Biominéralisation du sable corallien par Bacillus thuringiensis isolé d'une grotte de travertin

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 8687 (2023) Citer cet article

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Le travertin est un produit typique de la minéralisation microbienne dans la nature et sa composition minérale est principalement de la calcite et de l'aragonite. Dans cet article, Bacillus thuringiensis, une sorte de bactérie minéralisée est extraite du cristal de travertin pour cimenter le sable corallien, et l'effet de renforcement de la technologie de précipitation de carbonate induite par les microbes (MICP) sur le sable corallien sous différents temps de cémentation est étudié. Premièrement, les conditions de culture sont optimisées dans neuf paires d'essais, y compris la teneur en urée, l'inoculation microbienne, la vitesse de l'agitateur et le temps d'incubation. Dans des conditions de culture optimales, le sable corallien est cimenté par trempage. Avec l'augmentation des temps de renforcement, le coefficient de perméabilité de l'échantillon de sable est réduit à 10−4 cm/s, et la résistance au cisaillement est augmentée de plus de 130 %. Par rapport à Sporosarcina pasteurii, la cohésion et l'angle de frottement interne de la colonne de sable corallien cimentée par Bacillus thuringiensis sont augmentés de plus de 50 % et 10 %, respectivement. La distribution de surface du spectre T2 montre qu'avec l'augmentation du nombre de cémentation, l'amplitude du pic principal diminue, indiquant que les gros pores sont mieux remplis, le nombre de pores moyens et petits est également réduit et la surface des pores est considérablement réduit, avec une amplitude d'environ 44%. Les expériences ci-dessus ont vérifié que le micro-organisme dans le travertin pouvait également être utilisé dans la technologie MICP, et même obtenir un meilleur effet de renforcement. Il fournit également une nouvelle manière et une nouvelle idée pour la sélection de bactéries minéralisées par la technologie MICP.

Les risques techniques tels que les fuites de fissures dans les fondations des barrages1, la pollution par les résidus de métaux lourds2, la liquéfaction des fondations3,4 et l'instabilité des pentes5 entraînent souvent des pertes matérielles et même des victimes. Pendant longtemps, les praticiens et les chercheurs scientifiques concernés se sont engagés à étudier des mesures pertinentes pour réduire l'apparition de tels problèmes d'ingénierie. La technologie de biominéralisation est une technologie de génie civil prometteuse développée sur la base de recherches interdisciplinaires ces dernières années. Il a de bonnes perspectives d'application pour traiter de tels problèmes d'ingénierie. La précipitation microbienne de carbonate induite (MICP) est l'un des représentants typiques de la biominéralisation. Cette technologie utilise principalement certains micro-organismes hydrolytiques à l'urée, qui peuvent former du carbonate de calcium avec une fonction de cimentation en entraînant l'hydrolyse de l'urée et en utilisant des ions carbonate et calcium dans la solution. Sous l'action du MICP, le sol meuble est cimenté ou la fissure est scellée, de manière à répondre aux exigences techniques correspondantes.

Actuellement, les principales espèces microbiennes utilisées dans la technologie MICP sont Bacillus pasteuris octadiae (CGMCC 1.3687), Sporosarcina pasterurii (ATCC 11859), Bacillus pasteuris octadiae (DSMZ 33) et Bacillus spheriformis (LMG 22257). Avec le développement de l'étude du renforcement des sols, de nombreux chercheurs ont indépendamment séparé différents types de bactéries hydrolytiques à l'urée et ont réalisé une série de réalisations dans la réduction de la perméabilité et l'amélioration de la résistance du sol. Chu et al.6 ont séparé le Bacillus sp.VS1 du sable des plages tropicales et ont utilisé les bactéries pour renforcer les sols sableux de grande taille, la résistance à la perméabilité et les propriétés mécaniques de la fondation du sol renforcé ont été améliorées. Qian et al.7 ont utilisé le Bacillus S3 extrait pour cimenter la colonne de sable, la résistance à la compression réduite des échantillons a atteint 1,9 MPa après le traitement, ils ont utilisé le Bacillus S3 séparé pour renforcer le sol sablonneux, la résistance à la compression du sable cimenté s'est approchée 2 MPa. Khan et al.8 ont isolé le Parahodobacter sp. du sol près du beachrock et l'a appliqué pour traiter le sable corallien dans le test à l'aiguille, l'UCS estimée des spécimens à certains points pourrait dépasser 7 MPa.

