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Les tempêtes de poussière constituent une menace sérieuse pour de nombreux pays à travers le monde en raison de leur impact destructeur sur l'agriculture, la santé humaine, les réseaux de transport et les infrastructures. De ce fait, l'érosion éolienne est considérée comme un problème mondial. L'une des approches respectueuses de l'environnement pour limiter cette érosion est la précipitation de carbonate induite par des micro-organismes (PCIM). Cependant, les sous-produits de la PCIM basée sur la dégradation de l'urée, tels que l'ammoniac, sont problématiques lorsqu'ils sont produits en grande quantité. Cette étude présente deux formulations de bactéries productrices de formiate de calcium pour la dégradation de la PCIM sans production d'urée et compare leurs performances à celles de deux formulations de bactéries productrices d'acétate de calcium ne produisant pas d'ammoniac. Les bactéries étudiées sont Bacillus subtilis et Bacillus amyloliquefaciens. Dans un premier temps, les valeurs optimales des facteurs contrôlant la formation de CaCO₃ ont été déterminées. Des essais en soufflerie ont ensuite été réalisés sur des échantillons de dunes de sable traités avec les formulations optimisées, et la résistance à l'érosion éolienne, la vitesse seuil d'arrachement et la résistance au bombardement de sable ont été mesurées. Les allomorphes du carbonate de calcium (CaCO3) ont été évalués par microscopie optique, microscopie électronique à balayage (MEB) et diffraction des rayons X. Les formulations à base de formiate de calcium ont présenté une formation de carbonate de calcium nettement supérieure à celle des formulations à base d'acétate. De plus, Bacillus subtilis a produit davantage de carbonate de calcium que Bacillus amyloliquefaciens. Les micrographies MEB ont clairement mis en évidence la fixation et l'empreinte des bactéries actives et inactives sur le carbonate de calcium, induites par la sédimentation. Toutes les formulations ont significativement réduit l'érosion éolienne.
L’érosion éolienne est reconnue depuis longtemps comme un problème majeur pour les régions arides et semi-arides telles que le sud-ouest des États-Unis, l’ouest de la Chine, l’Afrique saharienne et une grande partie du Moyen-Orient¹. La faiblesse des précipitations dans les climats arides et hyperarides a transformé de vastes portions de ces régions en déserts, dunes de sable et terres incultes. L’érosion éolienne persistante menace les infrastructures, notamment les réseaux de transport, les terres agricoles et les zones industrielles, entraînant une dégradation des conditions de vie et des coûts élevés d’aménagement urbain dans ces régions²,³,⁴. Surtout, l’érosion éolienne n’affecte pas seulement le lieu où elle se produit, mais cause également des problèmes sanitaires et économiques dans les communautés isolées, car elle transporte les particules par le vent vers des zones éloignées de leur source⁵,⁶.
La lutte contre l'érosion éolienne demeure un problème mondial. Diverses méthodes de stabilisation des sols sont utilisées pour la contrôler. Parmi celles-ci figurent l'application d'eau⁷, les paillis d'huile⁸, les biopolymères⁵, la précipitation de carbonate induite par les micro-organismes (MICP)^9,10,11,12 et la précipitation de carbonate induite par les enzymes (EICP)¹. L'humidification des sols est une méthode courante de réduction de la poussière sur le terrain. Cependant, son évaporation rapide limite son efficacité dans les régions arides et semi-arides¹. L'application de paillis d'huile accroît la cohésion du sable et le frottement interparticulaire. Leurs propriétés cohésives lient les grains de sable entre eux ; toutefois, les paillis d'huile présentent également d'autres inconvénients : leur couleur sombre augmente l'absorption de chaleur et entraîne la mort des plantes et des micro-organismes. Leurs odeurs et leurs émanations peuvent provoquer des problèmes respiratoires, et surtout, leur coût élevé constitue un autre obstacle. Les biopolymères représentent une méthode écologique récemment proposée pour atténuer l'érosion éolienne ; ils sont extraits de sources naturelles telles que les plantes, les animaux et les bactéries. La gomme xanthane, la gomme de guar, le chitosane et la gomme gellane sont les biopolymères les plus couramment utilisés dans les applications d'ingénierie⁵. Cependant, les biopolymères hydrosolubles peuvent perdre de leur résistance et être lessivés du sol lorsqu'ils sont exposés à l'eau¹³,¹⁴. L'EICP s'est révélée une méthode efficace de suppression des poussières pour diverses applications, notamment les routes non revêtues, les bassins de résidus miniers et les chantiers de construction. Bien que ses résultats soient encourageants, certains inconvénients potentiels doivent être pris en compte, tels que le coût et le manque de sites de nucléation (qui accélèrent la formation et la précipitation des cristaux de CaCO₃¹⁵,¹⁶).
