Biovermittelte Kontrolle der Verfugung mit kolloidalem Siliciumdioxid durch mikrobielle Fermentation

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 14184 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Beim Verfugen mit kolloidaler Kieselsäure handelt es sich um eine Bodenverbesserungstechnik, mit der schwache problematische Böden stabilisiert und die hydraulische Leitfähigkeit des Bodens stark reduziert werden kann, beispielsweise zur Eindämmung erdbebenbedingter Verflüssigung und zur Kontrolle des Grundwasserflusses. Beim konventionellen Ansatz werden kolloidale Kieselsäuresuspensionen mit chemischen Beschleunigern versetzt und in den zu verbessernden Boden eingebracht. Im Laufe der Zeit erfolgt die Bildung eines halbfesten Kieselsäuregels mit einer Geschwindigkeit, die durch die Suspensionschemie und die geochemischen Bedingungen vor Ort gesteuert wird. Obwohl der Prozess ausführlich untersucht wurde, stellte die Steuerung der Gelbildungsrate bei unterschiedlichen Untergrundbedingungen und die begrenzte Fähigkeit herkömmlicher Methoden zur wirksamen Überwachung des Gelbildungsprozesses praktische Herausforderungen dar. In dieser Studie wird ein biovermittelter Bodenverbesserungsprozess vorgeschlagen, der angereicherte fermentative Mikroorganismen nutzt, um die Gelierung kolloidaler Kieselsäuremörtel durch Senkung des pH-Werts der Lösung und Erhöhung der Ionenstärke zu kontrollieren. Es wurden vier Serien von Batch-Experimenten durchgeführt, um die Fähigkeit von Glucose-fermentierenden Mikroorganismen zu untersuchen, sich in natürlichen Sanden anzureichern, um geochemische Veränderungen zu induzieren, die die Bildung von Kieselgel bewirken können, und um die Wirkung der Zusammensetzung der Behandlungslösung auf das pH-Reduktionsverhalten zu bewerten. Anschließend wurden ergänzende Batch- und Bodensäulenexperimente durchgeführt, um den Prozess zu erweitern und die Wirksamkeit chemischer, hydraulischer und geophysikalischer Methoden zur Überwachung der mikrobiellen Aktivität, der Gelbildung und technischer Verbesserungen zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigen, dass fermentative Mikroorganismen erfolgreich angereichert werden können und die Gelbildung in Suspensionen vermitteln, die andernfalls äußerst stabil bleiben würden, wodurch auf chemische Beschleuniger verzichtet werden kann, die Zuverlässigkeit und Kontrolle der Injektion von kolloidalem Siliciumdioxid erhöht wird, neue Überwachungsansätze möglich werden und vergleichbare technische Verbesserungen erzielt werden zu herkömmlichen kolloidalen Kieselsäuremörteln.

Das Verfugen mit kolloidaler Kieselsäure ist eine umweltbewusste Bodenverbesserungstechnik, mit der die technischen Eigenschaften von Gestein und Boden für Anwendungen wie die Eindämmung erdbebenbedingter Verflüssigung, die Kontrolle des Grundwasserflusses und die Versiegelung von Felsbrüchen verbessert werden können1,2,3,4,5,6,7, 8,9,10,11. Der Prozess kann eingeleitet werden, indem man Böden eine niedrigviskose Suspension aus nicht porösen, kugelförmigen Silica-Nanopartikeln zuführt, wobei die Bildung eines Silicagels im Laufe der Zeit mit einer Geschwindigkeit erfolgt, die durch die anfängliche Suspensionschemie gesteuert wird3,12. Die resultierenden kolloidalen Kieselgele können die hydraulische Leitfähigkeit des Bodens verringern, indem sie den Porenraum des Bodens verstopfen, und das mechanische Verhalten des Bodens verändern, indem sie die volumetrischen Tendenzen des Bodens während der Scherung zurückhalten und eine bescheidene Zugfestigkeit hinzufügen9,13,14. Kolloidale Kieselsäure-Fugenmörtel bieten einige einzigartige Vorteile gegenüber anderen Permeationsinjektionstechnologien, darunter: (i) die Möglichkeit, Fugenmörtel aufgrund der niedrigen Anfangsviskosität von kolloidalen Kieselsäure-Suspensionen passiv unter Ausnutzung vorhandener Grundwassergefälle aufzutragen3,15, (ii) die Fähigkeit, die Gelbildungsraten zu modulieren über große Zeiträume (d. h. 0 bis > 100 Tage)13,16(iii) die umweltfreundlichen chemischen Eigenschaften von kolloidaler Kieselsäure, die im Vergleich zu anderen synthetischen Vergussmaterialien wie Polyurethanen17,18 die Auswirkungen auf die Umwelt minimieren können, und (iv) die Fähigkeit entwickelter kolloidaler Kieselgele, um nach der Anwendung über lange Zeiträume chemisch stabil zu bleiben16,19.

Zahlreiche Studien haben die Stabilität kolloidaler Kieselsäuresuspensionen und die zeitabhängige Bildung von Kieselgelen für eine Vielzahl von Anwendungen untersucht, die von der Bodenverbesserung bis zur Lebensmittelverarbeitung reichen11,19,20. Insgesamt haben diese Studien gezeigt, dass die zur Gelbildung erforderliche Zeit durch Variation der Zusammensetzung kolloidaler Silica-Suspensionen gesteuert werden kann, unter anderem durch Unterschiede im anfänglichen pH-Wert, den Ionenkonzentrationen, den kolloidalen Silica-Konzentrationen und der Größe der enthaltenen Kolloide1,3,12 ,21,22. Die Empfindlichkeit kolloidaler Silica-Suspensionen gegenüber Veränderungen in der Chemie resultiert hauptsächlich aus dem Vorhandensein von Silanol (SiOH)-Funktionsgruppen auf der Oberfläche von Silica-Nanopartikeln, die leicht durch Änderungen des pH-Werts (z. B. H+-Ionen) und der Kationen-/Anionenkonzentration manipuliert werden können19. Unter saureren Bedingungen können diese Oberflächengruppen zunehmend protoniert bleiben und eine positivere scheinbare Oberflächenladung aufweisen. Unter alkalischeren Bedingungen führt die Deprotonierung der Oberflächengruppen jedoch zu einer negativeren scheinbaren Oberflächenladung23,24. Ähnlich wie pH-Änderungen reagieren kolloidale Silica-Oberflächengruppen auch empfindlich auf Änderungen der umgebenden Ionenkonzentrationen. Beispielsweise können Kationen wie Natrium (Na+) mit diesen Oberflächengruppen einen Komplex bilden, wodurch die scheinbare Ladung von Oberflächengruppen effektiv neutralisiert werden kann. Obwohl sie sehr komplex sind, ähneln die beobachteten Wechselwirkungen zwischen Siliciumdioxidkolloiden denen, die in der Theorie von Derjaguin, Landau, Verwey und Overbeek (DVLO)25 beschrieben werden. Wenn kolloidale Oberflächengruppen entweder stark negativ oder stark positiv geladen bleiben, bleibt die elektrostatische Abstoßung zwischen den Kolloiden hoch und die Suspension kann stabil bleiben, wobei eine niedrige Lösungsviskosität beibehalten wird, die ideal für den Transport während der Injektion von Mörtel ist3. Da kolloidale Oberflächengruppen jedoch durch pH-Änderungen oder Ionenzugabe zunehmend neutralisiert werden, kann die elektrostatische Abstoßung minimiert werden und die Van-der-Waals-Anziehung zwischen Kolloiden kann die Bildung von Siloxanbindungen (Si-O-Si) zwischen SiOH-Oberflächengruppen26 ermöglichen Polymerisation der Nanopartikel und eine daraus resultierende Erhöhung der Viskosität der Suspension und schließlich die Bildung eines halbfesten Kieselgels.

Obwohl die Chemie der injizierten Suspension geändert werden kann, um die Gelbildungszeiten zu verändern, müssen solche Zusammensetzungen sorgfältig entworfen werden, um mit den Förderraten des Mörtels und den geochemischen Bedingungen unter der Oberfläche kompatibel zu sein. Frühere Feldversuche haben die Herausforderungen veranschaulicht, die mit der Anpassung der Gelierungsraten über anfängliche chemische Zusammensetzungen verbunden sind, insbesondere wenn unterirdische Böden und Grundwasser sauer sind und/oder hohe Konzentrationen gelöster Ionen enthalten16,27. Unter solchen Bedingungen kann die Gelierung schneller als erwartet ablaufen, wodurch Injektionsbrunnen verstopfen und eine wirksame Verteilung der Suspensionen auf die gewünschten Bodenvolumina verhindert wird. Wenn umgekehrt die bereitgestellten Beschleuniger nicht ausreichen oder die Bedingungen unter der Oberfläche von den ursprünglichen Erwartungen abweichen, kann es auch vorkommen, dass Suspensionen nicht gelieren, was zu minimalen technischen Verbesserungen führt. Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass herkömmliche In-situ-Überwachungsmethoden wie Kegelpenetration und Scherwellengeschwindigkeitstests nur begrenzt in der Lage sind, Änderungen in der Gelbildung aufzulösen16, wobei die Überwachung des Prozesses weitgehend auf die Beurteilung der Lösungsabgabe28 beschränkt ist. Während der herkömmliche abiotische Injektionsprozess eine sorgfältige Titration der Suspensionschemie vor den Injektionen erfordert, um eine kontrollierte Gelierung sicherzustellen, kann die Verwendung mikrobieller Aktivität zur Steuerung des Prozesszeitpunkts eine überlegene Alternative zu chemischen Zusätzen darstellen, mit dem Potenzial, schnelle, vorhersehbare chemische Veränderungen nach Injektionen hervorzurufen die Meditation der Gelbildung für ansonsten sehr stabile Suspensionen. Bei Fugenmörteln aus kolloidalem Siliciumdioxid können mikrobielle Prozesse, die die pH-Werte der umgebenden Lösung verändern und zu einem Anstieg der geladenen Lösungsspezies führen können, die Vermittlung der Gelbildung durch die Neutralisierung der Oberflächenladung des kolloidalen Siliciumdioxids ermöglichen. Obwohl andere Prozesse zur Vermittlung der Gelbildung eingesetzt werden könnten, könnte die mikrobielle Glukosefermentation ein idealer Weg sein, der keinen Sauerstoff erfordert und eine starke Senkung des pH-Werts der Lösung mit einer damit verbundenen Erhöhung der Ionenstärke ermöglicht29. Frühere Studien nutzten die mikrobielle Glukosefermentation, um andere Bodenverbesserungsprozesse zu vermitteln, einschließlich der Bildung von Calciumalginatgelen durch die Auflösung von Calciumcarbonatmineralien, die zuvor durch ureolytische Biozementierung hergestellt wurden, und die Freisetzung von Calciumionen30. In der Studie von Cheng et al. (2019)30 wurde die fermentative Aktivität durch Beimpfen von Böden mit einer gemischten mikrobiellen Kultur ermittelt, die aus Belebtschlamm gewonnen und in Lösungen bereitgestellt wurde, die Alginat und Glucose enthielten (pH-Anfangswert = 7,5). Obwohl Maclachlan et al. einen anderen mikrobiellen Weg nutzten, (2013)31 zeigten, dass die mikrobielle Harnstoffhydrolyse zur Vermittlung der Gelierung von anfänglich sauren kolloidalen Kieselsäuremörteln durch Erhöhung der Ionenstärke und des pH-Werts der Lösung eingesetzt werden kann. In dieser Studie wurde festgestellt, dass durch die Vermittlung des Prozesses durch Ureolyse eine gleichmäßigere Gelstruktur, eine schnellere Gelierung und eine höhere Scherfestigkeit des Gels im Vergleich zu Gelen erreicht werden, die unter Verwendung chemischer Beschleuniger gebildet werden, allerdings mit der Bildung von wässrigem Ammonium infolge der Harnstoffhydrolyse. Insgesamt deuten die Ergebnisse beider Studien darauf hin, dass die mikrobielle Glucose-Fermentationsaktivität einen praktikablen Weg zur Kontrolle der Gelierung kolloidaler Kieselsäuremörtel darstellen kann. Obwohl im Prinzip ähnlich der Arbeit von Maclachlan et al. (2013)31 wurde erwartet, dass der Einsatz der Glucose-Fermentationsaktivität die Einschränkungen im Zusammenhang mit dem Einsatz der mikrobiellen Ureolyse überwindet, indem eine Methode bereitgestellt wird, die in der Lage ist, Böden unter saureren Bedingungen zu verbessern und die Produktion von Ammoniumnebenprodukten zu eliminieren.

