Leakage in waterfront or water-retaining structures poses risks to the safety of structures, and it is therefore one of the major issues in geotechnical engineering practices. “Bioclogging” refers to a reduction in the hydraulic conductivity of soils and rocks due to microbial activities and by-products. Previous studies have investigated the feasibility of bioclogging through laboratory column experiments. However, the mechanism of bioclogging on a microscale level remains unclear. In addition, limited studies have been conducted on improving the efficiency of bioclogging. Therefore, this dissertation aims to (a) attain a better understanding of bioclogging mechanisms at the micro-scale, (b) examine the factors affecting the bioclogging efficiency in coarse sands, and (c) propose new methods to overcome the limited applicability of microbial treatment in fine-grained soils and to enhance bioclogging durability under starved conditions. The pore-scale patterns of biopolymer formation are analyzed based on images acquired via microfluidic chip experiments. After bacterial cells are attached to a solid surface in the chip, the cells begin to produce an insoluble biopolymer called dextran. This cell-driven formation results in a smaller size of dextran and takes a longer time compared to the cell-free formation ⸻ microbially induced biopolymer formation (MIBF). In contrast, the enzyme forms a biopolymer soon after the injection of enzyme/sucrose mixed solution ⸻ enzyme-induced biopolymer formation (EIBF), ⸻ and produces a larger dextran size than the cell-driven dextran. The effects of several factors, such as particle size, nutrient pH, and biogenic gas generation on engineered bioclogging are investigated via a series of column experiments. The results reveal that fermentation-based bacterial biopolymer formation can reduce the hydraulic conductivity of coarse sand by three orders of magnitude or by 99.9% in controlled environments, which implies a reduction in hydraulic conductivity to the level of silts. The method for producing biopolymers with enzymes but without cells is explored as micron-sized bacterial cells hardly thrive in fine soils with a pore size of micrometers. The enzyme “dextransucrase” is extracted from a series of treatments including sonication, centrifugation, and syringe filtering. Using the extracted cell-free enzyme solution, the EIBF method is optimized via a series of batch experiments to determine the sucrose concentration, sucrose-to-enzyme mixing ratio, and kinetics. The EIBF shows a higher efficiency than MIBF at decreasing the hydraulic conductivity, which proves the feasibility of using the enzyme “dextransucrase” for bioclogging. Finally, the effect of bentonite-biofilm interactions on the durability of biofilm-induced bioclogging is examined. The results indicate that the exploitation of bentonite-biofilm aggregations by injecting bentonite suspensions can significantly enhance the bioclogging durability under nutrient-poor conditions. These results provide fundamental insights into the bacterial biopolymer formation mechanism, its effect on soil permeability, and the potential for engineering bacterial clogging in the subsurface.
수변 구조물에서의 누수는 구조물의 안정성을 저하시킬 수 있는 위험성 때문에 지반공학의 주요 관심분야 중 하나이다. 수 십년 동안 누수를 저감시키기 위한 다양한 공법이 이용되어 왔으나, 사회적 또는 환경적 문제때문에 시멘트 또는 화학물질에 기반한 공법의 사용이 제한되는 추세이다. 바이오클로깅은 미생물의 활동이나 그 부산물로 인한 흙 또는 암석의 투수 계수 감소 현상을 의미한다. 많은 선행 연구들이 실험실 규모 또는 현장 규모 실험을 통해 바이오클로깅을 연구해왔으나 미시적 규모에서의 바이오클로깅의 생성 양상은 거의 확인된 바가 없다. 또한 바이오클로깅의 효율이나 적용성을 높이기 위한 연구도 부족한 실정이다. 본 학위논문에서는 미시적 규모에서의 바이오클로깅 생성양상을 이해하고, 바이오클로깅의 효율성에 영향을 미치는 요소들에 대해 규명하며, 미생물 세포 크기나 약한 내구성과 같은 바이오클로깅의 한계를 극복하기 위한 방법을 제시하였다. 미세 유체칩을 이용한 실험을 통해 미소 규모에서의 바이오폴리머 생성 양상을 분석하였다. 덱스트란 바이오폴리머가 박테리아에 의해 생성될 경우, 박테리아가 미세 유체 칩 표면에 균일하게 분포 및 부착된 후 바이오폴리머의 축적 및 확장이 시작되었다. 이러한 과정이 바이오폴리머의 생성을 늦추고 바이오폴리머가 더 작은 평균 크기를 갖도록 하였다. 한편, 효소가 바이오폴리머를 생성할 경우에는 유체가 주입된 이후 바이오폴리머의 생성이 빠르게 시작되었으며, 더 큰 크기의 바이오폴리머가 생성되었다. 다음으로는 실내실험을 통해 입자 크기, 주입 유체의 pH, 발효 기작에 의한 기체 생성이 바이오클로깅에 미치는 영향을 확인하였다. 실험 결과, 미생물에 의한 바이오폴리머 생성이 99.9%의 투수계수를 감소시킬 수 있음을 확인하였다. 다음으로 미생물 세포 크기에 의한 바이오클로깅의 적용 한계를 극복하기 위해 세포 없는 효소액을 추출하였다. 효소는 초음파 분쇄, 원심 분리, 주사기 여과 등의 과정을 통해 추출되었으며, 배치 실험을 통해 자당의 농도, 자당과 효소액의 비율 등이 바이오폴리머 생성량에 미치는 영향을 최적화하였다. 최적화된 조건을 참고하여 실내실험을 통해 효소를 이용한 바이오클로깅의 가능성을 확인하였으며, 미생물을 이용할 경우보다 더 높은 효율로 투수계수를 감소시켰다. 마지막으로 벤토나이트와 바이오필름의 상호작용이 바이오클로깅의 내구성에 미치는 영향에 대한 연구를 수행하였다. 실험 결과 벤토나이트 부유액 주입을 통해 영양분이 없는 상태에서도 바이오클로깅의 내구성이 크게 향상됨을 확인할 수 있었다. 본 학위 연구를 통해 바이오클로깅 양상을 미시적으로 규명하고, 바이오클로깅 효율에 영향을 미치는 다양한 요소의 영향을 확인하였으며, 효소와 벤토나이트와의 연계작용을 통해 바이오클로깅의 한계점을 극복하고자 하였다. 이러한 결과는 공극 내에서의 바이오폴리머의 생성 양상, 생성이 흙의 투수계수에 미치는 영향 그리고 지중에서의 바이오클로깅의 공학적 이용에 대한 가능성을 제시할 수 있을 것으로 기대된다.