La précipitation de carbonate induite par les micro-organismes (MICP) a été décrite pour la première fois à la fin du XIXe siècle par Murray et Irwin (1890) et Steinmann (1901) dans leur étude de la dégradation de l'urée par les micro-organismes marins¹⁷. La MICP est un processus biologique naturel impliquant diverses activités microbiennes et réactions chimiques au cours desquelles le carbonate de calcium précipite par la réaction des ions carbonate issus des métabolites microbiens avec les ions calcium présents dans l'environnement^18,19. La MICP impliquant le cycle de l'azote dégradant l'urée (MICP dégradant l'urée) est le type le plus courant de précipitation de carbonate induite par les micro-organismes. Dans ce processus, l'uréase produite par les bactéries catalyse l'hydrolyse de l'urée^{20,21,22,23,24,25,26,27} comme suit :
Dans le MICP impliquant le cycle du carbone de l'oxydation des sels organiques (MICP sans dégradation de l'urée), les bactéries hétérotrophes utilisent des sels organiques tels que l'acétate, le lactate, le citrate, le succinate, l'oxalate, le malate et le glyoxylate comme sources d'énergie pour produire des minéraux carbonatés28. En présence de lactate de calcium comme source de carbone et d'ions calcium, la réaction chimique de formation du carbonate de calcium est illustrée dans l'équation (5).
Dans le procédé MICP, les cellules bactériennes fournissent des sites de nucléation essentiels à la précipitation du carbonate de calcium ; leur surface, chargée négativement, adsorbe les cations divalents tels que les ions calcium. Lorsque la concentration en ions carbonate est suffisante, les cations calcium et les anions carbonate réagissent, entraînant la précipitation du carbonate de calcium à la surface bactérienne^29,30. Ce procédé peut être résumé comme suit^31,32 :
Les cristaux de carbonate de calcium biogénérés peuvent être classés en trois types : calcite, vatérite et aragonite. Parmi eux, la calcite et la vatérite sont les allomorphes de carbonate de calcium d'origine bactérienne les plus courants^33,34. La calcite est l'allomorphe de carbonate de calcium le plus stable thermodynamiquement³⁵. Bien que la vatérite soit considérée comme métastable, elle se transforme finalement en calcite^36,37. La vatérite est le plus dense de ces cristaux. C'est un cristal hexagonal qui, de par sa taille plus importante, possède une meilleure capacité de remplissage des pores que les autres cristaux de carbonate de calcium³⁸. La précipitation de vatérite peut être induite par la précipitation de carbonate de calcium induite par les micro-organismes (MICP), que celle-ci soit dégradée ou non par l'urée^13,39,40,41.
Bien que la précipitation de carbonate de calcium induite par les micro-organismes (MICP) ait démontré un potentiel prometteur pour la stabilisation des sols problématiques et des sols sensibles à l'érosion éolienne^{42,43,44,45,46,47,48}, l'un des sous-produits de l'hydrolyse de l'urée est l'ammoniac, qui peut provoquer des problèmes de santé d'intensité variable selon le niveau d'exposition⁴⁹. Cet effet secondaire rend l'utilisation de cette technologie controversée, notamment pour le traitement de grandes surfaces, comme dans le cas de la réduction des poussières. De plus, l'odeur de l'ammoniac est insupportable lorsque le procédé est appliqué à des doses et des volumes importants, ce qui peut limiter son application pratique. Bien que des études récentes aient montré que les ions ammonium peuvent être réduits par leur conversion en d'autres produits tels que la struvite, ces méthodes ne permettent pas leur élimination complète⁵⁰. Il est donc nécessaire d'explorer des solutions alternatives qui ne génèrent pas d'ions ammonium. L'utilisation de voies de dégradation autres que l'urée pour la MICP pourrait constituer une solution potentielle encore peu explorée dans le contexte de la lutte contre l'érosion éolienne. (Fattahi et al.) L’étude de la dégradation du MICP sans urée a été menée à l’aide d’acétate de calcium et de Bacillus megaterium⁴¹, tandis que Mohebbi et al. ont utilisé l’acétate de calcium et Bacillus amyloliquefaciens⁹. Cependant, leur étude n’a pas comparé d’autres sources de calcium ni d’autres bactéries hétérotrophes susceptibles d’améliorer la résistance à l’érosion éolienne. De plus, les études comparant les voies de dégradation sans urée à celles utilisant l’urée dans le cadre de la réduction de l’érosion éolienne sont rares.
De plus, la plupart des études sur l'érosion éolienne et la lutte contre la poussière ont été menées sur des échantillons de sol à surface plane.^1,51,52,53 Or, les surfaces planes sont moins fréquentes dans la nature que les collines et les dépressions. C'est pourquoi les dunes de sable constituent l'élément paysager le plus courant dans les régions désertiques.