Die Fermentationswege sind vielfältig und unter Mikroorganismen weit verbreitet, die zugeführte Kohlenhydrate (z. B. Glukose) unter anaeroben Bedingungen fermentieren können, um organische Säuren sowie CO2- und H2-Gase und Ethanol zu produzieren. Zu den zu diesem Prozess fähigen Mikroorganismen gehören homofermentative Bakterien, die Glukose ausschließlich über den glykolytischen Weg dissimilieren, um Milchsäure zu produzieren (z. B. Streptokokken und Laktobazillen der Gattung), sowie heterofermentative Bakterien, die Fermentationen mit gemischten Säuren durchführen und komplexe organische Säuremischungen produzieren können (z. B. Gattung Escherichia)32 und ausgewählte Pilzarten (z. B. Gattung Rhizopus), die weniger häufig vorkommen, aber zur Milchsäuregärung fähig sind33. Von besonderem Interesse für den Einsatz in unterirdischen kolloidalen Kieselsäureanwendungen ist, dass die Glukosefermentation durch eine Vielzahl von Mikroorganismen durchgeführt werden kann, die in natürlichen Systemen häufig vorkommen und organische Säuremischungen mit niedrigen pKa-Werten erzeugen können, die für eine starke pH-Reduktion erforderlich sind (z. B. Milchsäure-pKa). = 3,86; Essigsäure pKa = 4,76; Bernsteinsäure pKa1 = 4,21, pKa2 = 5,64; Ameisensäure pKa = 3,75)34, sind in der Lage, große Unterschiede in den umgebenden Umweltbedingungen zu tolerieren und erzeugen ökologisch inerte Nebenprodukte, die nicht benötigt werden Entfernung nach der Behandlung35.

Es wurde eine Studie durchgeführt, um das Potenzial glukosefermentierender Mikroorganismen zur Anreicherung in Natursanden zu untersuchen, um die Gelierung kolloidaler Kieselsäure-Mörtelsuspensionen durch kontrollierte Senkung des pH-Werts der Lösung und Erhöhung der Ionenstärke zu vermitteln. Zunächst wurde eine Reihe von Batch-Experimenten durchgeführt, um die Auswirkung des pH-Werts der Lösung und der Zugabe von Natriumchlorid (NaCl) auf die in abiotischen kolloidalen Silica-Suspensionen beobachtete Gelbildungsrate zu verstehen und so die angestrebten End-pH-Bereiche zu ermitteln, die für die Gestaltung des biovermittelten Prozesses erforderlich sind. Im Anschluss an diese Experimente wurden drei weitere Reihen von Batch-Experimenten durchgeführt, um die Fähigkeit von Glucose-fermentierenden Mikroorganismen zu untersuchen, sich in natürlichen Sanden anzureichern, geochemische Veränderungen zu induzieren, die die Bildung von kolloidalem Kieselgel vermitteln können, und um die Auswirkung der anfänglichen Lösungszusammensetzung und des Sandmaterialtyps zu untersuchen und das bereitgestellte Boden-zu-Lösungs-Verhältnis für das pH-Reduktionsverhalten. Nach der Identifizierung von Behandlungstechniken, die eine erfolgreiche Anreicherung der mikrobiellen Fermentationsaktivität ermöglichen, wurde eine Reihe komplementärer Chargen- und Bodensäulenexperimente durchgeführt, um die Fähigkeit stimulierter Glucose-fermentierender Mikroorganismen weiter zu untersuchen, die Kontrolle der Kieselgelbildung unter Bedingungen zu ermöglichen, die repräsentativer für In-situ-Bedingungen sind Böden, die Wirksamkeit verschiedener Überwachungsmethoden zur Verfolgung der Kieselgelbildung und der mikrobiellen Aktivität sowie die Charakterisierung der bodentechnischen Verbesserungen, die durch die resultierenden kolloidalen Kieselgele erzielt werden.

Zwei verschiedene, schlecht sortierte saubere Sande, Deltasand und Betonsand, wurden in Chargen- und Säulenexperimenten einbezogen. Delta Sand ist ein Meeressand, der zu fast 58 % aus Quarz und zu 42 % aus Albit besteht, mit einem D10 von 0,19 mm, D30 von 0,25 mm, D60 von 0,37 mm und einem Feinanteil von 1,3 %36. Betonsand ist ein Schwemmsand, der zu fast 75 % aus Quarz und zu 25 % aus Albit besteht, mit einem D10 von 0,23 mm, D30 von 0,54 mm, D60 von 1,54 mm und einem Feinanteil von 1,1 %. Beide Sande werden nach ASTM D248737 als schlecht abgestufter Sand (SP) klassifiziert und wurden in früheren Studien umfassend untersucht, in denen biovermittelte Bodenverbesserungsprozesse untersucht wurden36,38,39,40,41. Man ging davon aus, dass es sich bei beiden Böden um repräsentative andere natürliche, saubere Sande handelte, die zum Zweck der Verflüssigungsminderung möglicherweise einer Verbesserung bedürfen.

Alle kolloidalen Siliciumdioxidlösungen wurden unter Verwendung von mit 30 Masse-% Ludox SM-30 Natriumhydroxid stabilisierten kolloidalen Siliciumdioxid-Stammlösungen (Grace Chemicals) hergestellt, die Siliciumdioxidkolloide mit einem Durchmesser zwischen 7 und 22 nm enthielten und einen anfänglichen pH-Wert nahe 10 hatten. Die enthaltenen Lösungen In allen Experimenten waren 6 Masse-% kolloidales Siliciumdioxid enthalten, das durch Verdünnen der 30-prozentigen Stammlösung mit entionisiertem Wasser hergestellt wurde. Nach der Herstellung einer 6 %igen kolloidalen Kieselsäurelösung wurden lösliche chemische Massen direkt zu den Lösungen gegeben und der pH-Wert der Lösungen entweder mit 1 M Natriumhydroxid oder Salzsäure eingestellt und dann mit 0,2-Mikron-Filtern filtersterilisiert. Zu den löslichen Chemikalien, die den Lösungen zugesetzt wurden, gehörten verschiedene Konzentrationen von Glucose (wasserfreie Dextrose, Fisher Scientific), Hefeextrakt (Fisher Bioreagents) und Natriumchlorid (Fisher Scientific). Alle Lösungen mit Ausnahme derjenigen, die in Versuchsreihe 1 berücksichtigt wurden (beschrieben im Abschnitt „Versuchsreihe“), wurden auf einen Anfangswert von 9,5 eingestellt, um eine abiotische Gelierung zu verhindern und die Stabilität der Lösung bei fehlender Fermentationsaktivität aufrechtzuerhalten. Alle Lösungen wurden im Gleichgewicht mit atmosphärischen Bedingungen bei 20 °C hergestellt und vor der Verwendung nicht entlüftet (gelöster Sauerstoff ≈ 9 mg/L).

Alle Batch-Experimente umfassten 350-ml-Volumina filtersterilisierter kolloidaler Kieselsäurelösungen, die in sterilen 500-ml-Plastikflaschen unter Verwendung von Vakuumfiltrationseinheiten mit 0,2-Mikron-PES-Filtern zubereitet wurden (Abb. 1a). Nach der Lösungsfiltration wurden Bodenmassen (sofern vorhanden) in unterschiedlichen Boden-zu-Lösungs-Verhältnissen im Bereich von 0,5 bis 100 g/l direkt in die Kolben gegeben. Um den Sauerstofftransfer zu verhindern, wurde eine 5 mm dicke Schicht sterilen Schwermineralöls auf die Oberfläche aller Lösungen aufgetragen und die Kolben mit sterilen Kappen verschlossen. Alle freiliegenden Flaschenoberflächen wurden bei jedem Öffnen der Flaschen mit einer tragbaren Taschenlampe flammensterilisiert, um das Risiko einer Kontamination zu minimieren. Alle wässrigen Proben wurden mit sterilen Pipetten entnommen.

Bilder von (a) ausgewählten Batch-Experimenten, einschließlich steriler Filterflaschen, Mineralöl und zugesetzter Sandimpfstoffe, und (b) eines Experiments mit einer einzelnen Bodensäule, einschließlich Säulenladerahmen, Biegeelementsensoren, elektrischem Leitfähigkeitssensor, wässrigen Probenahmeanschlüssen und Zufluss und Ausflussanschlüsse, die den Anschluss von Druckwandlern für Messungen während der Injektionen ermöglichten.

