Бактерии — это простейшие организмы. Несмотря на простоту своей биологии, существуют множество бактерий (экстремофилы), способных жить или выживать в экстремальных условиях : экстремально высокие или низкие значения температуры, давления, кислотности, кислорода; космос. Но бактерии не перестают удивлять, иногда оказываясь там, где трудно представить чьё-либо присутствие, и тем более, жизнь и процветание.
Бетон. Оказывается, бактерии живут даже внутри бетона. Исследователи из Университета Делавэра обнаружили, что в бетоне активно живут и размножаются бактерии, несмотря на кажущимися непригодными для жизни условия : жёсткую, сухую, солёную среду и уровень рН около 12,5.
В своей работе учёные анализировали образцы специально заготовленного бетона, которые они разместили на крыше своего университета на два года, дабы подвергнуть заготовки воздействию погодных условий, но оградить от антропогенного контакта.
Данная работа демонстрирует исчёрпывающую картину микробных колоний в бетоне в течение первых двух лет выветривания. Авторы обнаружили, что бóльшая часть микробиома в бетоне происходит из сырья, из которого был изготовлен бетон, и что эти бактериальные колонии в целом похожи на другие колонии микроогранизмов, подвергнутых различным типам осмотического стресса. Исследователи демонстрируют, что композиция микроорганизмов меняется в течение двух лет, а их разнообразие со временем беднеет. Авторы также продемонстрировали, что погодные условия также влияют на бактериальный состав, причём летом разнообразие бактериальных колоний увеличивалось. Знание того, как меняется композиция микроогранизмов, живущих как на поверхности бетона, так и в самом бетоне, может найти несколько применений : во-первых, понимание естественных бактерий-резидентов и их временной динамики могут улучшить текущие попытки починки бетона через микробно-индуцированные минеральные отложения; во-вторых, идентификация бактерий-индикаторов разрушающей бетон щёлочно-силикатной реакции поможет более раннему обнаружению щёлочно-силикатных реакций, и соответственно, более эффективному предотвращению повреждений.
Теперь подробнее о микробно-индуцированных минеральных отложениях, и о том, как можно создать самовосстанавливающийся бетон. Авторы исследования уже упомянули возможность сделать бетон самовосстанавливающимся, внедрив в него определёные штаммы бактерий, способные производить соединения, устраняющие микротрещины, которые со временем появляются в бетоне. В частности, авторы в своём исследовании упомянули штамм Rheinheimera texasensis, производящий кальцит, подходящий для этой роли.
Стоит отметить, что вопреки тому, что говорится в статьях популязаторов науки, распространяющимся по рунету одним и тем же текстом, с одними и теми же опечатками (изначальным автором которой предположительно является Елизавета Приставка с Хайтека), исследователи не говорили о вреде микробиома внутри бетонных конструкций (по большей части "унаследанного" из материалов-прекурсоров), наоборот подчеркнув то, что бактерии, населяющие бетон изнутри не вредят бетону, не способствуют появлению повреждений. Другое дело — это взаимодействие с бетоном бактерий, попадающих на поверхность бетона извне, после его заливки.
"Взаимодействия микробов и бетона были широко изучены в специфических контекстах разрушения бетона и биопочинки. В этих случаях, микробы, изменяющие структуру бетона поступают извне, после того как конструкция была залита.", пишут исследователи.
Авторы даже приводят в пример канализацию — бетонные стены в канализационных системах подвергаются жёсткой бактериогенной коррозии, но это не значит, что микробы, вызывающие эту коррозию, являются коренными обитателями бетона. Они лишь попадают на поверхность бетона, и, ввиду наличия обильного пропитания, активно ведут там свою жизнедеятельность. Однако условия на повернхности бетонных стен значительно отличаются от среды внутри самого бетона.
С другой стороны, исследователи упомянули, что, например, инфильтрация воды может привнести в "бетонную матрицу" растворённые питательные вещества (могут ли бактерии попасть внутрь схожим способом ?), и что микробиом внутри бетона зависит не только от микробного состава материалов-прекурсоров, но и окружающей среды, посему можно предположить, что бактерии способны пробираться в толщу бетона. Однако всегда стоит быть точным и не приписывать исследователям выводов, которых они не делали.
Возвращаясь к теме самовосстанавливающегося бетона, стоит упомянуть что первый образец для исследования, который учёные из Университета Делавэра "архивировали", датирован 2 мая 2013 года, последний — 17 февраля 2015., то есть идея самовосстанавливающегося бетона зародилась довольно давно, хоть результаты их работ и были опубликованы только 4 мая 2021.