Pour pallier les limitations mentionnées précédemment, cette étude visait à introduire une nouvelle série d'agents bactériens non producteurs d'ammoniac. À cette fin, nous avons considéré des voies de précipitation microbienne de carbonate (MICP) n'impliquant pas la dégradation de l'urée. L'efficacité de deux sources de calcium (le formiate de calcium et l'acétate de calcium) a été étudiée. À notre connaissance, la précipitation de carbonate à l'aide de deux combinaisons de sources de calcium et de bactéries (formiate de calcium-Bacillus subtilis et formiate de calcium-Bacillus amyloliquefaciens) n'a pas été étudiée auparavant. Le choix de ces bactéries s'est fondé sur les enzymes qu'elles produisent, catalysant l'oxydation du formiate de calcium et de l'acétate de calcium pour former un précipité microbien de carbonate. Nous avons conçu une étude expérimentale approfondie afin de déterminer les facteurs optimaux tels que le pH, les types de bactéries et de sources de calcium, leurs concentrations, le rapport bactéries/solution de source de calcium et la durée de maturation. Enfin, l'efficacité de cet ensemble d'agents bactériens pour supprimer l'érosion éolienne par précipitation de carbonate de calcium a été étudiée en réalisant une série de tests en soufflerie sur des dunes de sable afin de déterminer l'ampleur de l'érosion éolienne, la vitesse de rupture seuil et la résistance au bombardement éolien du sable, ainsi que des mesures au pénétromètre et des études microstructurales (par exemple, l'analyse par diffraction des rayons X (DRX) et la microscopie électronique à balayage (MEB)) ont également été effectuées.
La production de carbonate de calcium nécessite des ions calcium et des ions carbonate. Les ions calcium peuvent provenir de diverses sources de calcium telles que le chlorure de calcium, l'hydroxyde de calcium et le lait écrémé en poudre^54,55. Les ions carbonate peuvent être produits par différentes méthodes microbiennes, notamment l'hydrolyse de l'urée et l'oxydation aérobie ou anaérobie de la matière organique⁵⁶. Dans cette étude, les ions carbonate ont été obtenus par oxydation du formiate et de l'acétate. De plus, nous avons utilisé les sels de calcium du formiate et de l'acétate pour produire du carbonate de calcium pur, ne produisant ainsi que du CO₂ et de l'H₂O comme sous-produits. Ce procédé n'utilise qu'une seule substance comme source de calcium et de carbonate, et ne génère pas d'ammoniac. Ces caractéristiques rendent la méthode de production de calcium et de carbonate que nous avons jugée très prometteuse.
Les réactions correspondantes du formiate de calcium et de l'acétate de calcium pour former du carbonate de calcium sont présentées dans les formules (7) à (14). Les formules (7) à (11) montrent que le formiate de calcium se dissout dans l'eau pour former de l'acide formique ou du formiate. La solution est ainsi une source d'ions calcium et hydroxyde libres (formules 8 et 9). L'oxydation de l'acide formique entraîne la conversion de ses atomes de carbone en dioxyde de carbone (formule 10). Du carbonate de calcium est finalement formé (formules 11 et 12).
De même, le carbonate de calcium est formé à partir d'acétate de calcium (équations 13–15), sauf que l'acide acétique ou l'acétate est formé au lieu de l'acide formique.
En l'absence d'enzymes, l'acétate et le formiate ne peuvent être oxydés à température ambiante. La FDH (formiate déshydrogénase) et la CoA (coenzyme A) catalysent respectivement l'oxydation du formiate et de l'acétate en dioxyde de carbone (Éqs. 16, 17)^{57, 58, 59}. Différentes bactéries sont capables de produire ces enzymes. Dans cette étude, nous avons utilisé des bactéries hétérotrophes, notamment Bacillus subtilis (PTCC n° 1204, également connue sous le nom de NCIMB n° 13061, Collection internationale de bactéries, levures, phages, plasmides, semences et cultures de tissus végétaux) et Bacillus amyloliquefaciens (PTCC n° 1732, NCIMB n° 12077). Ces bactéries ont été cultivées dans un milieu contenant de la peptone de viande (5 g/L) et de l'extrait de viande (3 g/L), appelé bouillon nutritif (NBR) (105443 Merck).
Ainsi, quatre formulations ont été préparées pour induire la précipitation du carbonate de calcium en utilisant deux sources de calcium et deux bactéries : le formiate de calcium et Bacillus subtilis (FS), le formiate de calcium et Bacillus amyloliquefaciens (FA), l'acétate de calcium et Bacillus subtilis (AS), et l'acétate de calcium et Bacillus amyloliquefaciens (AA).
Dans la première partie du protocole expérimental, des tests ont été menés afin de déterminer la combinaison optimale permettant une production maximale de carbonate de calcium. Les échantillons de sol contenant du carbonate de calcium, une série de tests d'évaluation préliminaires a été conçue pour mesurer précisément le CaCO₃ produit par les différentes combinaisons. Des mélanges de milieu de culture et de solutions de source de calcium ont ainsi été évalués. Pour chaque combinaison de source de calcium et de solution bactérienne définie précédemment (FS, FA, AS et AA), des facteurs d'optimisation (concentration de la source de calcium, durée de maturation, concentration de la solution bactérienne mesurée par densité optique (DO), rapport source de calcium/solution bactérienne et pH) ont été déterminés et utilisés lors des essais en soufflerie sur le traitement des dunes de sable, décrits dans les sections suivantes.
Pour chaque combinaison, 150 expériences ont été menées afin d'étudier l'effet de la précipitation de CaCO₃ et d'évaluer différents facteurs, à savoir la concentration de la source de calcium, le temps de maturation, la densité optique bactérienne, le rapport source de calcium/solution bactérienne et le pH lors de l'oxydation aérobie de la matière organique (Tableau 1). La plage de pH optimale a été sélectionnée à partir des courbes de croissance de Bacillus subtilis et Bacillus amyloliquefaciens afin d'obtenir une croissance plus rapide. Ce point est détaillé dans la section Résultats.
