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砂嵐は、農業、人間の健康、輸送ネットワーク、インフラに破壊的な影響を与えるため、世界中の多くの国にとって深刻な脅威となっています。そのため、風食は世界的な問題とみなされています。風食を抑制する環境に優しいアプローチの1つは、微生物誘発炭酸塩沈殿（MICP）の使用です。しかし、尿素分解に基づくMICPの副産物であるアンモニアなどは、大量に生成されると好ましくありません。本研究では、尿素を生成せずにMICPを分解するための2つのギ酸カルシウム細菌製剤を提示し、それらの性能をアンモニアを生成しない酢酸カルシウム細菌の2つの製剤と包括的に比較します。対象とした細菌は、枯草菌とアミロリクエファシエンス菌です。まず、CaCO3生成を制御する因子の最適値を決定しました。次に、最適化された製剤で処理した砂丘サンプルに対して風洞試験を実施し、風食抵抗、剥離閾値速度、砂の衝突抵抗を測定しました。炭酸カルシウム（CaCO3）の同質形態を光学顕微鏡、走査型電子顕微鏡（SEM）、およびX線回折分析を用いて評価した。炭酸カルシウムの生成に関して、ギ酸カルシウムをベースとした製剤は酢酸カルシウムをベースとした製剤よりも有意に優れた性能を示した。さらに、枯草菌（B. subtilis）はアミロリクエファシエンス菌（B. amyloliquefaciens）よりも多くの炭酸カルシウムを生成した。SEM顕微鏡写真では、沈降によって炭酸カルシウム上に活性および不活性細菌が結合し、痕跡が残る様子が明確に示された。すべての製剤は風食を大幅に軽減した。
風食は、米国南西部、中国西部、サハラ砂漠のアフリカ、中東の大部分など、乾燥地帯や半乾燥地帯が直面する大きな問題として長年認識されてきました1。乾燥地帯や極度に乾燥した気候では降雨量が少ないため、これらの地域の大部分が砂漠、砂丘、未耕作地へと変化しています。風食が継続すると、交通網、農地、工業用地などのインフラに環境上の脅威をもたらし、これらの地域では生活環境の悪化や都市開発の高コストにつながります2,3,4。重要なのは、風食は発生場所だけでなく、風によって粒子が発生源から遠く離れた地域に運ばれるため、遠隔地のコミュニティにも健康問題や経済問題を引き起こすことです5,6。
風食対策は依然として世界的な問題である。風食対策にはさまざまな土壌安定化方法が用いられている。これらの方法には、水散布7、オイルマルチ8、バイオポリマー5、微生物誘発炭酸塩沈殿（MICP）9,10,11,12、酵素誘発炭酸塩沈殿（EICP）1などの材料が含まれる。土壌湿潤は、現場での粉塵抑制の標準的な方法である。しかし、その急速な蒸発により、この方法は乾燥地域や半乾燥地域では効果が限定的である1。オイルマルチング化合物の散布は、砂の凝集力と粒子間の摩擦を増加させる。その凝集性により砂粒が結合するが、オイルマルチには他の問題もある。その暗い色は熱吸収を増加させ、植物や微生物の死滅につながる。その臭気や煙は呼吸器系の問題を引き起こす可能性があり、最も顕著なのは、その高コストが別の障害となっていることである。バイオポリマーは、風食を軽減するための最近提案された環境に優しい方法の1つである。これらは植物、動物、細菌などの天然資源から抽出されます。キサンタンガム、グアーガム、キトサン、ジェランガムは、工学用途で最も一般的に使用されているバイオポリマーです5。しかし、水溶性バイオポリマーは、水にさらされると強度を失い、土壌から溶出する可能性があります13,14。EICPは、未舗装道路、尾鉱池、建設現場など、さまざまな用途で効果的な粉塵抑制方法であることが示されています。その結果は有望ですが、コストや核生成サイトの欠如（CaCO3結晶の形成と沈殿を加速させる）15,16などの潜在的な欠点を考慮する必要があります。
