Pakete mit gefriergetrockneten Bakterien können bei Bedarf Biobeton herstellen.

5. März 2025

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von American Chemical Society

Die Herstellung und Reparatur von Zement könnte durch die Verwendung von biocement-produzierenden Bakterien erheblich verbessert werden, aber das Züchten der Mikroorganismen auf Baustellen bleibt eine Herausforderung. Forscher berichten nun in ACS Applied Materials & Interfaces über einen Gefriertrocknungsansatz, der die Bakterien konserviert und es Bauarbeitern letztendlich ermöglichen könnte, Pulver aus einer Packung zu verwenden, um schnell Fliesen herzustellen, Ölbrunnen zu reparieren oder den Boden für provisorische Straßen oder Lager zu verstärken.

Bodenstabilisierung und Betonreparatur sind wichtige Herausforderungen für Bauingenieure. In letzter Zeit haben Forscher ihre Aufmerksamkeit auf ein winziges Bakterium namens Sporosarcina pasteurii gelenkt, das eine Form von Calciummineral namens Biocement produzieren kann. Die Mikroorganismen bauen Harnstoff ab und bilden Ammonium und Carbonat. Dann entsteht durch Zugabe von Calcium Calciumcarbonat, das Sand- und Bodenpartikel verklebt oder Risse in bestehenden Betonstrukturen repariert.

Um Biocement für Bauprojekte herzustellen, müssen die Bakterien derzeit vor Ort mit spezieller Ausrüstung und technischem Know-how gezüchtet werden. Deshalb wollten Maneesh Gupta und Kollegen eine Möglichkeit entwickeln, S. pasteurii in einem regalfähigen Format zu konservieren, das für Bauarbeiter einfach zu verwenden wäre.

Das Team von Gupta wurde von Herstellern inspiriert, die biologische Komponenten einfrieren und sie Düngemitteln hinzufügen. Die Forscher suspendierten die Bakterien in verschiedenen Lösungen und testeten, wie gut die Mikroorganismen das Einfrieren überlebten. Sie stellten fest, dass Sucrose die Bakterien am besten im Vergleich zu anderen Arten von Schutzmitteln schützte. Nach dem Einfrieren wurden die Bakterien getrocknet und dann in wiederverschließbaren Plastiktüten gelagert. Die mit Sucrose behandelten S. pasteurii blieben mindestens drei Monate lebensfähig.

Weitere Labortests zeigten, dass die mit Sucrose konservierten, gefriergetrockneten Bakterien dazu verwendet werden konnten, Sand in 3D-gedruckten zylindrischen Formen zu zementieren. Die Forscher bereiteten separate Säulen mit Spielsand vor, wie er in Sandkästen für Kinder verwendet wird, und natürlicher Sanderde aus dem Boden entnommen. Dann, als die Säulen mehrmals mit Calciumchlorid und Harnstoff besprüht wurden, produzierten die Bakterien Biocement. Der Biocement in den mit Spielsand hergestellten Säulen war stärker als der Biocement, der mit Erde hergestellt wurde, und die meisten Biocementproben konnten aus den Spielsandformen entfernt werden.

In einem anderen Labortest bereitete das Team Säulen aus gefriergetrockneten Bakterien mit natürlicher Sanderde in PVC-Rohren vor, entfernte den Biocement jedoch nicht aus den Rohren. Die PVC-Säulen, die sowohl aus Spielsand als auch aus natürlicher Erde bestanden, waren stärker bei näherem Kontakt mit mehr Calciumchlorid und Harnstoff.

In Feldtests wurden gefriergetrocknete Bakterien auf die Oberfläche von 1-Meter mal 1-Meter großen Parzellen aufgetragen, und Harnstoff und Calciumchlorid wurden darauf gesprüht. Die gefriergetrockneten Bakterien machten den oberen 7,6 Zentimeter des Bodens innerhalb von 24 Stunden stärker.

Obwohl weitere Arbeiten erforderlich sind, sagen die Forscher, dass dies der erste Nachweis ist, dass gefriergetrocknete S. pasteurii lebensfähig bleibt und Biocement herstellen kann, und dass dies in der Zukunft für den Einsatz im Feld möglich sein könnte.

Weitere Informationen:Matthew J. Tuttle et al, Shelf-Stable Sporosarcina pasteurii Formulation for Scalable Laboratory and Field-Based Production of Biocement, ACS Applied Materials & Interfaces (2025). DOI: 10.1021/acsami.4c15381

Journal-Information: ACS Applied Materials and Interfaces

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