Control biomediado de lechadas de sílice coloidal mediante fermentación microbiana.

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 14184 (2023) Citar este artículo

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La lechada de sílice coloidal es una técnica de mejora del suelo capaz de estabilizar suelos débiles y problemáticos y lograr grandes reducciones en la conductividad hidráulica del suelo para aplicaciones que incluyen la mitigación de la licuefacción inducida por terremotos y el control del flujo de agua subterránea. En el enfoque convencional, se añaden aceleradores químicos a suspensiones de sílice coloidal que se introducen en los suelos que se pretende mejorar y la formación de un gel de sílice semisólido se produce con el tiempo a una velocidad controlada por la química de la suspensión y las condiciones geoquímicas in situ. Aunque el proceso se ha investigado exhaustivamente, controlar la velocidad de formación de gel en presencia de diferentes condiciones del subsuelo y la capacidad limitada de los métodos convencionales para monitorear eficazmente el proceso de formación de gel ha planteado desafíos prácticos. En este estudio, se propone un proceso biomediado de mejora del suelo que utiliza microorganismos fermentativos enriquecidos para controlar la gelificación de las lechadas de sílice coloidal mediante reducciones del pH de la solución y aumentos de la fuerza iónica. Se realizaron cuatro series de experimentos por lotes para investigar la capacidad de los microorganismos fermentadores de glucosa para enriquecerse en arenas naturales para inducir cambios geoquímicos capaces de mediar la formación de gel de sílice y evaluar el efecto de la composición de la solución de tratamiento sobre los comportamientos de reducción del pH. Posteriormente se realizaron experimentos complementarios en lotes y columnas de suelo para mejorar el proceso y explorar la efectividad de los métodos químicos, hidráulicos y geofísicos para monitorear la actividad microbiana, la formación de geles y las mejoras de ingeniería. Los resultados demuestran que los microorganismos fermentativos pueden enriquecerse con éxito y mediar en la formación de geles en suspensiones que de otro modo permanecerían altamente estables, eliminando así la necesidad de aceleradores químicos, aumentando la confiabilidad y el control de la lechada de sílice coloidal, permitiendo nuevos enfoques de monitoreo y brindando mejoras de ingeniería comparables. a las lechadas de sílice coloidal convencionales.

La lechada de sílice coloidal es una técnica de mejora del suelo respetuosa con el medio ambiente capaz de mejorar las propiedades técnicas de la roca y el suelo para aplicaciones que incluyen la mitigación de la licuefacción inducida por terremotos, el control del flujo de agua subterránea y el sellado de fracturas de rocas1,2,3,4,5,6,7. 8,9,10,11. El proceso puede iniciarse suministrando a los suelos una suspensión de baja viscosidad de nanopartículas de sílice esféricas y no porosas, con la formación de un gel de sílice que se produce con el tiempo a una velocidad controlada por la química de la suspensión inicial3,12. Los geles de sílice coloidal resultantes pueden reducir las conductividades hidráulicas del suelo al tapar el espacio poroso del suelo y alterar el comportamiento mecánico del suelo mediante la restricción de las tendencias volumétricas del suelo durante el corte y la adición de una modesta resistencia a la tracción9,13,14. Las lechadas de sílice coloidal ofrecen algunos beneficios únicos sobre otras tecnologías de lechada de permeación, que incluyen: (i) la capacidad de aplicar lechadas pasivamente utilizando gradientes de agua subterránea existentes debido a la baja viscosidad inicial de las suspensiones de sílice coloidal3,15, (ii) la capacidad de modular las tasas de formación de gel en escalas de tiempo grandes (es decir, de 0 a > 100 días)13,16(iii) las propiedades químicas ambientalmente benignas de la sílice coloidal que pueden minimizar los impactos ambientales en comparación con otros materiales de lechada sintéticos como los poliuretanos17,18, y (iv) la capacidad de geles de sílice coloidal desarrollados para permanecer químicamente estables durante largos períodos de tiempo después de la aplicación16,19.

Numerosos estudios han examinado la estabilidad de las suspensiones de sílice coloidal y la formación de geles de sílice dependiente del tiempo para una amplia gama de aplicaciones que van desde la mejora del suelo hasta el procesamiento de alimentos11,19,20. En conjunto, estos estudios han demostrado que el tiempo necesario para lograr la formación de gel se puede controlar variando la composición de las suspensiones de sílice coloidal, incluso mediante diferencias en el pH inicial, las concentraciones de iones, las concentraciones de sílice coloidal y el tamaño de los coloides incluidos1,3,12 ,21,22. La sensibilidad de las suspensiones de sílice coloidal a los cambios químicos se debe principalmente a la presencia de grupos funcionales silanol (SiOH) en la superficie de las nanopartículas de sílice, que pueden manipularse fácilmente mediante cambios en el pH (es decir, iones H+) y la concentración de cationes/aniones19. En condiciones más ácidas, estos grupos superficiales pueden permanecer cada vez más protonados con una carga superficial aparente más positiva; sin embargo, en condiciones más alcalinas la desprotonación de los grupos superficiales da como resultado una carga superficial aparente más negativa23,24. De manera similar a los cambios de pH, los grupos superficiales de sílice coloidal también exhiben sensibilidad a los cambios en las concentraciones de iones circundantes. Por ejemplo, cationes como el sodio (Na+) pueden formar complejos con estos grupos superficiales, permitiendo así neutralizar eficazmente la carga aparente de los grupos superficiales. Aunque altamente complejas, las interacciones observadas entre los coloides de sílice son similares a las descritas por la teoría de Derjaguin, Landau, Verwey y Overbeek (DVLO)25. Cuando los grupos de la superficie coloidal permanecen altamente cargados negativamente o altamente cargados positivamente, la repulsión electrostática entre los coloides permanece alta y la suspensión puede permanecer estable con la retención de una solución de baja viscosidad ideal para el transporte durante las inyecciones de lechada3. Sin embargo, a medida que los grupos de la superficie coloidal se neutralizan progresivamente ya sea mediante cambios de pH o adiciones de iones, la repulsión electrostática se puede minimizar y la atracción de Van der Waals entre coloides puede permitir la formación de enlaces de siloxano (Si-O-Si) entre los grupos de la superficie SiOH26, ​​lo que conduce a polimerización de las nanopartículas y el consiguiente aumento de la viscosidad de la suspensión y la eventual formación de un gel de sílice semisólido.

Aunque la química de las suspensiones inyectadas se puede modificar para alterar los tiempos de formación del gel, dichas composiciones deben diseñarse cuidadosamente para que sean compatibles con las tasas de administración de lechada y las condiciones geoquímicas del subsuelo. Pruebas de campo anteriores han ejemplificado los desafíos asociados con el ajuste de las tasas de gelificación mediante composiciones químicas iniciales, particularmente cuando los suelos subterráneos y el agua subterránea son ácidos y/o contienen altas concentraciones de iones disueltos16,27. En tales condiciones, la gelificación puede ocurrir más rápidamente de lo esperado, obstruyendo así los pozos de inyección e impidiendo la distribución efectiva de las suspensiones a los volúmenes de suelo específicos. Por el contrario, cuando los aceleradores suministrados son insuficientes o las condiciones del subsuelo difieren de las expectativas iniciales, las suspensiones también pueden no gelificarse, lo que resulta en mejoras de ingeniería mínimas. Además, se ha demostrado que los métodos tradicionales de monitoreo in situ, como la penetración de conos y las pruebas de velocidad de onda de corte, tienen una capacidad limitada para resolver cambios en la formación de gel16 y el monitoreo del proceso se limita en gran medida a la evaluación de la entrega de la solución28. Si bien el proceso de inyección abiótico convencional requiere una titulación cuidadosa de las sustancias químicas de la suspensión antes de las inyecciones para garantizar una gelificación controlada, el uso de la actividad microbiana para controlar el tiempo del proceso puede proporcionar una alternativa superior a las adiciones químicas con el potencial de inducir cambios químicos rápidos y predecibles después de las inyecciones y la meditación de la formación de gel para suspensiones que de otro modo serían muy estables. Para las lechadas de sílice coloidal, los procesos microbianos que pueden alterar los valores de pH de la solución circundante y generar aumentos en las especies cargadas de la solución pueden permitir la mediación de la formación de gel mediante la neutralización de la carga superficial de sílice coloidal. Aunque se podrían utilizar otros procesos para mediar en la formación de gel, la fermentación microbiana de glucosa puede ser una vía ideal, que no requiere oxígeno y permite grandes reducciones en el pH de la solución con aumentos asociados en la fuerza iónica29. Estudios anteriores han utilizado la fermentación microbiana de glucosa para mediar en otros procesos de mejora del suelo, incluida la formación de geles de alginato de calcio mediante la disolución de minerales de carbonato de calcio previamente establecidos mediante biocementación ureolítica y la liberación de iones de calcio30. En el estudio de Cheng et al. (2019)30, la actividad fermentativa se estableció mediante la inoculación de suelos con un cultivo microbiano mixto obtenido de lodos activados y proporcionado en soluciones que contienen alginato y glucosa (pHinicial = 7,5). Aunque utilizan una vía microbiana diferente, Maclachlan et al. (2013) 31 demostraron que la hidrólisis microbiana de urea podría usarse para mediar en la gelificación de lechadas de sílice coloidal inicialmente ácidas mediante aumentos en la fuerza iónica y el pH de la solución. En este estudio, se descubrió que la mediación del proceso mediante ureólisis logra una estructura de gel más uniforme, una gelificación más rápida y una mayor resistencia al corte del gel en comparación con los geles formados con aceleradores químicos, aunque con la generación de amonio acuoso resultante de la hidrólisis de urea. En conjunto, los resultados de ambos estudios sugieren que la actividad microbiana de fermentación de glucosa puede proporcionar una vía viable para controlar la gelificación de las lechadas de sílice coloidal. Aunque similar en principio al trabajo de Maclachlan et al. (2013)31, se esperaba que el uso de la actividad de fermentación de glucosa abordara las limitaciones relacionadas con el uso de la ureólisis microbiana al proporcionar un método capaz de mejorar los suelos en condiciones más ácidas y eliminar la producción de subproductos de amonio.