MICPは、19世紀後半にマレーとアーウィン（1890年）およびシュタインマン（1901年）が海洋微生物による尿素分解の研究で初めて記述した17。MICPは、微生物の代謝産物からの炭酸イオンと環境中のカルシウムイオンとの反応によって炭酸カルシウムが沈殿する、さまざまな微生物活動と化学プロセスを含む自然発生的な生物学的プロセスである18,19。尿素分解窒素サイクルを含むMICP（尿素分解MICP）は、微生物誘発炭酸塩沈殿の最も一般的なタイプであり、細菌によって産生されるウレアーゼが尿素の加水分解を触媒する20,21,22,23,24,25,26,27。
有機塩酸化の炭素循環を伴うMICP（尿素分解を伴わないMICPタイプ）では、従属栄養細菌が酢酸、乳酸塩、クエン酸塩、コハク酸塩、シュウ酸塩、リンゴ酸塩、グリオキシル酸塩などの有機塩をエネルギー源として炭酸塩鉱物を生成する28。炭素源として乳酸カルシウムとカルシウムイオンが存在する場合、炭酸カルシウム生成の化学反応は式（5）に示すとおりである。
MICPプロセスでは、細菌細胞が炭酸カルシウムの沈殿に特に重要な核生成サイトを提供します。細菌細胞の表面は負に帯電しており、カルシウムイオンなどの二価陽イオンの吸着剤として機能します。炭酸イオン濃度が十分な場合、カルシウムイオンが細菌細胞に吸着され、カルシウム陽イオンと炭酸陰イオンが反応して、細菌表面に炭酸カルシウムが沈殿します29,30。このプロセスは次のように要約できます31,32。
生物生成炭酸カルシウム結晶は、方解石、バテライト、アラゴナイトの 3 種類に分類できます。その中でも、方解石とバテライトは最も一般的な細菌誘導炭酸カルシウム同形体です 33,34。方解石は最も熱力学的に安定な炭酸カルシウム同形体です 35。バテライトは準安定であると報告されていますが、最終的には方解石に変化します 36,37。バテライトはこれらの結晶の中で最も密度が高いです。六角形の結晶で、サイズが大きいため他の炭酸カルシウム結晶よりも細孔充填能力が優れています 38。尿素分解された MICP と尿素未分解の MICP の両方がバテライトの沈殿を引き起こす可能性があります 13,39,40,41。
MICPは、問題のある土壌や風食を受けやすい土壌の安定化に有望な可能性を示しているものの42,43,44,45,46,47,48、尿素加水分解の副産物の1つであるアンモニアは、曝露レベルに応じて軽度から重度の健康問題を引き起こす可能性がある49。この副作用により、特に粉塵抑制などの広い面積を処理する必要がある場合、この特定の技術の使用は議論の的となっている。さらに、処理を高適用率と大量で行うと、アンモニアの臭いが耐え難いものとなり、実用性に影響を与える可能性がある。最近の研究では、アンモニウムイオンをストルバイトなどの他の製品に変換することで還元できることが示されているが、これらの方法ではアンモニウムイオンを完全に除去することはできない50。したがって、アンモニウムイオンを生成しない代替ソリューションを模索する必要がある。 MICPの非尿素分解経路の利用は、風食対策の観点からは十分に検討されてこなかった潜在的な解決策となる可能性がある。Fattahiらは酢酸カルシウムとBacillus megaterium41を用いて尿素フリーMICP分解を調査し、Mohebbiらは酢酸カルシウムとBacillus amyloliquefaciens9を用いた。しかし、彼らの研究は、最終的に風食耐性を向上させる可能性のある他のカルシウム源や従属栄養細菌との比較は行われていない。また、風食対策において尿素フリー分解経路と尿素分解経路を比較した文献も不足している。
さらに、風食や粉塵抑制に関する研究のほとんどは、平坦な表面を持つ土壌サンプルで行われてきました。1,51,52,53 しかし、自然界では平坦な表面は丘や窪地よりも一般的ではありません。そのため、砂漠地帯では砂丘が最も一般的な地形となっています。