Les étapes suivantes ont été utilisées pour préparer les échantillons pour la phase d'optimisation. La solution MICP a d'abord été préparée en ajustant le pH initial du milieu de culture, puis autoclavée à 121 °C pendant 15 min. La souche a ensuite été inoculée sous flux laminaire et incubée sous agitation à 30 °C et 180 tr/min. Une fois la densité optique (DO) des bactéries atteinte, elles ont été mélangées à la solution de source de calcium dans les proportions souhaitées (Figure 1a). La solution MICP a été laissée à réagir et à se solidifier sous agitation à 220 tr/min et 30 °C pendant une durée permettant d'atteindre la valeur cible. Le CaCO₃ précipité a été séparé par centrifugation à 6 000 g pendant 5 min, puis séché à 40 °C afin de préparer les échantillons pour le test au calcimètre (Figure 1b). La précipitation de CaCO₃ a ensuite été mesurée à l'aide d'un calcimètre Bernard. La poudre de CaCO₃ réagit avec une solution de HCl 1,0 N (ASTM-D4373-02) pour produire du CO₂, et le volume de ce gaz est une mesure de la teneur en CaCO₃ (Figure 1c). Pour convertir le volume de CO₂ en teneur en CaCO₃, une courbe d'étalonnage a été établie en lavant de la poudre de CaCO₃ pure avec une solution de HCl 1 N et en reportant le résultat en fonction du CO₂ dégagé. La morphologie et la pureté de la poudre de CaCO₃ précipitée ont été étudiées par microscopie électronique à balayage (MEB) et par diffraction des rayons X (DRX). Un microscope optique (grossissement 1000) a été utilisé pour étudier la formation du carbonate de calcium autour des bactéries, la phase du carbonate de calcium formé et l'activité bactérienne.
Le bassin de Dejegh, situé dans la province de Fars (sud-ouest de l'Iran), est une région connue pour son érosion éolienne. Les chercheurs y ont prélevé des échantillons de sol érodés par le vent. Ces échantillons ont été prélevés en surface. Les tests indicateurs ont révélé qu'il s'agissait d'un sol sableux mal trié, contenant du limon, classé SP-SM selon le Système unifié de classification des sols (USC) (Figure 2a). L'analyse par diffraction des rayons X (DRX) a montré que le sol de Dejegh était principalement composé de calcite et de quartz (Figure 2b). De plus, l'analyse par spectrométrie de rayons X à dispersion d'énergie (EDX) a mis en évidence la présence, en plus faibles proportions, d'autres éléments tels que l'aluminium (Al), le potassium (K) et le fer (Fe).
Pour préparer les dunes de laboratoire aux essais d'érosion éolienne, le sol a été concassé depuis une hauteur de 170 mm à travers un entonnoir de 10 mm de diamètre jusqu'à l'obtention d'une surface plane, formant ainsi une dune typique de 60 mm de hauteur et 210 mm de diamètre. Dans la nature, les dunes de sable de plus faible densité sont formées par l'action du vent. De même, l'échantillon préparé selon la procédure décrite ci-dessus présentait la plus faible densité relative, γ = 14,14 kN/m³, formant un cône de sable déposé sur une surface horizontale avec un angle de talus naturel d'environ 29,7°.
La solution MICP optimale obtenue dans la section précédente a été pulvérisée sur la pente de la dune à des taux d'application de 1, 2 et 3 lm-2, puis les échantillons ont été stockés dans un incubateur à 30 °C (Fig. 3) pendant 9 jours (soit le temps de durcissement optimal) puis sortis pour des essais en soufflerie.
Pour chaque traitement, quatre échantillons ont été préparés : un pour mesurer la teneur en carbonate de calcium et la résistance superficielle à l’aide d’un pénétromètre, et les trois autres pour des essais d’érosion à trois vitesses différentes. Lors des essais en soufflerie, le taux d’érosion a été déterminé à différentes vitesses de vent, puis la vitesse seuil de rupture pour chaque échantillon traité a été déterminée à partir d’un graphique représentant le taux d’érosion en fonction de la vitesse du vent. Outre les essais d’érosion éolienne, les échantillons traités ont été soumis à un bombardement de sable (essais de projection). Deux échantillons supplémentaires ont été préparés à cet effet, avec des débits d’application de 2 et 3 L m⁻². L’essai de bombardement de sable a duré 15 minutes avec un flux de 120 g m⁻¹, valeur conforme à celles utilisées dans des études précédentes⁶⁰,⁶¹,⁶². La distance horizontale entre la buse abrasive et la base de la dune était de 800 mm, la buse étant située à 100 mm au-dessus du fond de la soufflerie. Cette position a été choisie de manière à ce que la quasi-totalité des particules de sable projetées retombent sur la dune.
