Terima kasih telah mengunjungi nature.com. Versi peramban yang Anda gunakan memiliki dukungan CSS yang terbatas. Untuk pengalaman terbaik, kami sarankan Anda menggunakan versi peramban terbaru (atau matikan mode kompatibilitas di Internet Explorer). Selain itu, untuk memastikan dukungan berkelanjutan, situs ini tidak akan menyertakan gaya atau JavaScript.
Badai debu merupakan ancaman serius bagi banyak negara di dunia karena dampaknya yang merusak terhadap pertanian, kesehatan manusia, jaringan transportasi, dan infrastruktur. Akibatnya, erosi angin dianggap sebagai masalah global. Salah satu pendekatan ramah lingkungan untuk mengatasi erosi angin adalah penggunaan presipitasi karbonat yang diinduksi mikroba (MICP). Namun, produk sampingan MICP berbasis degradasi urea, seperti amonia, tidak ideal jika diproduksi dalam jumlah besar. Studi ini menyajikan dua formulasi bakteri kalsium format untuk degradasi MICP tanpa menghasilkan urea dan secara komprehensif membandingkan kinerjanya dengan dua formulasi bakteri kalsium asetat yang tidak menghasilkan amonia. Bakteri yang dipertimbangkan adalah Bacillus subtilis dan Bacillus amyloliquefaciens. Pertama, nilai optimal dari faktor-faktor yang mengontrol pembentukan CaCO3 ditentukan. Kemudian, uji terowongan angin dilakukan pada sampel bukit pasir yang diberi perlakuan dengan formulasi optimal, dan ketahanan erosi angin, kecepatan ambang batas pengelupasan, dan ketahanan bombardir pasir diukur. Alomorf kalsium karbonat (CaCO3) dievaluasi menggunakan mikroskopi optik, mikroskopi elektron pemindaian (SEM), dan analisis difraksi sinar-X. Formulasi berbasis kalsium format menunjukkan kinerja yang jauh lebih baik daripada formulasi berbasis asetat dalam hal pembentukan kalsium karbonat. Selain itu, B. subtilis menghasilkan lebih banyak kalsium karbonat daripada B. amyloliquefaciens. Mikrograf SEM dengan jelas menunjukkan pengikatan dan pencetakan bakteri aktif dan tidak aktif pada kalsium karbonat yang disebabkan oleh sedimentasi. Semua formulasi secara signifikan mengurangi erosi angin.
Erosi angin telah lama diakui sebagai masalah utama yang dihadapi daerah kering dan semi-kering seperti Amerika Serikat bagian barat daya, Tiongkok bagian barat, Afrika Sahara, dan sebagian besar Timur Tengah1. Curah hujan yang rendah di iklim kering dan sangat kering telah mengubah sebagian besar wilayah ini menjadi gurun, bukit pasir, dan lahan yang tidak ditanami. Erosi angin yang berkelanjutan menimbulkan ancaman lingkungan terhadap infrastruktur seperti jaringan transportasi, lahan pertanian, dan lahan industri, yang menyebabkan kondisi hidup yang buruk dan biaya pembangunan perkotaan yang tinggi di wilayah ini2,3,4. Yang penting, erosi angin tidak hanya berdampak pada lokasi terjadinya, tetapi juga menyebabkan masalah kesehatan dan ekonomi di komunitas terpencil karena membawa partikel melalui angin ke daerah yang jauh dari sumbernya5,6.
Pengendalian erosi angin tetap menjadi masalah global. Berbagai metode stabilisasi tanah digunakan untuk mengendalikan erosi angin. Metode-metode ini meliputi bahan-bahan seperti aplikasi air7, mulsa minyak8, biopolimer5, presipitasi karbonat yang diinduksi mikroba (MICP)9,10,11,12 dan presipitasi karbonat yang diinduksi enzim (EICP)1. Pembasahan tanah adalah metode standar penekan debu di lapangan. Namun, penguapannya yang cepat membuat metode ini kurang efektif di daerah kering dan semi-kering1. Aplikasi senyawa mulsa minyak meningkatkan kohesi pasir dan gesekan antarpartikel. Sifat kohesifnya mengikat butiran pasir bersama-sama; namun, mulsa minyak juga menimbulkan masalah lain; warnanya yang gelap meningkatkan penyerapan panas dan menyebabkan kematian tanaman dan mikroorganisme. Bau dan asapnya dapat menyebabkan masalah pernapasan, dan yang paling penting, biayanya yang tinggi merupakan kendala lain. Biopolimer adalah salah satu metode ramah lingkungan yang baru-baru ini diusulkan untuk mengurangi erosi angin; biopolimer diekstrak dari sumber alami seperti tumbuhan, hewan, dan bakteri. Xanthan gum, guar gum, chitosan, dan gellan gum adalah biopolimer yang paling umum digunakan dalam aplikasi teknik5. Namun, biopolimer yang larut dalam air dapat kehilangan kekuatan dan tercuci dari tanah ketika terpapar air13,14. EICP telah terbukti sebagai metode penekan debu yang efektif untuk berbagai aplikasi termasuk jalan yang tidak beraspal, kolam tailing, dan lokasi konstruksi. Meskipun hasilnya menggembirakan, beberapa potensi kekurangan harus dipertimbangkan, seperti biaya dan kurangnya situs nukleasi (yang mempercepat pembentukan dan pengendapan kristal CaCO315,16).
