Бактериальные строители - ключ к альтернативам бетона
Ученые обращаются к миру живых существ, чтобы найти альтернативу бетону.
Многие животные, такие как черепахи, черепахи и устрицы, сами производят твердые структурные материалы - но один из самых интересных источников твердых материалов делается некоторыми бактериями, которые производят кальцит, форму карбоната кальция, составляющего известняк.
Бетон - самый распространенный материал на Земле, его ежегодно производится около 25 миллиардов тонн. Он служит на десятилетия дольше других строительных материалов, не горит, не ржавеет и не гниет. Однако производство цемента, основного компонента бетона, является наиболее энергоемким из всех отраслей промышленности; это основной источник выбросов углекислого газа, составляющий 2,8 миллиарда тонн в год или примерно 8 % мировых выбросов углекислого газа.
Наблюдая за катастрофическими изменениями, происходящими с климатом Земли, мы должны считаться с экологическими издержками, связанными с производством бетона. Живые строительные материалы, такие как бактерии, вырабатывающие кальцит, которые требуют мало энергии и имеют значительно меньший углеродный след, могут оказаться полезными для различных задач.
Бактерии можно использовать, например, для ремонта трещин в бетоне. Бетон имеет низкую прочность на разрыв и по своей природе хрупок, что делает его восприимчивым к растрескиванию. Традиционные методы ремонта используют химические вещества, такие как эпоксидные составы, которые являются дорогостоящими и требуют ручной работы. Но вместо этого в трещины можно распылять дисперсию бактерии Bacillus halodurans, генетически модифицированной учеными для усиления ее кальцитопроизводящих свойств. В 2019 году технология сканирования показала, что кальцит, вырабатываемый бактериями, проникает на всю глубину трещины, образуя прочное уплотнение. Недавно на рынке появилась система жидкого ремонтного состава, основанная на этой технологии.
Более амбициозное применение бактерий, вырабатывающих кальцит, заключается в производстве бетона, который сам себя заживляет. Голландские ученые заключили бактерии Bacillus, которые могут десятилетиями выживать без пищи и воды, в биоразлагаемый пластик с лактатом кальция в качестве источника питания. Затем эти капсулы были добавлены в бетонную смесь. Когда в бетоне появлялась трещина, дождевая вода попадала внутрь и растворяла пластик, позволяя бактериям метаболизировать и производить заживляющий кальцит.
"Это сочетание природы и строительных материалов", - говорит изобретатель Хенк Йонкерс, исследователь из Делфтского технологического университета в Нидерландах. "Природа бесплатно предоставляет нам много функциональных возможностей - в данном случае бактерии, производящие известняк. Если мы сможем внедрить их в материалы, мы сможем извлечь из этого реальную пользу, поэтому я думаю, что это действительно хороший пример объединения природы и строительной среды в одну новую концепцию".
Возможно, самое интересное применение бактерий, вырабатывающих кальцит, связано с работой ученых из Университета Колорадо в Боулдере, которые в прошлом году использовали бактерии для производства строительного блока, который вообще не содержит цемента. Они изготовили низкоуглеродный строительный материал, залив в форму смесь песка, желатина, кальциевых питательных веществ и фотосинтезирующих цианобактерий. Когда желатин застывал, он образовывал строительный каркас, который поддерживал рост бактерий. Затем бактерии образовали карбонат кальция, превратив смесь в твердый блок, который по прочности примерно соответствует блокам на основе цемента.
Однако есть еще одно ключевое отличие. Традиционные цементоподобные материалы набирают прочность очень медленно; обычно только через 28 дней. Для сравнения, блоки, изготовленные бактериальным методом, набирают полную прочность всего через семь дней. Возможно, этот метод можно будет использовать для "выращивания" строительных материалов в отдаленных местах и во враждебных средах. Требуется относительно небольшое количество материала, и составляющие можно доставлять в мешках в обезвоженном виде. Такая система может быть полезна для временных гражданских и военных сооружений, мощения тротуаров, фасадов или других легких несущих конструкций.
Для достижения максимальной прочности материал должен быть высушен, но могут быть преимущества и в том, чтобы держать блоки достаточно влажными, чтобы бактерии выполняли другие полезные функции. Этот многофункциональный строительный материал может быть способен, например, обратить вспять структурные повреждения в случае землетрясения. Возможны и другие функции: распознавание и реагирование на токсины в воздухе или даже свечение в темноте.
"Мы уже используем биологические материалы в наших зданиях, например, дерево, но эти материалы больше не живые", - говорит Уил Срубар, доцент инженерного факультета Университета Колорадо в Боулдере, принимавший участие в исследовании. Мы задаемся вопросом: "Почему мы не можем сохранить их живыми, и чтобы эта биология тоже приносила пользу?".