Bodensäulenproben wurden in hohlen Acrylzylindern mit einer Höhe von 15,2 cm und einem Innendurchmesser von 7,6 cm hergestellt, die oben und unten mit PTFE-Kappen für den Lösungsaustausch und verschiedenen Anschlüssen für Biegeelementsensoren, Lösungsprobenentnahmeöffnungen und elektrischen Leitfähigkeitssensoren versehen waren (Abb. 1b). Entlang der Säulenhöhe befanden sich drei Gummiseptum-Probenahmeöffnungen in drei Abständen von der Injektionsquelle an der Basis der Säulen (5,1, 10,2, 15,2 cm) und wurden verwendet, um zu verschiedenen Zeitpunkten Lösungsproben mit sterilen Spritzen und Nadeln zu entnehmen. In allen Säulen wurden in mittlerer Höhe (10,2 cm von der Injektionsquelle entfernt) Biegeelement-Sensorpaare eingebaut, um Änderungen der Bodenscherwellengeschwindigkeiten (Vs) zu verfolgen. Ein einzelner 4-Zellen-Sensor für die elektrische Leitfähigkeit (EC) (Bereich = 1 µS/cm bis 200 mS/cm, Fisher Scientific) wurde ebenfalls in der Nähe des Bodens (5,1 cm von der Injektionsquelle entfernt) von vier ausgewählten Säulen eingebaut, um Änderungen der EC zu verfolgen Zeit, die durch Gärung und Gelierung entsteht. Alle Säulen enthielten Delta-Sand und wurden auf eine anfängliche relative Dichte von ≈ 40 % vorbereitet und hatten Porenvolumina (PV) von etwa 250 ml und Boden-Lösungs-Verhältnisse von etwa 4500 g/L. Bodenmaterialien wurden mithilfe poröser Kunststoffscheiben (Porengröße 125–195 μm, Porex Inc.) in den Säulen zurückgehalten, die an der Grenzfläche zwischen oberen und unteren Kappen und Böden platziert wurden, um eine Migration von Bodenmaterialien während der Injektionen zu verhindern. Nach der Vorbereitung wurden alle Säulen einer vertikalen Gesamtspannung von ≈ 100 kPa ausgesetzt, die über einen federbelasteten Reaktionsrahmen aufgebracht wurde, und die Säulen wurden mit entionisiertem Wasser gesättigt. Nach der Sättigung erhielten alle Säulen eine einzige Stop-Flow-Injektion von kolloidalen Kieselsäure-Behandlungslösungen mit 8 PV (2 l) und einer Flussrate von 20 ml/min (Injektionszeit ≈ 100 min), um die verbleibenden Porenflüssigkeiten vollständig zu ersetzen. Alle Säulen wurden von unten nach oben behandelt, um die Sättigung sicherzustellen und eine mögliche Heterogenität der injizierten Lösungen aufgrund von Unterschieden in der Lösungsdichte zu minimieren. Lösungsreservoirs aus Kunststoff wurden mit Säulenausflussrohren verbunden und mit ca. 500 ml kolloidaler Kieselsäure-Behandlungslösung gefüllt, die gegen Ende der Injektionen aus den Säulen austrat. Die Reservoirs blieben mit den Säulen verbunden, um den Austausch der Säulenporenflüssigkeiten während der Probenahme zu ermöglichen und das Eindringen von Sauerstoff und die Entsättigung der Säulen zu begrenzen. Das gesamte Probenvolumen für jede Säule betrug weniger als 5 % eines PV. Die gesamte Überwachung wurde nach den Injektionen während der anschließenden Verweildauer abgeschlossen.

In fünf verschiedenen Serien wurden Experimente durchgeführt, um die Wirkung der Lösungszusammensetzung auf die stimulierte Fermentationsaktivität zu untersuchen und Veränderungen bei den Gelierungsraten sowie technische Verbesserungen zu erzielen. Die Batch-Experimente der Versuchsreihe 1 untersuchten zunächst die Auswirkung abiotischer chemischer Bedingungen auf die Gelierungsraten von Lösungen im Zeitverlauf, erfasst durch Erhöhungen der Lösungsviskosität. Lösungen untersuchten die Auswirkung von Unterschieden in den anfänglichen pH-Werten zwischen 4,0 und 10,0 sowie NaCl-Konzentrationen zwischen 0 und 10 g/L und wurden 120 Tage lang überwacht. Die Ergebnisse der Versuchsreihe 1 wurden verwendet, um anfängliche pH-Werte zu bestimmen, die hochstabile Suspensionen aufrechterhalten konnten (pH ≈ 9,5), sowie End-pH-Werte, die nach der Fermentation angestrebt wurden, um eine kolloidale Kieselsäuregelierung zu induzieren (pH ≈ 5,0 bis 6,0). In den Batch-Experimenten der Versuchsreihe 2 wurde die Fähigkeit von Behandlungslösungen zur erfolgreichen Anreicherung von Natursanden für glukosefermentierende Mikroorganismen sowie die Auswirkung von Unterschieden in den zugeführten Boden-zu-Lösungs-Verhältnissen auf die angereicherte Aktivität untersucht. Die Lösungen hatten einen anfänglichen pH-Wert von 9,5 und enthielten 5 g/L Hefeextrakt (YE), 10 g/L Glucose und unterschiedliche Boden-zu-Lösungs-Verhältnisse von 0 bis 50 g Boden pro Liter Lösung, um die Häufigkeit zu bewerten von glukosefermentierenden Mikroorganismen in Mutterböden. Experimente mit Deltasand und Betonsand wurden 10 bzw. 19 Tage lang überwacht. Nach der Identifizierung erfolgreicher Anreicherungsansätze wurde in Batch-Experimenten der Versuchsreihe 3 die Auswirkung der zugeführten Glukose- und YE-Konzentrationen auf das pH-Reduktionsverhalten weiter untersucht. Alle Experimente enthielten 50 g/L Delta Sand und umfassten Lösungen mit einem anfänglichen pH-Wert von 9,5, YE-Konzentrationen zwischen 0,1 und 10 g/L und Glukosekonzentrationen zwischen 2,5 und 5 g/L und wurden 9 Tage lang überwacht. Zusätzliche Batch-Experimente wurden ohne Sandzusatz durchgeführt, um mögliche biologische Kontaminationen zu kontrollieren und die Auswirkung von Substratzusätzen auf die Gelierung zu bewerten. Nach der Identifizierung von Lösungen, die in der Lage sind, angestrebte End-pH-Werte (≈ 5,0 bis 6,0) zu erreichen, untersuchten Versuchsreihe 4 Batch-Experimente die Wirkung von NaCl-Zusätzen, die üblicherweise als Gelierungsbeschleuniger verwendet werden. Alle Experimente enthielten 50 g/L Delta Sand und Lösungen, die einen anfänglichen pH-Wert von 9,5 hatten und 1 g/L YE, 5 g/L Glucose und zwischen 0 und 10 g/L NaCl enthielten, und wurden 9 Tage lang überwacht. Tabelle 1 enthält eine Zusammenfassung aller in den Versuchsreihen 1 bis 4 durchgeführten Batch-Experimente, einschließlich der Lösungszusammensetzungen und der verwendeten Überwachungsmethoden.

Basierend auf Erkenntnissen aus früheren Batch-Experimenten wurde die Versuchsreihe 5 durchgeführt, um die Wirksamkeit des biovermittelten Prozesses unter feldrepräsentativeren Bedingungen zu untersuchen und die Fähigkeit chemischer, geophysikalischer und anderer Charakterisierungsprozesse zu bewerten, mikrobielle Aktivität, Gelbildung und Quantifizierung zu verfolgen technische Verbesserungen erzielt. Versuchsreihe 5 bestand aus komplementären Bodensäulen- und Batch-Experimenten, die mit sieben verschiedenen Behandlungslösungen behandelt wurden, um die Wirkung der Lösungszusammensetzung zu bewerten und das Anreicherungs- und Gelierungsverhalten als Funktion der Boden-zu-Lösungs-Verhältnisse zu vergleichen. Zwei verschiedene abiotische Lösungen (Lösungen A1 und A2) wurden verwendet, um die Stabilität der Lösungen ohne mikrobielle Fermentationsaktivität zu bewerten. Beide Lösungen waren auf einen pH-Wert von 9,5 eingestellt, enthielten kein zugesetztes YE oder Glucose und enthielten entweder 0 (Lösung A1) oder 1 g/L NaCl (Lösung A2). Fünf verschiedene Lösungen (Lösungen B1 bis B5) wurden ebenfalls in Betracht gezogen, um verschiedene Aspekte des biovermittelten Prozesses zu untersuchen, darunter: (i) die Wirkung der zugeführten YE-Konzentrationen in Lösungen, die entweder 0,2 g/L (Lösung B1) oder 1 g/L (Lösung) enthalten B2i und B2ii) oder 5 g/L (Lösung B3) YE mit 5 g/L Glucose, (ii) die Wirkung von Glucosekonzentrationen in Lösungen, die entweder 5 g/L (Lösung B2i und B2ii) oder 10 g/L Glucose enthalten (Lösung B4) mit 1 g/L YE und (iii) die Wirkung von zugesetztem NaCl in Lösungen, die entweder 0 g/L (Lösungen B2i und B2ii) oder 1 g/L NaCl (Lösung B5) mit 5 g/L Glucose enthalten und 1 g/L JA. Die Wiederholbarkeit der Experimente wurde durch Experimente mit identischen Lösungszusammensetzungen (Lösung B2i und B2ii) bewertet und mit identischen Experimenten verglichen, die auch in den Versuchsreihen 3 und 4 enthalten waren. Für jede Lösung wurden zwei Batch-Experimente mit Boden-zu-Lösungs-Verhältnissen durchgeführt von 50 g/L und 100 g/L und ein einzelnes Bodensäulenexperiment wurde mit einem Boden-Lösungs-Verhältnis von etwa 4500 g/L durchgeführt. Die in Versuchsreihe 5 durchgeführten Chargen- und Bodensäulenexperimente wurden bis zu 6 Tage lang überwacht und blieben weitere 8 Tage lang unbehandelt, bis die Charakterisierungen der Viskosität, der uneingeschränkten Druckfestigkeit und der hydraulischen Leitfähigkeit nach der Behandlung abgeschlossen waren. Tabelle 2 enthält eine Zusammenfassung aller in Versuchsreihe 5 durchgeführten Bodensäulen- und Chargenversuche, einschließlich der Lösungszusammensetzungen und der verwendeten Überwachungsmethoden.

Die pH-Messungen der Lösung wurden unmittelbar nach der Probenahme der Lösung mit einer Halbmikro-pH-Elektrode und einem Messgerät (Orion Versa Star Meter, Thermo Fisher) abgeschlossen, das täglich kalibriert wurde und eine Genauigkeit von ± 0,05 pH-Einheiten aufwies. Messungen der wässrigen Glukosekonzentration wurden ausschließlich für Batch- und Bodensäulenexperimente aus Versuchsreihe 5 mit 125 μl wässrigen Proben durchgeführt. Für Glukosemessungen erhaltene Lösungsproben wurden unmittelbar nach der Sammlung in 1,6 M Natriumhydroxid stabilisiert, um die mikrobielle Aktivität zu hemmen und kolloidale Kieselgele, sofern vorhanden, aufzulösen. Die Glukosekonzentrationen wurden unter Verwendung gesammelter Proben und eines kolorimetrischen EnzyChromTM Glucose III-Testkits (BioAssay Systems Inc.) gemessen, das einen linearen Nachweisbereich zwischen 0,3 und 2,0 mM Glukose aufwies. Nach der Zugabe des kolorimetrischen Reagenzes ließ man alle Proben 30 Minuten lang bei Raumtemperatur äquilibrieren und die optischen Dichten wurden mit einem Mikroplatten-Spektrophotometer (Biotek Inc.) bei einer Wellenlänge von 565 nm gemessen.

Für Batch-Experimente in den Versuchsreihen 1 und 5 wurden Änderungen der Lösungsviskosität mit einem digitalen Viskosimeter mit niedrigem Messbereich (DVELV-Viskosimeter, Ametek Brookfield) bewertet. Messungen der Lösungsviskosität wurden nur zu Beginn und am Ende der biovermittelten Experimente durchgeführt, um die Möglichkeit einer biologischen Kontamination der Experimente und des Eindringens von Sauerstoff, die die Fermentationsaktivität hätte hemmen können, zu verringern. Bei allen abiotischen unsterilen Batch-Experimenten in Versuchsreihe 1 wurde die Lösungsviskosität einmal täglich gemessen.