Las vías de fermentación son variadas y están ampliamente distribuidas entre los microorganismos que pueden fermentar los carbohidratos suministrados (es decir, glucosa) en condiciones anaeróbicas para producir ácidos orgánicos, así como gases CO2 y H2 y etanol. Los microorganismos capaces de realizar este proceso incluyen bacterias homofermentativas, que disimilan la glucosa únicamente a través de la vía glucolítica para producir ácido láctico (p. ej., género Streptococci y Lactobacilli), bacterias heterofermentativas, que pueden completar fermentaciones de ácidos mixtos y producir mezclas complejas de ácidos orgánicos (p. ej., género Escherichia)32, y especies de hongos seleccionadas (p. ej., género Rhizopus) que son menos comunes pero son capaces de realizar la fermentación del ácido láctico33. De interés específico para su uso en aplicaciones de sílice coloidal subsuperficial, la fermentación de glucosa puede ser realizada por una amplia gama de microorganismos que abundan en los sistemas naturales, pueden generar mezclas de ácidos orgánicos con valores de pKa bajos necesarios para permitir grandes reducciones de pH (p. ej., pKa del ácido láctico = 3,86; ácido acético pKa = 4,76; ácido succínico pKa1 = 4,21, pKa2 = 5,64; ácido fórmico pKa = 3,75)34, son capaces de tolerar grandes diferencias en las condiciones ambientales circundantes y generan subproductos ecológicamente inertes que no requieren eliminación post-tratamiento35.

Se realizó un estudio para examinar el potencial de los microorganismos fermentadores de glucosa para enriquecerse en arenas naturales para mediar en la gelificación de suspensiones de lechada de sílice coloidal mediante reducciones controladas del pH de la solución y aumentos de la fuerza iónica. Primero se realizó una serie de experimentos por lotes para comprender el efecto del pH de la solución y las adiciones de cloruro de sodio (NaCl) sobre la velocidad de formación de gel observada en suspensiones de sílice coloidal abióticas con el fin de identificar los rangos de pH finales necesarios para diseñar el proceso biomediado. Después de estos experimentos, se realizaron tres series adicionales de experimentos por lotes para investigar la capacidad de los microorganismos fermentadores de glucosa para enriquecerse en arenas naturales, inducir cambios geoquímicos capaces de mediar la formación de gel de sílice coloidal y estudiar el efecto de la composición de la solución inicial, el tipo de material de la arena. y proporcionó la relación suelo-solución sobre los comportamientos de reducción del pH. Tras la identificación de técnicas de tratamiento capaces de enriquecer con éxito la actividad de fermentación microbiana, se realizaron una serie de experimentos complementarios por lotes y en columnas de suelo para examinar más a fondo la capacidad de los microorganismos fermentadores de glucosa estimulados para permitir el control de la formación de gel de sílice en condiciones más representativas de las in situ. suelos, la efectividad de varios métodos de monitoreo para rastrear la formación de gel de sílice y la actividad microbiana, y para caracterizar las mejoras en la ingeniería del suelo logradas por los geles de sílice coloidal resultantes.

En los experimentos por lotes y en columnas se incluyeron dos arenas limpias diferentes y de mala calidad, Delta Sand y Concrete Sand. Delta Sand es una arena marina compuesta por casi un 58% de cuarzo y un 42% de albita con un D10 de 0,19 mm, D30 de 0,25 mm, D60 de 0,37 mm y un contenido de finos del 1,3%36. Concrete Sand es una arena aluvial que consta de casi un 75% de cuarzo y un 25% de albita con un D10 de 0,23 mm, D30 de 0,54 mm, D60 de 1,54 mm y un contenido de finos del 1,1%. Ambas arenas se clasifican como arena mal graduada (SP) según la norma ASTM D248737 y han sido investigadas exhaustivamente en estudios previos que examinan procesos biomediados de mejora del suelo36,38,39,40,41. Se esperaba que ambos suelos fueran representativos de otras arenas limpias naturales que podrían requerir mejoras para fines de mitigación de la licuefacción.

Todas las soluciones de sílice coloidal se prepararon utilizando soluciones madre de sílice coloidal estabilizadas con hidróxido de sodio Ludox SM-30 al 30 % en masa (Grace Chemicals), que contenían coloides de sílice con un diámetro de entre 7 y 22 nm y un pH inicial cercano a 10. Las soluciones incluidas en todos los experimentos contenía 6% de sílice coloidal en masa, preparada diluyendo la solución madre al 30% con agua desionizada. Después de la preparación de una solución de sílice coloidal al 6%, se agregaron masas químicas solubles directamente a las soluciones y se ajustó el pH de las soluciones usando hidróxido de sodio 1 M o ácido clorhídrico y luego se esterilizó por filtración usando filtros de 0,2 micrones. Los productos químicos solubles agregados a las soluciones incluyeron varias concentraciones de glucosa (dextrosa anhidra, Fisher Scientific), extracto de levadura (Fisher Bioreagents) y cloruro de sodio (Fisher Scientific). Todas las soluciones, aparte de las consideradas en la serie experimental 1 (descrita en la sección "Serie experimental"), se ajustaron el pH a un valor inicial de 9,5 destinado a evitar la gelificación abiótica y mantener la estabilidad de la solución en ausencia de actividad de fermentación. Todas las soluciones se prepararon en equilibrio con condiciones atmosféricas a 20 °C y no se desairearon antes de su uso (oxígeno disuelto ≈ 9 mg/L).

Todos los experimentos por lotes incluyeron volúmenes de 350 ml de soluciones de sílice coloidal esterilizadas con filtro preparadas en botellas de plástico estériles de 500 ml utilizando unidades de filtración al vacío con filtros PES de 0,2 micras (Fig. 1a). Después de la filtración de la solución, se agregaron masas de suelo (cuando estaban presentes) directamente a los matraces en proporciones variables de suelo a solución que oscilaban entre 0,5 y 100 g/L. Para inhibir la transferencia de oxígeno, se colocó una capa de 5 mm de espesor de aceite mineral pesado estéril en la superficie de todas las soluciones y los matraces se sellaron con tapas esterilizadas. Todas las superficies expuestas de los matraces se esterilizaron con llama utilizando un soplete portátil cada vez que se abrieron los matraces para minimizar el potencial de contaminación. Todas las muestras acuosas se obtuvieron utilizando pipetas estériles.

Imágenes de (a) experimentos por lotes seleccionados que incluyen matraces de filtración estériles, aceite mineral e inoculantes de arena agregados, y (b) un experimento de una sola columna de suelo que incluye el marco de carga de la columna, sensores del elemento doblador, sensor de conductividad eléctrica, puertos de muestreo acuoso y afluente. y puertos de efluentes que permitieron la conexión de transductores de presión para mediciones durante las inyecciones.