上記の欠点を克服するために、本研究では、アンモニアを生成しない新しい細菌剤を導入することを目的とした。この目的のために、尿素を分解しないMICP経路を検討した。2種類のカルシウム源（ギ酸カルシウムと酢酸カルシウム）の効率を調査した。著者らの知る限り、2種類のカルシウム源と細菌の組み合わせ（すなわち、ギ酸カルシウム-枯草菌とギ酸カルシウム-アミロリクエファシエンス）を用いた炭酸塩沈殿は、これまでの研究では調査されていない。これらの細菌の選択は、ギ酸カルシウムと酢酸カルシウムの酸化を触媒して微生物炭酸塩沈殿を形成する酵素を産生することに基づいている。pH、細菌とカルシウム源の種類と濃度、細菌とカルシウム源溶液の比率、硬化時間などの最適な因子を見つけるために、徹底的な実験研究を設計した。最後に、炭酸カルシウムの沈殿による風食抑制におけるこの細菌剤群の有効性を調査するため、砂丘で一連の風洞実験を実施し、風食の規模、閾値崩壊速度、砂の風圧耐性を測定した。また、貫入計による測定や微細構造研究（例えば、X線回折（XRD）分析や走査型電子顕微鏡（SEM））も実施した。
炭酸カルシウムの製造には、カルシウムイオンと炭酸イオンが必要です。カルシウムイオンは、塩化カルシウム、水酸化カルシウム、脱脂粉乳など、さまざまなカルシウム源から得ることができます54,55。炭酸イオンは、尿素加水分解や有機物の好気性または嫌気性酸化など、さまざまな微生物法によって生成できます56。本研究では、ギ酸塩と酢酸塩の酸化反応から炭酸イオンを得ました。さらに、ギ酸塩と酢酸塩のカルシウム塩を用いて純粋な炭酸カルシウムを製造したため、副産物として得られたのはCO2とH2Oのみでした。このプロセスでは、1つの物質がカルシウム源と炭酸源の両方として機能し、アンモニアは生成されません。これらの特徴から、我々が有望と考えるカルシウム源と炭酸製造方法を採用しました。
ギ酸カルシウムと酢酸カルシウムが炭酸カルシウムを生成する反応は、式（7）～（14）に示されています。式（7）～（11）は、ギ酸カルシウムが水に溶解してギ酸またはギ酸塩を生成することを示しています。したがって、この溶液は遊離カルシウムイオンと水酸化物イオンの供給源となります（式8および9）。ギ酸の酸化の結果、ギ酸中の炭素原子は二酸化炭素に変換されます（式10）。最終的に炭酸カルシウムが生成されます（式11および12）。
同様に、炭酸カルシウムは酢酸カルシウムから生成される（式13～15）が、ギ酸の代わりに酢酸または酢酸塩が生成される。
酵素が存在しない場合、酢酸とギ酸は室温では酸化されません。FDH（ギ酸デヒドロゲナーゼ）とCoA（補酵素A）は、それぞれギ酸と酢酸の酸化を触媒して二酸化炭素を生成します（式16、17）57、58、59。さまざまな細菌がこれらの酵素を生成することができ、従属栄養細菌、すなわちBacillus subtilis（PTCC #1204（ペルシャ型培養コレクション）、別名NCIMB #13061（国際細菌、酵母、ファージ、プラスミド、植物種子および植物細胞組織培養コレクション））とBacillus amyloliquefaciens（PTCC #1732、NCIMB #12077）がこの研究で使用されました。これらの細菌は、肉ペプトン（5 g/L）と肉エキス（3 g/L）を含む培地、すなわち栄養ブロス（NBR）（Merck社製、105443）で培養された。
そこで、2種類のカルシウム源と2種類の細菌を用いて炭酸カルシウムの沈殿を誘発する4種類の製剤を調製した。すなわち、ギ酸カルシウムと枯草菌（FS）、ギ酸カルシウムとアミロリクエファシエンス菌（FA）、酢酸カルシウムと枯草菌（AS）、および酢酸カルシウムとアミロリクエファシエンス菌（AA）である。
実験計画の最初の部分では、炭酸カルシウムの生成量を最大化する最適な組み合わせを決定するための試験を実施しました。土壌サンプルには炭酸カルシウムが含まれていたため、さまざまな組み合わせによって生成される CaCO3 を正確に測定するための予備評価試験のセットを設計し、培養培地とカルシウム源溶液の混合物を評価しました。上記で定義したカルシウム源と細菌溶液の各組み合わせ (FS、FA、AS、および AA) について、最適化係数 (カルシウム源濃度、養生時間、溶液の光学密度 (OD) で測定した細菌溶液濃度、カルシウム源と細菌溶液の比率、および pH) を導出し、次のセクションで説明する砂丘処理風洞試験で使用しました。