MICP pertama kali dijelaskan pada akhir abad ke-19 oleh Murray dan Irwin (1890) dan Steinmann (1901) dalam studi mereka tentang degradasi urea oleh mikroorganisme laut17. MICP adalah proses biologis alami yang melibatkan berbagai aktivitas mikroba dan proses kimia di mana kalsium karbonat diendapkan oleh reaksi ion karbonat dari metabolit mikroba dengan ion kalsium di lingkungan18,19. MICP yang melibatkan siklus nitrogen pendegradasi urea (MICP pendegradasi urea) adalah jenis pengendapan karbonat yang diinduksi mikroba yang paling umum, di mana urease yang diproduksi oleh bakteri mengkatalisis hidrolisis urea20,21,22,23,24,25,26,27 sebagai berikut:
Dalam MICP yang melibatkan siklus karbon oksidasi garam organik (MICP tanpa tipe degradasi urea), bakteri heterotrof menggunakan garam organik seperti asetat, laktat, sitrat, suksinat, oksalat, malat dan glioksilat sebagai sumber energi untuk menghasilkan mineral karbonat28. Dengan adanya kalsium laktat sebagai sumber karbon dan ion kalsium, reaksi kimia pembentukan kalsium karbonat ditunjukkan pada persamaan (5).
Dalam proses MICP, sel bakteri menyediakan situs nukleasi yang sangat penting untuk pengendapan kalsium karbonat; permukaan sel bakteri bermuatan negatif dan dapat bertindak sebagai adsorben untuk kation divalen seperti ion kalsium. Dengan mengadsorpsi ion kalsium ke sel bakteri, ketika konsentrasi ion karbonat mencukupi, kation kalsium dan anion karbonat bereaksi dan kalsium karbonat diendapkan pada permukaan bakteri29,30. Proses ini dapat diringkas sebagai berikut31,32:
Kristal kalsium karbonat yang dihasilkan secara biologis dapat dibagi menjadi tiga jenis: kalsit, vaterit, dan aragonit. Di antara ketiganya, kalsit dan vaterit adalah alomorf kalsium karbonat yang paling umum dihasilkan oleh bakteri33,34. Kalsit adalah alomorf kalsium karbonat yang paling stabil secara termodinamika35. Meskipun vaterit dilaporkan bersifat metastabil, pada akhirnya ia berubah menjadi kalsit36,37. Vaterit adalah kristal yang paling padat di antara kristal-kristal ini. Ini adalah kristal heksagonal yang memiliki kemampuan pengisian pori yang lebih baik daripada kristal kalsium karbonat lainnya karena ukurannya yang lebih besar38. Baik MICP yang terdegradasi urea maupun yang tidak terdegradasi urea dapat menyebabkan pengendapan vaterit13,39,40,41.
Meskipun MICP telah menunjukkan potensi yang menjanjikan dalam menstabilkan tanah bermasalah dan tanah yang rentan terhadap erosi angin42,43,44,45,46,47,48, salah satu produk sampingan hidrolisis urea adalah amonia, yang dapat menyebabkan masalah kesehatan ringan hingga berat tergantung pada tingkat paparannya49. Efek samping ini membuat penggunaan teknologi khusus ini kontroversial, terutama ketika area yang luas perlu ditangani, seperti untuk penekan debu. Selain itu, bau amonia tidak dapat ditoleransi ketika proses dilakukan pada tingkat aplikasi yang tinggi dan volume yang besar, yang dapat memengaruhi penerapan praktisnya. Meskipun penelitian terbaru menunjukkan bahwa ion amonium dapat dikurangi dengan mengubahnya menjadi produk lain seperti struvite, metode ini tidak sepenuhnya menghilangkan ion amonium50. Oleh karena itu, masih ada kebutuhan untuk mengeksplorasi solusi alternatif yang tidak menghasilkan ion amonium. Penggunaan jalur degradasi non-urea untuk MICP dapat memberikan solusi potensial yang belum banyak dieksplorasi dalam konteks mitigasi erosi angin. Fattahi dkk. Penelitian ini menyelidiki degradasi MICP bebas urea menggunakan kalsium asetat dan Bacillus megaterium41, sementara Mohebbi dkk. menggunakan kalsium asetat dan Bacillus amyloliquefaciens9. Namun, penelitian mereka tidak dibandingkan dengan sumber kalsium lain dan bakteri heterotrofik yang pada akhirnya dapat meningkatkan ketahanan terhadap erosi angin. Selain itu, terdapat kekurangan literatur yang membandingkan jalur degradasi bebas urea dengan jalur degradasi urea dalam mitigasi erosi angin.
Selain itu, sebagian besar studi erosi angin dan pengendalian debu telah dilakukan pada sampel tanah dengan permukaan datar.1,51,52,53 Namun, permukaan datar kurang umum di alam dibandingkan dengan perbukitan dan cekungan. Inilah sebabnya mengapa bukit pasir merupakan bentang alam yang paling umum di daerah gurun.
Untuk mengatasi kekurangan yang disebutkan di atas, penelitian ini bertujuan untuk memperkenalkan serangkaian agen bakteri non-penghasil amonia yang baru. Untuk tujuan ini, kami mempertimbangkan jalur MICP non-pengurai urea. Efisiensi dua sumber kalsium (kalsium format dan kalsium asetat) diteliti. Sepengetahuan penulis, pengendapan karbonat menggunakan kombinasi dua sumber kalsium dan bakteri (yaitu kalsium format-Bacillus subtilis dan kalsium format-Bacillus amyloliquefaciens) belum diteliti dalam penelitian sebelumnya. Pemilihan bakteri ini didasarkan pada enzim yang mereka hasilkan yang mengkatalisis oksidasi kalsium format dan kalsium asetat untuk membentuk pengendapan karbonat mikroba. Kami merancang studi eksperimental yang menyeluruh untuk menemukan faktor-faktor optimal seperti pH, jenis bakteri dan sumber kalsium serta konsentrasinya, rasio bakteri terhadap larutan sumber kalsium, dan waktu pengeringan. Terakhir, efektivitas rangkaian agen bakteri ini dalam menekan erosi angin melalui pengendapan kalsium karbonat diselidiki dengan melakukan serangkaian uji terowongan angin pada bukit pasir untuk menentukan besarnya erosi angin, kecepatan ambang batas lepasnya pasir, dan ketahanan pasir terhadap bombardir angin, serta pengukuran penetrometer dan studi mikrostruktur (misalnya analisis difraksi sinar-X (XRD) dan mikroskop elektron pemindaian (SEM)) juga dilakukan.
