Использование бактерий при строительстве

Содержание

Квартирный вопрос, о котором говорил булгаковский Воланд, портит далеко не одних людей. Согласно статистике ежегодно для строительной отрасли производится порядка 1,5 трлн штук кирпичей — это по-прежнему один из наиболее активно используемых строительных материалов. Традиционная технология производства кирпичей из глины базируется на обжиге сырья, на который тратится огромное количество энергии. В качестве побочного продукта такого производства в атмосферу попадает приблизительно 800 млн тонн углекислого газа в год – а это весомый вклад в ухудшение климатической ситуации на планете. В то же время в общемировом масштабе стройматериалов не хватает. Миллионы людей по всему миру по-прежнему нуждаются не просто в улучшении жилищных условий, а в получении хотя бы более или менее качественного жилья. Часть экспертов предлагает идти по пути интенсификации производства: больше кирпичей – больше жилых домов. Однако все активнее продвигаются и альтернативные пути решения жилищной проблемы – для этого, в частности, предлагается использовать микробиологический ресурс.

Цемент и кирпич на бактериальных технологиях

Микроорганизмы – это, безусловно, самые опытные строители на земле, которые освоили технологию биоминерализации еще в далекую докембрийскую эру. В результате целого комплекса химических реакций живые клетки научились образовывать молекулы карбоната кальция, который аккумулируется в виде различных нерастворимых осадков. Они представляют собой довольно сложные минеральные соединения – в частности, природные отложения мрамора, известняка и мела ученые связывают именно с деятельностью бактерий. При этом биопреципитация карбоната кальция может наблюдаться и в не столь глобальных масштабах. И это открывает новые возможности для использования «труда» микроорганизмов во благо человека.

Абсолютно безвредные и при этом распространенные практически повсеместно бактерии Sporosarcina pasteurii, обитающие в почве, обладают возможностью локально «цементировать» песок. Эту способность ученые обнаружили уже давно – и еще в 2008 году шведский исследователь Магнус Ларссон выдвинул гипотезу о возможности использования этих микроорганизмов во благо человека. В своем исследовании он привел доказательства того, что с помощью данного вида бактерий можно создать в Западной Африке искусственные барьеры, которые будут сдерживать рост пустынь. Немногим позже подобная инициатива была предложена Джинджер Досье из Американского университета Шарджи, ОАЭ. Она еще глубже изучила процессы биопреципитации CaCO3 и представила научное обоснование возможности микробиологической индукции преципитации карбоната кальция. Говоря проще, миссис Досье предложила способ изготавливать строительные кирпичи «руками» бактерий.

Точно так же, как и при производстве обычного кирпича и цемента, в новой технологии базовым компонентом используется песок. Он смешивается с CaCl и мочевиной, после чего загружается в специальные формы. Далее туда же добавляется действующее вещество на основе бактериального препарата – и по прошествии 2-5 суток заготовка приобретает твердость и прочность полноценного кирпича.

Проект Джинджер Досье был широко представлен в научных кругах и на профильных строительных мероприятиях. Это помогло достаточно быстро найти финансирование для запуска практической части проекта. В результате был основан перспективный старт-ап, получивший название bioMASON. Это открыло двери к дальнейшему развитию и совершенствованию изначальной технологии. Причем не только его теоретической базы – в рамках старт-апа в Северной Каролине было основано опытное производство, мощность которого позволяла еженедельно получать до 1500 «биокирпичей». Продукция фабрики уже достаточно длительное время проходит испытания в реальных условиях, что помогает эффективно совершенствовать инновационную технологию. Одновременно специалисты bioMASON работают над расширением функционала своих кирпичей. В частности, разрабатываются кирпичи-фильтры, способные очищать воздух, кирпичи-индикаторы, цвет которых изменяется в зависимости от уровня влажности, а также кирпичи с природной подсветкой.

Биотехнологии для фундаментов

Пока миссис Досье еще только начинала свои опыты, студенты из Ньюкасла экспериментировали с микроорганизмами Bacillus subtilis. В результате долгих генетических экспериментов им удалось получить бактериальную культуру BacillaFilla, которая способна восстанавливать бетонные конструкции. Данные бактерии, проникая вглубь повреждений, минерализируют их, заполняя пустоты тем же карбонатом кальция. Дополнительную прочность «заплатке» придает леван – вещество из класса полисахаридов, отличающееся высокой клейкостью. Чтобы сделать процесс подконтрольным, исследователи несколько изменили принцип действия сигнальных путей, которые используются микроорганизмами для координации коллективной активности. В результате стала возможной искусственная стимуляция синтеза бактериями CaCO3 и левана, а также формирование прочной поверхностной пленки, которая запечатывает трещину.

Этот проект не просто привлек внимание, но и быстро получил развитие. Мартин Дейд-Робертсон, профессор из университета Ньюкасла, обнаружил, что бактерии активно растут и делятся в условиях высокого давления. В частности, при его повышении до 10 атмосфер у Bacillus subtilis активизируется более 100 специфических генов. Эту особенность бактерий было предложено применять для упрочнения фундаментов. Весь механизм здесь достаточно прост и понятен: в грунт под здание вводятся бактерии, реагирующие на повышение давление более активным производством карбоната кальция, и почва будет автоматически цементироваться под сооружением. Причем по мере увеличения нагрузки она будет становиться все тверже и крепче.

Часть проектов, предлагающих использование микроорганизмов в строительных задачах, уже заслужила интерес со стороны авторитетных инвесторов. Разумеется, речь об одномоментном начале строительства на бактериальном фундаменте из созданных микробами кирпичей не идет. Однако вполне вероятно постепенное вхождение микробиома в эту отрасль.

В частности, в том же университете Ньюкасла уже реализуется проект «Живая архитектура», который получил поддержку Еврокомиссии. Ученые, реализующие этот проект, работают над интеграцией бактериальных культур в традиционные кирпичи. Уже в 2016 году был представлен первый прототип такого материала – это был глиняный кирпич с внутренними полостями, заполненными микробиологический препарат. Способности этого микса впечатляют: он может генерировать электроэнергию, фильтровать атмосферный воздух и сточные воды. Предполагается, что путь от экспериментальной разработки до практического применения займет около 10 лет. Причем себестоимость производства таких улучшенных кирпичей, как ожидается, возрастет незначительно.