CC BY
7
УДК 579.66: 691.5
Строев Е.П., Калёнов С.В., Абурджания В.З., Градова Н.Б., Сивков С.П.
ИССЛЕДОВАНИЕ БАКТЕРИАЛЬНЫХ ФОРМ НА ФУНКЦИОНАЛЬНУЮ АКТИВНОСТЬ В СОСТАВЕ ДОБАВКИ К БИОБЕТОНУ
Строев Егор Петрович - магистрант 2 курса кафедры биотехнологии;
Калёнов Сергей Владимирович - доктор технических наук, доцент кафедры биотехнологии, wsezart@mail.ru; Абурджания Важа Зазаевич - магистрант 1 курса кафедры биотехнологии Первого МГМУ им. И.М. Сеченова; Градова Нина Борисовна - доктор биологических наук, профессор кафедры биотехнологии; Сивков Сергей Павлович - кандидат технических наук, доцент кафедры химической технологии композиционных и вяжущих материалов;
1 ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», Россия, Москва, 125480, ул. Героев Панфиловцев, д. 20
2 ФГАОУ ВО Первый МГМУ им. И.М. Сеченова Минздрава России (Сеченовский Университет), Россия, Москва, 119992, ул. Трубецкая, д. 8, стр. 2
В работе исследованы биодобавки к бетону на основе иммобилизованных бактерий Bacillus licheniformis. Варианты высушивания и состояние микроорганизмов при иммобилизации влияют на их функциональную активность в составе биопрепарата. Внесение в цементную смесь биопрепаратов с лиофильно высушенными иммобилизованными на диатомите спорами и клетками существенно улучшают прочностные характеристики цементного камня.
Ключевые слова: микроорганизмы, биобетон, биоминерализация.
RESEARCH OF BACTERIAL FORMS FOR FUNCTIONAL ACTIVITY IN THE COMPOSITION OF ADDITIVE TO BIOCONCRETE
Stroev E.P.1, Kalenov S.V.1, Aburdzhaniya V.Z. 2,Gradova N.B.1, Sivkov S.P.1
1 D. I Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
2 The State Education Institution of Higher Professional Training The First Sechenov Moscow State Medical University under Ministry of Health of the Russian Federation, Moscow, Russia
In this paper, biological additives to concrete based on immobilized bacteria Bacillus licheniformis were studied. Drying options and the state of microorganisms during immobilization affect their functional activity in the preparation. The introduction of biopreparations with freeze-dried spores and cells immobilized on diatomite into the cement mixture significantly improves the strength characteristics of the cement stone. Keywords: microorganisms, bioconcrete, biomineralization.
Введение
В настоящее время идея рационального природопользования становится всё более актуальной, т.к. увеличение потребления ресурсов планеты человечеством приводит к множеству экологических кризисов, изменению климата. Снижение потребления материалов и увеличение срока службы изделий, при производстве которых выбрасывается большое количество парниковых газов, становятся безусловными приоритетами в хозяйственной деятельности. Существенный вклад в глобальные техногенные выбросы парниковых газов по всему миру вносит производство и применение бетона. Производство цемента, основного компонента бетона, приводит к образованию 5% антропогенного углекислого газа [1].
Отказаться от применения бетона невозможно, так как это самый востребованный строительный материал в мире, который широко применяется в различных сооружениях, благодаря своей низкой стоимости и гибкости свойств в зависимости от применяемых добавок. Конструкции из бетона могут быть отлиты в самых разных формах и размерах, исходя из решения требуемых задач в строительстве тех или иных зданий и объектов инфраструктуры. Ожидается, что к 2050 году мировое потребление бетона вырастет до 3,7-4,4
миллиарда тонн, поскольку рост строительной отрасли ежегодно увеличивается на 0,8-1,2% [2]. Необходимость разработки новых технологий увеличения срока эксплуатации бетонных конструкций признается во всем мире. Дополнительным благоприятным эффектом для окружающей среды от внедрения новых технологий будет уменьшение разработок новых карьеров по добыче гравия, известняка и др.
Срок службы бетонных конструкций можно существенно продлить, заделывая появляющиеся в ней со временем трещины, образование которых приводит к тому, что начинается общее растрескивание конструкции. В дальнейшем нарушается герметичность, из-за чего внутрь может попасть вода и начаться коррозия металлической арматуры. Этого можно избежать, если использовать бетон с добавлением в него микроорганизмов, которые со временем смогут "лечить" трещины, образующиеся в бетонных конструкциях во время эксплуатации.
