21613

BIO3 174

دكتري

ميكروبيولوژي

علوم و فناوري‌‌‌هاي زيستي

شهريورماه 1401

157ص.

زهرا اعتمادي‌فر , گيتي امتيازي

مرتضي هاشمي , راضيه صبوحي

سيمان سازي زيستي , بارگاوه سسمبنسيس , بهسازي خاك , كنترل ريزگرد , طراحي آزمايش

فرايند فرسايش بادي خاك و طوفان‌هايريزگرد در مناطق خشك و نيمه خشك باعث ايجاد مشكلات و خطراتي براي سلامتي انسان و محيط زيست مي‌شود. فناوري‌هاي مكانيكي و شيميايي بكارگرفته شده براي كنترل آن اغلب پرهزينه بوده و همچنين موجب خطرات زيست محيطي مي‌شوند. در سال‌هاي اخير روش‌هاي زيستي براي كنترل طوفان‌هايريزگرد مورد توجه قرار گرفته است، كه يكي از پركاربردترين آنها سيمان سازي زيستي خاك بر اساس رسوب ميكروبي كريستال‌ كلسيم كربنات (MICP) با استفاده از باكتري‌هاياورئوليتيك است. به همين منظور، در پژوهش حاضر جداسازي جدايه‌هاي باكتريايي توليد كننده كريستال‌ كلسيم كربنات از خاك‌هايماسه‌اي جمع آوري شده از مناطق بياباني استان خوزستان و سپس بررسي فعاليت سيمان سازي آن بر روي بهسازي خاك و كنترل ريزگرد با استفاده از سلول‌هاي آزاد در محيط كشت ارزان قيمت و سلول‌هاي تثبيت شده در بستر آلي مورد هدف قرار گرفته است. براي اثبات توليد كريستال كلسيم كربنات و بررسي مورفولوژي آن از آناليز‌هايXRD و SEM-EDX استفاده شد. همچنين براي بررسي بهسازي زيستي خاك و كنترل زيستي ريزگرد توسط جدايه منتخب به ترتيب روش‌هاي مقاومت فشاري و تونل باد بكار گرفته شدند. در نهايت، بهينه‌سازي فعاليت سيمان سازي زيستي جدايه منتخب براي كنترل ريزگرد و بهسازي خاك از طراحي آزمايش به روش باكس-بنكن با نرم‌افزارdesign expert صورت گرفت. از ميان 44 جدايه باكتريايي اورئوليتيك جداسازي شده، شش جدايه شناسايي مولكولي شده و سپس در پايگاه اطلاعاتي NCBI با نام‌هايبارگاوهسسمبنسيس، باسيلوس پاستئوري، باسيلوس باديوس، ليزيني باسيلوس بورونيتولرنس و دو گونه باسيلوس ثبت گرديدند. از ميان اين شش مورد، بارگاوهسسمبنسيس براي ادامه كار انتخاب شد. كريستال‌هاي توليد شده توسط اين جدايه، كلسيتبصورتتجمعاتي از نانوكريستال‌ها با اندازه 25 تا 42 نانومتر و واتريت داراي شكل نامنظم بودند. اين جدايه فعاليت اوره‌آزي معادل U/ml16/8 و مقدار توليد كلسيم كربنات ml/mg1/4 را از خود نشان داد. اين جدايه در شرايط بهينه، mg/ml4 زيست توده باكتريايي، 5/1 مولار غلظت محلول سيمان‌سازي و 130 ميلي‌ليتر حجم محلول‌هاي واكنش دهنده قادر به بهسازي خاك با افزايش مقاومت فشاري آن تا 205 كيلوپاسكال، كاهش نفوذپذيري 36% و مقدار كلسيم كربنات توليدي 20% بود. همچنين در شرايط بهينه‌، mg/ml4 زيست توده باكتريايي، 5/1 مولار غلظت محلول سيمان‌سازي، 206 ميلي‌ليتر حجم محلول واكنش دهنده و زمان تيمار 9 روز، كنترل فرسايش بادي معادل 4% كاهش وزن خاك با استفاده از اين جدايه در محيط آب پنير به‌دست آمد. بنابراين، اين جدايهمي‌تواند انتخاب مناسبي از نظر اقتصادي و محيط‌ زيست نسبت به روش‌هاي مرسوم در صنايع ساخت‌ و ساز، كنترل فرسايش بادي خاك و ديگر كاربردهاي مرتبط با MICP باشد.

1401/08/24

اكبري

Biocementation , Bhargavaea cecembensis , Soil improvement , Dust control , Experimental design

Soil stabilization against wind erosion by biocementation using calcium carbonate crystals producing alkalophilic bacteria entrapped in organic compound

زيست شناسي سلولي مولكولي و ميكروبيولوژي

Process of wind erosion and dust storms in arid and semi-arid regions create a lot of problems and dangers for human health and the environment. There are many known chemical and mechanical technologies to prevent and control wind erosion of soil. However, there are usually relatively expensive for large-scale application and could be environmentally harmful. Recently, an alternative way for the dust suppression has received much attention, which is the application of biological methods. One of the most widely used is Biocementation, which is based on the microbial precipitation of calcium carbontecrystalls using ureolytic bacteria. Therefore, the purpose of the present study was to isolate local bacterial strains capable of producing calcium carbonate from sandy soils collected from the desert regions of Khuzestan province. Then, the next goal was to investigate the soil improvement and dust control using the biocementation activity of the selected strain in two forms: free cells in cheap whey culture medium and immobilized cells on an organic substrate. XRD and SEM-EDX analyses were used to prove the production of calcium carbonate crystals and study of their morphology. Also, to investigate the biological improvement of soil and the biological control of dust by the selected strain, compressive strength and wind tunnel methods were used, respectively. Finally, the biocementation activity of the selected strain was optimized for dust control and soil improvement through experimental design using the Box-Behnken method with design expert software. Among a total of 44 urease-producing strains isolated from sandy soils, six strains were selected for molecular identification, and deposited in the NCBI Gene Bank, namely Bhargavaeacecembensis, Bacillus sp., Sporosarcinapasteurii, Bacillus badius, Lysinibacillusboronitolerance, and Bacillus sp. Then, among them, Bhargavaececembensis strain was selected for further investigation. This strain had a high level of urease activity (8.16 U/ml) and production of a large amount of calcium carbonate (4.1 mg/ ml). Irregular vaterite and aggregated nanocalcite were the dominant polymorphs produced by this strain. The size of these nanocalcite crystals ranged between 25 and 42 nm. This strain was able to improve the soil by increasing the compressive strength up to 205 kPa, reducing the permeability by 36% and 20% of calcium carbonate production under optimal conditions: 4 mg/ml bacterial biomass, 1.5 M concentration of cementing solution and 130 ml reagent solutions. Also, under optimal conditions: 4 mg/ml bacterial biomass, 1.5 M cementing solution, 203 ml reagent solutions and 9 days curing time, only 4% soil weight reduction was achieved using this strain in whey culture medium. This strain can be an eco-friendly and economical alternative to conventional methods in soil stabilization, dust control, and other MICP related applications.

4