Elektrische Leitfähigkeits- und Vs-Messungen wurden zu verschiedenen Zeitpunkten während Bodensäulenexperimenten durchgeführt, um die Fähigkeit zerstörungsfreier geophysikalischer Messungen zu untersuchen, Veränderungen im Fortschreiten der kolloidalen Kieselsäuregelierung und der mikrobiellen Fermentationsaktivität zu erkennen. EC-Messungen wurden mindestens dreimal täglich in vier ausgewählten Bodensäulen mithilfe eingebetteter Sensoren durchgeführt. Mit EC-Sensoren ausgestattete Säulen wurden entwickelt, um die Reaktion ähnlicher Lösungen zu bewerten, die unter abiotischen (Lösung A1, A2) und biovermittelten (Lösung B2ii, B5) Bedingungen angewendet wurden, sowie um den Einfluss von zugesetztem NaCl durch Vergleich von Säulen zu bewerten, die Lösungen ohne (Lösung) erhielten A1, B2ii) und mit 1 g/L NaCl (Lösung A2, B5). Vs-Messungen wurden einmal täglich für alle Säulen unter Verwendung von Biegeelementsensoren durchgeführt, die mit einer 24-V-100-Hz-Rechteckwelle angeregt wurden, wobei die empfangenen Signale mit einem Oszilloskop bei einer Abtastfrequenz von 1 MHz nach ähnlichen Verfahren wie bei Lee et al. gemessen und aufgezeichnet wurden. (2022)42. Bekannte Biegeelementabstände und gemessene Wellenübertragungszeiten wurden verwendet, um die Boden-Vs-Werte zu verschiedenen Zeitpunkten nach den Injektionen zu bestimmen. Alle Säulen hatten anfängliche Vs-Werte zwischen 90 und 110 m/s.

Messungen des Flüssigkeitsporendrucks und der Durchflussrate wurden verwendet, um die hydraulische Leitfähigkeit des Bodens sowohl vor als auch nach der Behandlung mit kolloidaler Kieselsäurelösung abzuschätzen. Die anfängliche hydraulische Leitfähigkeit aller Bodensäulen wurde während der 8-PV-Behandlungsinjektion gemessen. Die endgültigen hydraulischen Leitfähigkeiten wurden für alle Säulen 14 Tage nach den Injektionen durch die Anwendung zusätzlicher 8 PV entionisiertem Wasser bewertet. Während der Injektionen wurden Porendruckmessungen sowohl an den Säulenzufluss- als auch an den Säulenabflussstellen durchgeführt, die Durchflussraten wurden anhand der aus den Säulen austretenden Lösungsvolumina gemessen und die hydraulischen Leitfähigkeiten wurden anhand dieser Messungen, bekannter Säulengeometrien und des Darcy-Gesetzes geschätzt. Alle Porendrücke und Durchflussraten wurden überwacht und konnten sich mindestens 10 Minuten lang stabilisieren, bevor die hydraulische Leitfähigkeit des Bodens bestimmt wurde.

Nach der abschließenden Prüfung der hydraulischen Leitfähigkeit mit einem hydraulischen Extruder wurden Bodensäulenproben aus Acrylzylindern extrudiert. Alle Bodensäulen, die nach der Extrusion intakt blieben, wurden einer Prüfung der uneingeschränkten Druckfestigkeit (UCS) unterzogen, um mögliche Erhöhungen der Zugfestigkeit durch Silikatmörtel zu bewerten. UCS-Tests wurden mit einem elektromechanischen Belastungsrahmensystem (GDS Instruments) gemäß ASTM D216643 unter Verwendung einer konstanten axialen Dehnungsrate von 1 % pro Minute durchgeführt.

Abbildung 2 zeigt die Zeit, die erforderlich ist, um Lösungsviskositäten über 2000 cP zu erreichen, die als Gelzeit bezeichnet wird, im Vergleich zum pH-Wert der Lösung für alle Batch-Experimente mit abiotischer kolloidaler Kieselsäure aus Versuchsreihe 1. Bei den Experimenten wurden pH-Werte im Bereich von 4,0 bis 10,0 und NaCl-Konzentrationen im Bereich von 0 berücksichtigt bis 10 g/L, wobei die Gelierzeiten aus zeitlichen Viskositätsmessungen bestimmt wurden (siehe ergänzende Abbildung S1). Sowohl bei Änderungen des pH-Werts als auch der NaCl-Konzentration wurden große Schwankungen in der Geschwindigkeit des Viskositätsanstiegs beobachtet. Bei gleichem pH-Wert wurden mit zunehmender NaCl-Konzentration kürzere Gelierzeiten beobachtet. Bei ähnlichen NaCl-Konzentrationen hatten jedoch Lösungen, die auf den niedrigsten (pH = 4,0) und höchsten (pH = 10,0) pH-Wert vorbereitet wurden, die längsten Gelierzeiten, wobei Lösungen, die auf pH-Werte nahe 6,0 vorbereitet wurden, die kürzesten Gelierzeiten aufwiesen. Wie erwartet behielten alle Experimente nach dem ersten Mischen zeitlich stabile pH-Werte bei, was bestätigte, dass in allen Experimenten die Gelbildung abiotisch induziert wurde (ergänzende Abbildung S2). Wenn kein NaCl zugeführt wurde, waren die Gelzeiten bei pH-Werten zwischen 5,0 und 6,0 ​​am kürzesten, wobei die meisten Proben zwischen 6 und 7 Tage benötigten, um den Gelpunkt zu erreichen. Bei anfänglichen pH-Werten unterhalb oder oberhalb dieses Bereichs verlängerten sich die Gelierzeiten jedoch deutlich. Beispielsweise wurde bei anfänglichen pH-Werten über 7,5 der Gelpunkt nach 120 Tagen Überwachung nicht erreicht. Da die zugeführten NaCl-Konzentrationen auf 5 g/L erhöht wurden, wurde der pH-Bereich, in dem die Gelzeiten am kürzesten waren, auf pH-Werte zwischen 5,0 und 7,0 ausgeweitet, wobei in den meisten Experimenten etwa 2 Tage erforderlich waren, um den Gelpunkt zu erreichen. Bei pH-Werten unterhalb und oberhalb dieses Bereichs erhöhten sich die Gelierzeiten jedoch erneut auf 5 bis 45 Tage, wobei die Probe mit einem pH-Wert von 10,0 den Gelierpunkt immer noch nicht innerhalb von 120 Tagen erreichen konnte. Bei der höchsten betrachteten NaCl-Konzentration (10 g/L) wurde der pH-Bereich, in dem die Gelierzeiten am kürzesten waren, auf Werte zwischen 5,0 und 8,5 erweitert, wobei die Gelierzeiten wiederum nur 2 Tage betrugen. Außerhalb dieses pH-Bereichs betrugen die Gelierzeiten jedoch maximal nur 20 Tage. Dieses Ergebnis steht im Einklang mit anderen früheren Studien13, die gezeigt haben, dass NaCl-Zusätze verwendet werden können, um die Gelierzeiten zu verkürzen und die für die Gelbildung erforderlichen optimalen pH-Bereiche zu erweitern. Im Gegensatz dazu blieben Lösungen ohne NaCl-Zusätze sehr stabil, sobald die pH-Werte entweder unter 4,5 lagen oder 6,5 überstiegen. Es wurde die Hypothese aufgestellt, dass die mikrobielle Fermentation die größte Kontrolle über die Kieselgelbildung bei alkalischen Lösungen ausüben könnte, die andernfalls abiotisch äußerst stabil bleiben würden. Dementsprechend wurden in nachfolgenden Experimenten Lösungen mit einem anfänglichen pH-Wert von 9,5 und einer NaCl-Konzentration von 0 g/L in Betracht gezogen und es wurde erwartet, dass sie der mikrobiellen Fermentation die größte Möglichkeit bieten, den Gelierungszeitpunkt durch pH-Reduktionsraten und endgültige pH-Reduktionsgrößen zu steuern. In diesen biovermittelten Experimenten wurden nach der mikrobiellen Fermentation End-pH-Werte zwischen 5,0 und 6,0 ​​angestrebt, um eine schnellere Kieselsäuregelierung zu ermöglichen.

Gelzeit (Zeit bis zur Viskosität > 2000 cP) im Vergleich zum pH-Wert für alle Batch-Experimente mit abiotischer kolloidaler Kieselsäure aus Versuchsreihe 1 mit NaCl-Konzentrationen zwischen 0 und 10 g/L.

Abbildung 3 zeigt zeitliche pH-Messungen für Batch-Experimente aus Versuchsreihe 2 mit Betonsand (Abb. 3a) und Delta-Sand (Abb. 3b) bei unterschiedlichen Boden-zu-Lösungs-Verhältnissen. Wie in Abb. 3a gezeigt, wurden in allen Betonsandexperimenten zwischen 4 und 17 Tagen pH-Reduktionen von 9,5 auf ≈ 7,0 beobachtet. Mit zunehmendem Boden-zu-Lösungs-Verhältnis wurde der Beginn von pH-Absenkungen früher beobachtet, was darauf hindeutet, dass mit zunehmender hinzugefügter Bodenmasse schnellere Anstiege der angereicherten fermentativen mikrobiellen Zelldichten erzielt werden konnten. Diese Verzögerungszeit spiegelte sowohl die Zeit wider, die für die fermentative mikrobielle Anreicherung und das Zellwachstum erforderlich ist, als auch die Zeit, die für eine ausreichende Glucose-Fermentation erforderlich ist, um den pH-Wert der umgebenden globalen Lösung zu ändern, was darauf hindeutet, dass eine Erhöhung der hinzugefügten Bodenmassen wahrscheinlich zu einer größeren anfänglichen Zelldichte des Fermentungsmittels führte Mikroorganismen, die angereichert werden könnten, was mit vielen anderen Studien übereinstimmt, die eine Zunahme der Zelldichten mit zusätzlichen Bodenmassen belegen44,45. Bei allen Experimenten mit mindestens 5 g/L Boden waren die pH-Trends zeitlich ähnlich und die minimalen pH-Werte lagen im angestrebten Bereich von 5,0 bis 6,0, der aus früheren Experimenten ermittelt wurde. Bei der Betrachtung der Trends für Deltasand wurden innerhalb von 2,5 bis 7 Tagen pH-Reduktionen von 9,5 auf ≈ 7,0 beobachtet, etwas früher als bei Betonsand-Experimenten. Die im Delta-Sand im Vergleich zu Betonsand beobachtete schnellere pH-Reduktionsrate könnte entweder auf eine schnellere Anreicherung glukosefermentierender Mikroorganismen in diesem Boden oder auf ein größeres anfängliches Inokulum fermentierender Mikroorganismen pro Bodenmasse zurückzuführen sein. Es wurde die Hypothese aufgestellt, dass die in Delta Sand vorhandenen einheimischen Mikroorganismen möglicherweise eine größere Toleranz gegenüber alkalischen pH-Werten und Bedingungen mit hoher Ionenstärke zeigten, die durch kolloidale Kieselsäurelösungen aufgrund des marinen Ursprungs dieses Mutterbodens verursacht werden, wodurch die Anreicherungsrate erhöht wurde. Ähnlich wie bei Betonsand waren die pH-Reduktionsraten proportional zur hinzugefügten Bodenmasse, wobei bei Experimenten mit mindestens 5 g/L Boden minimale pH-Werte zwischen 5,0 und 6,0 ​​erreicht wurden. In beiden sterilen Kontrollversuchen, die keinen zugesetzten Sand enthielten, wurden minimale pH-Änderungen beobachtet, was darauf hindeutet, dass keine nachweisbare biologische Kontamination aufgetreten ist. Obwohl für biovermittelte Experimente keine rechtzeitigen Viskositätsmessungen durchgeführt wurden, um die Möglichkeit einer biologischen Kontamination und des Eindringens von Sauerstoff zu verringern, deuteten frühere Ergebnisse aus Abb. 2 darauf hin, dass die Lösungsviskositäten etwa 6 bis 7 Tage später voraussichtlich auf Werte über 2000 cP ansteigen würden Erreichen von pH-Werten zwischen 5,0 und 6,0 ​​und zwischen 7 und 50 Tagen nach Erreichen von pH-Werten zwischen 6,0 und 7,0 für Experimente ohne NaCl-Zusatz.