Les minéraux carbonatés sont largement distribués dans la nature; par exemple, calcaire, marbre, dolomite. Ces types de roches contiennent de grandes quantités de carbonate de calcium. Dans la nature, divers micro-organismes peuvent induire la formation de carbonate de calcium au cours de son métabolisme. Il convient de noter que le travertin est l'un des produits typiques du carbonate de calcium dans cette voie métabolique. Les précipitations carbonatées sont largement distribuées dans le monde entier9. Dans le processus de mouvement de la géologie et du système hydrique, les ions calcium dans la strate calcaire se dissolvent constamment dans les eaux souterraines, ce qui fait que les eaux souterraines contiennent une teneur élevée en calcium minéral. Lorsque les eaux souterraines débordent de la surface de la terre, le calcium minéral dissous dans les eaux souterraines se combine avec H2O et CO2 dans l'environnement pour former une précipitation de carbonate de calcium, puis se transforme en travertin. L'étude de la minéralisation microbienne montre que le microbe joue un rôle important dans la formation des roches carbonatées. Fouke10, Sugihara et al.11 et Javad et al.12 ont découvert que le microbien existe largement dans l'environnement de dépôt de travertin, certains types de métabolites extracellulaires produits par des micro-organismes pendant le processus de croissance peuvent capturer et agréger le Ca2+ ou le CaCO3 libre dans l'eau, et les micro-organismes servent de modèles pour la nucléation et la croissance des cristaux de carbonate de calcium13. De plus, le métabolisme microbien peut favoriser la génération de dépôts de travertin14. Tugba et al.15 et Zhang et al.16 ont découvert que la formation de travertin peut mieux sceller le passage de fuite et peut également recoller les structures de pierre carbonatée cassées ou fracturées dans certaines formations rocheuses pour guérir la surface de fracture, afin d'améliorer l'étanchéité et la stabilité des ouvrages souterrains.

À l'heure actuelle, la technologie MICP a réalisé de grands progrès dans le renforcement du sable siliceux17,18,19,20, tandis que l'application de la technologie MICP dans le traitement du sable corallien21 a été moins étudiée. Les études sur la microstructure et la résistance au cisaillement des échantillons de sable corallien cimenté sont relativement moins nombreuses. Sur cette base, les bactéries hydrolytiques à l'urée extraites du travertin ont été utilisées pour cimenter le sable corallien. Le test de percolation et le test de cisaillement ont été effectués sur les échantillons cimentés pour évaluer ses propriétés physiques et mécaniques. La technologie d'imagerie par résonance magnétique nucléaire (RMN) a été adoptée pour analyser quantitativement les pores, et le microscope électronique à balayage (MEB) a été appliqué pour analyser l'état de cémentation. Enfin, l'effet de cimentation du sable corallien a été évalué de manière exhaustive.

Lors de l'enquête sur le terrain d'une chambre souterraine d'un projet hydroélectrique, les auteurs ont constaté que le phénomène de cristallisation du travertin au point d'infiltration dans la chambre était évident et que certaines des petites fissures avaient été réparées naturellement par des cristaux de travertin, comme le montre la Fig. 1a. La figure 1b est un échantillon de travertin typique prélevé dans cette chambre. Les bactéries hydrolytiques à l'urée utilisées dans cet article ont été extraites de cet échantillon.

Travertin typique : (a) Phénomène de travertin dans le tunnel ; (b) Cristaux de travertin.

L'extraction et la purification détaillées du processus de bactéries hydrolytiques à l'urée étaient les suivantes :

1 g d'échantillon de travertin a été mis dans un mortier en céramique et doucement broyé en poudre, mélangé la puissance avec 99 ml d'eau stérile puis versé dans une fiole conique de 250 ml. La fiole conique a été agitée pendant 5 minutes pour disperser uniformément la poudre. Ainsi, un diluant avec une concentration de 1/100 (10–2) g/mL a été obtenu.

1 ml de diluant a été placé dans un tube à essai contenant 9 ml d'eau stérile, puis dilué tour à tour pour obtenir 10–3, 10–4, 10–5, 10–6, 10–7 g/mL, respectivement. Le pistolet à pipette a été utilisé pour absorber 0,2 mL de diluant avec 10–5, 10–6, 10–7 g/mL, respectivement, puis l'a inoculé sur le milieu de la plaque de gélose. Une tige de verre enduit stérile a été utilisée pour le disperser uniformément, et le milieu de plaque enduit a été inversé et placé dans l'incubateur à une température de 30 ° C pendant 24 h.

Lorsque les bactéries se sont développées sur le milieu de la plaque, ont utilisé l'anneau d'inoculation pour ramasser les colonies dispersées et lisses, et les ont inoculées sur le milieu incliné d'agar avec la ligne 'Z'. Après ensemencement, placer le milieu incliné dans l'incubateur avec la même température et la même durée de culture.

Lorsque les bactéries se sont développées sur le milieu de culture incliné, inoculé à nouveau les colonies dans le milieu de culture de la plaque et répété 4 à 5 fois pour obtenir la souche bactérienne purifiée.

Une fois les bactéries purifiées, 100 ml du milieu de culture liquide préparé ont été prélevés et placés dans une fiole conique d'une capacité de 250 ml, utilisé l'anneau d'inoculation pour inoculer les colonies dans le milieu de culture incliné dans la fiole conique, puis mis la fiole conique dans un agitateur avec une température de 30 °C et une vitesse de rotation de 120 tr/min pendant 48 h pour obtenir le liquide de culture expansé.