Также микроорганизмы способны улучшить свойства бетона ещё на стадии застывания из-за ускорения процесса затвердевания цементного теста, повышения интенсивности образования кристаллов кальцита и арагонита, уменьшения доли воздушных полостей, которые замещаются минералами [3].
Поиск микроорганизмов, которые способны осаждать СаСОз, выживать и размножатся при щелочном pH бетона, а также образовывать устойчивые в неблагоприятной среде споры, является ключевой задачей в получении биобетона. Таким критериям соответствуют спорообразующие бактерии рода Bacillus, которые могут выживать при высоком pH, обладать высокой уреазной активностью, способностью к биоминерализации [4
- 5].
Бетон, обладающий такими
характеристиками, применим в сооружениях, где трудно проводить регулярный осмотр состояния бетонных конструкций, а также там, где ремонт новообразовавшихся трещин очень сложен или практически невозможен. Это, например, подземные туннели, дамбы и прочие водные сооружения, мосты и путепроводы, высотные здания, которые требуют большого количества высококачественного бетона. В этих случаях применение бетона с улучшенными прочностными характеристиками, большей долговечностью, возможностью самовосстановления может быть экономически целесообразно [6].
Экспериментальная часть
В ходе исследования были выделены микроорганизмы с высокой уреазной активностью. Выделение проводили на среде Кристенсена следующего состава, г/л: NaCl - 5, мочевина - 20, KH2PO4 - 1,2, глюкоза - 1, пептон - 2, рН 6,6-6,8; дистиллированная вода. Для получения индикаторной среды (оценка уреазной активности) добавляли водный раствор фенолового красного до конечной концентрации 0,012 г/л.
Объектами исследования являлись бактерии Bacillus licheniformis, выделенные из озера Аликес (Греция) (Bl1) и Поморийского озера (Болгария) (Bl2).
Дальнейшее исследование было нацелено на приготовление функциональной добавки к бетону. В предыдущих работах было отмечено, что разные бактериальные формы, используемые в биодобавке, по-разному влияют на характеристики итогового цементного теста. Отмечалось, что препараты из клеток микроорганизмов, только начинающих спорообразование, могут значительно повышать качество цемента по сравнению с препаратом из спор. В практике удобны иммобилизованные формы биопрепаратов. Иммобилизованные формы перспективны благодаря повышению сохранности клеток/спор и удобства транспортировки препарата. В настоящем исследовании для иммобилизации использовали диатомит, который обладает хорошим сродством с бетоном и высокой степенью сорбции бактериальных клеток.
Биомассу Bacillus licheniformis для приготовления функциональной добавки
выращивали глубинно в колбах объёмом 250 мл на орбитальном шейкере Unimax 2010 (Heidolph, Германия) при 180 об/мин и 150 мл заполнении при температуре 30°С на питательной среде следующего
состава, г/л: Среда Дика модифицированная: пептон - 3, NaHCO3 -2,12, мочевина - 10, KH2PO4 - 0,2, глюкоза - 1, pH 7,5, дистиллированная вода.
Полученную биомассу микроорганизмов иммобилизовали на диатомите производства ООО "Диатомовый комбинат" для получения необходимой концентрации клеток в препарате: в концентрированную суспензию клеток/спор на основе культуральной жидкости вносили диатомит и тщательно перемешивали, споры и клетки эффективно адсорбировались на диатомите.
Полученные иммобилизованные препараты высушили разными способами: часть их высушивали при 37 oC в слое толщиной 3-5 мм в течение 12-18 часов, а часть высушили лиофильно. Лиофильная сушка образцов была проведена на установке CoolSafe 55-4 (ScanVak, Дания). Образцы предварительно замораживали в течение 12 часов при температуре -70 0С, после чего система вакуумировалась (30 Па). При сушке использовали следующие режимы подогрева полки: 12 часов полки не подогревали; 6 часов температура полки поддерживалась на уровне 5 0С; 6 часов - 10 0С; 6 часов - 15 0С.
В экспериментах использовали
иммобилизованные препараты со спорами и клетками на стадии спорообразования бактерий Bacillus licheniformis (Bl1 и Bl2) с начальными концентрациями микроорганизмов 107 и 108 КОЕ/г биопрепарата, высушенные в тонком слое и лиофильно.
В дальнейшем полученный диатомит с иммобилизованными микроорганизмами смешивали с цементом в соотношении 5 грамм диатомита на 95 грамм портландцемента. Материалом для формования цементных образцов служил портландцемент типа ЦЕМ | 42,5Н ГОСТ 31108-2016 производства ООО «Холсим» (Россия). Полученную смесь смешивали со средой Дика для получения цементного теста. Полученным цементным тестом заполнили подготовленные, покрытые вазелиновым маслом, силиконовые формы. После этого готовые формы были помещены во влажные эксикаторы. Через сутки, при полном затвердевании цементного теста балки размером 1*1x3 см при водоцементном соотношении (В/Ц) 0,35 удалили из силиконовых форм.