Produksi kalsium karbonat membutuhkan ion kalsium dan ion karbonat. Ion kalsium dapat diperoleh dari berbagai sumber kalsium seperti kalsium klorida, kalsium hidroksida, dan susu bubuk skim54,55. Ion karbonat dapat diproduksi dengan berbagai metode mikroba seperti hidrolisis urea dan oksidasi aerobik atau anaerobik bahan organik56. Dalam penelitian ini, ion karbonat diperoleh dari reaksi oksidasi format dan asetat. Selain itu, kami menggunakan garam kalsium dari format dan asetat untuk menghasilkan kalsium karbonat murni, sehingga hanya CO2 dan H2O yang diperoleh sebagai produk samping. Dalam proses ini, hanya satu zat yang berfungsi sebagai sumber kalsium dan sumber karbonat, dan tidak ada amonia yang dihasilkan. Karakteristik ini menjadikan metode produksi sumber kalsium dan karbonat yang kami pertimbangkan sangat menjanjikan.
Reaksi yang sesuai antara kalsium format dan kalsium asetat untuk membentuk kalsium karbonat ditunjukkan pada rumus (7)-(14). Rumus (7)-(11) menunjukkan bahwa kalsium format larut dalam air membentuk asam format atau format. Larutan tersebut merupakan sumber ion kalsium dan hidroksida bebas (rumus 8 dan 9). Sebagai hasil oksidasi asam format, atom karbon dalam asam format diubah menjadi karbon dioksida (rumus 10). Kalsium karbonat akhirnya terbentuk (rumus 11 dan 12).
Demikian pula, kalsium karbonat terbentuk dari kalsium asetat (persamaan 13–15), kecuali bahwa asam asetat atau asetat yang terbentuk, bukan asam format.
Tanpa adanya enzim, asetat dan format tidak dapat dioksidasi pada suhu ruang. FDH (formate dehydrogenase) dan CoA (koenzim A) mengkatalisis oksidasi format dan asetat untuk membentuk karbon dioksida, masing-masing (Persamaan 16, 17) 57, 58, 59. Berbagai bakteri mampu menghasilkan enzim-enzim ini, dan bakteri heterotrof, yaitu Bacillus subtilis (PTCC #1204 (Persian Type Culture Collection), juga dikenal sebagai NCIMB #13061 (International Collection of Bacteria, Yeast, Phage, Plasmids, Plant Seeds and Plant Cell Tissue Cultures)) dan Bacillus amyloliquefaciens (PTCC #1732, NCIMB #12077), digunakan dalam penelitian ini. Bakteri ini dikultur dalam media yang mengandung pepton daging (5 g/L) dan ekstrak daging (3 g/L), yang disebut kaldu nutrisi (NBR) (105443 Merck).
Dengan demikian, empat formulasi disiapkan untuk menginduksi pengendapan kalsium karbonat menggunakan dua sumber kalsium dan dua bakteri: kalsium format dan Bacillus subtilis (FS), kalsium format dan Bacillus amyloliquefaciens (FA), kalsium asetat dan Bacillus subtilis (AS), dan kalsium asetat dan Bacillus amyloliquefaciens (AA).
Pada bagian pertama dari desain eksperimental, pengujian dilakukan untuk menentukan kombinasi optimal yang akan mencapai produksi kalsium karbonat maksimum. Karena sampel tanah mengandung kalsium karbonat, serangkaian pengujian evaluasi pendahuluan dirancang untuk secara akurat mengukur CaCO3 yang dihasilkan oleh berbagai kombinasi, dan campuran media kultur dan larutan sumber kalsium dievaluasi. Untuk setiap kombinasi sumber kalsium dan larutan bakteri yang didefinisikan di atas (FS, FA, AS, dan AA), faktor optimasi (konsentrasi sumber kalsium, waktu pengeringan, konsentrasi larutan bakteri yang diukur dengan kerapatan optik larutan (OD), rasio sumber kalsium terhadap larutan bakteri, dan pH) diturunkan dan digunakan dalam pengujian terowongan angin pengolahan bukit pasir yang dijelaskan pada bagian selanjutnya.
Untuk setiap kombinasi, 150 percobaan dilakukan untuk mempelajari pengaruh pengendapan CaCO3 dan mengevaluasi berbagai faktor, yaitu konsentrasi sumber kalsium, waktu pengeringan, nilai OD bakteri, rasio sumber kalsium terhadap larutan bakteri, dan pH selama oksidasi aerobik bahan organik (Tabel 1). Kisaran pH untuk proses yang dioptimalkan dipilih berdasarkan kurva pertumbuhan Bacillus subtilis dan Bacillus amyloliquefaciens untuk mendapatkan pertumbuhan yang lebih cepat. Hal ini dijelaskan lebih rinci di bagian Hasil.