各組み合わせについて、CaCO3沈殿の影響を研究し、カルシウム源濃度、硬化時間、細菌OD値、カルシウム源と細菌溶液の比率、有機物の好気性酸化中のpHなど、さまざまな要因を評価するために150回の実験を実施しました（表1）。最適化されたプロセスのpH範囲は、より速い成長を得るために、枯草菌とアミロリクエファシエンス菌の増殖曲線に基づいて選択されました。これについては、結果のセクションでさらに詳しく説明します。
最適化フェーズ用のサンプルを準備するために、以下の手順が用いられた。まず、培養培地の初期pHを調整してMICP溶液を調製し、121℃で15分間オートクレーブ滅菌した。次に、菌株を層流空気中で接種し、30℃、180rpmの振とう培養器で維持した。細菌のODが所望のレベルに達したら、所望の割合でカルシウム源溶液と混合した（図1a）。MICP溶液を、目標値に達する時間、220rpm、30℃の振とう培養器で反応させて固化させた。沈殿したCaCO3は、6000gで5分間遠心分離した後分離し、40℃で乾燥させて、カルシウム計試験用のサンプルを準備した（図1b）。次に、ベルナール炭酸カルシウム計を使用してCaCO3の沈殿を測定した。この装置では、CaCO3粉末が1.0 N HCl（ASTM-D4373-02）と反応してCO2を生成し、このガスの体積がCaCO3含有量の尺度となる（図1c）。CO2の体積をCaCO3含有量に変換するには、純粋なCaCO3粉末を1 N HClで洗浄し、発生したCO2に対してプロットすることによって校正曲線を作成した。沈殿したCaCO3粉末の形態と純度は、SEM画像とXRD分析を使用して調べた。倍率1000の光学顕微鏡を使用して、細菌の周囲の炭酸カルシウムの形成、形成された炭酸カルシウムの相、および細菌の活性を調べた。
デジェグ盆地はイラン南西部のファールス州にある、侵食が激しいことで知られる地域で、研究者らはこの地域から風食土壌サンプルを採取した。サンプルは研究のために土壌表面から採取された。土壌サンプルの指標試験では、土壌はシルトを含む粒度の悪い砂質土であり、統一土壌分類システム（USC）に従ってSP-SMに分類された（図2a）。XRD分析では、デジェグ土壌は主に方解石と石英で構成されていることが示された（図2b）。さらに、EDX分析では、Al、K、Feなどの他の元素も少量含まれていることが示された。
風食試験用の実験室砂丘を準備するために、土壌を高さ 170 mm から直径 10 mm の漏斗を通して固い表面まで粉砕し、高さ 60 mm、直径 210 mm の典型的な砂丘を作った。自然界では、最も密度の低い砂丘は風成作用によって形成される。同様に、上記の手順で準備したサンプルは、最も低い相対密度 γ = 14.14 kN/m³ を持ち、水平面上に堆積した砂の円錐を形成し、その安息角は約 29.7° であった。
前節で得られた最適なMICP溶液を、1、2、3 lm-2の散布率で砂丘斜面に散布し、その後、サンプルを30℃のインキュベーター（図3）に9日間（すなわち最適な硬化時間）保管し、その後、風洞試験のために取り出した。
各処理につき、4 つの試験片を用意し、1 つは貫入計を使用して炭酸カルシウム含有量と表面強度を測定するため、残りの 3 つの試験片は 3 つの異なる速度での侵食試験に使用しました。風洞試験では、侵食量をさまざまな風速で測定し、侵食量と風速のグラフを使用して、各処理試験片の閾値ブレークアウェイ速度を決定しました。風食試験に加えて、処理された試験片は砂の衝突（ジャンプ実験）を受けました。この目的のために、2 および 3 L m−2 の適用率でさらに 2 つの試験片を用意しました。砂の衝突試験は 15 分間、120 gm−1 の流量で行われました。これは、以前の研究 60,61,62 で選択された値の範囲内です。研磨ノズルと砂丘の基部との水平距離は 800 mm で、トンネル底から 100 mm 上に位置していました。この位置は、ジャンプする砂粒子のほぼすべてが砂丘に落ちるように設定されました。
風洞実験は、長さ8m、幅0.4m、高さ1mの開放型風洞で行われた（図4a）。この風洞は亜鉛メッキ鋼板製で、最大25m/sの風速を発生させることができる。また、周波数変換器を用いてファンの周波数を調整し、徐々に周波数を上げて目標の風速を得た。図4bは、風によって侵食された砂丘の概略図と、風洞内で測定された風速プロファイルを示している。