La concentration bactérienne et l'activité uréase ont été utilisées comme deux indicateurs pour mesurer la performance MICP de Bacillus thuringiensis. Une longueur d'onde de 600 nm (OD600) a été utilisée dans la mesure, de sorte que la valeur de OD600 pourrait représenter la concentration de la solution bactérienne22. L'activité d'uréase a été mesurée par conductivité électrique en suivant les étapes suivantes : 1 ml de solution bactérienne a été ajouté à 9 ml de solution d'urée à 1,1 mol/L, et le changement de conductivité électrique (ms/cm min) en 5 min a été mesuré en multipliant le multiple de dilution pour obtenir l'activité uréase (mmol/L min)23. La concentration bactérienne (valeur DO600) mesurée était de 1,28 et l'activité uréase était de 13,63 mmol/L min. Dans les mêmes conditions de culture, la concentration bactérienne et l'activité uréasique de Sporosarcina pasteurii étaient de 0,84 et 10,49 mmol/L min, respectivement. Par rapport à Sporosarcina pasteurii, la concentration bactérienne et l'activité uréase de la souche isolée de l'échantillon de travertin ont augmenté de 34,38 % et 29,93 %, indiquant que la souche a une capacité de production d'uréase plus élevée. Le milieu de culture sur plaque de gélose, le milieu de culture incliné sur gélose et le milieu de culture liquide sont illustrés à la Fig. 2. La morphologie des bactéries purifiées a été observée au microscope optique comme illustré à la Fig. 3. Le milieu était composé des composants suivants : 10 g /L de peptone, 3 g/L d'extrait de bœuf, 5 g/L de chlorure de sodium et 20,02 g/L d'urée. Pour isoler les bactéries, 15 g/L d'agar ont été ajoutés au milieu de culture solide (milieu de culture sur plaque et milieu de culture incliné) en même temps. Finalement, la bactérie purifiée a été identifiée par séquençage de l'ADNr 16S comme Bacillus thuringiensis.

Différents types de milieux : (a) Milieu de culture sur plaque de gélose ; (b) Milieu de culture incliné gélosé ; (c) Milieu de culture liquide.

Morphologie des bactéries purifiées.

Afin d'améliorer encore la concentration bactérienne et l'activité uréasique, selon des recherches pertinentes22,24, la teneur en urée (20,02 g/L, 40,04 g/L, 60,06 g/L), l'inoculation microbienne (10 mL/L, 15 mL/ L, 20 mL/L), la vitesse de l'agitateur (120 r/min, 150 r/min et 180 r/min) et le temps d'incubation (24 h, 48 h, 72 h) ont été sélectionnés comme quatre facteurs d'influence pour obtenir la meilleure culture conditions de Bacillus thuringiensis. La concentration de la solution bactérienne a été testée par expérience orthogonale pour les quatre facteurs ci-dessus, et l'expérience orthogonale L9 (34) a été utilisée et le tableau de test orthogonal a été présenté dans le tableau 1. La valeur d'absorbance (OD600) mesurée par spectrophotomètre a été prise comme la concentration de solution bactérienne. Les résultats détaillés sont présentés dans le tableau 2.

Les valeurs moyennes de DO600 étaient comprises dans la plage de 1,25 à 1,83 et les valeurs moyennes d'activité d'uréase étaient comprises entre 11,29 et 15,86 mmol/L min d'après le tableau 2. Test NO.3 et test NO. 7 avait des valeurs de DO600 relativement plus élevées, mais par rapport au test NO.3, le test NO.7 nécessitait moins d'inoculation microbienne et un temps de culture plus court pour atteindre une concentration bactérienne plus élevée, de sorte que le test NO.7 a été choisi comme condition de culture optimale dans cet article. C'est-à-dire que les conditions de culture de Bacillus thuringiensis étaient les suivantes : teneur en urée 60,06 g/L, inoculation microbienne 10 mL/L, vitesse de l'agitateur 180 tr/min et temps d'incubation 48 h. Tous les Bacillus thuringiensis utilisés dans le test de ciment ultérieur ont été cultivés dans ces conditions.

Le test de cimentation du sable corallien a été réalisé par infiltration libre. Les moules pour contenir le sable de corail étaient des moules en silicone poreux élastique de 50 mm de diamètre et de 100 mm de hauteur. La paroi latérale du moule était poreuse. Afin d'éviter que le sable corallien ne s'échappe par le fond, un manchon de fixation d'un diamètre intérieur de 50 mm a été installé au fond du moule (il y avait un petit trou au centre du fond du manchon de fixation afin pour faciliter l'écoulement des déchets liquides), un bandage a été utilisé pour lier le manchon de fixation au fond du moule, comme illustré à la Fig. 4.

Moule en silicone poreux élastique.