L'essai en soufflerie a été réalisé dans une soufflerie ouverte de 8 m de long, 0,4 m de large et 1 m de haut (figure 4a). Cette soufflerie, constituée de tôles d'acier galvanisé, peut générer une vitesse de vent allant jusqu'à 25 m/s. Un variateur de fréquence permet d'ajuster la fréquence du ventilateur et de l'augmenter progressivement afin d'atteindre la vitesse de vent cible. La figure 4b présente le schéma des dunes de sable érodées par le vent et le profil de vitesse du vent mesuré dans la soufflerie.
Enfin, afin de comparer les résultats de la formulation MICP non uréalytique proposée dans cette étude avec ceux du test témoin MICP uréalytique, des échantillons de dune ont été préparés et traités avec une solution biologique contenant de l'urée, du chlorure de calcium et Sporosarcina pasteurii (cette bactérie présentant une forte capacité de production d'uréase⁶³). La densité optique de la solution bactérienne était de 1,5 et les concentrations d'urée et de chlorure de calcium étaient de 1 M (valeurs choisies d'après les recommandations d'études antérieures^36,64,65). Le milieu de culture était composé de bouillon nutritif (8 g/L) et d'urée (20 g/L). La solution bactérienne a été pulvérisée sur la surface de la dune et laissée en place pendant 24 heures pour permettre l'adhérence bactérienne. Après 24 heures d'adhérence, une solution de cimentation (chlorure de calcium et urée) a été pulvérisée. Le test témoin MICP uréalytique est désigné ci-après par l'acronyme UMC. La teneur en carbonate de calcium des échantillons de sol traités et non traités à l'urée a été obtenue par lavage selon la procédure proposée par Choi et al.66
La figure 5 présente les courbes de croissance de Bacillus amyloliquefaciens et de Bacillus subtilis dans le milieu de culture (solution nutritive) pour un pH initial compris entre 5 et 10. Comme le montre cette figure, Bacillus amyloliquefaciens et Bacillus subtilis croissent plus rapidement à un pH compris entre 6 et 8, et entre 7 et 9, respectivement. Par conséquent, cette plage de pH a été retenue pour l'optimisation.
Courbes de croissance de (a) Bacillus amyloliquefaciens et (b) Bacillus subtilis à différentes valeurs initiales de pH du milieu nutritif.
La figure 6 illustre la quantité de dioxyde de carbone produite dans le calcaire de Bernard, correspondant au carbonate de calcium précipité (CaCO₃). Un facteur étant fixé pour chaque combinaison et les autres variables, chaque point des graphiques correspond au volume maximal de dioxyde de carbone obtenu lors de cette série d'expériences. Comme le montre la figure, la production de carbonate de calcium augmente avec la concentration de la source de calcium. La concentration de la source de calcium influe donc directement sur la production de carbonate de calcium. La source de calcium et la source de carbone étant identiques (formiate de calcium et acétate de calcium), plus la quantité d'ions calcium libérés est importante, plus la quantité de carbonate de calcium formée est élevée (figure 6a). Dans les formulations AS et AA, la production de carbonate de calcium a continué d'augmenter avec le temps de durcissement jusqu'à ce que la quantité de précipité se stabilise après 9 jours. Dans la formulation FA, la vitesse de formation du carbonate de calcium a diminué lorsque le temps de durcissement a dépassé 6 jours. Comparée aux autres formulations, la formulation FS a présenté une vitesse de formation de carbonate de calcium relativement faible après 3 jours (figure 6b). Dans les formulations FA et FS, 70 % et 87 % de la production totale de carbonate de calcium ont été obtenus après trois jours, tandis que dans les formulations AA et AS, cette proportion n'était que d'environ 46 % et 45 %, respectivement. Ceci indique que la formulation à base d'acide formique présente un taux de formation de CaCO₃ plus élevé en phase initiale que la formulation à base d'acétate. Cependant, ce taux de formation diminue avec l'augmentation du temps de maturation. On peut conclure, d'après la figure 6c, que même à des concentrations bactériennes supérieures à DO1, la contribution à la formation de carbonate de calcium reste négligeable.
Changement du volume de CO2 (et de la teneur correspondante en CaCO3) mesuré par le calcimètre Bernard en fonction de (a) la concentration de la source de calcium, (b) le temps de prise, (c) la DO, (d) le pH initial, (e) le rapport de la source de calcium à la solution bactérienne (pour chaque formulation) ; et (f) la quantité maximale de carbonate de calcium produite pour chaque combinaison de source de calcium et de bactéries.