最後に、本研究で提案した非尿素分解性MICP製剤の結果を尿素分解性MICP対照試験の結果と比較するために、砂丘サンプルも調製し、尿素、塩化カルシウム、およびSporosarcina pasteurii（Sporosarcina pasteuriiはウレアーゼを産生する能力が著しく高いため63）を含む生物学的溶液で処理した。細菌溶液の吸光度は1.5、尿素と塩化カルシウムの濃度は1 M（以前の研究で推奨された値に基づいて選択36,64,65）。培養培地は栄養ブロス（8 g/L）と尿素（20 g/L）から構成されていた。細菌溶液を砂丘表面に噴霧し、細菌が付着するまで24時間放置した。24時間の付着後、セメント溶液（塩化カルシウムと尿素）を噴霧した。尿素分解性MICP対照試験は、以下UMCと呼ぶ。尿素処理土壌サンプルと非尿素処理土壌サンプルの炭酸カルシウム含有量は、Choiら⁶⁶が提案した手順に従って洗浄することにより得られた。
図5は、初期pH範囲が5～10の培養培地（栄養溶液）におけるバチルス・アミロリクエファシエンスとバチルス・サブチリスの増殖曲線を示している。図に示すように、バチルス・アミロリクエファシエンスはpH6～8で、バチルス・サブチリスはpH7～9でより速く増殖した。そのため、最適化段階ではこのpH範囲を採用した。
栄養培地の異なる初期pH値における(a)バチルス・アミロリクエファシエンスと(b)バチルス・サブチリスの増殖曲線。
図 6 は、ベルナール石灰計で生成された二酸化炭素の量を示しており、これは沈殿した炭酸カルシウム (CaCO3) を表しています。各組み合わせで 1 つの因子が固定され、他の因子が変化されているため、これらのグラフの各点は、その実験セットにおける二酸化炭素の最大体積に対応します。図に示すように、カルシウム源の濃度が増加すると、炭酸カルシウムの生成量が増加しました。したがって、カルシウム源の濃度は炭酸カルシウムの生成に直接影響します。カルシウム源と炭素源は同じ (すなわち、ギ酸カルシウムと酢酸カルシウム) であるため、放出されるカルシウムイオンが多いほど、炭酸カルシウムが多く生成されます (図 6a)。AS および AA 配合では、炭酸カルシウムの生成量は、9 日後に沈殿量がほぼ変化しなくなるまで、養生時間の増加とともに増加し続けました。FA 配合では、養生時間が 6 日を超えると、炭酸カルシウムの生成速度が低下しました。他の配合と比較すると、FS 配合は 3 日後に比較的低い炭酸カルシウム生成速度を示しました (図 6b)。 FAおよびFS製剤では、3日後に炭酸カルシウム総量の70%および87%が得られたのに対し、AAおよびAS製剤では、この割合はそれぞれ約46%および45%に過ぎなかった。これは、ギ酸ベースの製剤は酢酸ベースの製剤に比べて初期段階でCaCO3の生成速度が高いことを示している。しかし、硬化時間の増加に伴い生成速度は低下する。図6cから、細菌濃度がOD1を超えても、炭酸カルシウムの生成に有意な寄与はないと結論付けられる。
ベルナール石灰化計で測定したCO2量の変化（および対応するCaCO3含有量）を、（a）カルシウム源濃度、（b）凝固時間、（c）OD、（d）初期pH、（e）カルシウム源と細菌溶液の比率（各配合について）、および（f）カルシウム源と細菌の各組み合わせで生成された炭酸カルシウムの最大量の関数として示します。
培地の初期 pH の影響については、図 6d に示すように、FA および FS では、CaCO3 の生成は pH 7 で最大値に達しました。この観察結果は、FDH 酵素が pH 7-6.7 で最も安定しているという以前の研究と一致しています。しかし、AA および AS では、pH が 7 を超えると CaCO3 の沈殿が増加しました。以前の研究では、CoA 酵素活性の最適 pH 範囲は 8 ～ 9.2-6.8 であることも示されています。CoA 酵素活性と B. amyloliquefaciens の増殖の最適 pH 範囲がそれぞれ (8-9.2) と (6-8) であることを考慮すると (図 5a)、AA 製剤の最適 pH は 8 になると予想され、2 つの pH 範囲が重なります。