Las muestras de columnas de suelo se prepararon en cilindros acrílicos huecos de 15,2 cm de alto y 7,6 cm de diámetro interior que tenían tapas de PFTE en la parte superior e inferior para el intercambio de solución y varios accesorios para sensores de elementos dobladores, puertos de muestreo de solución y sensores de conductividad eléctrica (Fig. 1b). Existían tres puertos de muestreo de tabique de caucho a lo largo de las alturas de las columnas a tres distancias de la fuente de inyección en la base de las columnas (5,1, 10,2, 15,2 cm) y se utilizaron para obtener muestras de solución en diversos momentos utilizando jeringas y agujas estériles. Se incluyeron pares de sensores de elementos dobladores a media altura (10,2 cm desde la fuente de inyección) para todas las columnas para rastrear los cambios en las velocidades de las ondas de corte del suelo (Vs). También se incluyó un único sensor de conductividad eléctrica (CE) de 4 celdas (rango = 1 µS/cm a 200 mS/cm, Fisher Scientific) cerca de la parte inferior (a 5,1 cm de la fuente de inyección) de cuatro columnas seleccionadas para rastrear los cambios en la CE en tiempo resultante de la fermentación y gelificación. Todas las columnas contenían Delta Sand y se prepararon con una densidad relativa inicial de ≈ 40 % y tenían volúmenes de poros (PV) cercanos a 250 ml y relaciones suelo-solución cercanas a 4500 g/L. Los materiales del suelo se retuvieron dentro de las columnas utilizando discos de plástico poroso (tamaño de poro de 125 a 195 μm, Porex Inc.) que se colocaron en la interfaz entre las tapas superior e inferior y los suelos para evitar la migración de los materiales del suelo durante las inyecciones. Después de la preparación, todas las columnas se sometieron a una tensión total vertical de ≈ 100 kPa que se aplicó utilizando un marco de reacción con resorte y las columnas se saturaron con agua desionizada. Después de la saturación, todas las columnas recibieron una única inyección de parada de flujo de 8 PV (2 L) de soluciones de tratamiento de sílice coloidal a un caudal de 20 ml/min (tiempo de inyección ≈ 100 min) destinada a reemplazar completamente los fluidos de los poros residentes. Todas las columnas se trataron de abajo hacia arriba para garantizar la saturación y minimizar la posible heterogeneidad en las soluciones inyectadas resultantes de las diferencias de densidad de las soluciones. Los depósitos de solución de plástico se conectaron a los tubos de efluente de la columna y se llenaron con ≈ 500 ml de soluciones de tratamiento de sílice coloidal que salían de las columnas cerca del final de las inyecciones. Los depósitos permanecieron conectados a las columnas para permitir el reemplazo de los fluidos de los poros de las columnas durante el muestreo y limitar la intrusión de oxígeno y la desaturación de las columnas. El volumen total de muestra para cada columna fue inferior al 5% de un PV. Todo el seguimiento se completó después de las inyecciones durante el período de residencia posterior.

Se realizaron experimentos en cinco series diferentes destinadas a investigar el efecto de la composición de la solución sobre la actividad fermentativa estimulada, así como cambios en las tasas de gelificación y mejoras de ingeniería. Los experimentos por lotes de la serie 1 examinaron primero el efecto de las condiciones químicas abióticas sobre las tasas de gelificación de la solución en el tiempo, según lo capturado por los aumentos de viscosidad de la solución. Las soluciones exploraron el efecto de las diferencias en los valores iniciales de pH entre 4,0 y 10,0, así como las concentraciones de NaCl entre 0 y 10 g/L, y se monitorearon durante 120 días. Los resultados de la serie experimental 1 se utilizaron para determinar los valores de pH iniciales que podrían mantener suspensiones altamente estables (pH ≈ 9,5), así como los valores de pH finales objetivo después de la fermentación para inducir la gelificación de sílice coloidal (pH ≈ 5,0 a 6,0). Los experimentos por lotes de la serie 2 experimentales exploraron la capacidad de las soluciones de tratamiento para enriquecer con éxito las arenas naturales en busca de microorganismos fermentadores de glucosa, así como el efecto de las diferencias en las proporciones suministradas de suelo a solución sobre la actividad enriquecida. Las soluciones tenían un pH inicial de 9,5 e incluían 5 g/L de extracto de levadura (YE), 10 g/L de glucosa y diferentes proporciones suelo-solución que oscilaban entre 0 y 50 g de suelo por L de solución destinadas a evaluar la abundancia. de microorganismos fermentadores de glucosa en suelos parentales. Los experimentos que contenían Delta Sand y Concrete Sand fueron monitoreados durante 10 y 19 días, respectivamente. Tras la identificación de enfoques de enriquecimiento exitosos, los experimentos por lotes de la serie 3 exploraron más a fondo el efecto de las concentraciones suministradas de glucosa y YE sobre los comportamientos de reducción del pH. Todos los experimentos contenían 50 g/L de Delta Sand e incluían soluciones que tenían un pH inicial de 9,5, concentraciones de YE entre 0,1 y 10 g/L, concentraciones de glucosa entre 2,5 y 5 g/L, y se monitorearon durante 9 días. Se realizaron experimentos por lotes adicionales sin arena agregada para controlar la posible contaminación biológica y evaluar el efecto de las adiciones de sustrato sobre la gelificación. Tras la identificación de soluciones capaces de obtener valores de pH finales objetivo (≈ 5,0 a 6,0), los experimentos por lotes de la serie 4 exploraron el efecto de las adiciones de NaCl, que se utilizan comúnmente como acelerador de gelificación. Todos los experimentos contenían 50 g/L de Delta Sand y soluciones que tenían un pH inicial de 9,5 y contenían 1 g/L YE, 5 g/L de glucosa, entre 0 y 10 g/L NaCl, y fueron monitoreados durante 9 días. La Tabla 1 proporciona un resumen de todos los experimentos por lotes realizados en las series experimentales 1 a 4, incluidas las composiciones de las soluciones y los métodos de seguimiento empleados.

Siguiendo los conocimientos adquiridos en experimentos por lotes anteriores, se realizó la serie experimental 5 para explorar la eficacia del proceso biomediado en condiciones más representativas de campo y evaluar la capacidad de los procesos de caracterización químicos, geofísicos y otros para rastrear la actividad microbiana, la formación de geles y cuantificar. logrado mejoras de ingeniería. La serie experimental 5 consistió en experimentos complementarios de columnas de suelo y lotes que se trataron utilizando siete soluciones de tratamiento distintas destinadas a evaluar el efecto de la composición de la solución y comparar los comportamientos de enriquecimiento y gelificación en función de las proporciones de suelo a solución. Se emplearon dos soluciones abióticas diferentes (Soluciones A1 y A2) para evaluar la estabilidad de las soluciones en ausencia de actividad de fermentación microbiana. Ambas soluciones se ajustaron al pH a 9,5, no contenían YE ni glucosa añadidos e incluían 0 (Solución A1) o 1 g/L de NaCl (Solución A2). También se consideraron cinco soluciones diferentes (Soluciones B1 a B5) para explorar diversos aspectos del proceso biomediado, incluido: (i) el efecto de las concentraciones de YE suministradas en soluciones que contienen 0,2 g/L (Solución B1), 1 g/L (Solución B2i y B2ii), o 5 g/L (Solución B3) YE con 5 g/L de glucosa, (ii) el efecto de las concentraciones de glucosa en soluciones que contienen 5 g/L (Solución B2i y B2ii) o 10 g/L de glucosa (Solución B4) con 1 g/L YE, y (iii) el efecto de NaCl añadido en soluciones que contienen 0 g/L (Soluciones B2i y B2ii) o 1 g/L de NaCl (Solución B5) con 5 g/L de glucosa. y 1 g/L YE. La repetibilidad de los experimentos se evaluó mediante experimentos que recibieron composiciones de solución idénticas (Solución B2i y B2ii) y se compararon con experimentos idénticos también incluidos en las series experimentales 3 y 4. Para cada solución, se realizaron dos experimentos por lotes en proporciones de suelo a solución. de 50 g/L y 100 g/L y se realizó un experimento de columna de suelo única con una relación suelo-solución cercana a 4500 g/L. Los experimentos de lotes y columnas de suelo realizados en la serie experimental 5 se monitorearon durante hasta 6 días y permanecieron sin tratamiento durante 8 días adicionales hasta que se completaron las caracterizaciones posteriores al tratamiento de viscosidad, resistencia a la compresión ilimitada y conductividad hidráulica. La Tabla 2 proporciona un resumen de todos los experimentos por lotes y columnas de suelo realizados en la serie experimental 5, incluidas las composiciones de las soluciones y los métodos de monitoreo empleados.

Las mediciones de pH de la solución se completaron inmediatamente después del muestreo de la solución utilizando un electrodo y medidor de pH semimicro (Orion Versa Star Meter, Thermo Fisher) que se calibró diariamente y tenía una precisión de ± 0,05 unidades de pH. Las mediciones de la concentración de glucosa acuosa se realizaron exclusivamente para experimentos por lotes y en columnas de suelo de la serie experimental 5 utilizando muestras acuosas de 125 μL. Las muestras de solución obtenidas para mediciones de glucosa se estabilizaron inmediatamente después de la recolección en hidróxido de sodio 1,6 M para inhibir la actividad microbiana y disolver geles de sílice coloidal, cuando estuvieran presentes. Las concentraciones de glucosa se midieron utilizando muestras recolectadas y un kit de ensayo colorimétrico EnzyChromTM Glucose III (BioAssay Systems Inc.) que tenía un rango de detección lineal entre 0,3 y 2,0 mM de glucosa. Después de la adición del reactivo colorimétrico, se permitió que todas las muestras se equilibraran durante 30 minutos a temperatura ambiente y se midieron las densidades ópticas utilizando un espectrofotómetro de microplacas (Biotek Inc.) a una longitud de onda de 565 nm.

Para los experimentos por lotes en las series experimentales 1 y 5, los cambios en la viscosidad de la solución se evaluaron utilizando un viscosímetro digital de rango bajo (viscosímetro DVELV, Ametek Brookfield). Las mediciones de la viscosidad de la solución se obtuvieron solo al principio y al final de los experimentos biomediados para mitigar el potencial de contaminación biológica de los experimentos y la intrusión de oxígeno, que podría haber inhibido la actividad de fermentación. En todos los experimentos por lotes abióticos no estériles de la serie experimental 1 se midieron las viscosidades de la solución una vez al día.

