Precipitación de calcita inducida microbiológicamente - Microbiologically induced calcite precipitation
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La precipitación de carbonato de calcio inducida microbiológicamente (MICP) es un proceso biogeoquímico que induce la precipitación de carbonato de calcio dentro de la matriz del suelo. La biomineralización en forma de precipitación de carbonato de calcio se remonta al período Precámbrico . El carbonato de calcio puede precipitarse en tres formas polimórficas, que en el orden de sus estabilidades habituales son calcita , aragonito y vaterita . Los principales grupos de microorganismos que pueden inducir la precipitación de carbonatos son los microorganismos fotosintéticos como las cianobacterias y las microalgas ; bacterias reductoras de sulfato ; y algunas especies de microorganismos implicados en el ciclo del nitrógeno . Se han identificado varios mecanismos mediante los cuales las bacterias pueden inducir la precipitación de carbonato de calcio, incluida la hidrólisis de urea, desnitrificación , producción de sulfato y reducción de hierro. Se han identificado dos vías diferentes, o vías autótrofas y heterótrofas, a través de las cuales se produce el carbonato de calcio. Hay tres vías autótrofas, que dan como resultado el agotamiento del dióxido de carbono y favorecen la precipitación del carbonato de calcio. En la vía heterotrófica, pueden estar involucrados dos ciclos metabólicos: el ciclo del nitrógeno y el ciclo del azufre . Se han propuesto varias aplicaciones de este proceso, como la remediación de grietas y prevención de la corrosión en hormigón, biogrout, secuestro de radionucleidos y metales pesados .
Vías metabólicas
Vía autótrofa
Los tres tipos principales de bacterias que participan en la producción autótrofa de carbonato obtienen carbono a partir de dióxido de carbono gaseoso o disuelto. Estas vías incluyen la metanogénesis no metilotrófica , la fotosíntesis anoxigénica y la fotosíntesis oxigenada . La metanogegénesis no metilotrófica es llevada a cabo por arquebacterias metanogénicas , que utilizan CO 2 y H 2 en la anaerobiosis para dar CH 4 .
Vía heterotrófica
Pueden ocurrir dos vías heterótrofas separadas y a menudo concurrentes que conducen a la precipitación de carbonato de calcio, incluida la carbonatogénesis activa y pasiva. Durante la carbonatogénesis activa, las partículas de carbonato se producen mediante intercambios iónicos a través de la membrana celular mediante la activación de bombas o canales iónicos de calcio y / o magnesio, probablemente junto con la producción de iones carbonato. Durante la carbonatogénesis pasiva, pueden estar involucrados dos ciclos metabólicos, el ciclo del nitrógeno y el ciclo del azufre . En el ciclo del nitrógeno pueden intervenir tres vías diferentes: amonificación de aminoácidos, reducción disimilatoria de nitrato y degradación de urea o ácido úrico. En el ciclo del azufre, las bacterias siguen la reducción disimilatoria del sulfato.
Ureólisis o degradación de la urea
La ureasa microbiana cataliza la hidrólisis de urea en amonio y carbonato. Un mol de urea se hidroliza intracelularmente a 1 mol de amoníaco y 1 mol de ácido carbámico (1), que se hidroliza espontáneamente para formar 1 mol adicional de amoníaco y ácido carbónico (2).
CO (NH 2 ) 2 + H 2 O ---> NH 2 COOH + NH 3 (1)
NH 2 COOH + H 2 O ---> NH 3 + H 2 CO 3 (2)
El amonio y el ácido carbónico forman bicarbonato y 2 moles de iones de amonio e hidróxido en agua (3 y 4).
2NH 3 + 2H 2 O <---> 2NH + 4 + 2OH - (3) H 2 CO 3 <---> HCO - 3 + H + (4)
La producción de iones de hidróxido da como resultado un aumento del pH, que a su vez puede cambiar el equilibrio de bicarbonato, lo que resulta en la formación de iones de carbonato (5).
HCO - 3 + H + + 2NH + 4 + 2OH - <---> CO 3 −2 + 2NH + 4 + 2H 2 O (5)
Los iones de carbonato producidos precipitan en presencia de iones de calcio como cristales de carbonato de calcio (6).