この事実は、図 6d に示すように、実験によって確認されました。 B. subtilisの増殖に最適なpHは7～9（図5b）であり、CoA酵素活性に最適なpHは8～9.2であるため、CaCO3の最大沈殿収量はpH8～9の範囲にあると予想され、これは図6dで確認されています（つまり、最適な沈殿pHは9です）。図6eに示す結果は、酢酸溶液とギ酸溶液の両方について、カルシウム源溶液と細菌溶液の最適な比率が1であることを示しています。比較のために、異なる配合（AA、AS、FA、およびFS）の性能を、異なる条件（カルシウム源濃度、硬化時間、OD、カルシウム源と細菌溶液の比率、および初期pH）での最大CaCO3生成に基づいて評価しました。検討した配合の中で、配合FSのCaCO3生成量が最も高く、これは配合AAの約3倍でした（図6f）。両方のカルシウム源について4つの無菌対照実験を実施しましたが、30日後にCaCO3の沈殿は観察されませんでした。
すべての製剤の光学顕微鏡画像では、炭酸カルシウムが形成された主相はバテライトであることが示されました（図7）。バテライト結晶は球形でした69,70,71。細菌細胞の表面は負に帯電しており、二価陽イオンの吸着剤として作用できるため、炭酸カルシウムが細菌細胞上に沈殿することがわかりました。本研究で製剤FSを例にとると、24時間後には一部の細菌細胞上に炭酸カルシウムが形成され始め（図7a）、48時間後には炭酸カルシウムで覆われた細菌細胞の数が著しく増加しました。さらに、図7bに示すように、バテライト粒子も検出されました。最後に、72時間後には、多数の細菌がバテライト結晶に結合しているように見え、バテライト粒子の数が著しく増加しました（図7c）。
FS組成物中のCaCO3沈殿の経時的な光学顕微鏡観察：（a）24時間、（b）48時間、（c）72時間。
析出相の形態をさらに詳しく調べるため、粉末のX線回折（XRD）およびSEM分析を行った。XRDスペクトル（図8a）およびSEM顕微鏡写真（図8b、c）は、レタスのような形状をしており、バテライトのピークと析出物のピークが一致していることから、バテライト結晶の存在を確認した。
（a）形成されたCaCO3とバテライトのX線回折スペクトルの比較。バテライトのSEM顕微鏡写真（（b）1kHzおよび（c）5.27kHzの倍率）。
風洞試験の結果を図 9a、b に示す。図 9a から、未処理の砂の閾値侵食速度 (TDV) は約 4.32 m/s であることがわかる。施用量 1 l/m² (図 9a) では、FA、FS、AA、UMC の各区分の土壌損失率の傾きは、未処理の砂丘とほぼ同じである。これは、この施用量での処理は効果がなく、風速が TDV を超えるとすぐに薄い土壌クラストが消失し、砂丘の侵食速度は未処理の砂丘と同じになることを示している。AS 区分の侵食勾配も、横軸 (すなわち TDV) が低い他の区分よりも低い (図 9a)。図 9b の矢印は、最大風速 25 m/s では、施用量 2 l/m² および 3 l/m² の処理済み砂丘では侵食が発生しなかったことを示している。言い換えれば、FS、FA、AS、UMCの場合、砂丘は最大風速（すなわち25m/s）の場合よりも、2および3l/m²の散布率でのCaCO³堆積による風食に対してより耐性がありました。したがって、これらの試験で得られた25m/sのTDV値は、AAの場合を除いて、図9bに示す散布率の下限値となります。AAの場合、TDVはほぼ最大風洞速度に等しくなります。
風食試験 (a) 風速に対する重量減少 (塗布量 1 l/m2)、(b) 塗布量および製剤に対する剥離閾値速度 (CA は酢酸カルシウム、CF はギ酸カルシウム)。
