per migliorare i campioni trattati con precipitazioni di calcite microbicamente indotte (MICP). È stato assemblato un reattore a lotti per immergere i campioni di suolo in supporti di cementazione. I mezzi di cementazione possono diffondersi liberamente nei campioni del suolo nel reattore a lotti invece di iniettare i supporti di cementazione. Uno stampo flessibile a contatto completo, uno stampo rigido a contatto completo e uno stampo in mattoni a corone sono stati utilizzati per preparare diversi portacampioni del suolo. Sono state selezionate fibre sintetiche e fibre naturali per rinforzare i campioni di suolo trattati con MICP. È stato misurato il CaCO3 precipitato in diverse aree dei campioni trattati con MICP. I risultati della distribuzione di CaCO3 hanno dimostrato che il CaCO3 precipitato è stato distribuito uniformemente nel campione del suolo con il metodo di immersione.

La figura 7 mostra la distribuzione del CaCO3 precipitato in tutto il campione trattato con MICP. Il campione trattato con MICP è stato suddiviso in tre aree diverse. Il contenuto di CaCO3 in ogni area è stato testato dal metodo di lavaggio acido. Per sciogliere i carbonati precipitati, i campioni secchi trattati con MICP sono stati lavati in una soluzione HCl (0,1 M), quindi sciacquati, drenati e essiccati a forno per 48 ore. Il valore di differenza tra le masse di c...

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Sandy Soil Improvement through Microbially Induced Calcite Precipitation MICP by Immersion

Qui, la tecnologia di precipitazione di calcite microbicamente indotta (MICP) viene presentata per migliorare le proprietà del suolo per immersione.

Miglioramento del suolo sabbioso attraverso la precipitazione calcittica indotta microbica (MICP) per immersione

The goal of this article is to develop an immersion method to improve the microbially induced calcite precipitation (MICP) treated samples. A batch ...

Il metodo di immersione dimostrato in questo protocollo aiuta il ricercatore a rimuovere il campione di terreno ininterrotto trattato con MICP per test meccanici attraverso diversi stampi. Questa tecnica aiuta il campione di terreno trattato con MICP a ottenere carbonato di calcio precipitato più uniforme. Questi campioni di terreno trattati con MICP ottengono anche migliori proprietà meccaniche attraverso questo metodo.L'aspetto più importante di questa tecnica è garantire che l'attività dei batteri sia abbastanza buona per il processo MICP per evitare di dispendioso in termini di tempo e di materiale. La progettazione di stampi appropriati per diverse applicazioni è considerata un altro aspetto importante per i ricercatori che intendono selezionare questa tecnica per la prima volta. Per iniziare, trasferire 0,1 millilitro di sospensione batterica in un tubo di centrifuga riempito con 10 millilitri di mezzo di crescita fresco.Mescolare bene invertendo e quindi allentare il coperchio del tubo per mantenere le condizioni aerobiche. Preparare sei tubi di sospensioni batteriche con mezzo di crescita e un tubo di controllo con 10 millilitri di mezzo di crescita fresco da solo. Incubare tutti i tubi in uno shaker a 200 giri/min e 30 gradi Celsius per 48-72 ore.Se il mezzo di crescita diventa torbido dopo 48 ore, interrompere l'incubazione. Centrifugare i tubi con batteri e mezzo di crescita a 4.000 volte g per 20 minuti. Rimuovere il supernatante, sostituire con 25 millilitri di mezzo di crescita fresco e mescolare bene utilizzando una macchina a vortice.Quindi, per migliorare la coltura dei batteri, trasferire 0,25 millilitri della sospensione dai tubi in nuovi tubi con 25 millilitri di mezzo di crescita per inoculare. Incubare tutti i tubi in uno shaker a 200 giri/min e 30 gradi Celsius per 48 ore. Centrifugare i tubi con batteri e mezzo di crescita a 4.000 volte g per 20 minuti.Rimuovere il supernatante, sostituire con un mezzo di crescita fresco e mescolare bene utilizzando una macchina a vortice. Misurare la densità ottica della sospensione a 600 nanometri su uno spettrofotometro. Regolare la concentrazione di batteri utilizzando un mezzo di crescita fresco a un OD600 di 0,6.Aggiungere circa 140 grammi di sabbia secca di Ottawa con corde del 99,7% negli stampi con il metodo di pluviazione dell'aria per raggiungere una condizione mediana densa con densità relativa nell'intervallo dal 42 al 55% e densità secca di sabbia nell'intervallo da 1,58 a 1,64 grammi per centimetro cubo. Posizionare una copertura sopra i campioni e fissarla cucendo. Versare la soluzione batterica attraverso il coperchio geotessile permeabile nei campioni.Quando si osserva una soluzione batterica fluida sul fondo dei campioni di terreno, sono considerati saturi. Quindi, posizionare i campioni sullo scaffale. Immergere l'intero ripiano in un reattore batch riempito con mezzi di cementazione.Accendere l'alimentazione dell'aria e regolare l'uscita dell'aria per mantenere la saturazione dell'aria al 100%. Attendere sette giorni di reazione micp. Eserti i campioni dal reattore.Utilizzare un coltello per tagliare lo stampo flessibile a contatto completo. Quindi, lavare i campioni con acqua per rimuovere la soluzione residua negli spazi dei pori. Posizionare i campioni in un forno Celsius di 105 gradi per 48 ore fino a quando i loro pesi rimangono costanti.Per la fibra sintetica, mescolare 2,7 grammi delle fibre e 900 grammi di sabbia secca in piccoli incrementi a mano per ottenere una miscela uniforme con contenuto di fibre allo 0,3%. Per la fibra di palma naturale, preparare quattro parti di sabbia con 190 grammi ciascuna. Preparare tre strati di fibre con circa 1,8 grammi ciascuno.Aggiungere le quattro parti di sabbia e tre strati di fibre in stampo rigido a contatto completo a intervalli. Successivamente, ripetere il trattamento MICP come in precedenza. In questo protocollo, il carbonato di calcio precipitato è stato osservato in tutto il campione trattato con MICP.Il campione trattato con MICP è stato suddiviso in tre diverse aree. Il tenore di carbonato di calcio del campione trattato con MICP con il metodo di immersione variava dal 9,0% al 9,5% indicando che il carbonato di calcio precipitato è stato distribuito uniformemente in tutto il campione di suolo. Le curve di sollecitazione del bio-mattone rinforzate con tre strati di fibra di palma e bio-mattone non rinforzato hanno mostrato che la forza di flessione del bio-mattone non rinforzato era di 1.150 kilopascal, mentre quella del bio-mattone rinforzato era di 980 kilopascal.Lo sforzo di flessione è stato migliorato significativamente con l'aggiunta della fibra di palma. È molto importante garantire l'attività della soluzione batterica prima del processo MICP. In caso meno, non è certo avere successo nell'esperimento.Una volta che l'esperimento fallisce, dovrebbe essere una perdita di tempo e materiali. Seguendo questa procedura, diversi stampi possono essere progettati per diversi scopi sperimentali attraverso la tecnica MICP. L'influenza di MICP su diversi tipi di struttura o materiali diversi può essere simulata da questi stampi.

Research

JoVE Journal

Engineering

Sandy Soil Improvement through Microbially Induced Calcite Precipitation (MICP) by Immersion

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