Потенциал биоцементирования уреолитических Bacillus sp. и Streptomyces sp. в сцеплении песчаных частиц

Как крошечные строители могут залечивать трещины в бетоне

Современные города опираются на бетон, но этот важный материал склонен к образованию трещин, через которые проникают вода и соли, постепенно ослабляющие здания, мосты и дороги. Ремонт всех этих повреждений обходится дорого и сопровождается значительными выбросами углерода. В этом исследовании рассматривается интересная альтернатива: использование природных бактерий как микроскопических строителей, способных формировать новый минерал внутри трещин и в рыхлом песке, что потенциально даст нам бетон, способный к саморемонту, и укрепляющиеся со временем фундаменты вместо постепенного износа.

Почему трещины в бетоне имеют значение

Бетон прочен при сжатии, но слаб при растяжении и изгибе, поэтому повседневные нагрузки, высыхание и усадка часто создают микротрещины. На первый взгляд они могут казаться безобидными, но действуют как открытые двери для влаги и агрессивных химикатов, которые корродируют сталь внутри конструкции, сокращая срок службы сооружений и требуя частого ремонта. Инженеры стали изучать «самозалечивающийся» бетон, где полезные микроорганизмы запечатывают трещины изнутри, формируя новый минерал. Идея в том, чтобы превратить часть проблемы — воду и растворённые вещества — в часть решения, позволяя бактериям превращать их в твёрдый материал, заполняющий пустоты.

Превращение бактерий в природный клей

Исследователи сосредоточились на двух типах бактерий, обнаруженных в щелочных породах известняковых шахт в Перу: одном представителе рода Bacillus и одном представителе рода Streptomyces. Эти микроорганизмы способны расщеплять мочевину, распространённое азотсодержащее соединение, и в процессе изменять локальную химию так, что кальций из окружающего раствора кристаллизуется в карбонат кальция — тот же минерал, что встречается в раковинах и известняке. Прежде чем проверять, смогут ли эти микробы склеивать зерна песка, команда сначала выяснила, выживают ли они и остаются ли активными в высокощелочной среде, аналогичной той, что встречается внутри бетона, которая может быть более суровой, чем большинство природных условий.

Выживание в жёстких условиях и образование нового минерала

Оба штамма бактерий хорошо росли даже при достаточно щелочной среде, что указывает на их переносимость условий, подобных тем, что встречаются в трещинах бетона. При помещении в питательный раствор с мочевиной и хлоридом кальция оба типа микроорганизмов образовали видимые кристаллы карбоната кальция. Под мощными микроскопами минерал от штамма Bacillus выглядел как множество мелких, почти сферических зерен, равномерно распределённых по поверхности, тогда как минерал от штамма Streptomyces формировал более крупные призматические формы. Рентгеновские измерения показали, что бактерии Bacillus в основном продуцируют форму карбоната кальция, называемую ватеритом, и близкую фазу, при этом в структуру могут включаться и другие элементы, создающие связанные минералы, повышающие механическую прочность. Эти округлые мелкие кристаллы имеют высокую удельную поверхность, что помогает им образовывать плотные мостики между частицами.

От рыхлого песка к плотным колоннам

Чтобы смоделировать работу микробов в реальных материалах, команда смешала каждый тип бактерий с очищенным песком и питательным раствором, богатым мочевиной и кальцием, затем уплотнила смесь в небольших колоннах и дала бактериям поработать несколько дней. В колоннах, обработанных Bacillus, зерна песка оказались прочно связаны: колонны сохраняли целостность при обращении, а микроскопические изображения показали множество минеральных мостиков, соединяющих зерно с зерном, подтверждая, что в зазорах образовался карбонат кальция. В отличие от этого, колонны с Streptomyces показали более слабую когезию и при анализе не содержали явных отложений карбоната кальция в самом песке. Вместо этого доминировали другие силикатные минералы, что свидетельствует о том, что хотя Streptomyces способен формировать карбонат кальция в простых лабораторных растворах, в пористом материале вроде песка он делает это значительно менее эффективно.

Что это значит для будущего бетона

Авторы исследования приходят к выводу, что местный штамм Bacillus обладает значительным потенциалом в качестве «живого» ингредиента для самозалечивающегося бетона и улучшения грунтов. Он выживает в щелочных условиях, близких к реальным конструкциям, производит обильный карбонат кальция с формой и распределением, подходящими для герметизации пор и трещин, и превращает рыхлый песок в связную массу через естественные минеральные мостики. Штамм Streptomyces, хотя и теоретически интересен, продемонстрировал ограниченную способность цементировать частицы на практике. В целом полученные данные подтверждают идею о том, что тщательно подобранные бактерии однажды смогут помочь зданиям и фундаментам восстанавливаться самостоятельно, сокращая расходы на обслуживание и уменьшая экологический след нашей застройки.

Цитирование: 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

Ключевые слова: самозалечивающийся бетон, биоцементирование, карбонат кальция, бактерии Bacillus, стабилизация песка