図 10 は、砂の爆撃試験後に異なる配合と適用率で処理した砂丘の表面侵食を示しており、定量的な結果は図 11 に示されています。未処理のケースは、砂の爆撃試験中に抵抗を示さず完全に侵食された (総質量損失) ため、表示されていません。図 11 から明らかなように、バイオコンポジション AA で処理したサンプルは、適用率 2 l/m2 で重量の 83.5% を失いましたが、他のすべてのサンプルは砂の爆撃プロセス中に 30% 未満の侵食を示しました。適用率を 3 l/m2 に増やすと、処理されたすべてのサンプルは重量の 25% 未満しか失いませんでした。両方の適用率で、化合物 FS は砂の爆撃に対して最高の抵抗を示しました。FS および AA で処理したサンプルの最大および最小の爆撃抵抗は、最大および最小の CaCO3 沈殿 (図 6f) に起因すると考えられます。
異なる組成の砂丘に2 l/m2および3 l/m2の流量で水を噴射した結果（矢印は風向、十字は作図面に垂直な風向を示す）。
図12に示すように、すべての配合において、塗布量が1 L/m²から3 L/m²に増加するにつれて炭酸カルシウム含有量が増加した。また、すべての塗布量において、炭酸カルシウム含有量が最も高かったのはFSで、次いでFA、UMCの順であった。これは、これらの配合がより高い表面抵抗性を持つ可能性を示唆している。
図 13a は、透水試験で測定した未処理、対照、および処理済み土壌サンプルの表面抵抗の変化を示しています。この図から、UMC、AS、FA、および FS 製剤の表面抵抗は、適用率の増加に伴って大幅に増加したことが明らかです。ただし、AA 製剤では表面強度の増加は比較的小さかった。図に示すように、尿素分解されていない MICP の FA および FS 製剤は、尿素分解された MICP と比較して、表面透過性が優れています。図 13b は、土壌表面抵抗による TDV の変化を示しています。この図から、表面抵抗が 100 kPa を超える砂丘では、閾値剥離速度が 25 m/s を超えることが明らかです。現場での表面抵抗は透水試験で容易に測定できるため、この知識は風洞試験がない場合でも TDV を推定するのに役立ち、現場適用における品質管理指標として機能します。
SEMの結果を図14に示します。図14a-bは、未処理の土壌サンプルの拡大された粒子を示しており、凝集性があり、自然な結合やセメント化がないことが明確に示されています。図14cは、尿素分解MICPで処理した対照サンプルのSEM顕微鏡写真を示しています。この画像には、方解石多形としてCaCO3沈殿物が存在することが示されています。図14d-oに示すように、沈殿したCaCO3は粒子同士を結合しています。SEM顕微鏡写真では、球状のバテライト結晶も確認できます。この研究と以前の研究の結果は、バテライト多形として形成されたCaCO3結合が適切な機械的強度も提供できることを示しています。私たちの結果は、表面抵抗が350 kPaまで増加し、閾値分離速度が4.32 m/sから25 m/s以上に増加することを示しています。この結果は、MICP沈殿CaCO3のマトリックスがバテライトであり、適度な機械的強度と風食抵抗性13,40を持ち、野外環境条件に180日間曝露した後でも適度な風食抵抗性を維持できるという以前の研究結果と一致しています13。
（a、b）未処理土壌のSEM顕微鏡写真、（c）MICP尿素分解コントロール、（df）AA処理サンプル、（gi）AS処理サンプル、（jl）FA処理サンプル、および（mo）FS処理サンプル（施用量3 L/m2）を異なる倍率で撮影。
図14d-fは、AA化合物で処理した後、炭酸カルシウムが砂粒の表面と間に沈殿し、コーティングされていない砂粒も観察されたことを示している。AS成分の場合、生成されるCaCO3の量は大きく増加しなかったが（図6f）、CaCO3によって引き起こされる砂粒間の接触量はAA化合物と比較して大幅に増加した（図14g-i）。
図14j-lおよび14m-oから明らかなように、カルシウム源としてギ酸カルシウムを使用すると、AS化合物と比較してCaCO3の沈殿がさらに増加し​​、これは図6fのカルシウムメーターの測定値と一致します。この追加のCaCO3は主に砂粒子上に沈着しているようで、必ずしも接触品質を向上させるわけではありません。これは、以前に観察された挙動を裏付けています。CaCO3の沈殿量の違い（図6f）にもかかわらず、3つの配合（AS、FA、FS）は、耐風性能（図11）および表面抵抗（図13a）に関して大きな違いはありません。