Concernant l'effet du pH initial du milieu, la figure 6d montre que pour FA et FS, la production de CaCO₃ atteint une valeur maximale à pH 7. Cette observation concorde avec des études antérieures indiquant que les enzymes FDH sont plus stables à un pH compris entre 7 et 6,7. Cependant, pour AA et AS, la précipitation de CaCO₃ augmente lorsque le pH dépasse 7. Des études antérieures ont également montré que la plage de pH optimale pour l'activité de l'enzyme CoA se situe entre 8 et 9,2-6,8. Sachant que les plages de pH optimales pour l'activité de l'enzyme CoA et la croissance de B. amyloliquefaciens sont respectivement de 8 à 9,2 et de 6 à 8 (figure 5a), le pH optimal de la formulation AA devrait être de 8, et les deux plages de pH se chevauchent. Ce fait a été confirmé par des expériences, comme le montre la figure 6d. L'optimum de pH pour la croissance de *B. subtilis* étant de 7 à 9 (Figure 5b) et celui pour l'activité enzymatique de la CoA de 8 à 9,2, le rendement maximal de précipitation de CaCO₃ est attendu dans la plage de pH 8-9, ce qui est confirmé par la Figure 6d (pH optimal de précipitation : 9). Les résultats présentés dans la Figure 6e indiquent que le rapport optimal entre la solution de source de calcium et la solution bactérienne est de 1 pour les solutions d'acétate et de formiate. À titre de comparaison, les performances de différentes formulations (AA, AS, FA et FS) ont été évaluées en fonction de la production maximale de CaCO₃ dans différentes conditions (concentration de la source de calcium, durée de maturation, DO, rapport source de calcium/solution bactérienne et pH initial). Parmi les formulations étudiées, la formulation FS a présenté la production de CaCO₃ la plus élevée, soit environ trois fois supérieure à celle de la formulation AA (Figure 6f). Quatre expériences témoins sans bactéries ont été réalisées pour les deux sources de calcium ; aucune précipitation de CaCO₃ n'a été observée après 30 jours.
Les images de microscopie optique de toutes les formulations ont montré que la vatérite était la phase principale au sein de laquelle se formait le carbonate de calcium (Figure 7). Les cristaux de vatérite étaient de forme sphérique^69,70,71. Il a été constaté que le carbonate de calcium précipitait sur les cellules bactériennes car la surface de ces dernières, chargée négativement, pouvait adsorber les cations divalents. Prenons l'exemple de la formulation FS : après 24 heures, du carbonate de calcium a commencé à se former sur certaines cellules bactériennes (Figure 7a), et après 48 heures, le nombre de cellules bactériennes recouvertes de carbonate de calcium a augmenté significativement. De plus, comme le montre la Figure 7b, des particules de vatérite ont également été détectées. Enfin, après 72 heures, un grand nombre de bactéries semblaient être liées aux cristaux de vatérite, et le nombre de particules de vatérite a augmenté significativement (Figure 7c).
Observations au microscope optique de la précipitation de CaCO3 dans les compositions FS au fil du temps : (a) 24, (b) 48 et (c) 72 h.
Afin d'étudier plus en détail la morphologie de la phase précipitée, des analyses par diffraction des rayons X (DRX) et par microscopie électronique à balayage (MEB) ont été réalisées sur les poudres. Les spectres DRX (Fig. 8a) et les micrographies MEB (Fig. 8b, c) ont confirmé la présence de cristaux de vatérite, qui présentaient une forme de laitue. Une correspondance a été observée entre les pics de la vatérite et ceux du précipité.
(a) Comparaison des spectres de diffraction des rayons X du CaCO3 formé et de la vatérite. Micrographies MEB de la vatérite à un grossissement de (b) 1 kHz et (c) 5,27 kHz, respectivement.
Les résultats des essais en soufflerie sont présentés sur les figures 9a et 9b. La figure 9a montre que la vitesse d'érosion seuil (VES) du sable non traité est d'environ 4,32 m/s. À la dose d'application de 1 l/m² (figure 9a), les pentes des courbes de perte de sol pour les fractions FA, FS, AA et UMC sont sensiblement identiques à celles de la dune non traitée. Ceci indique que le traitement est inefficace à cette dose d'application et que dès que la vitesse du vent dépasse la VES, la fine croûte de sol disparaît et le taux d'érosion de la dune devient identique à celui de la dune non traitée. La pente d'érosion de la fraction AS est également inférieure à celle des autres fractions, avec des abscisses plus faibles (c'est-à-dire une VES plus faible) (figure 9a). Les flèches de la figure 9b indiquent qu'à la vitesse maximale du vent de 25 m/s, aucune érosion n'a été observée sur les dunes traitées aux doses d'application de 2 et 3 l/m². Autrement dit, pour FS, FA, AS et UMC, les dunes étaient plus résistantes à l'érosion éolienne causée par le dépôt de CaCO₃ aux doses d'application de 2 et 3 l/m² qu'à la vitesse maximale du vent (soit 25 m/s). Ainsi, la valeur TDV de 25 m/s obtenue lors de ces essais constitue la limite inférieure des doses d'application présentées sur la figure 9b, sauf dans le cas de AA, où la TDV est presque égale à la vitesse maximale mesurée en soufflerie.
Test d'érosion éolienne (a) Perte de poids en fonction de la vitesse du vent (taux d'application 1 l/m2), (b) Vitesse de seuil d'arrachement en fonction du taux d'application et de la formulation (CA pour l'acétate de calcium, CF pour le formiate de calcium).