Langkah-langkah berikut digunakan untuk menyiapkan sampel untuk fase optimasi. Larutan MICP pertama kali disiapkan dengan menyesuaikan pH awal media kultur dan kemudian diautoklaf pada suhu 121 °C selama 15 menit. Strain kemudian diinokulasi dalam aliran udara laminar dan dipelihara dalam inkubator pengocok pada suhu 30 °C dan 180 rpm. Setelah OD bakteri mencapai tingkat yang diinginkan, dicampur dengan larutan sumber kalsium dalam proporsi yang diinginkan (Gambar 1a). Larutan MICP dibiarkan bereaksi dan mengeras dalam inkubator pengocok pada suhu 220 rpm dan 30 °C selama waktu yang mencapai nilai target. Endapan CaCO3 dipisahkan setelah sentrifugasi pada 6000 g selama 5 menit dan kemudian dikeringkan pada suhu 40 °C untuk menyiapkan sampel untuk uji kalkimeter (Gambar 1b). Presipitasi CaCO3 kemudian diukur menggunakan kalkimeter Bernard, di mana bubuk CaCO3 bereaksi dengan HCl 1,0 N (ASTM-D4373-02) untuk menghasilkan CO2, dan volume gas ini merupakan ukuran kandungan CaCO3 (Gambar 1c). Untuk mengkonversi volume CO2 menjadi kandungan CaCO3, kurva kalibrasi dibuat dengan mencuci bubuk CaCO3 murni dengan HCl 1 N dan memplotnya terhadap CO2 yang dihasilkan. Morfologi dan kemurnian bubuk CaCO3 yang diendapkan diselidiki menggunakan pencitraan SEM dan analisis XRD. Mikroskop optik dengan perbesaran 1000 digunakan untuk mempelajari pembentukan kalsium karbonat di sekitar bakteri, fase kalsium karbonat yang terbentuk, dan aktivitas bakteri.
Cekungan Dejegh adalah wilayah yang terkenal sangat tererosi di barat daya Provinsi Fars, Iran, dan para peneliti mengumpulkan sampel tanah yang tererosi angin dari daerah tersebut. Sampel diambil dari permukaan tanah untuk penelitian ini. Uji indikator pada sampel tanah menunjukkan bahwa tanah tersebut merupakan tanah berpasir dengan sortasi buruk yang mengandung lumpur dan diklasifikasikan sebagai SP-SM menurut Sistem Klasifikasi Tanah Terpadu (USC) (Gambar 2a). Analisis XRD menunjukkan bahwa tanah Dejegh sebagian besar terdiri dari kalsit dan kuarsa (Gambar 2b). Selain itu, analisis EDX menunjukkan bahwa unsur-unsur lain seperti Al, K, dan Fe juga hadir dalam proporsi yang lebih kecil.
Untuk mempersiapkan gundukan pasir laboratorium untuk pengujian erosi angin, tanah dihancurkan dari ketinggian 170 mm melalui corong berdiameter 10 mm ke permukaan yang padat, menghasilkan gundukan pasir khas dengan tinggi 60 mm dan diameter 210 mm. Di alam, gundukan pasir dengan kepadatan terendah terbentuk oleh proses aeolian. Demikian pula, sampel yang disiapkan menggunakan prosedur di atas memiliki kepadatan relatif terendah, γ = 14,14 kN/m³, membentuk kerucut pasir yang diendapkan pada permukaan horizontal dengan sudut tumpukan sekitar 29,7°.
Larutan MICP optimal yang diperoleh pada bagian sebelumnya disemprotkan ke lereng bukit pasir dengan laju aplikasi 1, 2 dan 3 lm-2, kemudian sampel disimpan dalam inkubator pada suhu 30 °C (Gambar 3) selama 9 hari (yaitu waktu pengeringan optimal) dan kemudian dikeluarkan untuk pengujian terowongan angin.
Untuk setiap perlakuan, empat spesimen disiapkan, satu untuk mengukur kandungan kalsium karbonat dan kekuatan permukaan menggunakan penetrometer, dan tiga spesimen lainnya digunakan untuk uji erosi pada tiga kecepatan berbeda. Dalam uji terowongan angin, jumlah erosi ditentukan pada kecepatan angin yang berbeda, dan kemudian kecepatan ambang batas lepas untuk setiap spesimen perlakuan ditentukan menggunakan plot jumlah erosi terhadap kecepatan angin. Selain uji erosi angin, spesimen yang diberi perlakuan juga dikenai bombardment pasir (yaitu, percobaan lompatan). Dua spesimen tambahan disiapkan untuk tujuan ini pada laju aplikasi 2 dan 3 L m−2. Uji bombardment pasir berlangsung selama 15 menit dengan fluks 120 gm−1, yang berada dalam kisaran nilai yang dipilih dalam penelitian sebelumnya60,61,62. Jarak horizontal antara nosel abrasif dan dasar bukit pasir adalah 800 mm, terletak 100 mm di atas dasar terowongan. Posisi ini diatur sedemikian rupa sehingga hampir semua partikel pasir yang melompat jatuh di bukit pasir.
Uji terowongan angin dilakukan di terowongan angin terbuka dengan panjang 8 m, lebar 0,4 m, dan tinggi 1 m (Gambar 4a). Terowongan angin terbuat dari lembaran baja galvanis dan dapat menghasilkan kecepatan angin hingga 25 m/s. Selain itu, konverter frekuensi digunakan untuk mengatur frekuensi kipas dan secara bertahap meningkatkan frekuensi untuk mendapatkan kecepatan angin target. Gambar 4b menunjukkan diagram skematik bukit pasir yang terkikis oleh angin dan profil kecepatan angin yang diukur di terowongan angin.