Ca +2 + CO 3 −2 <---> CaCO 3 (6)
La formación de una monocapa de calcita aumenta aún más la afinidad de las bacterias a la superficie del suelo, lo que resulta en la producción de múltiples capas de calcita.
Posibles aplicaciones
Ciencia material
Se ha informado que MICP es una técnica de remediación a largo plazo que ha mostrado un alto potencial para la cementación de grietas de varias formaciones estructurales como el granito y el hormigón.
Tratamiento de hormigón
Se ha demostrado que MICP prolonga la vida útil del hormigón debido a la precipitación de carbonato de calcio. El carbonato de calcio cura el hormigón solidificándose en la superficie de hormigón agrietada, imitando el proceso mediante el cual las fracturas óseas en el cuerpo humano son curadas por células osteoblásticas que se mineralizan para reformar el hueso. Actualmente se están estudiando dos métodos: inyección de bacterias precipitadoras de carbonato de calcio. y aplicando bacterias y nutrientes como tratamiento superficial. Se ha informado de un aumento de la resistencia y durabilidad del hormigón tratado con MICP.
Materiales prefabricados (tejas, ladrillos, etc.)
La arquitecta Ginger Krieg Dosier ganó el Concurso de Diseño de Próxima Generación de Metropolis 2010 por su trabajo en el que se utilizó la precipitación de calcita inducida por microbios para fabricar ladrillos mientras se reducían las emisiones de dióxido de carbono. Desde entonces, fundó Biomason, Inc. , una empresa que emplea microorganismos y procesos químicos para fabricar materiales de construcción.
Rellenos para caucho, plásticos y tintas
La técnica MICP se puede aplicar para producir un material que se puede usar como relleno en caucho y plásticos , partículas fluorescentes en tinta de papelería y un marcador fluorescente para aplicaciones bioquímicas, como Western blot .
Prevención de la licuefacción
Se ha propuesto la precipitación de carbonato de calcio inducida por microbios como una técnica de cementación alternativa para mejorar las propiedades de la arena potencialmente licuable . El aumento en la resistencia al cizallamiento, la resistencia a la compresión confinada, la rigidez y la resistencia a la licuefacción se informó debido a la precipitación de carbonato de calcio resultante de la actividad microbiana. El aumento de la resistencia del suelo de MICP es el resultado de la unión de los granos y el aumento de la densidad del suelo. La investigación ha demostrado una relación lineal entre la cantidad de precipitación de carbonato y el aumento de resistencia y porosidad. También se ha observado una disminución del 90% en la porosidad en suelos tratados con MICP. Las imágenes de microscopio óptico sugirieron que la mejora de la resistencia mecánica del material arenoso cementado se debe principalmente a los contactos punto a punto de los cristales de carbonato de calcio y los granos de arena adyacentes.
Los experimentos con columnas unidimensionales permitieron el seguimiento de la programación del tratamiento mediante el cambio en la química del fluido de los poros. Las pruebas de compresión triaxial en arena de Ottawa no tratada y biocementada han demostrado un aumento de la resistencia al corte en un factor de 1,8. Los cambios en el pH y las concentraciones de urea, amonio, calcio y carbonato de calcio en el fluido de los poros con la distancia desde el punto de inyección en experimentos de columna de 5 metros han demostrado que la actividad bacteriana resultó en la hidrólisis exitosa de urea, aumento del pH y precipitación de calcita. Sin embargo, dicha actividad disminuyó a medida que aumentaba la distancia desde el punto de inyección. Las mediciones de la velocidad de la onda de corte demostraron que existe una correlación positiva entre la velocidad de la onda de corte y la cantidad de calcita precipitada.
Una de las primeras patentes sobre mejoramiento del terreno por MICP fue la patente “Biocementación microbiana” de la Universidad de Murdoch (Australia). Una gran escala (100 m 3 ) ha demostrado que se observó un aumento significativo en la velocidad de la onda de corte durante el tratamiento. Originalmente, MICP fue probado y diseñado para aplicaciones subterráneas en terrenos saturados de agua, que requieren bombas de inyección y producción. Trabajos recientes han demostrado que la percolación o irrigación de la superficie también es factible y, de hecho, proporciona más resistencia por cantidad de calcita proporcionada porque los cristales se forman más fácilmente en los puntos de unión entre las partículas de arena sobre las que se filtra el agua.