La figure 10 illustre l'érosion superficielle des dunes de sable traitées avec différentes formulations et doses d'application après le test de bombardement de sable. Les résultats quantitatifs sont présentés dans la figure 11. Le cas non traité n'est pas représenté car il n'a montré aucune résistance et a été totalement érodé (perte de masse totale) lors du test. Il ressort clairement de la figure 11 que l'échantillon traité avec la biocomposition AA a perdu 83,5 % de sa masse à la dose d'application de 2 l/m², tandis que tous les autres échantillons ont présenté une érosion inférieure à 30 % lors du bombardement de sable. Lorsque la dose d'application a été augmentée à 3 l/m², tous les échantillons traités ont perdu moins de 25 % de leur masse. Aux deux doses d'application, le composé FS a présenté la meilleure résistance au bombardement de sable. Les résistances maximales et minimales observées pour les échantillons traités avec FS et AA peuvent être attribuées à leurs précipitations maximales et minimales de CaCO₃ (figure 6f).
Résultats du bombardement de dunes de sable de compositions différentes à des débits de 2 et 3 l/m2 (les flèches indiquent la direction du vent, les croix indiquent la direction du vent perpendiculaire au plan du dessin).
Comme le montre la figure 12, la teneur en carbonate de calcium de toutes les formules a augmenté avec le taux d'application, passant de 1 L/m² à 3 L/m². De plus, quel que soit le taux d'application, la formule FS présentait la teneur en carbonate de calcium la plus élevée, suivie de FA et UMC. Ceci suggère que ces formules pourraient offrir une meilleure résistance de surface.
La figure 13a illustre l'évolution de la résistance de surface d'échantillons de sol non traités, témoins et traités, mesurée par perméamètre. Cette figure montre clairement que la résistance de surface des formulations UMC, AS, FA et FS augmente significativement avec la dose d'application. En revanche, l'augmentation de la résistance de surface est relativement faible pour la formulation AA. Comme le montre la figure, les formulations FA et FS de MICP non dégradé par l'urée présentent une meilleure perméabilité de surface que le MICP dégradé par l'urée. La figure 13b illustre l'évolution de la vitesse de décollement (TDV) en fonction de la résistance de surface du sol. Cette figure montre clairement que pour les dunes dont la résistance de surface est supérieure à 100 kPa, la vitesse de décollement seuil dépasse 25 m/s. La résistance de surface in situ étant facilement mesurable par perméamètre, cette information permet d'estimer la TDV sans recourir à des essais en soufflerie, et constitue ainsi un indicateur de contrôle qualité pour les applications sur le terrain.
Les résultats de la microscopie électronique à balayage (MEB) sont présentés sur la figure 14. Les figures 14a et 14b montrent les particules agrandies de l'échantillon de sol non traité, indiquant clairement sa cohésion et l'absence de liaisons naturelles ou de cimentation. La figure 14c présente la micrographie MEB de l'échantillon témoin traité avec du MICP dégradé par l'urée. Cette image révèle la présence de précipités de CaCO₃ sous forme de polymorphes de calcite. Comme le montrent les figures 14d à 14o, le CaCO₃ précipité lie les particules entre elles ; des cristaux sphériques de vatérite sont également visibles sur les micrographies MEB. Les résultats de cette étude et d'études antérieures indiquent que les liaisons de CaCO₃ formées sous forme de polymorphes de vatérite peuvent également conférer une résistance mécanique satisfaisante ; nos résultats montrent que la résistance de surface augmente jusqu'à 350 kPa et que la vitesse de séparation seuil passe de 4,32 à plus de 25 m/s. Ce résultat est cohérent avec les résultats d'études antérieures selon lesquelles la matrice du CaCO3 précipité par MICP est de la vatérite, qui possède une résistance mécanique raisonnable et une résistance à l'érosion éolienne13,40 et peut maintenir une résistance raisonnable à l'érosion éolienne même après 180 jours d'exposition aux conditions environnementales du terrain13.
(a, b) Micrographies MEB du sol non traité, (c) contrôle de dégradation de l'urée MICP, (df) échantillons traités à l'AA, (gi) échantillons traités à l'AS, (jl) échantillons traités à l'FA et (mo) échantillons traités au FS à un taux d'application de 3 L/m2 à différents grossissements.
Les figures 14d à 14f montrent qu'après traitement avec les composés AA, du carbonate de calcium a précipité à la surface et entre les grains de sable, tandis que certains grains de sable non enrobés ont également été observés. Pour les composants AS, bien que la quantité de CaCO₃ formée n'ait pas augmenté de manière significative (figure 6f), le nombre de contacts entre les grains de sable induits par le CaCO₃ a augmenté significativement par rapport aux composés AA (figures 14g à 14i).
Les figures 14j-l et 14m-o montrent clairement que l'utilisation de formiate de calcium comme source de calcium entraîne une augmentation supplémentaire de la précipitation de CaCO₃ par rapport au composé AS, ce qui concorde avec les mesures au calciummètre présentées figure 6f. Ce CaCO₃ supplémentaire semble se déposer principalement sur les particules de sable et n'améliore pas nécessairement la qualité du contact. Ceci confirme le comportement précédemment observé : malgré les différences de quantité de CaCO₃ précipité (figure 6f), les trois formulations (AS, FA et FS) ne présentent pas de différences significatives en termes de résistance au vent (figure 11) et de résistance de surface (figure 13a).
