Самые эффективные экологические штаммы для производства биоцемента обитают на коровьих пастбищах, выяснили исследователи.
Микробно-индуцированное осаждение кальцита (MICP), в котором используются уреолитические микроорганизмы, привлекло значительное внимание в течение последнего десятилетия как многообещающий метод для устойчивого строительства и геоэкологических приложений. Однако переход от лабораторных экспериментов к объемам, пригодным для практического использования, сопряжен с трудностями. Новое исследование устраняет эти препятствия путем скрининга и анализа более 50 штаммов, полученных из: (i) природной среды в кантоне Тичино в Швейцарии; ii) банки микроорганизмов; (iii) биореактор промышленного масштаба
Ведущий автор исследования Димитриос Терзис - старший научный сотрудник в Федеральной политехнической школе Лозанны (Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, EPFL) и соучредитель Medusoil, компании, которая производит органические связующие вещества и открыла производственный завод в Во в 2024 году.
«Для меня важно продолжать проводить фундаментальные исследования», - говорит Терзис, инженер-строитель Лаборатории механики грунтов EPFL. Его компания Medusoil производит органические вяжущие вещества, похожие на биоцемент.
Для исследования, недавно опубликованного в Scientific Reports, Терзис работал с учеными из Университета прикладных наук и искусств Южной Швейцарии, чтобы проанализировать 50 штаммов бактерий, полученных с сельскохозяйственных угодий в кантоне Тичино. Эта земля используется для выпаса молочного скота и, как оказалось, особенно хорошо подходит для производства биоцемента Medusoil из-за широко распространенного присутствия кальция.
Биоцементация основана на стимуляции естественного процесса: секреции микроорганизмами фермента, который запускает образование карбоната, который затем связывается с кальцием, в большом количестве присутствующим в почве, образуя кальцит - природный цемент.
Исследование выявило, какие природные штаммы производят фермент, необходимый для образования карбоната, и могут быть ферментированы - два фактора, которые делают их главными кандидатами для производства биоцемента.
«Наиболее широко используемым штаммом в лаборатории в лабораторных масштабах является Sporosarcina pasteurii21, который был использован в данном исследовании в качестве эталонного (дикий тип). Другой штамм с известным уреолитическим потенциалом был предоставлен Culture Collection of Switzerland под референсным названием nhaC (CCOS 1977). Кроме того, непрерывный рост этого последнего штамма в нестерильных условиях в реакторах объемом 2 л и 1000 л привел к появлению четырех дополнительных штаммов», - рассказал Терзис.
Ученые создали культуру наиболее перспективного штамма, который был инокулирован в 1,5-метровой колонне песка. После 24 часов инфильтрации колонна была достаточно прочной, чтобы выдерживать свой вес и использоваться в различных геотехнических и геоэкологических приложениях, таких как борьба с эрозией сельхозугодий. Установлено, что использование этого штамма может сократить производственные затраты на 40%.
Компания Medusoil, основанная семь лет назад, поставляет органические связующие, углеродное воздействие которых по меньшей мере на 55% ниже, чем у стандартного цемента, который производится путем нагревания смеси 80% известняка/20% глины до высоких температур.
Биоцемент может использоваться в ряде геотехнических и строительных приложений, таких как укрепление плотин, предотвращение эрозии почвы ветром и помощь в защите территорий, подверженных оползням, землетрясениям или циклическим нагрузкам, вызванным автомобильным и железнодорожным движением.
Для проверки еще одного применения биоцемент компании использовался в проекте в Женеве по извлечению бетонных заполнителей из снесенных зданий. И поскольку биоцемент можно использовать несколько раз, он поддерживает круговую экономику.
В исследовании Scientific Reports авторы отмечают, что этот естественный процесс биоцементации может применяться в больших масштабах и может способствовать изменению парадигмы в сторону большей устойчивости в строительной отрасли.
Medusoil достигла нового рубежа в 2024 году с открытием производственного завода в Молондене, недалеко от Ивердон-ле-Бена. «Завод может производить 400 000 литров биоцемента в год, чего достаточно для стабилизации пяти километров берега реки от эрозии», - говорит Венсан Лоренсон, руководитель производства Medusoil.
Компания также имеет мобильную установку биоцементации, разработанную для использования местного сырья. Недавно ее перевезли на грузовике в Румынию, например, где ее использовали для укрепления дорог. Фирма намерена продолжить свои передовые НИОКР и в этом году планирует проекты во Франции, на Ближнем Востоке и в Нидерландах.
Источник: Ecole Polytechnique Federale de Lausanne. Автор: Сандрин Перруд.
На фото - образцы биоцемента на производственном предприятии Medusoil в кантоне Во. Автор фото: Alain Herzog / EPFL 2025 – CC.