La densité spécifique du sable corallien était de 2,80. Afin d'optimiser l'effet de renforcement et d'obtenir la colonne de sable cimenté avec une résistance uniforme, les échantillons ont été préparés après criblage par le tamis géotechnique standard. La courbe de distribution des particules est illustrée à la Fig. 5.

Courbe de distribution des particules.

Pour étudier l'effet des différents temps de cimentation sur le sable corallien, deux groupes de cimentation différents ont été considérés, l'un a été cimenté 7 fois, l'autre 14 fois. De plus, la température et l'humidité dans le laboratoire étaient respectivement de 25 °C et 40 %.

Selon la figure 6, le test de cémentation a été réalisé par les étapes suivantes.

Processus de cimentation du sable corallien.

Avant la cimentation, le sable corallien a été prétraité par trempage dans une solution de HCl à 0,1 mol/L puis dans une solution de NaOH à 0,1 mol/L pendant 12 h, respectivement 25, puis lavé à l'eau distillée et séché à poids constant pour une utilisation ultérieure.

Le sable de corail a été divisé en trois couches pour être placé dans un moule en silicone poreux élastique, chaque couche a été légèrement vibrée et compactée, rendu rugueux la surface de chaque couche pour compacter les couches. Ensuite, l'eau distillée a été injectée par le haut du moule pour éliminer l'air entre les particules de sable.

80 ml de solution bactérienne ont été injectés dans les échantillons de sable et les bactéries sont restées dans les colonnes pendant 12 h jusqu'à ce qu'elles soient complètement attachées aux particules de sable.

La solution de cimentation était un mélange de 1 mol/L de chlorure de calcium et 1 mol/L d'urée dans le même volume. Après avoir été bien mélangés, la solution de cimentation (160 mL 0,5 mol/L) a été injectée dans l'échantillon de sable et laissée reposer pendant 36 h jusqu'à ce que les bactéries puissent complètement hydrolyser l'urée et combiner les ions calcium dans la solution pour produire du carbonate de calcium. .

Les étapes (3) et (4) sont collectivement appelées un temps de cimentation, et elles ont été répétées 7 ou 14 fois pour cimenter le sable corallien.

Après avoir atteint les temps de cémentation de chaque groupe, les échantillons cimentés ont été placés dans le thermostat à 60 ° C jusqu'à ce qu'ils aient atteint le poids constant, et la mécanique physique macroscopique ou les tests microscopiques liés au suivi ont été effectués sur eux.

Des échantillons typiques de sable cimenté ont été présentés à la Fig.7.

Échantillons typiques de sable corallien cimenté microbien sous différents temps de cimentation.

Des études pertinentes23 ont montré que lorsque la teneur en carbonate de calcium est supérieure à 60 kg/m3, la résistance de l'échantillon de sable sera considérablement améliorée, de sorte que la teneur en carbonate de calcium est l'un des facteurs importants pour mesurer l'effet de renforcement. Les dépôts de carbonate de calcium dans les échantillons de sable siliceux cimenté sont généralement mesurés par le processus de décapage26, mais le sable corallien a une teneur élevée en carbonate de calcium, le processus de décapage n'est pas adapté. Par conséquent, la différence de poids entre l'échantillon de sable corallien avant et après la cimentation est mesurée pour distinguer la précipitation de carbonate de calcium dans cet article.

En pesant la masse des différents échantillons du groupe avant et après cimentation en conditions sèches, la masse de carbonate de calcium générée dans la colonne de sable a été calculée, et sa teneur dans les échantillons est calculée par conversion.

La figure 8 montre que la teneur en carbonate de calcium est comprise entre 17,75 et 21,95 % dans les échantillons sous 7 temps de cémentation, alors qu'elle est comprise entre 23,85 et 30,00 % sous 14 temps, avec des valeurs moyennes de 19,82 % et 27,66 %, respectivement. En comparaison, la teneur moyenne pour les échantillons de 14 temps de cémentation est d'environ 8,00 % supérieure à celle de 7 fois, ce qui indique que plus il y a de cycles de cémentation, plus il y a de précipitations de carbonate de calcium dans les échantillons de sable. On peut également voir à partir de l'échantillon typique de la Fig. 7 que la surface de l'échantillon sous 14 temps de cémentation est évidemment plus lisse et a moins de pores que 7 fois, ce qui indique que plus de carbonate de calcium est généré pour remplir les pores entre et à l'intérieur du sable. particules.

Teneur en carbonate de calcium dans les échantillons de sable sous différents temps de cémentation.

La teneur en carbonate de calcium dans l'échantillon de sable après 7 temps de cémentation par Peng et al.21 est de 10,70 %. La teneur dans le test d'injection et de renforcement in situ de Leon et al.27 varie de 12,60 à 27,30 % à différents points de mesure. La teneur en précipitations de Zhao et al.28 est caractérisée par le lavage des échantillons dans une solution de HCl (0,1 M) pour dissoudre le carbonate précipité, et la teneur maximale en carbonate de calcium est d'environ 14,40 %. Par rapport à ces recherches, le Bacillus thuringiensis a produit une teneur plus élevée en carbonate de calcium dans les échantillons de sable corallien de cette étude, ce qui indique que le Bacillus thuringiensis a une bonne capacité à générer du carbonate de calcium.

