جغرافیا و برنامه ریزی منطقه‌ای

جغرافیا و برنامه ریزی منطقه‌ای

نقش فرآیندهای زیستی در بهسازی خاک و پایداری سرزمین‌های بیابانی ایران (مطالعه موردی: امکان‌سنجی استفاده از باکتری‌های اورئولیتیک)

نوع مقاله : مقاله های برگرفته از رساله و پایان نامه

نویسندگان
جواد بیدگلی
احد باقرزاده خلخالی
گروه ژئوتکنیک، دانشکده مهندسی عمران، واحد علوم و تحقیقات دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران
10.22034/jgeoq.2025.555090.4352
چکیده
رسوب کربنات کلسیم القاشده توسط میکروارگانیسم‌ها به‌عنوان فناوری‌ای نوین و زیست‌سازگار، در سال‌های اخیر جایگاه مهمی در حوزه‌های زیست‌پالایی، کنترل ریزگردها، بیابان‌زدایی و مهندسی ژئوتکنیک یافته است. هدف این پژوهش، بررسی کارایی فرآیند MICP در بهسازی خاک‌های کویری و ارزیابی اثر لایه‌های بهسازی‌شده زیستی بر ظرفیت باربری نهایی و مود گسیختگی پی نواری بر روی خاک ماسه‌ای است. در این راستا، باکتری‌های اورئولیتیک از مرکز ملی ذخایر ژنتیکی ایران تهیه و سویه‌های منتخب با آزمون‌های بیوشیمیایی و مولکولی تأیید شدند. از این باکتری‌ها برای القای رسوب کربنات کلسیم و ایجاد لایه‌ای نازک در محیط شنی استفاده گردید. به‌منظور تحلیل رفتار مکانیکی، یک مدل فیزیکی شامل خاک ماسه‌ای با لایه زیستی طراحی شد و ظرفیت باربری تحت شرایط مختلف شامل نوع سویه و عمق لایه بررسی گردید. داده‌های تجربی با مدل‌سازی عددی در نرم‌افزار PLAXIS بر پایه تئوری المان محدود و معیار شکست کولمب–موهر تطبیق داده شدند و نتایج برای اعتبارسنجی با داده‌های میدانی مقایسه شد. یافته‌ها نشان داد لایه‌های زیستی ایجادشده توسط فناوری MICP انسجام و استحکام خاک شنی را تا سه برابر افزایش می‌دهند. بیشترین غلظت کربنات کلسیم، ۳۳.۷۸ گرم در لیتر، در شرایط بهینه با OD₆₀₀=2 و محلول سیمانی حاوی ۱ مولار کلرید کلسیم و ۱ مولار اوره به دست آمد که بالاترین مقدار گزارش‌شده در پژوهش‌های مشابه است. همچنین، Bacillus megaterium در مقایسه با Sporosarcina pasteurii عملکرد بهتری در بهبود پارامترهای مقاومت برشی داشته و ظرفیت باربری پی را تا ۵۰ درصد افزایش داده است. نتایج عددی با داده‌های تجربی کمتر از ۱۰ درصد انحراف داشتند.
کلیدواژه‌ها
باکتری‌های اورئولیتیک
بهسازی خاک
MICP
مدل‌سازی المان محدود
سیمان زیستی

عنوان مقاله English

The role of biological processes in soil improvement and sustainability of Iranian desert lands (Case study: Feasibility study of using urolytic bacteria)

نویسندگان English

Javad Bidgoli
Ahad Bagherzadeh Khalkhali
Department of Geotechnics, Faculty of Civil Engineering, Science and Research Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran
چکیده English

Microbially Induced Calcium Carbonate Precipitation (MICP) is an innovative and eco-friendly technology that has recently gained significant attention in bioremediation, dust control, desertification mitigation, and geotechnical engineering. This study aims to evaluate the efficiency of the MICP process in improving desert soils and to assess the effect of bio-treated layers on the ultimate bearing capacity and failure mode of strip footings on sandy soils. Ureolytic bacteria were obtained from the National Genetic Resources Center of Iran, and the selected strains were confirmed through biochemical and molecular tests. These bacteria were used to induce calcium carbonate precipitation and to form a thin biogenic layer within a sandy medium. To analyze the mechanical behavior, a physical model of sandy soil with a bio-improved layer was designed, and bearing capacity was tested under different bacterial strains and layer depths. Experimental data were compared with numerical modeling using PLAXIS software based on the Finite Element Method (FEM) and the Coulomb–Mohr failure criterion, and validated with field data. Results showed that MICP significantly enhanced the cohesion and strength of sandy soils, increasing them up to three times compared to untreated samples. The highest calcium carbonate concentration of 33.78 g/L was achieved under optimal conditions with OD₆₀₀ = 2 and a cementation solution containing 1 M CaCl₂ and 1 M urea, which represents the highest reported value. Moreover, Bacillus megaterium showed superior performance to Sporosarcina pasteurii, improving shear strength parameters and increasing footing bearing capacity by 50%. Numerical and experimental results showed less than 10% deviation.