pH-Messungen gegen die Zeit, erhalten aus Chargenexperimenten mit stimulierter kolloidaler Kieselsäure in Versuchsreihe 2 mit 0, 0,5, 5 oder 50 g/L (a) Betonsand oder (b) Deltasand. Alle Lösungen enthielten 6 % kolloidales Siliciumdioxid, 5 g/L Hefeextrakt, 10 g/L Glucose und hatten einen anfänglichen pH-Wert von 9,5.

Nach der Identifizierung erfolgreicher Anreicherungstechniken wurde eine dritte Reihe von Batch-Experimenten durchgeführt, um die Rolle der YE- und Glukosekonzentrationen bei der zeitlichen Veränderung der mikrobiellen Fermentationsaktivität besser zu verstehen. In der Versuchsreihe 3 wurde ein engerer Bereich von Glukosekonzentrationen berücksichtigt, der darauf abzielte, mit minimalem Materialverbrauch endgültige pH-Werte in der Nähe des angestrebten Bereichs von 5,0–6,0 zu erreichen, und es wurde auch ein breiter Bereich von YE-Konzentrationen berücksichtigt, von denen erwartet wurde, dass sie die angereicherten Zelldichten verändern und somit die Fermentation steuern pH-Reduktionsraten46. Abbildung 4 zeigt pH-Messungen über die Zeit, die aus Batch-Experimenten erhalten wurden, bei denen Lösungen mit 2,5–5 g/L Glucose, 0,1–10 g/L YE und 50 g/L Delta Sand erhalten wurden. Es wurden auch sterile Kontrollexperimente durchgeführt, die keinen Sandzusatz enthielten. Wie gezeigt, wurden bei Vorliegen von 2,5 g/L Glucose in allen Experimenten innerhalb von 2 bis 5,5 Tagen pH-Reduktionen von 9,5 auf ≈ 8,0 beobachtet (Abb. 4a). Bei Proben mit höheren YE-Konzentrationen traten nachweisbare pH-Reduktionen auch früher und schneller auf, was auf einen Anstieg der angereicherten Fermentationsaktivität zurückzuführen ist. Obwohl in den Experimenten mit höherem YE ähnliche minimale pH-Werte zwischen 7,0 und 7,5 beobachtet wurden, wurde im Experiment mit 0,1 g/L YE interessanterweise ein niedrigerer minimaler pH-Wert nahe ≈ 6,0 erhalten, was möglicherweise auf eine selektivere Anreicherung und/oder einen Unterschied in der Lösung zurückzuführen ist Pufferung. Unter Berücksichtigung ähnlicher Trends für alle Experimente mit 3,75 g/L Glucose (Abb. 4b) wurden wiederum pH-Reduktionen von 9,5 auf ≈ 8,0 in allen Experimenten zwischen 2 und 5,5 Tagen beobachtet und die pH-Reduktionsaktivität war proportional zum zugeführten YE. Es wurden jedoch niedrigere minimale pH-Werte beobachtet, nämlich Werte zwischen 5,5 und 6,5, die nahe dem angestrebten pH-Bereich lagen. Schließlich wurden in Experimenten mit 5 g/L Glukose (Abb. 4c) ähnliche pH-Reduktionen von 9,5 auf ≈ 8,0 innerhalb von 2–6 Tagen beobachtet und minimale pH-Werte zwischen 5,0 und 6,0 ​​wurden innerhalb von 3–9 Tagen erreicht. Alle sterilen Kontrollexperimente zeigten unabhängig von der YE-Konzentration minimale pH-Änderungen, was wiederum auf eine anhaltende Sterilität über die Zeit hindeutet. Insgesamt deuten diese Ergebnisse darauf hin, dass 5 g/L Glucose ausreichend fermentierbare Kohlenhydrate lieferten, die zum Erreichen der angestrebten pH-Werte erforderlich sind, wobei YE ein Mittel darstellte, mit dem Fermentations- und Gelierungsraten kontrolliert werden konnten. Unterschiede in der Zeit, die erforderlich ist, um eine anfängliche pH-Reduktion von 9,5 auf 8,5 und 9,5 auf 7,5 zu erreichen, wurden ebenfalls charakterisiert (ergänzende Abbildung S3), von denen erwartet wurde, dass sie Unterschiede in der fermentativen Mikrobendichte aufgrund der begrenzten Abhängigkeit der Fermentationsraten von den Glukosekonzentrationen am besten widerspiegeln nahe dem Beginn der Reaktionen bei hohen Glukosekonzentrationen gemäß der Michaelis-Menten-Kinetik. Wie erwartet korrelierten die anfänglichen pH-Reduktionsraten stark mit Veränderungen im zugeführten YE, waren jedoch weitgehend unabhängig von Unterschieden in der zugeführten Glukose. Darüber hinaus konnten zwar große Unterschiede in der pH-Reduktionsrate beobachtet werden, wenn YE zwischen 0,1 und 1 g/L variiert wurde, bei einer weiteren Erhöhung von YE auf 10 g/L wurden jedoch minimalere Anstiege der Raten beobachtet, was darauf hindeutet, dass das Wachstum und die Anreicherung von Fermentationsprozessen zunimmt Mikroorganismen wurde wahrscheinlich durch andere Faktoren wie die Erzeugung zellulärer Abfälle und/oder Spurennährstoffbeschränkungen bei hohen YE-Konzentrationen eingeschränkt.

pH-Messungen gegen die Zeit, erhalten aus Batch-Experimenten mit stimuliertem kolloidalem Siliciumdioxid in Versuchsreihe 3 mit 0,1, 1 oder 10 g/L Hefeextrakt und 2,5, 3,75 oder 5 g/L Glucose. Alle Lösungen enthielten 6 % kolloidales Siliciumdioxid, 50 g/L Delta Sand und hatten einen anfänglichen pH-Wert von 9,5.

Obwohl frühere abiotische Experimente gezeigt haben, dass NaCl-Zusätze verwendet werden können, um den Bereich der erforderlichen pH-Werte zu erweitern, um den Gelierungsprozess zu beschleunigen, blieb unklar, welchen Effekt zugesetztes NaCl auf die Anreicherung fermentierender Mikroorganismen haben könnte, wenn es in Suspensionen enthalten ist, um die Gelierung weiter zu beschleunigen. In Versuchsreihe 4 wurde eine Reihe von Batch-Experimenten durchgeführt, um die Wirkung von NaCl-Zusätzen auf die angereicherte Fermentationsaktivität zu bewerten. Obwohl erwartet wurde, dass höhere NaCl-Konzentrationen den Anreicherungsprozess und die mikrobielle Fermentationsaktivität durch einen Anstieg des osmotischen Stresses und mögliche Störungen der zellulären Transportprozesse verlangsamen würden, haben frühere Studien gezeigt, dass Escherichia coli, ein Modellmikroorganismus mit gemischter Säurefermentation, sowohl eine Zunahme47 als auch eine Abnahme48 der Fermentation aufwies Aktivität abhängig von den umgebenden geochemischen Bedingungen. Abbildung 5 zeigt pH-Messungen im Zeitverlauf für Batch-Experimente mit Lösungen mit 0 bis 10 g/L NaCl, 50 g/L Delta Sand, 5 g/L Glucose und 1 g/L YE, mit einem anfänglichen pH-Wert von 9,5. Wie gezeigt, wurden minimale Unterschiede im pH-Reduktionsverhalten beobachtet, wenn die NaCl-Konzentrationen weniger als oder gleich 5 g/L betrugen, wobei alle Experimente innerhalb von 4 Tagen pH-Werte zwischen 5,0 und 6,0 ​​erreichten. Im 10 g/L NaCl-Experiment wurde jedoch eine signifikante Hemmung der Fermentationsaktivität mit einer Verzögerung des Einsetzens von pH-Reduktionen um etwa 2 Tage und einer Verzögerung bei der Anwesenheit von pH-Werten innerhalb des Zielbereichs um etwa 3 Tage beobachtet, was auf eine Anreicherung hindeutet Bei hohen Salzkonzentrationen kann die Fermentationsaktivität gehemmt sein. Auch hier deuten frühere Ergebnisse aus Abb. 2 darauf hin, dass die Lösungsviskosität voraussichtlich etwa 6 bis 7 Tage, 2–3 Tage und fast 2 Tage nach Erreichen von pH-Werten zwischen 5,0 und 6,0 ​​auf Werte über 2000 cP ansteigen wird. 5 bzw. 10 g/L NaCl.

pH-Messungen im Vergleich zur Zeit aus Batch-Experimenten mit stimuliertem kolloidalem Siliciumdioxid in Versuchsreihe 4 mit 0, 1, 2,5, 5 und 10 g/L NaCl. Alle Lösungen enthielten 6 % kolloidales Siliciumdioxid, 50 g/L Delta Sand, 5 g/L Glucose, 1 g/L Hefeextrakt und hatten einen anfänglichen pH-Wert von 9,5.

Um die Auswirkung der angewendeten Glukosekonzentrationen auf die in Batch-Experimenten erzielten minimalen pH-Werte besser zu verstehen, wurden die minimalen pH-Werte gegen die zugeführten Glukosekonzentrationen für alle Experimente aus den Versuchsreihen 2 bis 4 aufgetragen, die zwischen 2,5 und 10 g/L Glukose enthielten, zwischen 0,1 und 10 g/L YE, 0 g/L NaCl und Delta-Sand-Boden-Lösungs-Verhältnisse von mehr als 0,5 g/L (Abb. 6). Wie gezeigt, führten Erhöhungen der zugeführten Glukosekonzentrationen zu nahezu linearen Verringerungen der minimalen pH-Werte, wenn die zugeführten Glukosekonzentrationen von 0 bis ≈ 5 g/L variiert wurden. Als die Glukosekonzentrationen jedoch weiter anstiegen, wurden geringfügigere Abnahmen der minimalen pH-Werte beobachtet, was wahrscheinlich auf die zunehmende Pufferung der Lösungen durch produzierte organische Säuren zurückzuführen ist. Unter Berücksichtigung des angestrebten minimalen pH-Wert-Bereichs von 5,0 bis 6,0 erreichten alle Experimente mit Lösungen mit mindestens 5 g/L Glucose trotz unterschiedlicher Fermentationsraten minimale pH-Werte innerhalb des angestrebten Bereichs.