Впрочем, кое-кто уже успел применить эту технологию на практике. Учёные Политехнического института Дальневосточного федерального университета (ДВФУ) во Владивостоке, вместе с коллегами из других регионов России, а также Индии и Саудовской Аравии разработали бетон, способный самостоятельно заделывать трещины за счёт работы населяющих его микроорганизмов.
Чтобы достичь такого результата, при изготовлении смеси бетона исследователи добавляют водный концентрат, содержащий бактерии Bacillus cohnii, которые заполняют образующиеся повреждения карбонатом кальция (CaCO3). К слову, кальцит (известковый шпат), о котором шла речь чуть выше — это и есть карбонат кальция, а точнее одна из его природных форм.
Результаты их работ были опубликованы в журнале Sustainability 11 декабря 2020.
Микроорганизмы внутри бетона "активируются" лишь тогда, когда подвергаются воздействию кислорода и влаги — то есть когда в бетоне появляются трещины. В ходе испытаний учёные "потрескали" бетон с помощью пресса, пробудив Bacillus cohnii. "Разбуженные" микробы устранили трещины шириной от 0,2 до 0,6 миллиметра в течение 28 дней, выделяя карбонат кальция, который кристаллизовался под действием воды. Как результат, к бетонным плитам вернулась первоначальная прочность на сжатие, а бактерии, выполнив свою работу, вновь "уснули"...
«Бетон остаётся конструкционным материалом номер один в мировом строительстве, поскольку он дешёвый, прочный и универсальный. Однако любой бетон со временем может давать трещины в результате различных внешних факторов, в том числе из-за влаги и многократно повторяющихся циклов замораживания/размораживания, которых на Дальнем Востоке, к примеру, более ста за год. Когда бетон дал трещину — это практически необратимый процесс, который может поставить под угрозу всю конструкцию, — рассказывает профессор ДВФУ, инженер Роман Федюк. — То, что мы сделали в рамках нашего эксперимента, соответствует международным трендам в строительстве, где существует запрос на подобные «живые» материалы, имеющие способность к самодиагностике и самовосстановлению. Благодаря им можно избежать или сократить технически сложные и дорогостоящие ремонтные процедуры».
Споры бактерий Bacillus cohnii способны существовать в бетоне до 200 лет, и теоретически способны продлить срок службы бетонных сооружений на этот же срок. Это почти в 4 раза дольше, чем 50 – 70 лет службы обычного бетона.
Самовосстанавливающийся бетон наиболее актуален для строительства в сейсмически опасных зонах, в регионах с повышенной влажностью и обильными осадками, так как вода, попадающая в трещины бетонных конструкций, усугубляет их повреждения.
Следующим шагом учёных станет разработка армированного бетона. Исследователи планируют усилить свойства бетона с помощью разных видов бактерий, что также позволит ускорить процессы восстановления материала.
Звучит это всё, конечно, прекрасно, но что насчёт реалий применения технологий биоконсолидации в индустриальном производстве бетона ? Ведь зачастую весьма, с первого взгляда, внушительные идеи на практике оборачиваются фиаско, как, например, некоторые нашумевшие разработки Илона Маска; или же просто идеи, продвигаемые ради профита, несмотря на душок лжи, сокрытой информации, плохой науки и мракобесия, как, например, применение углеродных нанотрубок для очистки воды, или опять же, некоторые разработки Илона Маска !
На самом деле, в данном случае, вряд ли мы имеем дело с чем-то подобным, всё таки это результаты деятельности группы университетов, учёных, а не распиаренного из каждой научпоп-щели бизнесмена. Но всякое иногда случается, посему за критикой технологий я обратился к научной рецензии профессора Неле Дэ Бэле из Гентского университета.
Цитирую заключение из вышеупомянутого документа в переводе на русский язык :
"Технология бактериального самовосстановления трещин в бетоне демонстрирует многообещающие результаты в лабораторных условиях. Так как стоимость производства аксенических культур и последующая инкапсуляция существенна, для практического применения использование смешанных самозащищённых культур возможно пойдёт лучше. Однако, эффективность этих новых самозащищённых культур должна быть доказана в бóльших бетонных элементах, в неидеальных температурах, и в более высоких концентрациях солей (как в морской среде), что окажет значительный осмотический стресс на бактерии, на более зрелой стадии среды бетона и т.п. Использование денитрифицирующих культур для согласованного (одновременно протекающего) самовосстановления и производства ингибирующих коррозию нитритов — это новая многообещающая стратегия. Хорошие знания в области эффективности и изменчивости самовосстановления сделают возможным надлежащий расчёт срока службы [бетона]. Только тогда, когда это станет доступным, подрядчики и собственники смогут быть убеждены применять эти инновационные технологии на практике."
Comentários