Биоминерализация в строительном материаловедении

Подготовил Огородников А.А.

Строительное материаловедение является одним из наиболее перспективных междисциплинарных направлений науки для проведения фундаментальных исследований по реализации природоподобных решений. Рассматривая природоподобные технологии как заимствование и адаптацию принципов природных процессов в условиях технологических реалий промышленности строительных материалов с получением экологически безопасных материалов, одним из наукоемких перспективных направлений является биотехнология, которая в полной мере соответствует идеологии адапционного принципа экологической стратегии.

Изучение минералогических аспектов при разработке строительных композитов необходимо на всех этапах их жизненного цикла, от процессов образования сырьевых компонентов до деградации при эксплуатации и рециклинге изделия. При этом использование только традиционных методов и подходов биоминералогии недостаточно для разработки природоподобных технологий для промышленности строительных материалов, т.к. современный композит – это многокомпонентная полиминеральная, полидисперсная, полифазная и полиструктурная система, где функционирование всех компонентов взаимосвязано и при этом определяется минералообразующими процессами. Для разработки перспективных материалов с использованием природоподобных технологий требуется комплексный подход, объединяющий научные знания и методы биоминералогии, микробиологии и строительного материаловедения с учетом технологических возможностей и особенностей жизненного цикла современных строительных композитов.   

В последнее время технологическая минералогия кроме традиционных приложений, связанных с обогащением минерального сырья, становится методологической и методической основой для такой междисциплинарной практико-ориентированной отрасли знаний, назначение которой заключается в установлении закономерностей преобразований минеральных парагенезисов техногенных неорганических систем функционального назначения в процессах технологических переделов сырья и онтогенетического цикла строительных материалов. При этом если вопросы, связанные с петрогенезом искусственного камня, являются предметом классического применения методологии и подходов технологической минералогии, то вопросы, связанные с различными этапами онтогенетического цикла строительных материалов, а в особенности повышения долговечности, в аспектах технологической минералогии представляются на данный момент недостаточно разработанными. В частности, это относится к методологии создания так называемых «умных» (или интеллектуальных) строительных материалов, реализующих обратную связь между различной степенью деструктивных воздействий и реализации функции самовосстановления для снятия последствий этих воздействий.

Согласно определению, «умный» материал выполняет в технической системе соответствующие его природным свойствам эксплуатационные функции. Однако, при достижении энергии внешнего воздействия некоторого порогового значения, во-первых, он трансформирует эту энергию в изменение своей структуры, обеспечивающее более высокий уровень эксплуатационных свойств, а во-вторых, контролирует и автоматически регулирует этот уровень с помощью системы обратной связи, путем сопоставления величины внешнего воздействия и степени изменения свойств.

В частности, в качестве эксплуатационных свойств «умного» материала, возможно, рассмотреть на примере функции самовосстановления строительных композиционных материалов на начальных стадиях их разрушения под действием механических нагрузок. Так, при повышении напряжений пластической деформации в материале возникает нарушение сплошности, которое выражается в появлении системы трещин. При восстановлении трещин под воздействием микроорганизмов происходят физико-химические процессы, приводящие к образованию кальцитовых мостиков, которые и герметизируют трещины.

В качестве активаторов процесса микробно-индуцированного осаждения кальцита в композиционные материалы могут инкапсулироваться лиофилизаты бактериальных культур, которые при определенных параметрах системы стимулируют минералообразование.

При рациональном выборе прекурсора минеральной или органоминеральной природы, играющего роль питательной среды для инкапсулированной в композиционный материал микробиоты, продуктами метаболизма последнего могут быть минеральные новообразования, заполняющие пространство трещин. При этом происходит блокирование развития трещин в материале.

Таким образом, для разработки методологии технической минералогии при создании «умных» (самовосстанавливающихся) строительным материалов необходим синтез неорганической технологической минералогии и биоминералогии. Фундаментальной научной задачей, на решение которой направлены усилия исследователей в области создания биотехнологий сохранения и реставрации строительных материалов, является разработка научных принципов управления процессами микробной, в первую очередь карбонатной, биоминерализации в системах искусственных конгломератов – композиционных строительных материалов – с учетом технологической задачи воздействия: залечивание микротрещин в процессе эксплуатации материала, создание защитных покрытий при реставрации, а также синтез искусственного устойчивого композита в условиях производства.

Анализ известных фундаментальных и прикладных исследований научных школ США, Великобритании, Индии, Голландии, России, Италии и др. в направлении биотехнологических подходов к созданию композитов строительного назначения, свидетельствует о достаточно четком разделении тематик, связанных с изучением карбонатной биоминерализации при участии микроорганизмов, на исследования в области:

- биоминералогии в аспекте изучения фундаментальных проблем кристаллизации при участии микроорганизмов;

- материаловедения как прикладного аспекта влияния биогенного минералообразования на изменение свойств различных видов материалов.

При этом механизм процесса микробной карбонатной биоминерализации заключается в осаждении карбонатов, чаще всего карбонатов кальция, в результате ферментативной активности бактериальных культур в кристаллизационных средах. Этот механизм проходит по автотрофному метаболическому пути: осаждение карбоната кальция индуцируется микробами с конверсией углекислого газа в присутствии ионов кальция.

К материаловедческому направлению стоит отнести достаточно разноликий спектр исследований, который, обобщая, условно можно разбить на две укрупненные группы по прикладной принадлежности результатов исследований: геотехника и строительное материаловедение (самозалечивание, реставрация, производство).

Перспективной прикладной областью применения фундаментальных знаний биоминералогии является залечивание трещин в бетонах. Другим актуальным направлением применения принципов биоминералогии считается синтез объёмных строительных композитов и производство строительных блоков. Однако данная технология существует только в виде единичных проектов, реализуемых в странах ЕС, и не получила на данный момент  широкого распространения  ввиду высокой наукоемкости.

Обобщая результаты выполненных исследований сделан вывод, что при синтезе карбонатов кальция при участии микроорганизмов система должна содержать следующие основные компоненты:

- бактериальные агенты различной таксономической принадлежности Bacillus, Paenibacillus, Brevibacillus, Stenotrophomonas, Pseudomonas, Variovorax, Micrococcus и т.д.;   

- питательные компоненты для активации роста бактериальных культур: пептон, глюкоза, дрожжевой экстракт;

- акцепторы, инициализирующие процесс кристаллизации: кальция лактат, кальция хлорид и т.д.;

- ингибитор уреазы, в частности мочевина.

Синтезируемыми веществами являются карбонаты кальция в виде кальцита, арагонита либо ватерита.

В качестве вывода необходимо отметить, что современные исследования в области карбонатной биоминерализации являются перспективным инструментом природоподобных технологий, позволяющим осуществлять биогенный синтез минералов, способных оказывать влияние на структурообразование строительных композиционных материалов и, как следствие, на изменение их физико-механических свойств.

По материалам ежемесячного научно-технического и производственного журнала «Строительные материалы», № 7-2019.

Контакты

230015, г. Гродно, ул. Курчатова, 1а, каб. 502 

+375(152) 41-61-80,

+375(33) 6051242 (мтс) – деканат дневной формы обучения, расписание занятий заочной полной и сокращенной форм обучения;

+375(152) 41-61-09, 

+375(29) 8694850  (мтс) – деканат заочной формы обучения, восстановление студентов

E-mail: d4907@grsu.by