Terakhir, untuk membandingkan hasil formulasi MICP non-urealitik yang diusulkan dalam penelitian ini dengan hasil uji kontrol MICP urealitik, sampel bukit pasir juga disiapkan dan diberi perlakuan dengan larutan biologis yang mengandung urea, kalsium klorida, dan Sporosarcina pasteurii (karena Sporosarcina pasteurii memiliki kemampuan yang signifikan untuk menghasilkan urease63). Kepadatan optik larutan bakteri adalah 1,5, dan konsentrasi urea dan kalsium klorida adalah 1 M (dipilih berdasarkan nilai yang direkomendasikan dalam penelitian sebelumnya36,64,65). Medium kultur terdiri dari kaldu nutrisi (8 g/L) dan urea (20 g/L). Larutan bakteri disemprotkan pada permukaan bukit pasir dan dibiarkan selama 24 jam untuk perlekatan bakteri. Setelah 24 jam perlekatan, larutan semen (kalsium klorida dan urea) disemprotkan. Uji kontrol MICP urealitik selanjutnya disebut sebagai UMC. Kandungan kalsium karbonat pada sampel tanah yang diolah secara urealitik dan non-urealitik diperoleh dengan pencucian sesuai dengan prosedur yang diusulkan oleh Choi et al.66
Gambar 5 menunjukkan kurva pertumbuhan Bacillus amyloliquefaciens dan Bacillus subtilis dalam media kultur (larutan nutrisi) dengan kisaran pH awal 5 hingga 10. Seperti yang ditunjukkan pada gambar, Bacillus amyloliquefaciens dan Bacillus subtilis tumbuh lebih cepat pada pH 6-8 dan 7-9, berturut-turut. Oleh karena itu, kisaran pH ini diadopsi pada tahap optimasi.
Kurva pertumbuhan (a) Bacillus amyloliquefaciens dan (b) Bacillus subtilis pada nilai pH awal media nutrisi yang berbeda.
Gambar 6 menunjukkan jumlah karbon dioksida yang dihasilkan dalam kapur meter Bernard, yang mewakili kalsium karbonat (CaCO3) yang mengendap. Karena satu faktor ditetapkan dalam setiap kombinasi dan faktor lainnya divariasikan, setiap titik pada grafik ini sesuai dengan volume maksimum karbon dioksida dalam rangkaian percobaan tersebut. Seperti yang ditunjukkan pada gambar, seiring peningkatan konsentrasi sumber kalsium, produksi kalsium karbonat meningkat. Oleh karena itu, konsentrasi sumber kalsium secara langsung memengaruhi produksi kalsium karbonat. Karena sumber kalsium dan sumber karbon sama (yaitu, kalsium format dan kalsium asetat), semakin banyak ion kalsium yang dilepaskan, semakin banyak kalsium karbonat yang terbentuk (Gambar 6a). Pada formulasi AS dan AA, produksi kalsium karbonat terus meningkat seiring peningkatan waktu pengeringan hingga jumlah endapan hampir tidak berubah setelah 9 hari. Pada formulasi FA, laju pembentukan kalsium karbonat menurun ketika waktu pengeringan melebihi 6 hari. Dibandingkan dengan formulasi lain, formulasi FS menunjukkan laju pembentukan kalsium karbonat yang relatif rendah setelah 3 hari (Gambar 6b). Pada formulasi FA dan FS, 70% dan 87% dari total produksi kalsium karbonat diperoleh setelah tiga hari, sedangkan pada formulasi AA dan AS, proporsi ini hanya sekitar 46% dan 45%, masing-masing. Hal ini menunjukkan bahwa formulasi berbasis asam format memiliki laju pembentukan CaCO3 yang lebih tinggi pada tahap awal dibandingkan dengan formulasi berbasis asetat. Namun, laju pembentukan melambat seiring bertambahnya waktu pengeringan. Dapat disimpulkan dari Gambar 6c bahwa bahkan pada konsentrasi bakteri di atas OD1, tidak ada kontribusi signifikan terhadap pembentukan kalsium karbonat.
Perubahan volume CO2 (dan kandungan CaCO3 yang sesuai) yang diukur dengan kalkimeter Bernard sebagai fungsi dari (a) konsentrasi sumber kalsium, (b) waktu pengendapan, (c) OD, (d) pH awal, (e) rasio sumber kalsium terhadap larutan bakteri (untuk setiap formulasi); dan (f) jumlah maksimum kalsium karbonat yang dihasilkan untuk setiap kombinasi sumber kalsium dan bakteri.
Mengenai pengaruh pH awal medium, Gambar 6d menunjukkan bahwa untuk FA dan FS, produksi CaCO3 mencapai nilai maksimum pada pH 7. Pengamatan ini konsisten dengan penelitian sebelumnya bahwa enzim FDH paling stabil pada pH 7-6,7. Namun, untuk AA dan AS, pengendapan CaCO3 meningkat ketika pH melebihi 7. Penelitian sebelumnya juga menunjukkan bahwa kisaran pH optimal untuk aktivitas enzim CoA adalah dari 8 hingga 9,2-6,8. Mengingat bahwa kisaran pH optimal untuk aktivitas enzim CoA dan pertumbuhan B. amyloliquefaciens masing-masing adalah (8-9,2) dan (6-8) (Gambar 5a), pH optimal formulasi AA diperkirakan adalah 8, dan kedua kisaran pH tersebut tumpang tindih. Fakta ini dikonfirmasi oleh eksperimen, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6d. Karena pH optimum untuk pertumbuhan B. subtilis adalah 7-9 (Gambar 5b) dan pH optimum untuk aktivitas enzim CoA adalah 8-9,2, hasil pengendapan CaCO3 maksimum diperkirakan berada pada kisaran pH 8-9, yang dikonfirmasi oleh Gambar 6d (yaitu, pH pengendapan optimum adalah 9). Hasil yang ditunjukkan pada Gambar 6e menunjukkan bahwa rasio optimum larutan sumber kalsium terhadap larutan bakteri adalah 1 untuk larutan asetat dan format. Sebagai perbandingan, kinerja berbagai formulasi (yaitu, AA, AS, FA, dan FS) dievaluasi berdasarkan produksi CaCO3 maksimum dalam kondisi yang berbeda (yaitu, konsentrasi sumber kalsium, waktu pengeringan, OD, rasio sumber kalsium terhadap larutan bakteri, dan pH awal). Di antara formulasi yang dipelajari, formulasi FS memiliki produksi CaCO3 tertinggi, yang kira-kira tiga kali lipat dari formulasi AA (Gambar 6f). Empat percobaan kontrol tanpa bakteri dilakukan untuk kedua sumber kalsium dan tidak ada pengendapan CaCO3 yang diamati setelah 30 hari.
