[논문 리뷰] Effects of bacterial density on growth rate and characteristics of microbial-induced CaCO3 precipitates: a particle-scale experimental study

Yuze Wang, Kenichi Soga외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 06. 29.

Microbial Applications in Construction Materials참고 문헌 19인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 미세유체 칩을 이용해 토양 공극 조건을 시뮬레이션함으로써 박테리아 밀도가 입자 척도에서 미생물 유도 CaCO₃ 침전에 미치는 영향을 조사한다. 결과로는 높은 박테리아 밀도(최대 5.2×10⁸ cells/mL)가 CaCO₃ 침전 속도를 증가시키고, 더 많은 그러나 더 작은 결정을 생성(저밀도 대비 평균 부피 450 µm³ 대비 8,000 µm³)하며, 불안정한 형태에서 안정한 형태로의 결정 전환을 유도함을 보여주며, 이는 MICP 응용에서의 토양 보강을 위한 핵심 설계 매개변수로 박테리아 밀도의 중요성을 강조한다.

ABSTRACT

Microbial-Induced Carbonate Precipitation (MICP) has been explored for more than a decade as a promising soil improvement technique. However, it is still challenging to predict and control the growth rate and characteristics of CaCO3 precipitates, which directly affect the engineering performance of MICP-treated soils. In this study, we employ a microfluidics-based pore-scale model to observe the effect of bacterial density on the growth rate and characteristics of CaCO3 precipitates during MICP processes occurring at the sand particle scale. Results show that the precipitation rate of CaCO3 increases with bacterial density in the range between 0.6×108 and 5.2×108 cells/ml. Bacterial density also affects both the size and number of CaCO3 crystals. A low bacterial density of 0.6×108 cells/ml produced 1.1×106 crystals/ml with an average crystal volume of 8,000 µm3, whereas a high bacterial density of 5.2×108 cells/ml resulted in more crystals (2.0×107 crystals/ml) but with a smaller average crystal volume of 450 µm3. The produced CaCO3 crystals were stable when the bacterial density was 0.6×108 cells/ml. When the bacterial density was 4-10 times higher, the crystals were first unstable and then transformed into more stable CaCO3 crystals. This suggests that bacterial density should be an important consideration in the design of MICP protocols.

연구 동기 및 목표

• 포화 척도에서 박테리아 밀도가 미생물 유도 CaCO₃ 침전의 동역학 및 특성에 미치는 영향을 이해하기 위해.
• 박테리아 밀도가 MICP 과정 중 결정 크기, 수량 및 안정성에 미치는 영향을 정량화하기 위해.
• 침전 속도와 결정 안정성을 극대화하는 최적의 박테리아 밀도를 특정하여 토양 보강 성능 향상에 기여하기 위해.
• 통제된 미세유체 모델을 통해 거시적 MICP 결과와 미세적 결정 형성 동역학 간 격차를 메우기 위해.

제안 방법

• 모래 입자 척도 환경을 시뮬레이션하고 MICP 과정의 실시간 관찰을 가능하게 하기 위해 다공성 모델을 갖춘 미세유체 칩을 제작하였다.
• 다양한 미생물 활동 수준을 반영하기 위해 제어된 밀도(0.6×10⁸ ~ 5.2×10⁸ cells/mL)를 갖는 박테리아 혼합액을 칩에 주입하였다.
• 세멘트화 용액(Ca²⁺ 및 요소)을 정기적으로 주입하여 요소분해 반응과 CaCO₃ 침전을 유도하였다.
• 시간 경과 관찰 영상 기반 광학 현미경을 사용해 24시간 동안 결정 핵형, 성장 및 전환 동역학을 촬영하였다.
• 이미지 분석을 통해 침전 및 용해 동역학을 추적하기 위해 결정 농도, 평균 결정 부피 및 강도 변화를 정량화하였다.
• 아공극 CaCO₃(ACC), 화학적 안정성에 영향을 미치는 결정 상 전이 및 안정성 경향을 이해하기 위해 아공극 CaCO₃, 바테라이트, 아라곤라이트 및 ACC의 과포화 상태를 모델링하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 박테리아 밀도는 포화 척도 환경에서 CaCO₃ 침전물의 성장 속도에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 박테리아 밀도와 MICP 과정 중 생성된 CaCO₃ 결정의 크기 및 수량 간의 관계는 어떠한가?
• RQ3 박테리아 밀도는 시간이 지남에 따라 CaCO₃ 결정의 안정성 및 상 전이에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 다양한 박테리아 밀도에서 결정 용해 및 재침착이 최종 결정 특성 형성에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 0.6×10⁸ ~ 5.2×10⁸ cells/mL 범위에서 CaCO₃ 침전 속도는 박테리아 밀도 증가에 따라 증가하였으며, 이는 미생물 활동에 직접적인 동역학적 의존성을 나타낸다.
• 0.6×10⁸ cells/mL에서 평균 부피 8,000 µm³인 1.1×10⁶ 개/mL의 결정이 형성되었고, 5.2×10⁸ cells/mL에서는 평균 부피 450 µm³인 2.0×10⁷ 개/mL의 결정이 형성되었다.
• 저밀도 조건(0.6×10⁸ cells/mL)에서 형성된 결정은 실험 전반에 걸쳐 안정성을 유지한 반면, 높은 밀도 조건(4–10배 높음)에서 형성된 결정은 초기에 불안정한 상으로 나타나 이후 더 안정한 CaCO₃ 형태로 전환되었다.
• 고밀도 조건(5.2×10⁸ cells/mL)에서 평균 결정 부피는 시간이 지남에 따라 감소하여 빠른 핵형 및 결정 당 성장 제한을 나타내었고, 저밀도 조건에서는 적은 수의 더 큰 안정성 있는 결정이 형성되는 경향을 보였다.
• 박테리아 밀도 증가에 따라 결정 농도가 크게 증가하였으며, 24시간 후 5.2×10⁸ cells/mL에서 2.0×10⁷ 개/mL, 0.6×10⁸ cells/mL에서는 1.1×10⁶ 개/mL의 결정이 관찰되었다.
• 고밀도 조건에서 아공극 CaCO₃(ACC) 및 바테라이트에서 산화칼슘(CaCO₃)으로의 상 전이가 관찰되었으며, 이는 과포화 상태 및 용해-재침착 과정에 의해 유도되었다.