La caractéristique de suintement est également un facteur important influençant la résistance mécanique des corps cimentés lors de l'évaluation de l'effet de renforcement. Le percomètre de roche HYS-4 a été utilisé pour effectuer des tests de percolation sur les échantillons de sable sous différentes pressions osmotiques (0,5 MPa, 1,0 MPa, 1,5 MPa, 2,0 MPa, 2,5 MPa) et différentes contraintes latérales (1,0 MPa, 1,5 MPa, 2,0 MPa , 2,5 MPa, 3,0 MPa) pour étudier les caractéristiques de percolation. Avant le test, l'échantillon a été mis sous vide et saturé d'eau distillée pendant 24 h pour s'assurer que le flux d'infiltration dans l'échantillon était monophasique.

Selon la formule (1) 29, le coefficient de perméabilité des échantillons sous différentes contraintes latérales et pression osmotique peut être calculé.

où, k est le coefficient de perméabilité de l'échantillon de sable, Q est le débit de fluide à travers l'échantillon de sable en unité de temps, L est la longueur de l'échantillon de sable, γw est l'intensité de l'eau, ΔP est la différence de charge aux deux extrémités de l'échantillon de sable, A est l'aire de la section transversale de l'échantillon de sable.

Les tests préliminaires montrent que le coefficient de perméabilité de l'échantillon de sable calcaire avant cimentation est d'environ 10−2 cm/s, après cimentation par différents cycles, les auteurs peuvent observer à partir de la Fig. 9 que le coefficient de perméabilité des échantillons est tombé à 10–4 cm /s, tombant de deux ordres de grandeur, ceci est cohérent avec des recherches antérieures30,31, qui illustraient que le Bacillus thuringiensis peut aussi bien remplir et cimenter les particules de sable corallien, et améliorer la perméabilité du corps solidifié. En comparaison, le coefficient de perméabilité de l'échantillon sous 14 temps de cémentation est inférieur de plus de 60 % à celui sous 7 fois. C'est-à-dire que Bacillus thuringiensis peut induire plus de précipitations de carbonate de calcium avec plus de cycles de cémentation. Les échantillons sont remplis de CaCO3 précipité et les particules de sable adjacentes sont cimentées par eux, les pores internes de l'échantillon diminuent, réduisant ainsi le coefficient de perméabilité.

Coefficient de perméabilité des échantillons de sable sous différentes pressions osmotiques avec différents temps de cémentation.

Afin d'analyser les propriétés de cisaillement, l'essai de cisaillement est effectué sur les colonnes de sable. Les essais de cisaillement ont été effectués en utilisant un appareil de cisaillement direct (Fig. 10a). Le dispositif de chargement en cisaillement est illustré à la Fig. 10b. Quatre contraintes normales de 400 kPa, 600 kPa, 800 kPa et 1000 kPa sont prises en compte pour ces tests. Le taux de cisaillement était de 1 %/min32 et la condition d'arrêt du cisaillement était lorsque la résistance au cisaillement était maintenue à une valeur relativement stable.

Appareil de cisaillement direct : (a) appareil d'essai de cisaillement direct informatisé YZW1000 ; (b) Dispositif de chargement de cisaillement.

Les courbes contrainte de cisaillement-déplacement de cisaillement d'échantillons typiques sont illustrées à la Fig. résistance maximale et présente l'état de l'écoulement de cisaillement. La différence est qu'avec l'augmentation du temps de cimentation, la résistance au cisaillement sous la même contrainte normale augmente à des degrés différents. Par rapport à 7 temps de cémentation, la résistance au cisaillement des échantillons sous 14 fois augmente de 41,2 %, 36,5 %, 32,3 % et 29,6 %, respectivement. Dans le même temps, le déplacement de cisaillement correspondant augmente lorsque la courbe atteint la résistance maximale stable relative.

Courbe contrainte de cisaillement–déplacement de cisaillement des échantillons de sable sous différents temps de cimentation.

Pour analyser plus en détail l'influence des deux temps de cémentation différents sur les paramètres de résistance au cisaillement, un ajustement linéaire a été effectué pour la résistance au cisaillement sous différentes contraintes normales, et les paramètres de résistance au cisaillement correspondants ont été obtenus, comme illustré à la Fig. 12.

Paramètres de résistance au cisaillement des échantillons cimentés sous différents temps de cimentation.