Gambar mikroskop optik dari semua formulasi menunjukkan bahwa vaterit adalah fase utama tempat kalsium karbonat terbentuk (Gambar 7). Kristal vaterit berbentuk bulat69,70,71. Ditemukan bahwa kalsium karbonat mengendap pada sel bakteri karena permukaan sel bakteri bermuatan negatif dan dapat bertindak sebagai adsorben untuk kation divalen. Mengambil formulasi FS sebagai contoh dalam penelitian ini, setelah 24 jam, kalsium karbonat mulai terbentuk pada beberapa sel bakteri (Gambar 7a), dan setelah 48 jam, jumlah sel bakteri yang dilapisi kalsium karbonat meningkat secara signifikan. Selain itu, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7b, partikel vaterit juga dapat dideteksi. Akhirnya, setelah 72 jam, sejumlah besar bakteri tampaknya terikat oleh kristal vaterit, dan jumlah partikel vaterit meningkat secara signifikan (Gambar 7c).
Pengamatan mikroskop optik terhadap pengendapan CaCO3 dalam komposisi FS seiring waktu: (a) 24, (b) 48 dan (c) 72 jam.
Untuk menyelidiki lebih lanjut morfologi fase yang mengendap, dilakukan analisis difraksi sinar-X (XRD) dan SEM pada serbuk. Spektrum XRD (Gambar 8a) dan mikrograf SEM (Gambar 8b, c) mengkonfirmasi keberadaan kristal vaterit, karena memiliki bentuk seperti selada dan terdapat kesesuaian antara puncak vaterit dan puncak endapan.
(a) Perbandingan spektrum difraksi sinar-X dari CaCO3 dan vaterit yang terbentuk. Mikrograf SEM vaterit pada perbesaran (b) 1 kHz dan (c) 5,27 kHz.
Hasil uji terowongan angin ditunjukkan pada Gambar 9a, b. Dapat dilihat dari Gambar 9a bahwa kecepatan erosi ambang (TDV) pasir yang tidak diolah adalah sekitar 4,32 m/s. Pada laju aplikasi 1 l/m² (Gambar 9a), kemiringan garis laju kehilangan tanah untuk fraksi FA, FS, AA, dan UMC hampir sama dengan bukit pasir yang tidak diolah. Ini menunjukkan bahwa pengolahan pada laju aplikasi ini tidak efektif dan segera setelah kecepatan angin melebihi TDV, lapisan kerak tanah tipis menghilang dan laju erosi bukit pasir sama dengan bukit pasir yang tidak diolah. Kemiringan erosi fraksi AS juga lebih rendah daripada fraksi lainnya dengan absis yang lebih rendah (yaitu TDV) (Gambar 9a). Panah pada Gambar 9b menunjukkan bahwa pada kecepatan angin maksimum 25 m/s, tidak terjadi erosi pada bukit pasir yang diolah pada laju aplikasi 2 dan 3 l/m². Dengan kata lain, untuk FS, FA, AS dan UMC, bukit pasir lebih tahan terhadap erosi angin yang disebabkan oleh pengendapan CaCO³ pada laju aplikasi 2 dan 3 l/m² dibandingkan pada kecepatan angin maksimum (yaitu 25 m/s). Dengan demikian, nilai TDV 25 m/s yang diperoleh dalam pengujian ini adalah batas bawah untuk laju aplikasi yang ditunjukkan pada Gambar 9b, kecuali untuk kasus AA, di mana TDV hampir sama dengan kecepatan terowongan angin maksimum.
Uji erosi angin (a) Penurunan berat versus kecepatan angin (laju aplikasi 1 l/m2), (b) Kecepatan sobek ambang batas versus laju aplikasi dan formulasi (CA untuk kalsium asetat, CF untuk kalsium format).
Gambar 10 menunjukkan erosi permukaan bukit pasir yang diberi perlakuan dengan berbagai formulasi dan laju aplikasi setelah uji bombardir pasir, dan hasil kuantitatifnya ditunjukkan pada Gambar 11. Kasus tanpa perlakuan tidak ditampilkan karena tidak menunjukkan resistensi dan terkikis sepenuhnya (kehilangan massa total) selama uji bombardir pasir. Jelas dari Gambar 11 bahwa sampel yang diberi perlakuan dengan biokomposisi AA kehilangan 83,5% beratnya pada laju aplikasi 2 l/m2, sedangkan semua sampel lainnya menunjukkan erosi kurang dari 30% selama proses bombardir pasir. Ketika laju aplikasi ditingkatkan menjadi 3 l/m2, semua sampel yang diberi perlakuan kehilangan kurang dari 25% beratnya. Pada kedua laju aplikasi tersebut, senyawa FS menunjukkan resistensi terbaik terhadap bombardir pasir. Resistensi bombardir maksimum dan minimum pada sampel yang diberi perlakuan FS dan AA dapat dikaitkan dengan presipitasi CaCO3 maksimum dan minimumnya (Gambar 6f).