Minimaler pH-Wert im Vergleich zu anfänglichen Glukosekonzentrationen für stimulierte kolloidale Kieselsäure-Batch-Experimente aus den Versuchsreihen 2 bis 4. Alle Lösungen enthielten 6 % kolloidale Kieselsäure, mehr als 0,5 g/L Delta Sand, 0 g/L NaCl, zwischen 2,5 und 10 g/L Glukose , zwischen 0,1 und 10 g/L YE, und hatte einen anfänglichen pH-Wert von 9,5.

Obwohl in den vorherigen Batch-Experimenten die Auswirkung des Designs der Behandlungslösung auf die Aktivität der angereicherten Fermentation untersucht wurde, blieb unklar, wie sich der Anreicherungsprozess unter Bedingungen, die repräsentativer für unterirdische Böden sind, unterscheiden könnte und wie der biovermittelte Prozess in situ effektiv überwacht werden könnte. In der Versuchsreihe 5 wurde eine Reihe komplementärer Batch- und Bodensäulenexperimente durchgeführt, um die Fähigkeit zuvor identifizierter Behandlungstechniken zu untersuchen, auf repräsentativere Bodenvolumina hochskaliert zu werden, die Fähigkeit chemischer und geophysikalischer Überwachungsmethoden, den Prozessfortschritt zu verfolgen und die Nachbearbeitung zu quantifizieren -Verbesserungen der Behandlungstechnik. Abbildung 7 zeigt pH-Messungen im Vergleich zur Zeit nach der Injektion, gemessen an drei verschiedenen Orten in unterschiedlichen Abständen von der Injektionsquelle für alle Bodensäulenexperimente, bei denen eine einzelne Injektion einer von sieben verschiedenen Lösungen, einschließlich zweier verschiedener abiotischer Lösungen (Lösungen A1 und A2), erhalten wurde fünf Lösungen zur Induktion der biovermittelten Gelierung (Lösungen B1 bis B5). Wie gezeigt, lagen in beiden abiotischen Säulen (Abb. 7a, b) die anfänglichen pH-Werte bei etwa 9,5, sanken jedoch innerhalb des ersten Tages aufgrund des Gleichgewichts der Lösungen mit vorhandenen Bodenmineralien auf 8,0 bis 7,5. Obwohl die beobachteten pH-Trends zwischen den Probenahmestellen ähnlich waren, blieben die pH-Werte in der Nähe der Injektionsquelle, die konzentriertere Lösungen erhielt, leicht erhöht. Bei der Untersuchung der Trends für biovermittelte Säulen (Abb. 7c – h) wurden minimalere Unterschiede zwischen den Standorten der Probenahmeöffnungen beobachtet, was darauf hindeutet, dass räumlich innerhalb der Säulen minimale Unterschiede in der angereicherten mikrobiellen Aktivität bestanden. Ungeachtet der Unterschiede in der Zusammensetzung der Behandlungslösungen zwischen biovermittelten Säulen sanken die pH-Werte innerhalb von 2 Tagen von Anfangswerten nahe 9,5 auf Werte unter 7,0, wobei die minimalen pH-Werte zwischen 7,0 und 5,0 nahe und innerhalb des Ziel-pH-Bereichs lagen.

pH-Messungen im Vergleich zur Zeit aus Experimenten mit stimulierter kolloidaler Kieselsäure-Bodensäule aus Versuchsreihe 5, einschließlich Experimenten mit (a, b) zwei verschiedenen abiotischen und (c, d, e, f, g, h) sechs verschiedenen biovermittelten Lösungen. Alle Lösungen enthielten 6 % kolloidales Siliciumdioxid und unterschiedliche Glucose-, YE- und NaCl-Konzentrationen mit einem anfänglichen pH-Wert von 9,5. Die Messungen wurden an drei Stellen der Probenahmeöffnungen durchgeführt, die 5,1 cm, 10,2 cm und 15,2 cm von der Injektionsquelle entfernt waren.

Da alle Probenahmestellen der Bodensäule ähnliche pH-Reaktionen aufwiesen, wurden bei weiteren Vergleichen nur Messungen von der Probenahmestelle in mittlerer Höhe berücksichtigt. Abbildung 8 zeigt zeitliche pH-Messungen an allen Probenahmestellen in mittlerer Höhe aus Bodensäulen sowie entsprechende Batch-Experimente mit identischen Lösungen, jedoch mit deutlich geringeren Boden-zu-Lösungs-Verhältnissen. Wie gezeigt, wurden für abiotische Lösungen (Abb. 8a, b) in Batch-Experimenten keine nachweisbaren pH-Änderungen beobachtet, jedoch wurden in Bodensäulen merkliche pH-Reduktionen beobachtet, die auf die höheren Boden-zu-Lösungs-Verhältnisse in diesen Experimenten zurückzuführen sind. Beim Vergleich der für biovermittelte Lösungen beobachteten Reaktionen (Abb. 8c – h) wurden im Vergleich zu Batch-Experimenten schnellere pH-Reduktionen in Bodensäulen beobachtet, was auf die höheren Boden-zu-Lösungs-Verhältnisse zurückzuführen ist, die zu größeren anfänglichen Mikrobendichten führten, ein Ergebnis, das mit übereinstimmt Trends, die für andere biovermittelte Prozesse beobachtet wurden49. In allen Batch-Experimenten wurden im Einklang mit den früheren Experimenten minimale pH-Werte innerhalb des angestrebten pH-Bereichs von 5,0–6,0 zwischen 2,5 und 5,5 Tagen erreicht. Chargenexperimente mit 100 g/L Delta Sand führten zu schnelleren pH-Reduktionen als 50 g/L-Experimente mit derselben Lösung, obwohl Unterschiede in den pH-Trends nur einen Tag voneinander entfernt waren. Obwohl die pH-Reduktionsraten in den Bodensäulen im Vergleich zu Batch-Experimenten anfangs schneller waren, waren die minimalen pH-Werte in den Säulen interessanterweise nachweisbar höher und lagen zwischen 5,5 und 6,5. Schließlich zeigten Experimente mit identischen Lösungen (Lösungen 2Bi und 2Bii) im Laufe der Zeit ein ähnliches pH-Reduktionsverhalten sowohl für Batch-Experimente als auch für Bodensäulen. Bei den Batch-Experimenten mit 50 g/L Delta Sand wurden die Reaktionen auch mit identischen Batch-Experimenten verglichen, die in den Versuchsreihen 3 und 4 durchgeführt wurden, wobei in allen Experimenten ein nahezu identisches pH-Verhalten beobachtet wurde, was darauf hindeutet, dass die Bedingungen zwischen den Versuchsreihen ähnlich und die Experimente wiederholbar waren (ergänzende Abbildung). . S4). Beim Vergleich der zeitlichen Trends der wässrigen Glukosekonzentration zwischen Batch- und Säulenexperimenten wurden ähnliche Trends beobachtet (ergänzende Abbildung S5). In allen Experimenten schwankten die anfänglichen Glukosekonzentrationen zwischen 5 und 10 g/L, wobei der Glukoseabbau innerhalb von 1 bis 3 Tagen einsetzte und mit steigenden Boden-zu-Lösungs-Verhältnissen ein Anstieg der Glukoseabbauraten beobachtet wurde. Obwohl in allen 5-g/L-Glukose-Bodensäulen ein nahezu vollständiger Abbau der zugeführten Glukose festgestellt wurde, gelierten in den 10-g/L-Glukose-Säulenexperimenten und ausgewählten Batch-Experimenten Lösungen, bevor ein vollständiger Glukoseabbau erreicht wurde, und wässrige Proben konnten physikalisch nicht gewonnen werden um das Ende der Fermentationsreaktionen zu erfassen.

Vergleich der pH-Messungen mit der Zeit, die aus Chargen- und Bodensäulenexperimenten mit stimuliertem kolloidalem Siliciumdioxid aus Versuchsreihe 5 erhalten wurden, einschließlich Experimenten mit (a, b) zwei verschiedenen abiotischen und (c, d, e, f, g, h) sechs verschiedenen biovermittelten Lösungen. Alle Lösungen enthielten 6 % kolloidales Siliciumdioxid und unterschiedliche Glucose-, YE- und NaCl-Konzentrationen mit einem anfänglichen pH-Wert von 9,5 und berücksichtigten Änderungen der pH-Reaktionen mit unterschiedlichen Boden-zu-Lösungs-Verhältnissen.

Um die Auswirkungen verschiedener Änderungen in den Formulierungen der Behandlungslösungen auf die in Bodensäulenexperimenten beobachtete Fermentationsaktivität zu verstehen, wurden zeitliche Messungen des pH-Werts und der Glukosekonzentration an Probenahmeöffnungen mittlerer Höhe zwischen ausgewählten Säulen verglichen (Abb. 9). Die pH- und Glukosekonzentrationstrends wurden zunächst zwischen Bodensäulen verglichen, die ähnliche Lösungen (1 g/L YE, kein zugesetztes NaCl), aber unterschiedliche anfängliche Glukosekonzentrationen (5 g/L oder 10 g/L) erhielten (Abb. 9a, b). Wie gezeigt, waren die pH-Trends zwischen den Säulen zeitlich ähnlich, wobei in allen Säulen minimale pH-Werte zwischen 5,5 und 6,5 beobachtet wurden, trotz eines deutlich stärkeren Glukoseabbaus in der 10-g/L-Glukosesäule, ein Ergebnis, das mit früheren Batch-Experimenten übereinstimmt. Wenn jedoch Unterschiede in den zugeführten YE-Konzentrationen berücksichtigt wurden (Abb. 9c, d), wurden große Unterschiede in der pH-Reduktion und den Glukoseabbauraten beobachtet. Während die 5-g/L-YE-Säule nach einem Tag einen pH-Wert von etwa 6,5 ​​erreichte, erreichten die 1-g/L-YE-Säulen die gleiche Reduzierung nach 1,5 bis 2 Tagen, während die 0,1-g/L-YE-Säule fast 3,5 Tage benötigte. Die Messungen der Glukosekonzentration spiegelten ähnliche Unterschiede in den Fermentationsraten wider, wobei in allen Säulen zwischen 2 und 4 Tagen ein nahezu vollständiger Abbau der zugeführten 5 g/L Glukose beobachtet wurde. Zusammengenommen bestätigten diese Ergebnisse weiter die Fähigkeit der zugeführten YE-Konzentrationen, angereicherte fermentative Zelldichten und Reaktionsgeschwindigkeiten unter Bedingungen zu steuern, die repräsentativer für unterirdische Böden sind. Bei der Berücksichtigung der Unterschiede im zugeführten NaCl (Abb. 9e, f) wurden keine signifikanten Auswirkungen auf den pH-Wert und die Glukosekonzentrationstrends im Zeitverlauf beobachtet und stimmten mit den Ergebnissen früherer Batch-Experimente überein, die eine begrenzte Hemmung unter 5 g/L NaCl zeigten. Schließlich zeigten Säulen, die dieselben Lösungen (Lösung 2Bi und 2Bii) erhielten, im Laufe der Zeit erneut ein ähnliches pH- und Glukosereduzierungsverhalten, allerdings mit größerer Variabilität als Batch-Experimente.