L'angle de frottement interne et la cohésion des échantillons de sable pour différents temps de cémentation sont respectivement de 32,11° et 36,49°, 122,28 kPa et 233,74 kPa. Par rapport à 7 fois, l'angle de frottement interne et la cohésion de 14 fois sont améliorés de 13,63 % et 91,15 %. Il montre qu'avec l'augmentation des temps de cémentation, la cohésion est grandement améliorée, ce qui est cohérent avec la conclusion de Wu et al.33, et sous les mêmes cycles de cémentation, la cohésion et l'angle de frottement interne dans cet article sont supérieurs à 1,5 fois et 1,1 fois plus grand que les résultats.

La résonance magnétique nucléaire (RMN) a été utilisée pour détecter les atomes d'hydrogène à l'intérieur du milieu poreux dans un champ magnétique de faible intensité, pour obtenir le spectre de distribution T2 du fluide dans les pores du matériau et ainsi analyser les caractéristiques microscopiques de la structure des pores. à l'intérieur du milieu poreux34. Le système d'analyse d'imagerie RMN MacroMR12-110H-1 est utilisé pour numériser les échantillons. Selon le spectre de distribution T2 et les paramètres caractéristiques pertinents, les caractéristiques structurelles des pores microscopiques à l'intérieur des échantillons de sable sont analysées quantitativement.

Les spectres T2 d'un échantillon cimenté saturé typique sont présentés à la Fig. 13. L'abscisse représente le temps de relaxation et l'ordonnée représente l'amplitude. Plus le temps de relaxation est long, plus les pores sont grands. Plus l'amplitude est grande, plus les pores sont nombreux. Les spectres T2 des échantillons ont plusieurs pics, et le pic principal est d'environ 1000 ms. Le modèle de distribution global de l'atlas est vers la droite. Il est principalement dominé par un temps de relaxation long et une vitesse de relaxation lente, indiquant que les petits pores des échantillons sont bien scellés.

Distribution typique du spectre T2 de l'échantillon sous différents temps de cémentation.

La zone spectrale RMN peut décrire quantitativement les changements dans le nombre et la taille de la structure des pores de l'échantillon35. Selon le principe d'imagerie, la proportion de remplissage de fluide dans différents pores est utilisée pour refléter la distribution des pores, les pores sont divisés en petits pores (< 10 ms), pores moyens (10 ~ 100 ms) et grands pores (> 100 ms) basé sur le temps de relaxation transverse de la zone spectrale T2. Ensuite, la distribution de la zone spectrale T2 sous chaque taille de pore est calculée.

Le tableau 3 montre le changement de la surface des pores du spectre T2 de l'échantillon sous différents temps de cémentation. En général, les macropores fournissent la majeure partie de la surface des pores36. On peut voir sur la figure 13 qu'avec l'augmentation des temps de cémentation, la quantité de carbonate de calcium générée par l'amplitude du spectre T2 augmente, ce qui permet de mieux remplir les pores entre et à l'intérieur des particules de sable. Par conséquent, le nombre de pores sous chaque taille de pore a diminué de manière significative et la surface totale des pores a diminué de 43,67 %.

Afin d'observer davantage l'effet de remplissage et de cimentation de l'échantillon ainsi que la hauteur, les sections supérieure, centrale et inférieure ont été numérisées et analysées. La figure 14 montre les images de balayage des deux échantillons, où le noir est l'arrière-plan, le bleu est la cimentation du sable corallien et du carbonate de calcium, et le rouge est la région où se trouvent les molécules d'eau. Plus le rouge est brillant, plus les molécules d'eau sont denses et plus il y a de pores.

Balayage en coupe transversale RMN des échantillons de sable sous différents temps de cémentation : (a) 7 fois ; (b) 14 fois.

D'après l'analyse de la section de balayage, les pores de 14 fois sont inférieurs à 7 fois, illustrant que l'effet de remplissage total de 14 fois est meilleur que 7 fois. Parce que dans le processus de cémentation, les cycles de cémentation de 7 fois sont relativement moindres, la quantité de précipitations de carbonate de calcium est faible, en raison d'une accumulation insuffisante de carbonate de calcium, l'effet de remplissage des pores de grande taille est médiocre, les résultats de l'analyse ont beaucoup de rouge zone en surbrillance, cela correspond aux zones de distribution du spectre T2. En comparant les profils de section des deux échantillons, on constate que l'effet de remplissage des échantillons est affaibli de haut en bas. Avec l'expérience de renforcement en cours, le carbonate de calcium généré peut bien remplir les pores entre les particules et cimenter les particules adjacentes. Dans le processus de précipitation du carbonate de calcium, les pores sont progressivement peuplés de haut en bas de l'échantillon, les canaux d'infiltration de la bactérie et la solution de cimentation dans le processus de cimentation ultérieur sont réduits. Ainsi, le carbonate de calcium précipité est affaibli, de sorte que les cristaux de CaCO3 sont répartis de manière homogène dans les échantillons, la partie rouge devient de plus en plus proéminente de la zone supérieure à la zone inférieure de l'échantillon, ce qui signifie plus de pores dans les échantillons.