Твердение образцов проводили в воздушно-влажных условиях (22±2 °C и 100% относительной влажности), испытания проводили на 3 и 7 сутки.
Для определения предела прочности при изгибе отбирали 3 образца-балочек. Испытания проводили на прессе гидравлическом ПГ-0,5. Определение предела прочности при сжатии производят на половинках балочек, полученных после испытания на изгиб. Испытания на сжатие проводили на гидравлическом ручном прессе П-5.
Результаты прочностных испытаний представлены в таблице 1.
Таблица 1. Определение прочности на изгиб и сжатие образцов
Форма препарата, микроорганизмы Срок 3 суток 7 суток
Rro^ МПа Rсж, МПа Rro^ МПа Rсж, МПа
Споры BД, 107 КОЕ/г 7,7 44,2 9,2 53,1
Лиоф. споры Б/1, 107 КОЕ/г 7,6 44,6 8,8 50,7
Споры В/1, 108 КОЕ/г 8,5 45,1 9,4 54,4
Клетки Б/1, 107 КОЕ/г 7,6 43,4 10,1 53
Лиоф. клетки В/1, 107 КОЕ/г 7,4 43,3 9,4 53,3
Клетки Б/1 108 КОЕ/г 8,7 44,9 9,8 55
Споры, Б/2, 107 КОЕ/г 7,6 43 9,2 52,9
Лиоф. споры Б/2, 107 КОЕ/г 7,5 43,2 10,7 56,2
Споры Б/2, 108 КОЕ/г 8,3 45,1 9,7 54
Клетки В/2, 107 КОЕ/г 7,8 43,6 9,2 54
Лиоф. клетки Б/2, 107 КОЕ/г 7,8 43,8 9,1 57,5
Клетки Б/2, 108 КОЕ/г 8,4 45,5 9,2 54,9
Среда Дика 5,3 30,2 7,1 37,4
Диатомит, среда Дика 5,9 32 6,8 33,3
В целом, образцы цементного камня с биопрепаратами на основе Bacillus licheniformis Bl2 на седьмые сутки затвердевания обладали несколько лучшими прочностными характеристиками. Образцы с лиофильно высушенными биопрепаратами на основе иммобилизованных спор и клеток Bacillus licheniformis Bl2 показали наилучшие характеристики при испытании на сжатие. В составе цементного камня на седьмые сутки прямыми микроскопическими наблюдениями обнаружены делящиеся бактериальные клетки.
Заключение
В экспериментах показан потенциал использования добавления биопрепарата на основе бактерий Bacillus licheniformis в цементную смесь на стадии затворения. Экспериментальные данные показали, что применение иммобилизованных на диатомите микроорганизмов увеличивало прочность цементного камня в среднем на 33% на изгиб и на 39% на сжатие по сравнению с контролем за семь суток затвердевания. Увеличение концентрации спор/клеток в биопрепарате с 107 до 108 КОЕ/г не приводило к существенному повышению прочностных качеств цементного камня.
Авторы выражают благодарность кафедре биотехнологии и кафедре химической технологии и вяжущих материалов за предоставленные материалы для исследований.
Список литературы:
1. Hodakova D. et al. Effect of global warming on the rehabilitation's method of cement concrete pavements //International Multidisciplinary Scientific GeoConference: SGEM. - 2018. - Т. 18. - №. 4.2. - С. 419-426.
2. Kaliyavaradhan S. K., Ling T. C., Mo K. H. Valorization of waste powders from cement-concrete life cycle: A pathway to circular future //Journal of Cleaner Production. - 2020. - Т. 268. - С. 122358.
3. Mistri A. et al. Environmental implications of the use of bio-cement treated recycled aggregate in concrete //Resources, Conservation and Recycling. - 2021. - Т. 167. - С. 105436.
4. Siriwanna D., Poprom P., Kraivisitkul N. Influence of calcium chloride and urea in self-healing concrete using
Bacillus subtilis, Bacillus megaterium and Bacillus licheniformis. - 2018.
5. Rautray S. S., Mohanty B. N., Das M. R. Performance of self-compacting geopolymer concrete using Bacillus Licheniformis //Materials Today: Proceedings. - 2020. -Т. 26. - С. 2817-2824.
6. Muras A. et al. Biotechnological applications of Bacillus licheniformis //Critical Reviews in Biotechnology. - 2021. - Т. 41. - №. 4. - С. 609-627.