Se realizaron mediciones de conductividad eléctrica y Vs en varios momentos durante los experimentos de columnas de suelo para examinar la capacidad de mediciones geofísicas no destructivas para detectar cambios en la progresión de la gelificación de sílice coloidal y la actividad de fermentación microbiana. Las mediciones de CE se completaron un mínimo de tres veces al día en cuatro columnas de suelo seleccionadas utilizando sensores integrados. Se diseñaron columnas equipadas con sensores de CE para evaluar la respuesta de soluciones similares aplicadas en condiciones abióticas (Solución A1, A2) y biomediadas (Solución B2ii, B5), así como para evaluar la influencia del NaCl agregado comparando columnas que recibieron soluciones sin (Solución A1, B2ii) y con 1 g/L de NaCl (Solución A2, B5). Las mediciones de Vs se completaron una vez al día para todas las columnas usando sensores de elementos dobladores que se excitaron usando una onda cuadrada de 24 V 100 Hz, y las señales recibidas se midieron y registraron usando un osciloscopio a una frecuencia de muestreo de 1 MHz siguiendo procedimientos similares a Lee et al. (2022)42. Se utilizaron espaciamientos conocidos de los elementos dobladores y tiempos de transmisión de ondas medidos para determinar los valores de Vs del suelo en varios momentos después de las inyecciones. Todas las columnas tenían valores iniciales de Vs entre 90 y 110 m/s.

Se utilizaron mediciones de presión de poro y caudal de fluido para estimar las conductividades hidráulicas del suelo antes y después de los tratamientos con solución de sílice coloidal. La conductividad hidráulica inicial de todas las columnas de suelo se midió durante la inyección del tratamiento de 8 PV. Las conductividades hidráulicas finales se evaluaron para todas las columnas 14 días después de las inyecciones aplicando 8 PV adicionales de agua desionizada. Durante las inyecciones, se obtuvieron mediciones de la presión de poro en las ubicaciones de entrada y efluente de la columna, los caudales se midieron utilizando los volúmenes de solución que salían de las columnas y las conductividades hidráulicas se estimaron utilizando estas mediciones, geometrías de columna conocidas y la Ley de Darcy. Todas las presiones de poro y los caudales se monitorearon y se dejaron estabilizar durante al menos 10 minutos antes de determinar las conductividades hidráulicas del suelo.

Se extruyeron muestras de columnas de suelo a partir de cilindros acrílicos después de la prueba final de conductividad hidráulica utilizando una extrusora hidráulica. Todas las columnas de suelo que permanecieron intactas después de la extrusión se sometieron a pruebas de resistencia a la compresión no confinada (UCS) para evaluar los posibles aumentos en las resistencias a la tracción proporcionadas por las lechadas de sílice. Las pruebas UCS se realizaron utilizando un sistema de marco de carga electromecánico (GDS Instruments) de acuerdo con ASTM D216643 utilizando una tasa de deformación axial constante del 1% por minuto.

La Figura 2 presenta el tiempo necesario para alcanzar viscosidades de solución superiores a 2000 cP, denominado tiempo de gel, versus el pH de la solución para todos los experimentos por lotes de sílice coloidal abiótica de la serie experimental 1. Los experimentos consideraron valores de pH que oscilaban entre 4,0 y 10,0 y concentraciones de NaCl que oscilaban entre 0 a 10 g/L, con tiempos de gel determinados a partir de mediciones de viscosidad en el tiempo (que se muestran en la figura complementaria S1). Se observaron grandes variaciones en las tasas de aumento de la viscosidad tanto con cambios en el pH como en las concentraciones de NaCl. Al mismo pH, se observaron disminuciones en los tiempos de gel al aumentar las concentraciones de NaCl. Sin embargo, para concentraciones similares de NaCl, las soluciones preparadas con los valores de pH más bajos (pH = 4,0) y más altos (pH = 10,0) considerados tuvieron los tiempos de gelificación más largos, y las soluciones preparadas con valores de pH cercanos a 6,0 exhibieron los tiempos de gelificación más cortos. Como se esperaba, todos los experimentos mantuvieron valores de pH estables en el tiempo después de la mezcla inicial, lo que confirma que en todos los experimentos la formación de gel fue inducida abióticamente (Figura complementaria S2). Cuando no se suministró NaCl, los tiempos de gelificación fueron más cortos para valores de pH entre 5,0 y 6,0, donde la mayoría de las muestras requirieron entre 6 y 7 días para alcanzar el punto de gelificación. Sin embargo, con valores de pH iniciales por debajo o por encima de este rango, los tiempos de gel aumentaron significativamente. Por ejemplo, a valores de pH iniciales superiores a 7,5, el punto de gelificación no se alcanzó después de 120 días de seguimiento. A medida que las concentraciones de NaCl suministradas aumentaron a 5 g/l, el rango de pH en el que los tiempos de gelificación eran más cortos se amplió para incluir valores de pH entre 5,0 y 7,0, siendo necesarios aproximadamente 2 días para alcanzar el punto de gelificación en la mayoría de los experimentos. Sin embargo, nuevamente, a valores de pH por debajo y por encima de este rango, los tiempos de gelificación aumentaron a entre 5 y 45 días, y la muestra con pH = 10,0 aún no pudo alcanzar el punto de gelificación dentro de los 120 días. A la concentración de NaCl más alta considerada (10 g/L), el rango de pH en el que los tiempos de gel fueron más cortos se amplió para incluir valores entre 5,0 y 8,5 con tiempos de gel nuevamente tan bajos como 2 días. Sin embargo, fuera de este rango de pH, los tiempos de gelificación fueron como máximo de sólo 20 días. Este resultado fue consistente con otros estudios anteriores13 que han demostrado que las adiciones de NaCl se pueden usar para disminuir los tiempos de gel y ampliar los rangos de pH óptimos necesarios para la formación del gel. Por el contrario, las soluciones sin adiciones de NaCl permanecieron muy estables una vez que los valores de pH fueron inferiores a 4,5 o excedieron 6,5. Se planteó la hipótesis de que la fermentación microbiana podría ejercer el mayor control sobre la formación de gel de sílice para soluciones alcalinas que de otro modo permanecerían muy estables abióticamente. En consecuencia, en experimentos posteriores se consideraron soluciones con un pH inicial de 9,5 y una concentración de NaCl de 0 g/l y se esperaba que proporcionaran la mayor oportunidad para que la fermentación microbiana controlara el tiempo de gelificación a través de las tasas de reducción del pH y las magnitudes finales de reducción del pH. En estos experimentos biomediados, se alcanzaron valores de pH finales entre 5,0 y 6,0 después de la fermentación microbiana para permitir una gelificación de sílice más rápida.

Tiempo de gel (tiempo hasta viscosidad > 2000 cP) versus pH para todos los experimentos por lotes de sílice coloidal abiótica de la serie experimental 1 con concentraciones de NaCl entre 0 y 10 g/l.

La Figura 3 presenta mediciones de pH en el tiempo para experimentos por lotes de la serie experimental 2 que contienen Concrete Sand (Fig. 3a) y Delta Sand (Fig. 3b) en diferentes proporciones de suelo a solución. Como se muestra en la Fig. 3a, se observaron reducciones de pH de 9,5 a ≈ 7,0 entre 4 y 17 días en todos los experimentos de Concrete Sand. A medida que aumentaron las proporciones suelo-solución, el inicio de las reducciones del pH se observó más temprano en el tiempo, lo que sugiere que se podrían obtener aumentos más rápidos en las densidades de células microbianas fermentativas enriquecidas con aumentos en las masas de suelo agregadas. Este retraso reflejó tanto el tiempo requerido para el enriquecimiento microbiano fermentativo y el crecimiento celular como el tiempo requerido para una fermentación de glucosa suficiente necesaria para cambiar el pH de la solución global circundante, lo que sugiere que los aumentos en las masas de suelo añadidas probablemente proporcionaron una mayor densidad celular inicial de fermentación. microorganismos que podrían enriquecerse, lo que coincide con muchos otros estudios que demuestran aumentos en la densidad celular con masas de suelo agregadas44,45. Para todos los experimentos que contenían al menos 5 g/L de suelo, las tendencias del pH fueron similares en el tiempo y los valores mínimos de pH estuvieron dentro del rango objetivo de 5,0 a 6,0 identificado en experimentos anteriores. Al considerar las tendencias de Delta Sand, se observaron reducciones de pH de 9,5 a ≈ 7,0 en un plazo de 2,5 a 7 días, un poco antes que los experimentos de Concrete Sand. La tasa de reducción de pH más rápida observada en Delta Sand en comparación con Concrete Sand puede haber resultado de un enriquecimiento más rápido de microorganismos fermentadores de glucosa en este suelo o de un inóculo inicial más grande de microorganismos fermentativos por masa de suelo. Se planteó la hipótesis de que los microorganismos nativos presentes en Delta Sand pueden haber exhibido una mayor tolerancia al pH alcalino y a las condiciones de alta fuerza iónica impuestas por las soluciones de sílice coloidal debido a los orígenes marinos de este suelo original, aumentando así la tasa de enriquecimiento. Al igual que con Concrete Sand, las tasas de reducción del pH fueron proporcionales a las masas de suelo agregadas, y los experimentos que contenían al menos 5 g/L de suelo lograron valores mínimos de pH entre 5,0 y 6,0. Se observaron cambios mínimos de pH en ambos experimentos de control estéril que no contenían arena añadida, lo que sugiere que no se produjo ninguna contaminación biológica detectable. Aunque no se obtuvieron mediciones de viscosidad a tiempo para experimentos biomediados con el fin de mitigar el potencial de contaminación biológica e intrusión de oxígeno, los resultados anteriores de la Fig. 2 sugirieron que se esperaría que las viscosidades de la solución aumentaran a valores superiores a 2000 cP aproximadamente 6 a 7 días después. logrando valores de pH entre 5,0 y 6,0 y entre 7 y 50 días después de alcanzar valores de pH entre 6,0 y 7,0 para experimentos sin NaCl añadido.