Balayage SEM d'échantillons cassés après un échec de cisaillement sous différents temps de cémentation, les statuts de cémentation des particules de sable corallien sont observés à un grossissement de 200 et 1200 fois respectivement, comme le montre la Fig. 15. Les résultats montrent que le carbonate de calcium produit par la minéralisation microbienne est principalement divisé en deux états. Premièrement, les cristaux de CaCO3 se trouvent entre les particules de sable corallien. Deuxièmement, les cristaux de CaCO3 cimentent deux particules de sable corallien adjacentes. Sous l'effet MICP, une grande quantité de précipitations dispersées de carbonate de calcium centrée sur le noyau du micro-organisme est produite, avec l'augmentation des précipitations et de l'accumulation, les pores entre les particules de sable sont lentement remplis, ce qui rend les deux particules de sable cimentées l'une avec l'autre . Par comparaison, on peut voir que par rapport à 7 temps de cémentation, il y a un certain degré de réduction des pores entre les particules et la précipitation de carbonate de calcium générée plus étroitement entre les particules et à la surface des particules après 14 temps de cémentation.

La microstructure des précipitations de carbonate de calcium dans les échantillons de sable sous différents temps de cémentation : (a) grossir 200 × moins de 7 fois ; (b) grossir 1200 × moins de 7 fois ; (c) grossir 200 × moins de 14 fois ; (d) agrandissez 1200 × moins de 14 fois.

Dans le même temps, des images de balayage SEM des particules de sable calcaire avant le traitement de cimentation ont été ajoutées comme référence, comme le montre la Fig. 16. On peut voir que les particules de sable calcaire contiennent également des pores internes, la précipitation du carbonate de calcium a non seulement cimenté le particules de sable calcaire mais remplissait également les pores à l'intérieur des particules.

Particules de sable calcaire avant traitement de cimentation.

Les images SEM des échantillons sous 7 temps de cémentation montrent qu'il y a plus de dépôts de carbonate de calcium entre les grains lâches, mais moins de carbonate de calcium est utilisé pour cimenter deux particules de sable adjacentes. Le contact moins efficace entre les particules entraîne plus de pores entre les particules de sable et une cimentation moins compacte. D'un point de vue macro, cela montre que le coefficient de perméabilité est grand et que la résistance au cisaillement n'est pas élevée.

L'échantillon sous 14 temps de cémentation a moins de pores et plus de carbonate de calcium entre les particules de sable que 7 fois. Le carbonate de calcium précipité augmente, la partie non cimentée entre les particules diminue, ce qui entraîne que plus de carbonate de calcium est généré autour des particules de sable, la taille du carbonate de calcium augmente avec l'augmentation des cycles de cémentation. D'une part, les particules de sable peuvent être mieux enrobées et remplies de pores entre les particules de sable, d'autre part, les particules de sable de corail non cimentées adjacentes sont plus facilement cimentées par la plus grande précipitation de carbonate de calcium, ce qui rend les deux particules de sable adjacentes étroitement cimentées. en un tout. Macroscopiquement, la perméabilité et la résistance au cisaillement des échantillons cimentés sont encore améliorées.

Sur la base de l'analyse ci-dessus, l'effet de remplissage et l'état de cimentation entre les particules de sable corallien peuvent être représentés par le modèle d'évolution, comme illustré à la Fig. 17.

Diagramme schématique du modèle d'évolution de l'échantillon de sable cimenté MICP : (a) Distribution des pores de l'échantillon de sable avant le renforcement ; (b) Bacillus thuringiensis adsorbé à la surface des particules de sable ; (c) Distribution du carbonate de calcium dans l'échantillon de sable pendant 7 temps de cémentation ; ( d ) Distribution du carbonate de calcium dans l'échantillon de sable pendant 14 temps de cémentation.

On peut voir sur les figures 16a à d que différentes tailles de sable corallien forment naturellement les pores de différentes tailles dans le moule poreux. Et les particules de sable lâches sont enfermées par des bactéries chargées négativement dans les parois cellulaires lorsque la solution bactérienne est injectée. En raison du métabolisme des bactéries, le dioxyde de carbone produit se dissout dans l'eau pour former une racine d'acide carbonique, lorsque la solution de ciment est injectée, les ions calcium dans la solution de cimentation s'accumulent autour des bactéries et se lient au carbonate dans la solution. Ainsi, pour former une précipitation de carbonate de calcium avec des bactéries comme site de nucléation, la précipitation a un effet de cimentation et peut remplir les pores entre les particules de sable corallien, ainsi que cimenter les particules de sable adjacentes.

D'une part, lorsque le sable corallien est cimenté par la méthode d'infiltration, lors du processus d'injection de la solution bactérienne et de cimentation, le carbonate de calcium généré cimentera progressivement et remplira les pores de la partie supérieure de l'échantillon, provoquant le canal d'infiltration de la solution à bloquer au stade ultérieur, par conséquent, l'échantillon présente le phénomène d'inhomogénéité de haut en bas.