Afin de mieux visualiser les cellules bactériennes enrobées de CaCO₃ et l'empreinte bactérienne sur les cristaux précipités, des micrographies MEB à fort grossissement ont été réalisées et les résultats sont présentés sur la figure 15. Comme illustré, le carbonate de calcium précipite sur les cellules bactériennes et fournit les germes nécessaires à la précipitation. La figure met également en évidence les liaisons actives et inactives induites par le CaCO₃. On peut en conclure qu'une augmentation des liaisons inactives n'entraîne pas nécessairement une amélioration des propriétés mécaniques. Par conséquent, une augmentation de la précipitation de CaCO₃ ne conduit pas nécessairement à une résistance mécanique plus élevée, et le mode de précipitation joue un rôle important. Ce point a également été étudié dans les travaux de Terzis et Laloui⁷² et de Soghi et Al-Kabani⁴⁵,⁷³. Pour explorer plus en détail la relation entre le mode de précipitation et la résistance mécanique, des études MICP utilisant l'imagerie µCT sont recommandées, ce qui dépasse le cadre de cette étude (par exemple, l'introduction de différentes combinaisons de source de calcium et de bactéries pour une MICP sans ammoniac).
Le CaCO3 a induit des liaisons actives et inactives dans les échantillons traités avec (a) la composition AS et (b) la composition FS et a laissé une empreinte de cellules bactériennes sur le sédiment.
Comme le montrent les figures 14j-o et 15b, un film de CaCO₃ est présent (d'après l'analyse EDX, sa composition est la suivante : carbone 11 %, oxygène 46,62 % et calcium 42,39 %, valeurs très proches de celles du CaCO₃ présenté figure 16). Ce film recouvre les cristaux de vatérite et les particules de sol, contribuant ainsi au maintien de l'intégrité du système sol-sédiment. Sa présence a été observée uniquement dans les échantillons traités avec la formulation à base de formiate.
Le tableau 2 compare la résistance de surface, la vitesse de détachement seuil et la teneur en CaCO₃ bio-induit des sols traités par des voies MICP dégradant et ne dégradant pas l'urée, dans des études antérieures et dans la présente étude. Les études sur la résistance à l'érosion éolienne d'échantillons de dunes traités par MICP sont peu nombreuses. Meng et al. ont étudié la résistance à l'érosion éolienne d'échantillons de dunes traités par MICP dégradant l'urée à l'aide d'un souffleur de feuilles¹³, tandis que dans cette étude, des échantillons de dunes ne dégradant pas l'urée (ainsi que des témoins dégradant l'urée) ont été testés en soufflerie et traités avec quatre combinaisons différentes de bactéries et de substances.
Comme on peut le constater, certaines études antérieures ont considéré des taux d'application élevés, supérieurs à 4 L/m²^13,41,74. Il convient de noter que, d'un point de vue économique, de tels taux d'application peuvent s'avérer difficiles à mettre en œuvre sur le terrain en raison des coûts liés à l'approvisionnement en eau, au transport et à l'application de volumes importants. Des taux d'application plus faibles, de l'ordre de 1,62 à 2 L/m², ont également permis d'obtenir des résistances de surface relativement bonnes, atteignant jusqu'à 190 kPa, et une vitesse de déplacement thermique (TDV) supérieure à 25 m/s. Dans la présente étude, les dunes traitées par MICP à base de formiate, sans dégradation de l'urée, ont atteint des résistances de surface élevées, comparables à celles obtenues par dégradation de l'urée, pour des taux d'application similaires (c'est-à-dire que les échantillons traités par MICP à base de formiate sans dégradation de l'urée ont également atteint des valeurs de résistance de surface comparables à celles rapportées par Meng et al.¹³, figure 13a), même à des taux d'application plus élevés. On peut également constater qu'à un taux d'application de 2 L/m2, le rendement en carbonate de calcium pour l'atténuation de l'érosion éolienne à une vitesse de vent de 25 m/s était de 2,25 % pour le MICP à base de formiate sans dégradation de l'urée, ce qui est très proche de la quantité requise de CaCO3 (soit 2,41 %) par rapport aux dunes traitées avec le MICP témoin avec dégradation de l'urée au même taux d'application et à la même vitesse de vent (25 m/s).
Ainsi, ce tableau permet de conclure que les deux voies de dégradation, avec et sans urée, offrent des performances tout à fait acceptables en termes de résistance de surface et de TDV. La principale différence réside dans le fait que la voie sans urée ne contient pas d'ammoniac et a donc un impact environnemental moindre. De plus, la méthode MICP à base de formiate sans dégradation de l'urée proposée dans cette étude semble plus performante que la méthode MICP à base d'acétate sans dégradation de l'urée. Bien que Mohebbi et al. aient étudié la méthode MICP à base d'acétate sans dégradation de l'urée, leur étude portait sur des échantillons déposés sur des surfaces planes⁹. En raison du degré d'érosion plus élevé causé par la formation de tourbillons autour des échantillons de dunes et du cisaillement qui en résulte, entraînant une TDV plus faible, l'érosion éolienne des échantillons de dunes devrait être plus marquée que celle des surfaces planes à vitesse égale.