Mediciones de pH versus tiempo obtenidas de experimentos por lotes de sílice coloidal estimulada en la serie experimental 2 que contienen 0, 0,5, 5 o 50 g/L de (a) arena para concreto o (b) arena Delta. Todas las soluciones contenían 6 % de sílice coloidal, 5 g/l de extracto de levadura, 10 g/l de glucosa y tenían un pH inicial de 9,5.

Tras la identificación de técnicas de enriquecimiento exitosas, se realizó una tercera serie de experimentos por lotes para comprender mejor el papel del YE y las concentraciones de glucosa en la alteración de la actividad de fermentación microbiana en el tiempo. La serie experimental 3 consideró un rango más estrecho de concentraciones de glucosa destinadas a lograr valores de pH finales cerca del rango objetivo de 5,0 a 6,0 con un uso mínimo de material y también consideró un amplio rango de concentraciones de YE que se esperaba alteraran las densidades de células enriquecidas y, por lo tanto, controlaran la fermentación y Tasas de reducción del pH46. La Figura 4 presenta mediciones de pH en el tiempo obtenidas de experimentos por lotes que recibieron soluciones con 2,5–5 g/L de glucosa, 0,1–10 g/L YE y 50 g/L Delta Sand. También se realizaron experimentos de control estéril que no contenían arena añadida. Como se muestra, cuando había 2,5 g/l de glucosa, se observaron reducciones de pH de 9,5 a ≈ 8,0 en todos los experimentos dentro de 2 a 5,5 días (Fig. 4a). Las reducciones detectables del pH también ocurrieron antes y a un ritmo más rápido para las muestras con concentraciones más altas de YE, lo que refleja aumentos en la actividad de fermentación enriquecida. Aunque se observaron valores de pH mínimo similares entre 7,0 y 7,5 en los experimentos de YE más altos, en el experimento de YE de 0,1 g/L, curiosamente, se obtuvo un pH mínimo más bajo cercano a ≈ 6,0, posiblemente reflejando un enriquecimiento más selectivo y/o una diferencia en la solución. almacenamiento en búfer. Al considerar tendencias similares para todos los experimentos que contenían 3,75 g/L de glucosa (Fig. 4b), nuevamente se observaron reducciones de pH de 9,5 a ≈ 8,0 en todos los experimentos entre 2 y 5,5 días y la actividad de reducción del pH fue proporcional al YE suministrado. Sin embargo, se observaron valores de pH mínimos más bajos, entre 5,5 y 6,5, que estaban cerca del rango de pH objetivo. Finalmente, en experimentos que recibieron 5 g/l de glucosa (Fig. 4c), se observaron reducciones de pH similares de 9,5 a ≈ 8,0 en 2 a 6 días y se alcanzaron valores mínimos de pH entre 5,0 y 6,0 en 3 a 9 días. Todos los experimentos de control estéril mostraron cambios mínimos de pH independientemente de la concentración de YE, lo que nuevamente refleja una esterilidad continua en el tiempo. En conjunto, estos resultados sugirieron que 5 g/l de glucosa proporcionaron suficientes carbohidratos fermentables necesarios para alcanzar los valores de pH objetivo y que el YE proporcionaba un medio mediante el cual se podían controlar las tasas de fermentación y gelificación. También se caracterizaron las diferencias en el tiempo necesario para lograr reducciones iniciales del pH de 9,5 a 8,5 y de 9,5 a 7,5 (Figura complementaria S3), que se esperaba que reflejaran mejor las diferencias en las densidades microbianas fermentativas debido a la dependencia limitada de las tasas de fermentación de las concentraciones de glucosa. cerca del inicio de reacciones a altas concentraciones de glucosa, de acuerdo con la cinética de Michaelis-Menten. Como se esperaba, las tasas iniciales de reducción del pH estuvieron fuertemente correlacionadas con los cambios en el YE suministrado, pero fueron en gran medida independientes de las diferencias en la glucosa suministrada. Además, si bien se pudieron observar grandes diferencias en la tasa de reducción del pH cuando la YE se varió entre 0,1 y 1 g/L, cuando la YE se incrementó aún más a 10 g/L, se observaron aumentos más mínimos en las tasas, lo que sugiere que el crecimiento y el enriquecimiento de los fermentos Los microorganismos probablemente estuvieron limitados por otros factores, como la generación de desechos celulares y/o limitaciones de trazas de nutrientes en altas concentraciones de YE.

Mediciones de pH versus tiempo obtenidas a partir de experimentos por lotes de sílice coloidal estimulada en la serie experimental 3 que contienen 0,1, 1 o 10 g/l de extracto de levadura y 2,5, 3,75 o 5 g/l de glucosa. Todas las soluciones contenían 6 % de sílice coloidal, 50 g/l de arena Delta y tenían un pH inicial de 9,5.

Aunque experimentos abióticos anteriores demostraron que las adiciones de NaCl podrían usarse para ampliar el rango de valores de pH necesarios para acelerar el proceso de gelificación, no estaba claro qué efecto podría tener el NaCl añadido sobre el enriquecimiento de los microorganismos fermentadores cuando se incluye en suspensiones para acelerar aún más la gelificación. Se realizaron una serie de experimentos por lotes en la serie experimental 4 para evaluar el efecto de las adiciones de NaCl sobre la actividad de fermentación enriquecida. Aunque se esperaba que concentraciones más altas de NaCl ralentizaran el proceso de enriquecimiento y la actividad de fermentación microbiana a través de aumentos en el estrés osmótico y posibles interferencias con los procesos de transporte celular, estudios anteriores han demostrado que Escherichia coli, un microorganismo modelo de fermentación ácida mixta, exhibió tanto aumentos47 como disminuciones48 en la fermentación. actividad dependiendo de las condiciones geoquímicas del entorno. La Figura 5 presenta mediciones de pH en el tiempo para experimentos por lotes que contienen soluciones con 0 a 10 g/L de NaCl, 50 g/L de arena Delta, 5 g/L de glucosa y 1 g/L de YE, con un pH inicial de 9,5. Como se muestra, se observaron diferencias mínimas en los comportamientos de reducción del pH cuando las concentraciones de NaCl fueron menores o iguales a 5 g/L y todos los experimentos alcanzaron valores de pH entre 5,0 y 6,0 en 4 días. Sin embargo, en el experimento de 10 g/L de NaCl, se observó una inhibición significativa de la actividad de fermentación con un retraso en el inicio de las reducciones del pH de aproximadamente 2 días y un retraso en la presencia de valores de pH dentro del rango objetivo cerca de 3 días, lo que sugiere que el NaCl enriquecido. La actividad de fermentación puede inhibirse en altas concentraciones de sal. Nuevamente, los resultados anteriores de la Fig. 2 sugirieron que se esperaría que las viscosidades de la solución aumentaran a valores superiores a 2000 cP aproximadamente 6 a 7 días, 2 a 3 días y cerca de 2 días después de alcanzar valores de pH entre 5,0 y 6,0 en experimentos que contenían 0,0. 5 y 10 g/L de NaCl, respectivamente.

Mediciones de pH versus tiempo de experimentos por lotes de sílice coloidal estimulada en la serie experimental 4 que contienen 0, 1, 2,5, 5 y 10 g/l de NaCl. Todas las soluciones contenían 6 % de sílice coloidal, 50 g/l de arena delta, 5 g/l de glucosa, 1 g/l de extracto de levadura y tenían un pH inicial de 9,5.

Para comprender mejor el efecto de las concentraciones de glucosa aplicadas sobre los valores mínimos de pH realizados en experimentos por lotes, se representaron los valores mínimos de pH versus las concentraciones de glucosa suministradas para todos los experimentos de las series experimentales 2 a 4 que contenían entre 2,5 y 10 g/L de glucosa, entre 0,1 y relaciones suelo-solución de 10 g/L YE, 0 g/L NaCl y Delta Sand superiores a 0,5 g/L (Fig. 6). Como se muestra, los aumentos en las concentraciones de glucosa suministradas dieron como resultado reducciones casi lineales en los valores mínimos de pH cuando las concentraciones de glucosa suministradas variaron de 0 a ≈ 5 g/L. Sin embargo, a medida que las concentraciones de glucosa aumentaron aún más, se observaron disminuciones más mínimas en los valores mínimos de pH, probablemente debido al aumento del tampón de las soluciones por parte de los ácidos orgánicos producidos. Al considerar el rango de pH mínimo objetivo de 5,0 a 6,0, todos los experimentos que recibieron soluciones con al menos 5 g/L de glucosa alcanzaron valores mínimos de pH dentro del rango objetivo, a pesar de las diferencias en las tasas de fermentación.

pH mínimo versus concentraciones iniciales de glucosa para experimentos discontinuos de sílice coloidal estimulada de las series experimentales 2 a 4. Todas las soluciones contenían 6 % de sílice coloidal, más de 0,5 g/l de arena Delta, 0 g/l de NaCl, entre 2,5 y 10 g/l de glucosa. , entre 0,1 y 10 g/L YE, y tenía un pH inicial de 9,5.

