[논문 리뷰] Influence of on-site low-ureolysis bacteria and high-ureolysis bacteria on the effectiveness of MICP processes

Qinghua Wu, Yuze Wang|arXiv (Cornell University)|2024. 09. 25.

Intensive Care Unit Cognitive Disorders인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 현장에서 발견되는 저요소분해 박테리아(OSSB)와 고요소분해 박테리아(OHUB)가 *Sporosarcina pasteurii*와 조합될 때 미생물에 의해 유도되는 수소탄산화칼슘 침전(MICP) 효율성에 미치는 영향을 조사한다. OSSB는 pH를 낮추어 *S. pasteurii*의 활동과 MICP 성능을 심각하게 억제하며, 압축강도를 60% 감소시킨다. 반면 OHUB는 pH를 상승시켜 활동과 강도를 약간 향상시키며, 전환율을 9–45% 향상시킨다.

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.

연구 동기 및 목표

• 실현 가능한 현장 조건에서 토양 내 원내 박테리아가 MICP 효율성에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 현장에서 저요소분해 박테리아(OSSB)와 고요소분해 박테리아(OHUB)의 *S. pasteurii*를 이용한 MICP에 미치는 영향을 분류하고 비교하기 위해.
• 원내 박테리아에 의한 pH 조절이 MICP 성능을 결정짓는 데서 수행하는 역할을 규명하기 위해.
• 현지 미생물 군집을 관리하거나 기공 유체의 pH를 조절하여 현장 규모의 MICP를 향상시키기 위한 실천 가능한 전략을 제공하기 위해.

제안 방법

• 16S rDNA 시퀀싱을 사용하여 현지 토양에서 OSSB와 OHUB를 분리하고 특성화하였다.
• 120시간 동안 요소분해 효소 활성, 박테리아 개체수, pH 변화를 비교하기 위해 배양 실험을 실시하였다.
• 박테리아 분포, 결정 형상, 침전 동역학을 시각화하기 위해 마이크로플루이딕 칩 실험을 수행하였다.
• 수소탄산화칼슘 침전, 결정 부피, 비지지압축강도(UCS)를 평가하기 위해 모래 컬럼 실험을 실시하였다.
• CaCO3 결정 형상과 크기 분포를 분석하기 위해 SEM 영상 분석을 실시하였다.
• MICP 과정을 모델링하기 위해 요소 수해 반응(CO(NH2)2 + 2H2O → 2NH4+ + CO32−)과 CaCO3 침전 반응(Ca2+ + CO32− → CaCO3)의 수식을 적용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 OSSB와 OHUB는 공배양 시스템에서 *S. pasteurii*의 요소분해 효소 활성과 생존에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 *S. pasteurii*가 원내 박테리아와 혼합될 경우 pH 동역학이 MICP 성능을 어떻게 조절하는가?
• RQ3 OSSB와 OHUB는 MICP에서 수소탄산화칼슘 침전 속도와 결정 특성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 왜 *S. pasteurii*를 사용한 최적의 실험실 결과에도 현장 시험에서는 MICP 성능이 저하되는가?
• RQ5 현지 박테리아 군집을 조절하거나 pH를 제어하면 현장에서 MICP 효율성을 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• *S. pasteurii*와 OSSB를 혼합한 경우, 120시간 후 박테리아 활성이 74–84% 감소하였으며, 이로 인해 비지지압축강도(UCS)가 순수 *S. pasteurii* 군집에 비해 60% 감소하였다.
• OHUB 공배양에서 *S. pasteurii* 활성은 49–54% 감소하였고, 순수 *S. pasteurii* 배양에서의 64% 감소보다 유의하게 낮아, OHUB가 지속적인 활동을 지원하는 것으로 나타났다.
• OSSB는 공배양 시스템에서 점진적인 pH 감소를 유도한 반면, OHUB는 pH 상승을 유도하여 직접적으로 pH 조절이 MICP 효율성과 연관되어 있음을 입증하였다.
• OHUB 혼합군에서는 *S. pasteurii* 대조군 대비 수소탄산화칼슘의 화학적 전환율이 9–45% 향상되어 침전 효율성이 향상됨을 나타냈다.
• SEM 및 마이크로플루이딕 영상 분석 결과, OSSB 혼합군은 적은 수의 큰 사다리형 결정(>30 μm)을 생성한 반면, OHUB 혼합군은 더 작은 크기의 더 많은 수의 결정을 균일하게 분포시켰다.
• 본 연구는 pH 감소와 활동 억제로 인해 OSSB가 현장 적용에서 MICP의 주요 억제제임을 규명하였으며, 반면 OHUB는 유익한 미생물 동반자로 기능할 수 있음을 밝혔다.