Zeitlicher Vergleich von pH- und Glukosemessungen, die an Standorten mittlerer Probenöffnungen für stimulierte kolloidale Kieselsäure-Bodensäulenexperimente aus Versuchsreihe 5 mit unterschiedlichem (a, b) Glukose, (c, d) YE und (e, f) NaCl erhalten wurden Konzentrationen. Alle Lösungen enthielten 6 % kolloidales Siliciumdioxid und hatten einen anfänglichen pH-Wert von 9,5.

Um die Zusammenhänge zwischen Glukoseverbrauch und verursachten pH-Reduktionen besser zu verstehen, wurden entsprechende Messungen von pH-Wert und Glukose, die zu ähnlichen Zeitpunkten während der Reaktionen erhalten wurden (dargestellt in Abb. 9), für alle biovermittelten Batch- und Bodensäulenexperimente aus Versuchsreihe 5 verglichen (Abb. 10). Wie gezeigt, gruppierten sich die Werte aller Experimente auf der Grundlage der anfänglichen Glukosekonzentrationen, wobei Unterschiede in den YE- und NaCl-Konzentrationen nur minimale Auswirkungen auf die beobachteten Trends hatten (ergänzende Abbildung S6). Die anfänglichen pH-Werte begannen in allen Experimenten vor einer nachweisbaren Glucose-Fermentation bei etwa 9,5, wobei pH-Werte um 6,0 und 5,5 nach dem Abbau von 2 g/L bzw. 4 g/L Glucose erreicht wurden, unabhängig von der anfänglichen Glucosekonzentration. Bei den 10-g/L-Glukose-Experimenten konnten keine Proben mit weniger als 4 g/L Glukose gewonnen werden, da die Lösungen gelierten, was eine weitere Probenahme verhinderte. Bei Glukosekonzentrationen von weniger als 6 g/L schienen die pH-Werte jedoch aufgrund der Lösungspufferung weitgehend konstant nahe 5,5 zu bleiben. Obwohl ähnliche Trends zwischen Batch- und Bodensäulenexperimenten beobachtet wurden, wurden in Bodensäulen bei gleichem Ausmaß des Glukoseabbaus leicht erhöhte pH-Werte beobachtet. Die Konsistenz der breiteren Trends, die sowohl in Batch- als auch in Bodensäulenexperimenten beobachtet wurden, zeigte jedoch den Nutzen von Batch-Experimenten für die Ermöglichung eines effektiven Entwurfs von Behandlungslösungen und die Bewertung standortspezifischer Bedingungen, die möglicherweise eine andere Lösungschemie als die hier untersuchten erfordern Studie.

Vergleich der entsprechenden pH- und Glukosemessungen, die zu ähnlichen Zeitpunkten während der Reaktionen für stimulierte kolloidale Kieselsäure-Batch- und Bodensäulenexperimente aus Versuchsreihe 5 erhalten wurden, bei denen Lösungen mit entweder 5 oder 10 g/L Glukose erhalten wurden. Alle Lösungen enthielten 6 % kolloidales Siliciumdioxid, hatten einen anfänglichen pH-Wert von 9,5 und enthielten unterschiedliche YE- und NaCl-Konzentrationen.

Abbildung 11 zeigt Messungen der elektrischen Leitfähigkeit des Bodens, die aus ausgewählten Bodensäulen im Zeitverlauf ermittelt wurden, sowie die entsprechenden pH-Messungen. Wie gezeigt, lagen die gemessenen EC-Werte unmittelbar nach der Sättigung der Säulen mit entionisiertem Wasser in allen Säulen bei etwa 0,3 mS/cm (Abb. 11a). Nach Injektionen kolloidaler Kieselsäurelösung stiegen die EC-Werte jedoch deutlich auf nahezu 0,75 mS/cm bzw. 0,6 mS/cm für Säulen, die Lösungen mit bzw. ohne 1 g/L NaCl erhielten. Während des 6-tägigen Überwachungszeitraums behielten beide abiotischen Säulen relativ stabile EC-Werte bei, mit nur allmählichen Anstiegen von ≈ 0,15 mS/cm im Laufe der Zeit. Im Gegensatz dazu wurden starke Anstiege der EC-Werte der Bodensäule nach ≈ 1 Tag in der biovermittelten Säule mit 1 g/L NaCl (Spalte B5) und nach ≈ 1,5 Tagen beobachtet, wenn zugesetztes NaCl nicht vorhanden war (Spalte B2ii). Nach 1,5–3,5 Tagen wurden in beiden biovermittelten Säulen nahezu stabile EC-Werte beobachtet, mit einem Gesamt-EC-Anstieg von etwa 0,7 mS/cm gegenüber den Werten nach der Injektion. Es war unklar, ob EC-Anstiege mit Erhöhungen der Ionenstärke der Lösung aufgrund der Glucose-Fermentation oder anderen EC-Änderungen im Zusammenhang mit der Bildung von Bindungen zwischen Silica-Kolloiden und der möglichen Freisetzung sorbierter Elektrolyte während der Gelierung zusammenhängen50,51. Um die Auswirkung der Fermentationsaktivität auf den EC-Anstieg zu beurteilen, wurden die entsprechenden pH- und EC-Werte verglichen (Abb. 11b). Wie für beide abiotischen Säulen gezeigt, sanken die pH-Werte im Laufe der Zeit allmählich von ≈ 9,0 auf 8,0 bis 7,0, während nur minimale Anstiege der EC-Werte beobachtet wurden. In der biovermittelten Säule ohne zugesetztes NaCl (Säule B2ii) entsprachen pH-Reduktionen einem allmählichen Anstieg des EC. In der biovermittelten Säule mit 1 g/L NaCl (Säule B5) wurde jedoch ein starker Anstieg des EC beobachtet, während der pH-Wert konstant bei etwa 8,5 blieb, und es wurden minimale EC-Anstiege beobachtet, als sich der pH-Wert deutlich von 8,5 auf 6,0 änderte. Obwohl pH-Abfälle und EC-Anstiege für die beiden betrachteten Lösungen nicht konsistent korrelierten, könnten die in beiden biovermittelten Experimenten beobachteten EC-Anstiege entweder auf die Gelierung von Lösungen und damit verbundene Änderungen der stabilisierenden Elektrolytkonzentrationen oder auf durch Glucosefermentation verursachte Erhöhungen der Ionenstärke der Lösung zurückzuführen sein. Künftig könnten EC-, Glukose- und pH-Messungen neue und effektivere Methoden zur Überwachung des In-situ-Fortschritts der mikrobiellen Aktivität und der Gelierung kolloidaler Kieselsäure darstellen.

Messungen (a) der elektrischen Leitfähigkeit des Bodens über die Zeit, erhalten aus ausgewählten Bodensäulenexperimenten aus der Versuchsreihe 5 und (b) Vergleiche der entsprechenden Messungen des pH-Werts der Lösung und der elektrischen Leitfähigkeit des Bodens für ähnliche Säulen.

Abbildung 12 zeigt die Bodenscherwellengeschwindigkeiten (Vs) und Scherwellengeschwindigkeitsunterschiede (ΔVs) im Zeitverlauf für alle Bodensäulen, gemessen in Säulenmittenhöhen. Vor den Injektionen hatten alle Säulen anfängliche Vs-Werte zwischen 90 und 110 m/s, wobei in den 5 Tagen nach den Injektionen geringfügige Verringerungen der Vs-Werte beobachtet wurden (Abb. 12a). Obwohl unklar war, warum die Boden-Vs-Werte im Laufe der Zeit sowohl in abiotischen als auch biovermittelten Säulen abnahmen, wurde die Hypothese aufgestellt, dass solche Abnahmen möglicherweise mit der Entspannung der angelegten vertikalen Spannungen von den oberen Kappen im Laufe der Zeit sowie dem Quellen der zugeführten kolloidalen Kieselsäurelösungen zusammenhängen während der Gelierung. Die ΔVs-Werte deuteten außerdem darauf hin, dass in beiden abiotischen Säulen zeitliche ΔVs-Verringerungen von etwa 5 m/s beobachtet wurden. Generell wurden jedoch größere ΔVs-Verringerungen von bis zu 18 m/s in biovermittelten Säulen beobachtet, bei denen die Quellung kolloidaler Kieselsäurelösungen möglicherweise zu einer Verringerung zwischen den Partikeln geführt hat Kontaktspannungen trotz geringer Zugfestigkeit (Abb. 12b). Dieses Ergebnis stimmte mit Beobachtungen aus anderen früheren Studien mit Sanden überein, die mit kolloidalen Kieselsäurelösungen behandelt wurden, wobei ähnliche ΔVs-Verringerungen auf Verringerungen der Kontaktspannungen zwischen den Partikeln nach der Gelbildung zurückgeführt wurden6.

Messungen von (a) Bodenscherwellengeschwindigkeiten (Vs) und (b) Änderungen der Bodenscherwellengeschwindigkeit (ΔVs) im Zeitverlauf, die für alle Bodensäulenexperimente aus Versuchsreihe 5 unter Verwendung von Biegeelementsensoren an Standorten in mittlerer Höhe erhalten wurden.