Aunque los experimentos por lotes anteriores investigaron el efecto del diseño de la solución de tratamiento sobre la actividad de fermentación enriquecida, no quedó claro cómo el proceso de enriquecimiento podría diferir en condiciones más representativas de los suelos subterráneos, así como también cómo el proceso biomediado podría monitorearse efectivamente in situ. En la serie experimental 5 se realizaron una serie de experimentos complementarios por lotes y columnas de suelo para investigar la capacidad de las técnicas de tratamiento previamente identificadas de ampliarse a volúmenes de suelo más representativos, la capacidad de los métodos de monitoreo químico y geofísico para rastrear la progresión del proceso y cuantificar la postproducción. -mejoras en la ingeniería de tratamiento. La Figura 7 presenta mediciones de pH versus tiempo después de la inyección medidas en tres lugares diferentes a diferentes distancias de la fuente de inyección para todos los experimentos de columnas de suelo que recibieron una única inyección de una de siete soluciones diferentes, incluidas dos soluciones abióticas diferentes (Soluciones A1 y A2) y cinco soluciones diseñadas para inducir la gelificación biomediada (Soluciones B1 a B5). Como se muestra, en ambas columnas abióticas (Fig. 7a, b) los valores iniciales de pH estaban cerca de 9,5, pero disminuyeron a entre 8,0 y 7,5 durante el primer día debido al equilibrio de las soluciones con los minerales existentes del suelo. Aunque las tendencias de pH observadas fueron similares entre los lugares de muestreo, los valores de pH se mantuvieron ligeramente elevados cerca de la fuente de inyección, que recibió soluciones más concentradas. Al examinar las tendencias de las columnas biomediadas (Fig. 7c-h), se observaron diferencias más mínimas entre las ubicaciones de los puertos de muestreo, lo que sugiere que existían diferencias mínimas en la actividad microbiana enriquecida espacialmente dentro de las columnas. Independientemente de las diferencias en las composiciones de la solución de tratamiento entre las columnas biomediadas, los valores de pH se redujeron de valores iniciales cercanos a 9,5 a valores inferiores a 7,0 en 2 días con valores mínimos de pH entre 7,0 y 5,0, cerca y dentro del rango de pH objetivo.

Mediciones de pH versus tiempo de experimentos de columnas de suelo de sílice coloidal estimuladas de la serie experimental 5, incluidos experimentos que recibieron (a, b) dos soluciones abióticas diferentes y (c, d, e, f, g, h) seis soluciones biomediadas diferentes. Todas las soluciones contenían 6% de sílice coloidal y concentraciones variables de glucosa, YE y NaCl con un pH inicial de 9,5. Las mediciones se obtuvieron en tres ubicaciones de puertos de muestreo que estaban a 5,1 cm, 10,2 cm y 15,2 cm de la fuente de inyección.

Dado que todos los lugares de muestreo de columnas de suelo tuvieron respuestas de pH similares, en comparaciones adicionales se consideraron mediciones únicamente del lugar de muestreo a media altura. La Figura 8 presenta mediciones de pH en el tiempo desde todos los lugares de muestreo a media altura de las columnas de suelo, así como los experimentos por lotes correspondientes que reciben soluciones idénticas pero con proporciones de suelo a solución significativamente más bajas. Como se muestra, para las soluciones abióticas (Fig. 8a, b) no se observaron cambios de pH detectables en experimentos por lotes; sin embargo, se observaron reducciones de pH apreciables en las columnas de suelo, atribuibles a las mayores proporciones de suelo a solución presentes en estos experimentos. Al comparar las respuestas observadas para las soluciones biomediadas (Fig. 8c-h), se observaron reducciones de pH más rápidas en las columnas de suelo en comparación con los experimentos por lotes, lo que refleja las proporciones más altas de suelo a solución que proporcionaron mayores densidades microbianas iniciales, un resultado consistente con tendencias observadas para otros procesos biomediados49. En todos los experimentos por lotes, los valores mínimos de pH dentro del rango de pH objetivo de 5,0 a 6,0 se alcanzaron entre 2,5 y 5,5 días, en consonancia con los experimentos anteriores. Los experimentos por lotes que contenían 100 g/L de arena Delta lograron reducciones de pH más rápidas que los experimentos de 50 g/L para la misma solución, aunque las diferencias en las tendencias del pH no tuvieron una compensación de más de 1 día. Aunque las tasas de reducción del pH fueron más rápidas inicialmente en las columnas de suelo en comparación con los experimentos por lotes, curiosamente los valores mínimos de pH fueron detectablemente más altos en las columnas y oscilaron entre 5,5 y 6,5. Por último, los experimentos que recibieron soluciones idénticas (Soluciones 2Bi y 2Bii) demostraron comportamientos de reducción del pH similares en el tiempo tanto para los experimentos discontinuos como para las columnas de suelo. Para los experimentos por lotes de arena Delta de 50 g/L, las respuestas también se compararon con experimentos por lotes idénticos realizados en las series experimentales 3 y 4 con comportamientos de pH casi idénticos observados en todos los experimentos, lo que sugiere que las condiciones entre las series experimentales fueron similares y los experimentos fueron repetibles (Figura complementaria .S4). Al comparar las tendencias de la concentración de glucosa acuosa en el tiempo entre los experimentos por lotes y en columna, se observaron tendencias similares (Figura complementaria S5). En todos los experimentos, las concentraciones iniciales de glucosa variaron entre 5 y 10 g/L; el inicio de la degradación de la glucosa ocurrió dentro de 1 a 3 días y se observaron aumentos en las tasas de degradación de la glucosa con aumentos en las proporciones suelo-solución. Aunque se detectó una degradación casi completa de la glucosa suministrada en todas las columnas de suelo de glucosa de 5 g/L, en los experimentos de la columna de glucosa de 10 g/L y en los experimentos de lotes seleccionados, las soluciones gelificadas antes de lograr la degradación completa de la glucosa y las muestras acuosas no se pudieron obtener físicamente. para capturar el final de las reacciones de fermentación.

Comparación de mediciones de pH versus tiempo obtenidas de experimentos de columna de suelo y lotes de sílice coloidal estimulados de la serie experimental 5, incluidos experimentos que recibieron (a, b) dos soluciones abióticas diferentes y (c, d, e, f, g, h) seis soluciones biomediadas diferentes. Todas las soluciones contenían 6% de sílice coloidal y concentraciones variables de glucosa, YE y NaCl con un pH inicial de 9,5 y consideraron cambios en las respuestas del pH con diferencias en las proporciones suelo-solución.

Para comprender el efecto de varios cambios en las formulaciones de la solución de tratamiento sobre la actividad de fermentación observada en experimentos de columnas de suelo, se compararon las mediciones de pH y concentración de glucosa en el tiempo obtenidas de los puertos de muestreo de altura media entre columnas seleccionadas (Fig. 9). Las tendencias de pH y concentración de glucosa se compararon primero entre columnas de suelo que recibieron soluciones similares (1 g/L YE, sin NaCl añadido) pero con concentraciones iniciales variables de glucosa (5 g/L o 10 g/L) (Fig. 9a,b). Como se muestra, las tendencias del pH fueron similares entre las columnas en el tiempo, con valores mínimos de pH entre 5,5 y 6,5 observados en todas las columnas, a pesar de una degradación de la glucosa significativamente mayor en la columna de glucosa de 10 g/L, un resultado consistente con experimentos por lotes anteriores. Sin embargo, cuando se consideraron las diferencias en las concentraciones de YE suministradas (Fig. 9c, d), se observaron grandes diferencias en la reducción del pH y las tasas de degradación de la glucosa. Mientras que la columna YE de 5 g/L alcanzó un pH cercano a 6,5 ​​después de 1 día, las columnas YE de 1 g/L lograron la misma reducción entre 1,5 y 2 días, y la columna YE de 0,1 g/L requirió casi 3,5 días. Las mediciones de concentración de glucosa reflejaron diferencias similares en las tasas de fermentación con una degradación casi completa de los 5 g/L de glucosa suministrada observada entre 2 y 4 días en todas las columnas. En conjunto, estos resultados confirmaron aún más la capacidad de las concentraciones de YE suministradas para controlar las densidades de células fermentativas enriquecidas y las velocidades de reacción en condiciones más representativas de los suelos subterráneos. Al considerar las diferencias en el NaCl suministrado (Fig. 9e, f), no se observaron efectos significativos en las tendencias del pH y las concentraciones de glucosa en el tiempo y fueron consistentes con los resultados de experimentos por lotes anteriores que mostraron una inhibición limitada por debajo de 5 g/L de NaCl. Por último, las columnas que recibieron las mismas soluciones (Solución 2Bi y 2Bii) nuevamente demostraron comportamientos de reducción de pH y glucosa similares en el tiempo, aunque con mayor variabilidad que los experimentos discontinuos.

