القدرة على التبيط الحيوي لبكتيريا من نوع Bacillus المتحللة لليوريا وStreptomyces في تماسك حبيبات الرمل

كيف قد يصلح البنّاؤون الصغار الشقوق في الخرسانة

تعتمد المدن الحديثة على الخرسانة، لكن هذا المادة الحيوية عرضة للتشقق، ما يسمح بدخول الماء والأملاح التي تضعف المباني والجسور والطرق تدريجياً. إصلاح كل هذه الشقوق مكلف وله بصمة كربونية كبيرة. تستكشف هذه الدراسة بديلًا مثيرًا: استخدام بكتيريا طبيعية كمتراكمات دقيقة يمكنها أن تنمو معدنًا جديدًا داخل الشقوق والرمل المتراخي، مما قد يؤدي إلى خرسانة قادرة على إصلاح نفسها وأساسات تقوى مع مرور الوقت بدلاً من أن تتآكل.

لماذا تهم الشقوق في الخرسانة

الخرسانة قوية عند الضغط لكنها ضعيفة عند الشد أو الانحناء، لذا فإن الإجهادات اليومية والجفاف والانكماش غالبًا ما تخلق شقوقًا دقيقة. قد تبدو هذه الشقوق غير ضارة، لكنها تعمل كبوابات مفتوحة للرطوبة والمواد الكيميائية المهاجمة التي تؤدي إلى تآكل الحديد الداخلي، مما يقصر عمر المنشآت ويتطلب إصلاحات متكررة. بدأ المهندسون بالنظر إلى "الخرسانة ذاتية الشفاء"، حيث تقوم الميكروبات المفيدة بسد الشقوق من الداخل عن طريق تكوين معدن جديد. الفكرة هي تحويل جزء من المشكلة — الماء والمواد المذابة — إلى جزء من الحل عبر تمكين البكتيريا من تحويلها إلى مادة صلبة تسد الفراغات.

تحويل البكتيريا إلى غراء طبيعي

ركز الباحثون على نوعين من البكتيريا، كلاهما عُثر عليهما أصلاً في تربة محاجر الحجر الجيري القلوية في بيرو: أحدهما من مجموعة Bacillus والآخر من مجموعة Streptomyces. تستطيع هذه الميكروبات تحلل اليوريا، وهو مركب نيتروجين شائع، وفي أثناء ذلك تغير الكيمياء المحلية بحيث يتبلور الكالسيوم الموجود في المحلول المجاور على شكل كربونات الكالسيوم، نفس المعدن الموجود في قواقع البحر والحجر الجيري. قبل اختبار ما إذا كانت هذه الميكروبات قادرة على لصق حبيبات الرمل معًا، تحقق الفريق أولاً مما إذا كانت تستطيع البقاء حية ونشطة في ظروف قلوية عالية مماثلة لتلك الموجودة داخل الخرسانة، والتي يمكن أن تكون أقسى من معظم البيئات الطبيعية.

البقاء في ظروف قاسية ونمو معدن جديد

نمت كلا سلالتي البكتيريا جيدًا حتى عندما جُعل السائل المحيط قلويًا إلى حد كبير، مما يشير إلى أنهما يمكن أن تتحملا ظروفًا مشابهة لتلك داخل الخرسانة المتشققة. عندما وُضعت في محلول مغذٍّ يحتوي على اليوريا وكلوريد الكالسيوم، أنتجت كلا المجموعتين بلورات مرئية من كربونات الكالسيوم. تحت ميكروسكوبات قوية، بدا أن المعدن الناتج عن سلالة Bacillus يتكوّن من حبيبات صغيرة تقريبًا كروية موزعة بالتساوي عبر السطح، بينما شكل المعدن الناتج عن سلالة Streptomyces أشكالًا أكبر شبيهة بالمنشور. أظهرت قياسات الأشعة السينية أن بكتيريا Bacillus أنتجت بشكل رئيسي شكلًا من كربونات الكالسيوم يُسمى فاترِيت (vaterite) وطورًا مرتبطًا به، مع إدماج عناصر أخرى في معادن ذات صلة يمكن أن تضيف قوة ميكانيكية. هذه البلورات المدورة والناعمة تخلق مساحة سطحية عالية، ما يساعدها على تكوين جسور كثيفة بين الجسيمات.

من الرمل المتراخ إلى أعمدة صلبة

لمحاكاة كيفية عمل هذه الميكروبات في المواد الحقيقية، خلط الفريق كل نوع من البكتيريا مع رمل نقي ومحلول مغذٍ غني باليوريا والكالسيوم، ثم حشو هذا الخليط في أعمدة صغيرة وترك البكتيريا تعمل لبضعة أيام. في الأعمدة المعالجة بـBacillus، انتهى الأمر بحبيبات الرمل مرتبطة بقوة: بقيت الأعمدة سليمة عند التعامل معها، وكشفت الصور المجهرية عن العديد من الجسور المعدنية التي تربط الحبيبات ببعضها، مما يؤكد تكوّن كربونات الكالسيوم في الفراغات. في المقابل، أظهرت أعمدة الرمل المعالجة بـStreptomyces تماسكًا أضعف وعند تحليلها لم تُظهر رواسب واضحة من كربونات الكالسيوم داخل الرمل نفسه. بدلاً من ذلك، سادت معادن سيليكات أخرى، ما يشير إلى أنه بينما يمكن لـStreptomyces تشكيل كربونات الكالسيوم في محاليل مخبرية بسيطة، فإنها أقل فعالية بكثير في القيام بذلك داخل مادة مسامية مثل الرمل.

ماذا يعني هذا لخرسانات المستقبل

تخلص الدراسة إلى أن سلالة Bacillus المحلية لديها قدرة قوية لتكون مكوّنًا "حيًا" في الخرسانة ذاتية الشفاء وتحسين التربة. إنها تبقى على قيد الحياة تحت ظروف قلوية مشابهة للمنشآت الحقيقية، وتنتج كربونات كلسيوم وفيرة ذات شكل وتوزيع مناسبين لسد المسام والشقوق، وتحول الرمل المتراخ إلى كتلة متماسكة عبر جسور معدنية طبيعية. أما سلالة Streptomyces، فعلى الرغم من أنها مثيرة من الناحية النظرية، فقد أظهرت قدرة محدودة على تبيط الجسيمات عمليًا. عموماً، تدعم النتائج فكرة أن اختيار بكتيريا مناسب يمكن أن يساعد يومًا ما المباني والأساسات على إصلاح نفسها، مما يخفض تكاليف الصيانة ويقلل البصمة البيئية للبنية التحتية المبنية.

الاستشهاد: Farfán-Córdova, M., Otiniano, N.M. Biocementing potential of ureolytic Bacillus sp. and Streptomyces sp. in the cohesion of sand particles. Sci Rep 16, 13425 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43845-6

الكلمات المفتاحية: خرسانة ذاتية الشفاء, التبيط الحيوي, كربونات الكالسيوم, بكتيريا Bacillus, تثبيت الرمال