CaCO3でコーティングされた細菌細胞と沈殿した結晶上の細菌の痕跡をよりよく視覚化するために、高倍率のSEM顕微鏡写真が撮影され、その結果が図15に示されています。図に示すように、炭酸カルシウムは細菌細胞上に沈殿し、そこでの沈殿に必要な核を提供します。この図は、CaCO3によって誘発される活性および不活性結合も示しています。不活性結合の増加が必ずしも機械的挙動のさらなる改善につながるわけではないと結論付けることができます。したがって、CaCO3の沈殿の増加が必ずしも機械的強度の向上につながるわけではなく、沈殿パターンが重要な役割を果たします。この点は、TerzisとLaloui72、およびSoghiとAl-Kabani45,73の研究でも検討されています。沈殿パターンと機械的強度の関係をさらに探究するには、μCTイメージングを使用したMICP研究が推奨されますが、これは本研究の範囲外です（つまり、アンモニアフリーMICPのためにカルシウム源と細菌のさまざまな組み合わせを導入すること）。
炭酸カルシウムは、（a）AS組成および（b）FS組成で処理したサンプルにおいて活性結合と不活性結合を誘発し、堆積物上に細菌細胞の痕跡を残した。
図14j-oおよび15bに示すように、CaCO₃膜が存在する（EDX分析によると、膜中の各元素の組成比は炭素11%、酸素46.62%、カルシウム42.39%であり、これは図16のCaCO₃の割合と非常に近い）。この膜はバテライト結晶と土壌粒子を覆い、土壌堆積物システムの完全性を維持するのに役立っている。この膜の存在は、ギ酸塩ベースの製剤で処理したサンプルでのみ観察された。
表2は、過去の研究と本研究において、尿素分解性MICP経路と非尿素分解性MICP経路で処理した土壌の表面強度、閾値剥離速度、および生物誘導CaCO3含有量を比較したものである。MICP処理した砂丘サンプルの風食抵抗性に関する研究は限られている。Mengらは、葉吹き機を用いてMICP処理した尿素分解性砂丘サンプルの風食抵抗性を調査したが、13 本研究では、非尿素分解性砂丘サンプル（および尿素分解性対照）を風洞で試験し、4種類の異なる細菌と物質の組み合わせで処理した。
ご覧のとおり、これまでの研究の中には、4 L/m2を超える高い適用率を検討したものもありました13,41,74。高い適用率は、給水、輸送、および大量の水の適用に伴うコストのため、経済的な観点から現場では容易に適用できない可能性があることに留意する必要があります。1.62～2 L/m2のような低い適用率でも、最大190 kPaのかなり良好な表面強度と25 m/sを超えるTDVを達成しました。本研究では、尿素分解なしのギ酸塩ベースのMICPで処理した砂丘は、同じ適用率の範囲で尿素分解経路で得られたものと同等の高い表面強度を達成しました（つまり、尿素分解なしのギ酸塩ベースのMICPで処理したサンプルは、より高い適用率でMengら13が報告したのと同じ範囲の表面強度値も達成できました、図13a）。また、2 L/m2 の適用率では、風速 25 m/s での風食緩和のための炭酸カルシウムの収量は、尿素分解のないギ酸塩ベースの MICP では 2.25% であり、同じ適用率および同じ風速 (25 m/s) で尿素分解のある対照 MICP で処理された砂丘と比較して、必要な CaCO3 の量 (2.41%) に非常に近いことがわかります。
したがって、この表から、尿素分解経路と尿素フリー分解経路の両方が、表面抵抗とTDVに関してかなり許容できる性能を提供できると結論付けられます。主な違いは、尿素フリー分解経路にはアンモニアが含まれていないため、環境への影響が低いことです。さらに、本研究で提案された尿素分解のないギ酸塩ベースのMICP法は、尿素分解のない酢酸塩ベースのMICP法よりも優れた性能を発揮するようです。Mohebbiらは、尿素分解のない酢酸塩ベースのMICP法を研究しましたが、彼らの研究には平坦な表面のサンプルが含まれていました9。砂丘サンプルの周囲に渦が形成され、その結果としてせん断が起こり、TDVが低くなるため、砂丘サンプルの風食は、同じ速度の平坦な表面の風食よりも顕著になると予想されます。