Nach allen zerstörungsfreien Überwachungsaktivitäten wurden 14 Tage nach den ersten Injektionen Änderungen der hydraulischen Leitfähigkeit des Bodens und der uneingeschränkten Druckfestigkeit (UCS) für alle Bodensäulen sowie Änderungen der Lösungsviskositäten für alle Batch-Experimente ausgewertet. Abbildung 13 zeigt einen Vergleich der anfänglichen und endgültigen hydraulischen Leitfähigkeiten für Bodensäulenexperimente sowie der anfänglichen und endgültigen Viskositäten für Chargenexperimente. Die Ergänzungstabelle S1 bietet eine Zusammenfassung aller Nachbehandlungscharakterisierungen, einschließlich der gemessenen uneingeschränkten Druckfestigkeiten (UCS) für Bodensäulen. Beim Vergleich der anfänglichen und Nachbehandlungsmessungen verringerte sich die hydraulische Leitfähigkeit der Bodensäule in allen biovermittelten Säulen, bei denen eine kolloidale Kieselsäuregelierung auftrat, um 1,5 bis 2 Größenordnungen. Diese Verringerungen der hydraulischen Leitfähigkeit stimmten mit denen überein, die in anderen früheren Studien mit Sanden beobachtet wurden, die mit herkömmlichen kolloidalen Kieselsäuremörteln behandelt wurden52. Im Gegensatz dazu waren in beiden abiotischen Säulen die endgültigen hydraulischen Leitfähigkeiten des Bodens nur geringfügig kleiner als die Anfangswerte, was auf eine unvollständige Gelierung schließen lässt. Für alle vier biovermittelten Säulen, die über keine eingebetteten EC-Sensoren verfügten, wurden außerdem unbeschränkte Druckfestigkeiten (UCS) ermittelt, die zwischen ≈ 12 und 34 kPa schwankten, während beiden abiotischen Säulen die für die Durchführung von UCS-Messungen erforderliche Zugfestigkeit fehlte. Gallagher und Mitchell (2002)3 beobachteten ähnliche UCS-Werte nahe 35 kPa für mit 5 % kolloidaler Kieselsäure behandelte Proben und zeigten, dass solche Verbesserungen zu einer starken Steigerung der Bodenverflüssigungswiderstände führen konnten. Während beispielsweise eine unbehandelte Probe aus losem Sand nach 20 Belastungszyklen und einem angewendeten zyklischen Spannungsverhältnis (CSR = τ/σ'v initial) von 0,23 eine Scherdehnung mit doppelter Amplitude von 5 % erreichte, waren für eine mit 5 % kolloidaler Kieselsäure behandelte Probe 100 Zyklen erforderlich der Belastung bei demselben CSR, um dieselben Scherdehnungen zu erhalten. Bei der Untersuchung von Änderungen der Lösungsviskositäten für Batch-Experimente kam es bei allen biovermittelten Batch-Experimenten zu starken Viskositätsanstiegen von Anfangswerten nahe 1,6 cP auf Werte zwischen 920 cP und über 20.000 cP. Im Gegensatz dazu behielten alle abiotischen Experimente Endviskositätswerte bei, die den Anfangswerten ähnelten, was das Fehlen einer Gelierung widerspiegelt. Insgesamt bestätigten diese Nachbehandlungscharakterisierungen die Fähigkeit der mikrobiellen Fermentation, die Gelierung kolloidaler Kieselsäure zu vermitteln, mit abschließenden technischen Verbesserungen, die denen herkömmlicher abiotischer kolloidaler Kieselsäuremörtel entsprechen.

Vergleich der anfänglichen und endgültigen (a) hydraulischen Leitfähigkeiten aus Bodensäulenexperimenten und (b) Lösungsviskositäten aus Batch-Experimenten mit 50 und 100 g Deltasand aus Versuchsreihe 5. Aufwärtspfeile zeigen Lösungsviskositäten über 20.000 cP an, die nicht bestimmt werden konnten.

Das Potenzial angereicherter fermentativer Mikroorganismen, die Gelierung kolloidaler Kieselsäuremörtel durch kontrollierte Senkung des pH-Werts der Lösung und Erhöhung der Ionenstärke zu vermitteln, wurde durch eine Reihe von Batch- und Bodensäulenexperimenten untersucht. Experimente zeigten, dass mikrobielle Fermentation zur erfolgreichen Vermittlung kolloidaler Kieselsäure eingesetzt werden kann. Dabei wurden auch die Auswirkungen der Zusammensetzung der Behandlungslösung und die Auswirkungen auf die mechanischen Eigenschaften des Bodens untersucht. Aus den Ergebnissen dieser Studie lassen sich folgende Schlussfolgerungen ziehen:

Abiotische Batch-Experimente ergaben, dass die Gelierung am schnellsten erfolgte, wenn 6 % kolloidale Kieselsäurelösungen kein zugesetztes NaCl enthielten, wenn die pH-Werte zwischen 5,0 und 6,0 ​​lagen. Wenn die Lösungen jedoch auf alkalischere pH-Werte um 9,5 eingestellt wurden, blieben die Lösungen äußerst stabil und zeigten selbst nach 120 Tagen nur minimale Viskositätsänderungen. In allen nachfolgenden biovermittelten Experimenten wurden hochstabile alkalische Suspensionen (pH = 9,5) verwendet, bei denen die Fähigkeit der mikrobiellen Fermentationsaktivität zur Senkung des pH-Werts und zur Vermittlung der Gelierung untersucht wurde.

Es wurde gezeigt, dass sich die entwickelten Lösungen erfolgreich für die mikrobielle Glucose-Fermentation in zwei verschiedenen Natursanden anreichern, wobei das Verhältnis von Boden zu Lösung zunimmt und der pH-Wert aufgrund größerer anfänglicher Zellimpfstoffe schneller gesenkt wird. Die erfolgreiche Anreicherung in Experimenten mit niedrigen Boden-zu-Lösungs-Verhältnissen (0,5 g/L) deutete außerdem darauf hin, dass fermentative Mikroorganismen, die den biovermittelten Prozess erleichtern können, in natürlichen Sanden wahrscheinlich allgegenwärtig sind.

Es wurde gezeigt, dass Schwankungen der zugeführten Glukosekonzentrationen das Ausmaß der nach Injektionen beobachteten pH-Reduktionen steuern, wobei Schwankungen der zugeführten Hefeextraktkonzentrationen den Beginn und die Geschwindigkeit der pH-Reduktionen im Laufe der Zeit verändern.

Wenn kolloidale Kieselsäurelösungen Variationen im zugeführten NaCl enthielten, wurden vergleichbare mikrobielle Fermentationsaktivitäten beobachtet, wenn die NaCl-Konzentrationen bei oder unter 5 g/L lagen, was darauf hindeutet, dass das Verfahren in Kombination mit abiotischen Gelierungsbeschleunigern verwendet werden kann.

Die Konsistenz der beobachteten Trends zwischen Batch- und Bodensäulenexperimenten als Funktion der Zusammensetzung der Behandlungslösung zeigte den Nutzen von Batch-Experimenten für die Ermöglichung eines effektiven Designs von Behandlungslösungen und die vorläufige Bewertung standortspezifischer Bedingungen.

Biovermittelte Batch-Experimente zeigten einen starken Anstieg der Lösungsviskosität nach der mikrobiellen Fermentation (> 2000 cP), was auf eine erfolgreiche Gelierung schließen lässt, während ähnliche abiotische Proben nach 14 Tagen keine nachweisbaren Viskositätsänderungen zeigten.

In Bodensäulenexperimenten mit biovermittelten Lösungen stieg die elektrische Leitfähigkeit im Laufe der Zeit deutlich an, da kolloidale Kieselsäuremörtel gelierten, was darauf hindeutet, dass solche Messungen möglicherweise zur Überwachung des biovermittelten Prozesses geeignet sind. In Zukunft könnte eine Kombination aus Messungen der elektrischen Leitfähigkeit, des pH-Werts und der Glukosekonzentration wirksame Prozessüberwachungstechniken für das Verfugen mit kolloidalem Siliciumdioxid liefern, für die es derzeit nur wenige Methoden gibt.

Biovermittelte Bodensäulen erreichten nach dem biovermittelten Kieselsäuregelierungsprozess eine Reduzierung der hydraulischen Leitfähigkeit um bis zu zwei Größenordnungen und eine uneingeschränkte Druckfestigkeit (UCS) von bis zu 34 kPa. Die gemessenen Verbesserungen stimmten mit Beobachtungen aus anderen Studien3 überein, an denen Proben beteiligt waren, die mit herkömmlichen abiotischen kolloidalen Kieselsäuremörteln behandelt wurden, und legen nahe, dass das Verfahren für Anwendungen zur Verflüssigungsminderung und Versickerungskontrolle nützlich sein könnte.

Die in dieser Studie vorgeschlagene und entwickelte biovermittelte Bodenverbesserungstechnologie könnte eine Methode zur Verbesserung problematischer Böden mit einer Verringerung der Umweltauswirkungen darstellen und gleichzeitig wichtige Einschränkungen bestehender biovermittelter Prozesse angehen. Dazu gehört die Fähigkeit, Böden unter saureren Bedingungen zu verbessern, große Reduzierungen der hydraulischen Leitfähigkeit zu erreichen und ökologisch problematische Prozessnebenprodukte zu eliminieren. Obwohl diese Ergebnisse vielversprechend sind, sind weiterhin Arbeiten erforderlich, um (1) das mechanische Verhalten von Böden, die durch biovermittelte kolloidale Kieselsäuremörtel verbessert werden, weiter zu charakterisieren, (2) das Potenzial anderer Prozessverifizierungs- und Überwachungstechniken zur Bewertung der mikrobiellen Fermentationsaktivität und Gelierung zu untersuchen, ( 3) die Wirkung von Gasphasen untersuchen, die während der mikrobiellen Fermentation entstehen können, auf die Komprimierbarkeit der Porenflüssigkeit und das Scherverhalten nicht entwässerter Böden, (4) die Wirkung wässriger Spezies, die in natürlichen Böden und Grundwasser vorhanden sein können, auf die Prozesswirksamkeit untersuchen, (5). ) untersuchen weiter zeitliche Änderungen der Lösungsviskositäten für biovermittelte Experimente unter Beibehaltung von Sterilität und anoxischen Bedingungen und (6) quantifizieren die Prozessvorteile im Vergleich zu herkömmlichen Injektionstechniken mit kolloidaler Kieselsäure weiter.

Die während der aktuellen Studie generierten und analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Die vorgestellte Studie umfasst Arbeiten, die von der University of Washington unterstützt werden. Wir danken auch für die Zusammenarbeit, die durch das Engineering Research Center Program der National Science Foundation (NSF) im Rahmen der NSF-Kooperationsvereinbarung Nr. EEC-1449501 ermöglicht wird. Alle in diesem Manuskript geäußerten Meinungen, Erkenntnisse und Schlussfolgerungen oder Empfehlungen sind die der Autoren und spiegeln nicht unbedingt die Ansichten der National Science Foundation wider.

Fakultät für Bau- und Umweltingenieurwesen, University of Washington, Seattle, WA, 98195, USA

Michael G. Gomez und Samantha T. Muchongwe

Abteilung für Mikrobiologie und Molekulargenetik, University of California, Davis, CA, 95616, USA

Charles MR Graddy

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MGG leitete die Konzeptualisierung der Studie, die Entwicklung der experimentellen Methodik, die Fertigstellung formaler Analysen, die Beschaffung experimenteller Ressourcen, das Schreiben des Originalpapiers, die Überprüfung und Bearbeitung des Papiers, die Datenvisualisierung, die Datenkuration, die Überwachung des Projektteams und des Projekts Verwaltung und Finanzierungseinwerbung. STM trug zur Konzeptualisierung der Studie, zur Entwicklung der experimentellen Methodik, zur Fertigstellung formaler Analysen, zur Durchführung der vorgeschlagenen Forschungsaktivitäten, zur Überprüfung und Bearbeitung des Papiers sowie zur Datenvisualisierung bei. CMRG trug zur Konzeptualisierung der Studie, zur Entwicklung der experimentellen Methodik sowie zur Überprüfung und Bearbeitung des Artikels bei.

Korrespondenz mit Michael G. Gomez.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Gomez, MG, Muchongwe, ST & Graddy, CMR Biovermittelte Kontrolle der kolloidalen Kieselsäureverfugung durch mikrobielle Fermentation. Sci Rep 13, 14184 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-41402-z

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Eingegangen: 09. Juni 2023

Angenommen: 25. August 2023

Veröffentlicht: 30. August 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-41402-z

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