Beneficios de MICP para la prevención de la licuefacción
MICP tiene el potencial de ser una alternativa ecológica y rentable a los métodos tradicionales de estabilización de suelos, como la lechada química, que normalmente implica la inyección de materiales sintéticos en el suelo. Estos aditivos sintéticos suelen ser costosos y pueden crear peligros ambientales al modificar el pH y contaminar los suelos y las aguas subterráneas. Excepto el silicato de sodio, todos los aditivos químicos tradicionales son tóxicos. Los suelos diseñados con MICP cumplen con los requisitos de construcción ecológica porque el proceso ejerce una alteración mínima en el suelo y el medio ambiente.
Posibles limitaciones de MICP como técnica de cementación
El tratamiento con MICP puede limitarse a suelos profundos debido a las limitaciones del crecimiento bacteriano y el movimiento en el subsuelo. MICP puede limitarse a los suelos que contienen cantidades limitadas de finos debido a la reducción de los espacios porosos en suelos finos. Según el tamaño del microorganismo, la aplicabilidad de la biocementación se limita a suelos GW, GP, SW, SP, ML y orgánicos. No se espera que las bacterias entren a través de gargantas de poros menores de aproximadamente 0,4 µm. En general, se encontró que la abundancia microbiana aumenta con el aumento del tamaño de las partículas. Por otro lado, las partículas finas pueden proporcionar sitios de nucleación más favorables para la precipitación de carbonato de calcio porque la mineralogía de los granos podría influir directamente en la termodinámica de la reacción de precipitación en el sistema. Los poros habitables y las gargantas de los poros transitables se encontraron en sedimentos gruesos y algunos sedimentos arcillosos a poca profundidad. En suelos arcillosos, las bacterias son capaces de reorientar y mover partículas de arcilla bajo un bajo estrés de confinamiento (a poca profundidad). Sin embargo, la incapacidad de realizar estos reordenamientos bajo tensiones de confinamiento elevadas limita la actividad bacteriana a mayores profundidades. Además, la interacción sedimento-célula puede provocar la perforación o rotura por tracción de la membrana celular. Del mismo modo, a mayores profundidades, las partículas de limo y arena pueden aplastarse y provocar una reducción de los espacios porosos, reduciendo la actividad biológica. La actividad bacteriana también se ve afectada por desafíos como la depredación, la competencia, el pH, la temperatura y la disponibilidad de nutrientes. Estos factores pueden contribuir a la disminución de la población de bacterias. Muchas de estas limitaciones pueden superarse mediante el uso de MICP mediante bioestimulación, un proceso mediante el cual las bacterias ureolíticas autóctonas del suelo se enriquecen in situ. Este método no siempre es posible ya que no todos los suelos autóctonos tienen suficientes bacterias ureolíticas para lograr una MICP exitosa.
Remediación de la contaminación por radionúclidos y metales pesados
MICP es una técnica prometedora que se puede utilizar para contener varios contaminantes y metales pesados. La disponibilidad de plomo en el suelo puede reducirse por su quelación con el producto MICP, que es el mecanismo responsable de la inmovilización del Pb. MICP también se puede aplicar para lograr el secuestro de metales pesados y radionúclidos. La precipitación con carbonato de calcio inducida microbianamente de radionúclidos y metales contaminantes en calcita es una reacción competitiva de coprecipitación en la que se incorporan cationes divalentes adecuados en la red de calcita. Se demostró que el europio, un lantánido trivalente, que se utilizó como homólogo de los actínidos trivalentes, como Pu (III), Am (III) y Cm (III), se incorporó a la fase de calcita sustituyendo Ca (II) también. como en un sitio de baja simetría dentro del biomineral.
Prevención
Shewanella oneidensis inhibe la disolución de la calcita en condiciones de laboratorio.