Hasil pembombardiran bukit pasir dengan komposisi berbeda pada laju aliran 2 dan 3 l/m2 (panah menunjukkan arah angin, tanda silang menunjukkan arah angin tegak lurus terhadap bidang gambar).
Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 12, kandungan kalsium karbonat dari semua formula meningkat seiring dengan peningkatan laju aplikasi dari 1 L/m² menjadi 3 L/m². Selain itu, pada semua laju aplikasi, formula dengan kandungan kalsium karbonat tertinggi adalah FS, diikuti oleh FA dan UMC. Hal ini menunjukkan bahwa formula-formula ini mungkin memiliki ketahanan permukaan yang lebih tinggi.
Gambar 13a menunjukkan perubahan resistensi permukaan sampel tanah yang tidak diolah, kontrol, dan yang diolah yang diukur dengan uji permeameter. Dari gambar ini, terlihat jelas bahwa resistensi permukaan formulasi UMC, AS, FA, dan FS meningkat secara signifikan dengan peningkatan laju aplikasi. Namun, peningkatan kekuatan permukaan relatif kecil pada formulasi AA. Seperti yang ditunjukkan pada gambar, formulasi FA dan FS dari MICP yang tidak terdegradasi urea memiliki permeabilitas permukaan yang lebih baik dibandingkan dengan MICP yang terdegradasi urea. Gambar 13b menunjukkan perubahan TDV dengan resistensi permukaan tanah. Dari gambar ini, terlihat jelas bahwa untuk bukit pasir dengan resistensi permukaan lebih besar dari 100 kPa, kecepatan pengelupasan ambang batas akan melebihi 25 m/s. Karena resistensi permukaan in situ dapat dengan mudah diukur dengan permeameter, pengetahuan ini dapat membantu memperkirakan TDV tanpa pengujian terowongan angin, sehingga berfungsi sebagai indikator kontrol kualitas untuk aplikasi lapangan.
Hasil SEM ditunjukkan pada Gambar 14. Gambar 14a-b menunjukkan partikel yang diperbesar dari sampel tanah yang tidak diolah, yang jelas menunjukkan bahwa sampel tersebut kohesif dan tidak memiliki ikatan atau sementasi alami. Gambar 14c menunjukkan mikrograf SEM dari sampel kontrol yang diolah dengan MICP yang terdegradasi urea. Gambar ini menunjukkan adanya endapan CaCO3 sebagai polimorf kalsit. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 14d-o, endapan CaCO3 mengikat partikel-partikel tersebut; kristal vaterit berbentuk bola juga dapat diidentifikasi dalam mikrograf SEM. Hasil penelitian ini dan penelitian sebelumnya menunjukkan bahwa ikatan CaCO3 yang terbentuk sebagai polimorf vaterit juga dapat memberikan kekuatan mekanik yang memadai; hasil kami menunjukkan bahwa resistansi permukaan meningkat menjadi 350 kPa dan kecepatan pemisahan ambang batas meningkat dari 4,32 menjadi lebih dari 25 m/s. Hasil ini konsisten dengan hasil penelitian sebelumnya bahwa matriks CaCO3 yang diendapkan MICP adalah vaterit, yang memiliki kekuatan mekanik dan ketahanan erosi angin yang wajar13,40 dan dapat mempertahankan ketahanan erosi angin yang wajar bahkan setelah 180 hari terpapar kondisi lingkungan lapangan13.
(a, b) Mikrograf SEM tanah yang tidak diolah, (c) Kontrol degradasi urea MICP, (df) Sampel yang diolah dengan AA, (gi) Sampel yang diolah dengan AS, (jl) Sampel yang diolah dengan FA, dan (mo) Sampel yang diolah dengan FS pada tingkat aplikasi 3 L/m2 pada perbesaran yang berbeda.
Gambar 14d-f menunjukkan bahwa setelah perlakuan dengan senyawa AA, kalsium karbonat mengendap di permukaan dan di antara butiran pasir, sementara beberapa butiran pasir yang tidak terlapisi juga diamati. Untuk komponen AS, meskipun jumlah CaCO3 yang terbentuk tidak meningkat secara signifikan (Gambar 6f), jumlah kontak antar butiran pasir yang disebabkan oleh CaCO3 meningkat secara signifikan dibandingkan dengan senyawa AA (Gambar 14g-i).
Dari Gambar 14j-l dan 14m-o, jelas bahwa penggunaan kalsium format sebagai sumber kalsium menyebabkan peningkatan lebih lanjut dalam pengendapan CaCO3 dibandingkan dengan senyawa AS, yang konsisten dengan pengukuran meter kalsium pada Gambar 6f. CaCO3 tambahan ini tampaknya sebagian besar mengendap pada partikel pasir dan tidak selalu meningkatkan kualitas kontak. Hal ini menegaskan perilaku yang diamati sebelumnya: meskipun terdapat perbedaan jumlah pengendapan CaCO3 (Gambar 6f), ketiga formulasi (AS, FA, dan FS) tidak berbeda secara signifikan dalam hal kinerja anti-eolian (angin) (Gambar 11) dan resistensi permukaan (Gambar 13a).