Comparación de las mediciones de pH y glucosa en el tiempo obtenidas en ubicaciones de puertos de muestreo a media altura para experimentos con columnas de suelo de sílice coloidal estimuladas de la serie experimental 5 con diferentes (a, b) glucosa, (c, d) YE y (e, f) NaCl. concentraciones. Todas las soluciones contenían 6% de sílice coloidal y tenían un pH inicial de 9,5.

Para comprender mejor las relaciones entre el consumo de glucosa y las reducciones de pH obtenidas, se compararon las mediciones correspondientes de pH y glucosa obtenidas en momentos similares durante las reacciones (que se muestran en la Fig. 9) para todos los experimentos biomediados por lotes y columnas de suelo de la serie experimental 5 (Fig. 10). Como se muestra, los valores de todos los experimentos se agruparon en función de las concentraciones iniciales de glucosa y las diferencias en las concentraciones de YE y NaCl tuvieron efectos mínimos en las tendencias observadas (Figura complementaria S6). Los valores de pH iniciales comenzaron cerca de 9,5 en todos los experimentos antes de cualquier fermentación de glucosa detectable con valores de pH cercanos a 6,0 y 5,5 obtenidos después de la degradación de 2 g/L y 4 g/L de glucosa, respectivamente, independientemente de la concentración inicial de glucosa. En los experimentos de glucosa de 10 g/L, no se pudieron obtener muestras con menos de 4 g/L de glucosa debido a la gelificación de las soluciones, lo que impidió tomar más muestras. Sin embargo, para concentraciones de glucosa inferiores a 6 g/l, los valores de pH parecieron permanecer prácticamente constantes cerca de 5,5 debido al tampón de la solución. Aunque se observaron tendencias similares entre los experimentos por lotes y en columnas de suelo, se observaron valores de pH ligeramente elevados en las columnas de suelo para la misma magnitud de degradación de la glucosa. Sin embargo, la coherencia en las tendencias más amplias observadas tanto en los experimentos por lotes como en los de columnas de suelo demostró la utilidad de los experimentos por lotes para permitir un diseño eficaz de la solución de tratamiento y la evaluación de las condiciones específicas del sitio, lo que puede imponer químicas de la solución que difieren de las examinadas en este estudio. estudiar.

Comparación de las correspondientes mediciones de pH y glucosa obtenidas en momentos similares durante reacciones para experimentos de columna de suelo y lotes de sílice coloidal estimulada de la serie experimental 5 que reciben soluciones con 5 o 10 g/L de glucosa. Todas las soluciones contenían 6% de sílice coloidal, tenían un pH inicial de 9,5 y contenían concentraciones variables de YE y NaCl.

La Figura 11 presenta mediciones de conductividad eléctrica del suelo obtenidas de columnas de suelo seleccionadas versus el tiempo, así como las mediciones de pH correspondientes. Como se muestra, inmediatamente después de saturar las columnas con agua desionizada, los valores de CE medidos estuvieron cerca de 0,3 mS/cm en todas las columnas (Fig. 11a). Sin embargo, después de las inyecciones de solución de sílice coloidal, los valores de CE aumentaron significativamente hasta cerca de 0,75 mS/cm y 0,6 mS/cm para las columnas que recibieron soluciones con y sin 1 g/l de NaCl, respectivamente. Durante el período de monitoreo de 6 días, ambas columnas abióticas mantuvieron valores de CE relativamente estables con solo aumentos graduales de ≈ 0,15 mS/cm con el tiempo. Por el contrario, se observaron grandes aumentos en los valores de CE de la columna del suelo después de ≈ 1 día en la columna biomediada con 1 g/L de NaCl (Columna B5) y después de ≈ 1,5 días cuando el NaCl añadido no estaba presente (Columna B2ii). Después de 1,5 a 3,5 días, se observaron valores de CE casi estables en ambas columnas biomediadas con aumentos generales de CE de cerca de 0,7 mS/cm con respecto a los valores posteriores a la inyección. No estaba claro si los aumentos de CE estaban relacionados con aumentos de la fuerza iónica de la solución resultantes de la fermentación de la glucosa u otros cambios de CE relacionados con la formación de enlaces entre los coloides de sílice y la posible liberación de electrolitos absorbidos durante la gelificación50,51. Para evaluar el efecto de la actividad de fermentación sobre los aumentos de CE, se compararon los valores correspondientes de pH y CE (Fig. 11b). Como se muestra para ambas columnas abióticas, los valores de pH disminuyeron gradualmente de ≈ 9,0 a entre 8,0 y 7,0 con el tiempo, mientras que solo se observaron aumentos mínimos en los valores de CE. En la columna biomediada sin NaCl añadido (columna B2ii), las reducciones del pH se correspondieron con aumentos graduales de la CE. Sin embargo, en la columna biomediada con 1 g/l de NaCl (columna B5), se observó un gran aumento en la CE mientras el pH se mantuvo constante cerca de 8,5 y se observaron aumentos mínimos de la CE cuando el pH cambió sustancialmente de 8,5 a 6,0. Aunque las disminuciones de pH y los aumentos de CE no se correlacionaron consistentemente para las dos soluciones consideradas, los aumentos de CE observados en ambos experimentos biomediados pueden haber resultado de la gelificación de las soluciones y los cambios relacionados en las concentraciones de electrolitos estabilizadores o de los aumentos de la fuerza iónica de la solución provocados por la fermentación de la glucosa. En el futuro, las mediciones de CE, glucosa y pH pueden proporcionar métodos nuevos y más eficaces mediante los cuales se pueda controlar la progresión in situ de la actividad microbiana y la gelificación de sílice coloidal.

Mediciones de (a) conductividades eléctricas del suelo en el tiempo obtenidas de experimentos seleccionados de columnas de suelo de la serie experimental 5 y (b) comparaciones del pH de la solución correspondiente y mediciones de conductividad eléctrica del suelo para columnas similares.

La Figura 12 presenta las velocidades de las ondas de corte del suelo (Vs) y las diferencias de velocidad de las ondas de corte (ΔVs) en el tiempo para todas las columnas de suelo medidas a media altura de las columnas. Antes de las inyecciones, todas las columnas tenían valores iniciales de Vs entre 90 y 110 m/s con pequeñas reducciones en los valores de Vs observadas en los 5 días posteriores a las inyecciones (Fig. 12a). Aunque no estaba claro por qué los valores de Vs del suelo disminuyeron con el tiempo en las columnas abióticas y biomediadas, se planteó la hipótesis de que dichas disminuciones podrían haber estado relacionadas con la relajación de las tensiones verticales aplicadas desde las tapas superiores a lo largo del tiempo, así como con el hinchamiento de las soluciones de sílice coloidal suministradas. durante la gelificación. Los valores de ΔVs indicaron además que en ambas columnas abióticas, se observaron reducciones de ΔVs en el tiempo cercanas a 5 m/s; sin embargo, generalmente se observaron reducciones de ΔVs mayores, de hasta 18 m/s, en columnas biomediadas en las que el hinchamiento de las soluciones de sílice coloidal puede haber disminuido entre partículas. tensiones de contacto a pesar de impartir también una pequeña resistencia a la tracción (Fig. 12b). Este resultado fue consistente con observaciones de otros estudios anteriores que involucraron arenas tratadas con soluciones de sílice coloidal en las que se atribuyeron reducciones similares de ΔVs a reducciones en las tensiones de contacto entre partículas después de la formación de gel6.

Mediciones de (a) velocidades de las ondas de corte del suelo (Vs) y (b) cambios de velocidad de las ondas de corte del suelo (ΔVs) en el tiempo obtenidas para todos los experimentos de columnas de suelo de la serie experimental 5 utilizando sensores de elementos dobladores ubicados en ubicaciones de media altura.