D'autre part, en raison de l'existence de diverses particules de sable calibrées dans l'échantillon, la distribution de la taille des pores dans l'échantillon est relativement uniforme. Lorsque le cycle de cémentation est inférieur, la quantité de carbonate de calcium précipité est inférieure et la taille n'est pas grande, de sorte que l'effet de remplissage des pores grands et moyens n'est pas bon. Avec l'augmentation des temps de cémentation, les précipitations de carbonate de calcium augmentent et se cimentent les unes avec les autres, augmentant ainsi la taille globale du carbonate de calcium, de sorte que l'effet de remplissage des pores grands, moyens et petits est évidemment amélioré. Il ressort des résultats des tests microcosmiques que le nombre de pores 7 fois est considérablement réduit par rapport à 14 fois, et la cimentation entre les particules de sable est plus étroite et plus serrée. Du point de vue des propriétés macro-physiques et mécaniques, la perméabilité diminue et la résistance augmente.

Cet article analyse le processus de formation et l'environnement microbien du travertin, un nouveau type de bactérie hydrolytique à l'urée nommé Bacillus thuringiensis est extrait du travertin. Les conditions de culture relativement meilleures sont sélectionnées après purification et réalisation de tests orthogonaux sur les bactéries. Ensuite, deux groupes d'essais de cimentation de sable corallien sont menés avec Bacillus thuringiensis. Les conclusions suivantes peuvent être tirées.

Les conditions de culture optimales pour Bacillus thuringiensis sont les suivantes : 60,06 g/L d'urée, 10 mL/L d'inoculation bactérienne, 180 r/min de vitesse d'agitation de l'agitateur et 48 heures de culture.

Le coefficient de perméabilité des échantillons de sable corallien est aussi faible que 10−4 cm/s. Généralement, plus les temps de cémentation sont longs, plus le coefficient de perméabilité est faible et plus la résistance au cisaillement est élevée. Par rapport aux échantillons de sable avec Sporosarcina pasterurii couramment utilisé, la force de cohésion et l'angle de frottement interne des échantillons de sable cimentés par Bacillus thuringiensis sont augmentés de plus de 1,5 fois et 1,1 fois respectivement.

Les résultats de RMN montrent que la distribution du carbonate de calcium sur la hauteur de l'échantillon de sable est inégale, car le carbonate de calcium généré lors du processus de cimentation bloquera les pores entre les particules de sable, ce qui réduira les canaux d'infiltration ultérieurs de la solution bactérienne et de cimentation, ce qui affectant la formation de carbonate de calcium et l'effet de sédimentation vers le bas, conduisant en outre à la porosité de l'échantillon de plus en plus de haut en bas.

Les résultats de l'analyse SEM et le modèle d'évolution des échantillons sous différents temps de cémentation montrent que le carbonate de calcium généré pourrait effectivement remplir les pores entre les particules de sable et cimenter les particules de sable adjacentes. Plus les temps de cimentation sont longs, plus le carbonate de calcium est produit et plus l'effet d'un remplissage et d'une cimentation efficaces des particules de sable est important, en particulier pour les pores petits et moyens.

Dans la recherche de suivi, nous considérerons d'autres facteurs qui affectent l'effet de cimentation, établirons une corrélation entre certains facteurs d'influence et la résistance mécanique, nous concentrerons sur les propriétés statiques et dynamiques du corps solidifié, optimiserons le processus de renforcement microbien du sable corallien pour réduire le temps de cimentation et améliorer les performances de cimentation, et appliquer le processus de renforcement optimisé au projet réel pour fournir des idées de gestion correspondantes pour la consolidation des fondations et le traitement anti-infiltration dans les zones de sable corallien.

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Cette étude a été trouvée par la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine (Projets n° U2034203, 51979218, 51809151 et 51979151), le Fonds de recherche pour une excellente thèse de l'Université chinoise des Trois Gorges (Projet n° 2020BSPY001) et la Fondation des sciences naturelles de la province du Hubei. (Projet n° Z2018063).

Key Laboratory of Geological Hazards on Three Gorges Reservoir Area, Ministry of Education, College of Civil Engineering & Architecture, China Three Gorges University, Yichang, 443000, Hubei Province, China

Yao Xiao, Huafeng Deng et Jianlin Li

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YX : Conceptualisation, Curation des données, Rédaction du brouillon original. HD : Méthodologie, analyse formelle, révision de la rédaction et édition. JL : Enquête, Supervision, Validation.

Correspondance à Huafeng Deng.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Xiao, Y., Deng, H. & Li, J. Biominéralisation du sable corallien par Bacillus thuringiensis isolé d'une grotte de travertin. Sci Rep 13, 8687 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-35893-z

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Reçu : 30 mars 2022

Accepté : 25 mai 2023

Publié: 29 mai 2023

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

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