尿素分解性 Bacillus 属および Streptomyces 属の生物セメント化が砂粒子の凝結にもたらす可能性

小さな建設者がひび割れたコンクリートを修復する可能性

現代の都市はコンクリートの上に成り立っていますが、この重要な材料はひび割れやすく、そこから水分や塩分が入り込み、建物や橋、道路を徐々に劣化させます。これらのひび割れを修復するには多大な費用と二酸化炭素排出を伴います。本研究は魅力的な代替手段を検討します。自然に存在する細菌を微小な建設者として利用し、ひび割れやゆるい砂の内部で新たな鉱物を生成させることで、自ら修復するコンクリートや経年で強くなる基礎を実現できる可能性を探るものです。

なぜコンクリートのひび割れが問題なのか

コンクリートは圧縮には強い一方で、引張や曲げに弱く、日常の応力や乾燥、収縮により小さなひびが生じやすいです。一見無害に見えるこれらのひびは、水や腐食性の化学物質にとって開いた扉のように振る舞い、内部の鉄筋を腐食させて構造物の寿命を縮め、頻繁な補修を必要とします。そこで技術者たちは「自己修復」コンクリートに注目しており、有用な微生物が内部からひびを封鎖する新たな鉱物を形成することで修復を促すという考え方です。水や溶けた化学物質といった問題の一部を、細菌に固体の材料へ変換させることで解決の一部にする発想です。

細菌を天然の接着剤に変える

研究者らはペルーのアルカリ性の石灰岩鉱山土壌から分離された 2 種類の細菌に着目しました。一つは Bacillus グループの菌、もう一つは Streptomyces グループの菌です。これらの微生物は尿素を分解でき、その過程で局所的な化学環境を変化させ、周囲溶液のカルシウムが炭酸カルシウムとして結晶化するよう促します。炭酸カルシウムは貝殻や石灰岩にも見られる同じ鉱物です。これらの微生物が砂粒子を接着できるかを試す前に、研究チームはまずコンクリート内部のように高い pH 条件でも生存・活性を維持できるかを確認しました。コンクリート内部は多くの自然環境より過酷になり得るためです。

過酷な条件での生存と新鉱物の生成

両株とも周囲の液体をかなりアルカリ性にしてもよく増殖し、コンクリート内部に類似した条件に耐えうることが示されました。尿素と塩化カルシウムを含む栄養溶液に置くと、両種とも目に見える炭酸カルシウム結晶を生成しました。強力な顕微鏡で見ると、Bacillus 株由来の鉱物は小さくほぼ球状の粒子が表面に均一に分布しているのに対し、Streptomyces 株由来の鉱物はより大きく柱状に近い形を呈しました。X 線測定では、Bacillus が主にバテライト（vaterite）とそれに近い相を生成し、他元素を取り込んだ関連鉱物も形成して機械的強度を高めうることが示されました。これらの丸みを帯びた微細な結晶は表面積が大きく、粒子間に緻密な橋を形成しやすい特徴があります。

ゆるい砂から固い柱へ

これらの微生物が実際の材料でどう働くかを模擬するため、各細菌をきれいな砂と尿素とカルシウムを豊富に含む栄養溶液と混合し、この混合物を小さな柱状容器に詰めて数日間作用させました。Bacillus で処理した柱では砂粒子が強く結びつき、取り扱っても柱が崩れず、顕微鏡観察で粒子間をつなぐ多数の鉱物橋が確認され、隙間に炭酸カルシウムが形成されていることが裏付けられました。一方、Streptomyces で処理した砂柱は結合が弱く、分析では砂内部に明瞭な炭酸カルシウム沈着が見られませんでした。代わりに他のケイ酸塩鉱物が優勢であり、Streptomyces は単純な培養溶液中では炭酸カルシウムを形成できても、多孔質材料である砂の内部ではそれが実際には有効に働きにくいことが示唆されます。

将来のコンクリートにとっての意義

本研究は、在来の Bacillus 株が自己修復コンクリートや土質改良の「生きた」成分として有望であると結論づけています。実構造物に似たアルカリ条件下で生存でき、細孔やひびを封鎖するのに適した形状と分布の豊富な炭酸カルシウムを生成し、自然の鉱物橋を通じてゆるい砂を凝集質に変えることができました。Streptomyces 株は理論的には興味深いものの、粒子を接着する能力は実際には限定的でした。総じて、本結果は慎重に選ばれた細菌が将来的に建物や基礎を自ら修復し、維持コストを削減し、人工構造物の環境負荷を低減する助けとなり得るという考えを支持します。

引用: 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

キーワード: 自己修復コンクリート, 生物セメント化, 炭酸カルシウム, Bacillus 細菌, 砂の安定化