Después de todas las actividades de monitoreo no destructivo, se evaluaron los cambios en las conductividades hidráulicas del suelo y las resistencias a la compresión ilimitada (UCS) para todas las columnas de suelo y los cambios en las viscosidades de las soluciones para todos los experimentos por lotes 14 días después de las inyecciones iniciales. La Figura 13 presenta una comparación de las conductividades hidráulicas inicial y final para experimentos de columnas de suelo y las viscosidades iniciales y finales para experimentos por lotes con la Tabla complementaria S1 que proporciona un resumen de todas las caracterizaciones posteriores al tratamiento, incluidas las resistencias a la compresión no confinada (UCS) medidas para columnas de suelo. Al comparar las mediciones iniciales y posteriores al tratamiento, las conductividades hidráulicas de la columna de suelo disminuyeron entre 1,5 y 2 órdenes de magnitud en todas las columnas biomediadas que experimentaron gelificación de sílice coloidal. Estas reducciones de la conductividad hidráulica fueron consistentes con las observadas en otros estudios anteriores que involucraron arenas tratadas con lechadas de sílice coloidal convencionales52. Por el contrario, en ambas columnas abióticas, las conductividades hidráulicas finales del suelo fueron sólo ligeramente más pequeñas que los valores iniciales, lo que refleja una gelificación incompleta. También se obtuvieron resistencias a la compresión no confinada (UCS) para las cuatro columnas biomediadas que no tenían sensores de EC integrados y variaron entre ≈ 12 y 34 kPa, mientras que ambas columnas abióticas carecían de la suficiente resistencia a la tracción necesaria para realizar mediciones de UCS. Gallagher y Mitchell (2002)3 observaron valores UCS similares cerca de 35 kPa para muestras tratadas con sílice coloidal al 5% y demostraron que tales mejoras eran capaces de lograr grandes aumentos en las resistencias a la licuefacción del suelo. Por ejemplo, mientras que una muestra de arena suelta sin tratar alcanzó una deformación cortante de doble amplitud del 5% después de 20 ciclos de carga con una relación de tensiones cíclicas aplicadas (CSR = τ/σ'v inicial) de 0,23, una muestra tratada con sílice coloidal al 5% requirió 100 ciclos. de carga en el mismo CSR para obtener estas mismas deformaciones de corte. Al examinar los cambios en las viscosidades de las soluciones para experimentos discontinuos, todos los experimentos discontinuos biomediados experimentaron grandes aumentos de viscosidad desde valores iniciales cercanos a 1,6 cP hasta valores entre 920 cP y superiores a 20.000 cP. Por el contrario, todos los experimentos abióticos mantuvieron valores de viscosidad final similares a los valores iniciales, lo que refleja la ausencia de gelificación. En conjunto, estas caracterizaciones posteriores al tratamiento confirmaron la capacidad de la fermentación microbiana para mediar en la gelificación de sílice coloidal con mejoras de ingeniería finales consistentes con las proporcionadas por las lechadas de sílice coloidal abióticas convencionales.

Comparación de (a) conductividades hidráulicas iniciales y finales de experimentos de columna de suelo y (b) viscosidades de solución de experimentos por lotes con 50 y 100 g de Delta Sand de la serie experimental 5. Las flechas hacia arriba indican viscosidades de solución superiores a 20 000 cP que no se pudieron determinar.

Se exploró el potencial de los microorganismos fermentativos enriquecidos para mediar en la gelificación de lechadas de sílice coloidal mediante reducciones controladas del pH de la solución y aumentos de la fuerza iónica a través de una serie de experimentos discontinuos y en columnas de suelo. Los experimentos demostraron que la fermentación microbiana podría usarse para mediar con éxito la lechada de sílice coloidal y también se examinaron el efecto de la composición de la solución de tratamiento y los efectos sobre las propiedades mecánicas del suelo. De los resultados de este estudio se pueden sacar las siguientes conclusiones:

Los experimentos abióticos por lotes determinaron que cuando las soluciones de sílice coloidal al 6 % no contenían NaCl añadido, la gelificación se producía más rápidamente cuando los valores de pH estaban entre 5,0 y 6,0. Sin embargo, cuando las soluciones se ajustaron a valores de pH más alcalinos, cercanos a 9,5, las soluciones permanecieron muy estables y mostraron cambios mínimos de viscosidad incluso después de 120 días. Se utilizaron suspensiones alcalinas altamente estables (pH = 9,5) en todos los experimentos biomediados posteriores en los que se exploró la capacidad de la actividad de fermentación microbiana para reducir los valores de pH y mediar en la gelificación.

Se demostró que las soluciones desarrolladas se enriquecen con éxito para la fermentación microbiana de glucosa en dos arenas naturales diferentes con aumentos en las proporciones suelo-solución, lo que da como resultado tasas de reducción del pH más rápidas debido a inoculantes celulares iniciales más grandes. El enriquecimiento exitoso en experimentos que recibieron proporciones bajas de suelo a solución (0,5 g/L) sugirió además que los microorganismos fermentativos capaces de facilitar el proceso biomediado probablemente estén ubicuos en las arenas naturales.

Se demostró que las variaciones en las concentraciones de glucosa suministradas controlan la magnitud de las reducciones de pH observadas después de las inyecciones, mientras que las variaciones en las concentraciones de extracto de levadura suministradas alteran el inicio y la velocidad de las reducciones de pH en el tiempo.

Cuando las soluciones de sílice coloidal incluyeron variaciones en el NaCl suministrado, se observaron actividades de fermentación microbiana comparables cuando las concentraciones de NaCl eran iguales o inferiores a 5 g/l, lo que sugiere que el proceso se puede utilizar en combinación con aceleradores de gelificación abióticos.

La coherencia en las tendencias observadas entre los experimentos por lotes y en columna de suelo en función de la composición de la solución de tratamiento demostró la utilidad de los experimentos por lotes para permitir un diseño eficaz de la solución de tratamiento y la evaluación preliminar de las condiciones específicas del sitio.

Los experimentos por lotes biomediados mostraron grandes aumentos en la viscosidad de la solución después de la fermentación microbiana (> 2000 cP), lo que refleja una gelificación exitosa, mientras que muestras abióticas similares no mostraron cambios de viscosidad detectables después de 14 días.

En experimentos de columnas de suelo que recibieron soluciones biomediadas, las conductividades eléctricas aumentaron significativamente con el tiempo a medida que las lechadas de sílice coloidal se gelificaron, lo que sugiere que tales mediciones pueden ser capaces de monitorear el proceso biomediado. En el futuro, una combinación de mediciones de conductividad eléctrica, pH y concentración de glucosa puede proporcionar técnicas efectivas de monitoreo de procesos para la inyección de sílice coloidal para las cuales existen pocos métodos actualmente.

Las columnas de suelo biomediado lograron reducciones de la conductividad hidráulica de hasta 2 órdenes de magnitud y resistencias a la compresión ilimitada (UCS) de hasta 34 kPa después del proceso de gelificación de sílice biomediada. Las mejoras medidas fueron consistentes con observaciones de otros estudios3 que involucraron muestras tratadas con lechadas de sílice coloidal abiótica convencional y sugieren que el proceso puede ser útil para aplicaciones de mitigación de licuefacción y control de filtraciones.

La tecnología de mejora biomediada del suelo propuesta y desarrollada en este estudio puede proporcionar un método para mejorar suelos problemáticos con reducciones en los impactos ambientales y al mismo tiempo abordar las limitaciones clave de los procesos biomediados existentes. Esto incluye la capacidad de mejorar suelos en condiciones más ácidas, lograr grandes reducciones de la conductividad hidráulica y eliminar subproductos de procesos ecológicamente desafiantes. Aunque estos resultados son prometedores, sigue siendo necesario seguir trabajando para (1) caracterizar mejor los comportamientos mecánicos de los suelos mejorados utilizando lechadas de sílice coloidal biomediada, (2) explorar el potencial de otras técnicas de verificación y monitoreo de procesos para evaluar la actividad de fermentación microbiana y la gelificación, ( 3) investigar el efecto de las fases gaseosas que pueden producirse durante la fermentación microbiana sobre la compresibilidad del fluido poroso y los comportamientos de corte del suelo no drenado, (4) examinar el efecto de las especies acuosas que pueden estar presentes en suelos naturales y aguas subterráneas sobre la eficacia del proceso, (5 ) examinan más a fondo los cambios temporales en las viscosidades de las soluciones para experimentos biomediados manteniendo la esterilidad y las condiciones anóxicas, y (6) cuantifican aún más las ventajas del proceso en comparación con las técnicas convencionales de inyección de sílice coloidal.

Los conjuntos de datos generados y analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente a solicitud razonable.

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El estudio presentado involucra un trabajo apoyado por la Universidad de Washington. También se reconoce la colaboración hecha posible por el Programa del Centro de Investigación en Ingeniería de la Fundación Nacional de Ciencias (NSF) en virtud del Acuerdo Cooperativo de NSF No. EEC-1449501. Cualquier opinión, hallazgo, conclusión o recomendación expresada en este manuscrito pertenece a los autores y no refleja necesariamente los puntos de vista de la National Science Foundation.

Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental, Universidad de Washington, Seattle, WA, 98195, EE. UU.

Michael G. Gómez y Samantha T. Muchongwe

Departamento de Microbiología y Genética Molecular, Universidad de California, Davis, CA, 95616, EE. UU.

Charles MR Graddy

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MGG dirigió la conceptualización del estudio, el desarrollo de la metodología experimental, la realización de análisis formales, la adquisición de recursos experimentales, la redacción del artículo original, la revisión y edición del artículo, la visualización de datos, la curación de datos, la supervisión del equipo del proyecto, el administración y adquisición de fondos. STM contribuyó a la conceptualización del estudio, el desarrollo de la metodología experimental, la realización de análisis formales, la realización de las actividades de investigación propuestas, la revisión y edición del artículo y la visualización de datos. CMRG contribuyó a la conceptualización del estudio, el desarrollo de la metodología experimental y la revisión y edición del artículo.

Correspondencia a Michael G. Gómez.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Gomez, MG, Muchongwe, ST y Graddy, CMR Control biomediado de lechadas de sílice coloidal mediante fermentación microbiana. Representante científico 13, 14184 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-41402-z

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Recibido: 09 de junio de 2023

Aceptado: 25 de agosto de 2023

Publicado: 30 de agosto de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-41402-z

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