کلیدواژه‌ها English

Urolytic bacteria
soil improvement
MICP
finite element modeling
biocement
Motallebirad, T., Tashakor, A., Abniki, R., & Azadi, D. (2024). Fifteen years of phenotypic and genotypic surveillance and antibiotic susceptibility pattern of actinomycetes (Mycobacterium, Nocardia, Rhodococcus, etc.) in clinical and environmental samples of Iran. Journal of Medical Microbiology and Infectious Diseases, 108(1), 116080.
Spinoni, J., Barbosa, P., Cherlet, M., Forzieri, G., McCormick, N., Naumann, G., et al. (2021). How will the progressive global increase of arid areas affect population and land-use in the 21st century? Global and Planetary Change, 205, 103597.
Silander, J. A., Jr., Bond, W. J., & Ratsirarson, J. (2024). The grassy ecosystems of Madagascar in context: Ecology, evolution, and conservation. People and Planet, 6(1), 94–115.
Talaie, A., Kamyab, H., Chelliapan, S., & Khalili, E. (2024). Sources and impacts of dust pollution in Iran: A comprehensive overview. Journal of Environmental Technology and Trends, 12(2), 1–15.
Hosseini, S., Azadi, D., & Absalan, A. (2023). Screening and molecular identification of Nocardia with ability to biodegradation of polycyclic aromatic hydrocarbons and phenol from Iranian ecosystems. Current Microbiology Research, 36(2), 113–127.
Qattan, S. Y. (2025). Harnessing bacterial consortia for effective bioremediation: Targeted removal of heavy metals, hydrocarbons, and persistent pollutants. Journal of Environmental Science and Engineering, 37(1), 85.
Fazelikia, S., Abtahi, S. A., Kargar, M., & Jafarinia, M. (2023). Microbial induced calcite precipitation (MICP) potential of ureolytic Bacillus sp. isolated from the soil of eroded ecosystems for stabilizing and improving the fertility of eroded soils. Geotechnical and Geological Journal, 40(6), 569–581.
Bibi, S., Oualha, M., Ashfaq, M. Y., Suleiman, M. T., & Zouari, N. (2018). Isolation, differentiation and biodiversity of ureolytic bacteria of Qatari soil and their potential in microbially induced calcite precipitation (MICP) for soil stabilization. RSC Advances, 8(11), 5854–5863.
Boruah, R. P., Mohanadhas, B., & K, J. (2025). Microbially induced calcite precipitation for soil stabilization: A state-of-the-art review. Geotechnical Journal, 1–16.
Kalkan, E. (2020). A review on the microbial induced carbonate precipitation (MICP) for soil stabilization. International Journal of Engineering Sciences and Knowledge Applications, 2(1), 38–47.
Aligholi, H. Z. (2018). Numerical modeling and parametric study of piled rafts foundations using finite element software PLAXIS 2D. International Journal of Engineering Sciences and Applications, 8(1), 14–22.
Cappa, M., Perego, C., Terzis, D., & Principi, P. (2025). Bacillus megaterium favours CO₂ mineralization into CaCO₃ over the ureolytic pathway. Scientific Reports, 15(1), 21861.
Sun, X., & Miao, L. (2020). Application of bio-remediation with Bacillus megaterium for crack repair at low temperature. Journal of Advanced Cement Technology, 18(5), 307–319.
Wang, Y.-J., Chen, W.-B., Yin, J.-H., Han, X.-L., Zhang, Y., Du, Y.-J., et al. (2024). Role of biochar in drained shear strength enhancement and ammonium removal of biostimulated MICP-treated calcareous sand. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 150(2), 04023140.
Karimian, A., & Hassanlourad, M. (2022). Mechanical behaviour of MICP-treated silty sand. Bulletin of Engineering Geology and the Environment, 81(7), 285.
Lai, H., Ding, X., Cui, M., Zheng, J., Chu, J., & Chen, Z. (2024). Factors affecting the effectiveness of biocementation of soil. Journal of Biogeotechnics, 2(3), 100087.
Hasan, H. A., Lafta, S. H., Majeed, M. W., Khabba, H., & Aghayarzadeh, M. (2022). Numerical simulation of pervious concrete pile in loose and silty sand after treating with microbially induced calcite precipitation. Geotechnical Journal, 22(90), 32–39.
Abbasi, M., Hosseinpour, I., Barari, A., & Mirmoradi, S. H. (2025). Mechanical properties of silty sand treated with MICP technique subjected to freeze–thaw cycles. Transportation Infrastructure Geotechnology, 12(1), 34.