Untuk memvisualisasikan sel bakteri yang dilapisi CaCO3 dan jejak bakteri pada kristal yang mengendap dengan lebih baik, mikrograf SEM dengan perbesaran tinggi diambil dan hasilnya ditunjukkan pada Gambar 15. Seperti yang ditunjukkan, kalsium karbonat mengendap pada sel bakteri dan menyediakan inti yang diperlukan untuk pengendapan di sana. Gambar tersebut juga menggambarkan ikatan aktif dan tidak aktif yang diinduksi oleh CaCO3. Dapat disimpulkan bahwa peningkatan ikatan tidak aktif tidak selalu mengarah pada peningkatan lebih lanjut dalam perilaku mekanik. Oleh karena itu, peningkatan pengendapan CaCO3 tidak selalu mengarah pada kekuatan mekanik yang lebih tinggi dan pola pengendapan memainkan peran penting. Hal ini juga telah dipelajari dalam karya Terzis dan Laloui72 dan Soghi dan Al-Kabani45,73. Untuk mengeksplorasi lebih lanjut hubungan antara pola pengendapan dan kekuatan mekanik, studi MICP menggunakan pencitraan µCT direkomendasikan, yang berada di luar cakupan penelitian ini (yaitu, memperkenalkan kombinasi sumber kalsium dan bakteri yang berbeda untuk MICP bebas amonia).
CaCO3 menginduksi ikatan aktif dan tidak aktif pada sampel yang diberi perlakuan dengan (a) komposisi AS dan (b) komposisi FS dan meninggalkan jejak sel bakteri pada sedimen.
Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 14j-o dan 15b, terdapat lapisan CaCO (menurut analisis EDX, komposisi persentase setiap elemen dalam lapisan tersebut adalah karbon 11%, oksigen 46,62%, dan kalsium 42,39%, yang sangat mendekati persentase CaCO pada Gambar 16). Lapisan ini menutupi kristal vaterit dan partikel tanah, membantu menjaga integritas sistem tanah-sedimen. Keberadaan lapisan ini hanya diamati pada sampel yang diberi perlakuan dengan formulasi berbasis format.
Tabel 2 membandingkan kekuatan permukaan, kecepatan pelepasan ambang batas, dan kandungan CaCO3 yang diinduksi secara biologis pada tanah yang diberi perlakuan jalur MICP pengurai urea dan non-pengurai urea dalam penelitian sebelumnya dan penelitian ini. Studi tentang ketahanan erosi angin pada sampel bukit pasir yang diberi perlakuan MICP masih terbatas. Meng dkk. meneliti ketahanan erosi angin pada sampel bukit pasir pengurai urea yang diberi perlakuan MICP menggunakan alat peniup daun,13 sedangkan dalam penelitian ini, sampel bukit pasir non-pengurai urea (serta kontrol pengurai urea) diuji dalam terowongan angin dan diberi perlakuan dengan empat kombinasi bakteri dan zat yang berbeda.
Seperti yang terlihat, beberapa penelitian sebelumnya telah mempertimbangkan tingkat aplikasi tinggi yang melebihi 4 L/m213,41,74. Perlu dicatat bahwa tingkat aplikasi tinggi mungkin tidak mudah diterapkan di lapangan dari sudut pandang ekonomi karena biaya yang terkait dengan pasokan air, transportasi, dan aplikasi volume air yang besar. Tingkat aplikasi yang lebih rendah seperti 1,62-2 L/m2 juga mencapai kekuatan permukaan yang cukup baik hingga 190 kPa dan TDV melebihi 25 m/s. Dalam penelitian ini, bukit pasir yang diberi perlakuan MICP berbasis format tanpa degradasi urea mencapai kekuatan permukaan tinggi yang sebanding dengan yang diperoleh dengan jalur degradasi urea pada kisaran tingkat aplikasi yang sama (yaitu, sampel yang diberi perlakuan MICP berbasis format tanpa degradasi urea juga mampu mencapai kisaran nilai kekuatan permukaan yang sama seperti yang dilaporkan oleh Meng et al., 13, Gambar 13a) pada tingkat aplikasi yang lebih tinggi. Terlihat juga bahwa pada laju aplikasi 2 L/m2, hasil kalsium karbonat untuk mitigasi erosi angin pada kecepatan angin 25 m/s adalah 2,25% untuk MICP berbasis format tanpa degradasi urea, yang sangat mendekati jumlah CaCO3 yang dibutuhkan (yaitu 2,41%) dibandingkan dengan bukit pasir yang diberi perlakuan MICP kontrol dengan degradasi urea pada laju aplikasi yang sama dan kecepatan angin yang sama (25 m/s).
Dengan demikian, dapat disimpulkan dari tabel ini bahwa baik jalur degradasi urea maupun jalur degradasi tanpa urea dapat memberikan kinerja yang cukup baik dalam hal resistensi permukaan dan TDV. Perbedaan utamanya adalah jalur degradasi tanpa urea tidak mengandung amonia dan oleh karena itu memiliki dampak lingkungan yang lebih rendah. Selain itu, metode MICP berbasis format tanpa degradasi urea yang diusulkan dalam penelitian ini tampaknya berkinerja lebih baik daripada metode MICP berbasis asetat tanpa degradasi urea. Meskipun Mohebbi dkk. mempelajari metode MICP berbasis asetat tanpa degradasi urea, penelitian mereka mencakup sampel pada permukaan datar9. Karena tingkat erosi yang lebih tinggi yang disebabkan oleh pembentukan pusaran di sekitar sampel bukit pasir dan geser yang dihasilkan, yang mengakibatkan TDV yang lebih rendah, erosi angin pada sampel bukit pasir diperkirakan akan lebih jelas daripada pada permukaan datar pada kecepatan yang sama.