[論文レビュー] Influence of on-site low-ureolysis bacteria and high-ureolysis bacteria on the effectiveness of MICP processes

Qinghua Wu, Yuze Wang|arXiv (Cornell University)|Sep 25, 2024

Intensive Care Unit Cognitive Disorders被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、土壌由来の低尿素分解能細菌（OSLUB）および高尿素分解能細菌（OSHUB）が、*Sporosarcina pasteurii* と組み合わせられた場合に、微生物誘導炭酸 calcium 沈殿（MICP）効率に与える影響を調査している。OSLUBはpHを低下させることで*S. pasteurii*の活動を著しく抑制し、圧縮強度を60%低下させる。一方、OSHUBはpH上昇により活動と強度をわずかに向上させ、変換効率を9–45%向上させる。

ABSTRACT

Microbially Induced Calcium Carbonate Precipitation (MICP) is an eco-friendly technique that enhances soil mechanical properties using urease-producing microorganisms, especially Sporosarcina pasteurii. However, field trials often yield suboptimal results due to the presence of indigenous soil microbes. To evaluate their impact, bacteria from natural soil were classified into two groups: low-ureolysis and high-ureolysis. These were combined with S. pasteurii in experiments using microfluidic chips and sand columns. The analysis covered bacterial populations, urease activity, pH changes, calcium carbonate crystal metrics, and unconfined compressive strength (UCS). Results indicated that mixing low-ureolysis bacteria with S. pasteurii resulted in a 74-84% reduction in bacterial activity and a 60% decrease in chemical conversion rate, leading to a 60% drop in UCS. In contrast, combining high-ureolysis bacteria with S. pasteurii reduced bacterial activity by 49-54%, which was less than the 64% reduction seen with S. pasteurii alone. This combination improved calcium carbonate conversion rates by 9% to 45% and slightly enhanced UCS.The study highlights the distinct effects of low-ureolysis and high-ureolysis bacteria on MICP efficiency, particularly regarding their influence on pH. Low-ureolysis bacteria decrease pH, while high-ureolysis bacteria increase it. Maintaining high bacterial activity and precipitation rates is crucially dependent on pH levels. Future strategies could focus on reducing the presence of low-ureolysis bacteria or sustaining higher pH levels to enhance MICP effectiveness in field applications.

研究の動機と目的

• 現地の実環境条件下における土壌由来細菌がMICP効率に与える影響を評価すること。
• 現場に存在する低尿素分解能細菌（OSLUB）および高尿素分解能細菌（OSHUB）が*S. pasteurii*を介したMICPに与える影響を分類・比較すること。
• 土壌由来細菌によるpH調節がMICP性能を決定づける役割を特定すること。
• 現地の微生物コミュニティを管理するか、pore fluidのpHを制御することで、現場スケールのMICPを改善するための実行可能な戦略を提供すること。

提案手法

• 16S rDNAシーングを用いて、現地土壌からOSLUBおよびOSHUBを分離・特徴付けた。
• 120時間にわたるバッチ培養実験により、尿素酵素活性、細菌集落数、およびpH変化を比較した。
• マイクロフラウドチップ実験を実施し、細菌の分布、結晶形状、沈殿ダイナミクスを可視化した。
• 砂層実験を実施し、炭酸カルシウム沈殿、結晶体積、および無形式圧縮強度（UCS）を評価した。
• SEM画像を用いて、CaCO3結晶の形状および粒子径分布を分析した。
• MICPプロセスをモデル化するために、尿素加水分解（CO(NH2)2 + 2H2O → 2NH4+ + CO32−）およびCaCO3沈殿（Ca2+ + CO32− → CaCO3）の式を適用した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 OSLUBおよびOSHUBは、共培養系における*S. pasteurii*の尿素酵素活性および生存にどのように影響を与えるか？
• RQ2 *S. pasteurii*が土壌由来細菌と混合された場合、pHダイナミクスがMICP性能をどのように媒介するか？
• RQ3 OSLUBおよびOSHUBは、MICPにおける炭酸カルシウム沈殿速度および結晶特性にどのように影響を与えるか？
• RQ4 *S. pasteurii*を用いた最適なラボスケールの結果を得ているにもかかわらず、現場試験でなぜMICP性能が低下するのか？
• RQ5 土壌由来細菌集団を操作するか、pHを制御することで、現場におけるMICP効率を向上させることができるか？

主な発見

• OSLUBと*S. pasteurii*を併用した場合、120時間後の細菌活動は84%低下し、*S. pasteurii*単独時と比較して無形式圧縮強度（UCS）が60%低下した。
• OSHUBと共培養した場合、*S. pasteurii*の活動は49–54%低下にとどまり、純粋な*S. pasteurii*培養の64%の低下と比較して著しく低い。これは、OSHUBが持続的な活動を支援していることを示している。
• OSLUBは共培養系で徐々にpHを低下させたが、OSHUBはpH上昇を誘発した。これは、pH調節がMICP効率に直接関与していることを裏付けている。
• OSHUBを含む群では、*S. pasteurii*対照群と比較して、炭酸カルシウムの化学的変換率が9–45%向上し、沈殿効率の向上が示された。
• SEMおよびマイクロフラウドチップ画像は、OSLUBを含む群が少ないが大きな菱形結晶（>30 μm）を生成したのに対し、OSHUBを含む群はより小さな、多数の結晶を均等に分布させたことを確認した。
• 本研究では、OSLUBがpH低下と活動抑制により現場応用におけるMICPの主要な阻害要因であると特定した。一方、OSHUBは有益な微生物パートナーとして機能する可能性がある。