Potenziale biocementante di Bacillus sp. ureolitico e Streptomyces sp. nella coesione delle particelle sabbiose

Come i piccolissimi costruttori potrebbero riparare il calcestruzzo incrinato

Le città moderne poggiano sul calcestruzzo, ma questo materiale fondamentale è soggetto a fessurazioni che lasciano penetrare acqua e sali che nel tempo indeboliscono edifici, ponti e strade. Riparare tutte queste crepe è costoso e ad alta intensità di carbonio. Questo studio esplora un’alternativa suggestiva: usare batteri naturali come costruttori microscopici in grado di far crescere nuovo minerale all’interno delle fessure e nella sabbia allentata, offrendo la possibilità di un calcestruzzo che si autoripara e di fondazioni che si rafforzano nel tempo invece di degradarsi.

Perché le crepe nel calcestruzzo sono importanti

Il calcestruzzo è resistente alla compressione ma fragile a trazione e flessione, quindi gli stress quotidiani, l’essiccazione e il ritiro spesso generano microfessure. Queste possono sembrare innocue, ma fungono da porte aperte per umidità e agenti aggressivi che corrodono l’armatura metallica, accorciando la vita delle strutture e rendendo necessarie riparazioni frequenti. Gli ingegneri hanno iniziato a studiare il «calcestruzzo autoriparante», in cui microrganismi utili sigillano le crepe dall’interno formando nuovo minerale. L’idea è trasformare in parte il problema — acqua e sostanze disciolte — in parte della soluzione, permettendo ai batteri di convertirle in materiale solido che ottura le fessure.

Trasformare i batteri in collante naturale

I ricercatori si sono concentrati su due tipi di batteri, entrambi isolati da suoli calcarei alcalini in miniere del Perù: uno del gruppo Bacillus e uno del gruppo Streptomyces. Questi microrganismi possono degradare l’urea, un comune composto azotato, e nel farlo modificano la chimica locale in modo che il calcio presente nella soluzione circostante cristallizzi come carbonato di calcio, lo stesso minerale presente nelle conchiglie e nel calcare. Prima di verificare se questi microbi potessero incollare i granuli di sabbia, il team ha controllato se riuscissero a sopravvivere e rimanere attivi in condizioni fortemente alcaline simili a quelle presenti all’interno del calcestruzzo, condizioni spesso più severe rispetto alla maggior parte degli ambienti naturali.

Sopravvivere a condizioni ostili e produrre nuovo minerale

Entrambi i ceppi batterici sono cresciuti bene anche quando il liquido circostante è stato reso piuttosto alcalino, indicando che possono tollerare condizioni analoghe a quelle presenti nelle fessure del calcestruzzo. Inseriti in una soluzione nutritiva contenente urea e cloruro di calcio, entrambi i tipi di microrganismi hanno prodotto cristalli visibili di carbonato di calcio. Al microscopio ad alta potenza, il minerale formato dal ceppo di Bacillus appariva come molti piccoli granuli quasi sferici distribuiti in modo uniforme sulla superficie, mentre il minerale prodotto dal ceppo di Streptomyces formava strutture più grandi e prismatiche. Le misure ai raggi X hanno mostrato che i batteri di Bacillus producevano principalmente una forma di carbonato di calcio chiamata vaterite e una fase strettamente correlata, incorporando inoltre altri elementi in minerali correlati che possono aumentare la resistenza meccanica. Questi cristalli arrotondati e fini generano una grande area superficiale, favorendo la formazione di ponti densi tra le particelle.

Dalla sabbia sfusa a colonne solide

Per simulare come questi microbi potrebbero agire nei materiali reali, il team ha miscelato ciascun tipo di batterio con sabbia pulita e una soluzione nutritiva ricca di urea e calcio, poi ha compattato la miscela in piccole colonne lasciando i batteri agire per diversi giorni. Nelle colonne trattate con Bacillus, i granuli di sabbia sono risultati fortemente legati: le colonne sono rimaste integre alla manipolazione e le immagini microscopiche hanno rivelato numerosi ponti minerali che collegavano grano a grano, confermando la presenza di carbonato di calcio negli spazi. Al contrario, le colonne di sabbia trattate con Streptomyces hanno mostrato coesione più debole e, dall’analisi, non contenevano depositi evidenti di carbonato di calcio all’interno della matrice sabbiosa. Al loro posto dominavano altri minerali silicatici, suggerendo che sebbene lo Streptomyces possa formare carbonato di calcio in soluzioni di laboratorio semplici, è molto meno efficace nel farlo all’interno di un materiale poroso come la sabbia.

Cosa significa per il calcestruzzo del futuro

Lo studio conclude che il ceppo autoctono di Bacillus ha un forte potenziale come ingrediente «vivente» per il calcestruzzo autoriparante e per il miglioramento dei terreni. Sopravvive in condizioni alcaline simili a quelle delle strutture reali, produce abbondante carbonato di calcio con forma e distribuzione adatte a sigillare pori e fessure, e trasforma la sabbia sciolta in una massa coesa tramite ponti minerali naturali. Il ceppo di Streptomyces, pur interessante in teoria, ha mostrato una capacità limitata di cementare le particelle nella pratica. Nel complesso, i risultati supportano l’idea che batteri selezionati con cura potrebbero un giorno aiutare edifici e fondazioni a autoripararsi, riducendo i costi di manutenzione e l’impronta ambientale del nostro ambiente costruito.

Citazione: 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

Parole chiave: calcestruzzo autoriparante, biocementazione, carbonato di calcio, batteri Bacillus, stabilizzazione della sabbia