КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер проекта 24-44-20012
НазваниеИнженерный биобетон для самовосстановления: новая биотехнология в промышленном масштабе
Руководитель Ватин Николай Иванович, Доктор технических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" , г Санкт-Петербург
Конкурс №94 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований международными научными коллективами» (INSF)
Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни; 04-209 - Биотехнология (в том числе бионанотехнология)
Ключевые слова биобетон; биокосное вещество; самовосстанавливающийся материал; самовосстанвливающийся бетон; биовосстановление кальцита; бактерии, споры, уреазная активность
Код ГРНТИ67.09.00
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Главная задача проекта - заложить биотехнологические основы производства высококачественного самовосстанавливающегося бетона. Ее решение позволит углубить понимание фундаментальных процессов, лежащих в основе интереснейшего феномена регенерации стройматериалов, а также предложить новые технологии для отечественной строительной индустрии.
Рост потребности в бетоне подразумевает развитие и внедрение технологий, способствующих повышению его качества и долговечности. Главным фактором, приводящим к ухудшению качества и сокращению ожидаемого срока эксплуатации бетонных конструкций, является растрескивание. Как показали результаты, полученные наукой о материалах к настоящему моменту, некоторые бактерии могут эффективно способствовать перекристаллизации кальцита для регенерации микротрещин. Данное наблюдение и легло в основу разработок так называемого биобетона, обладающего самовосстанавливающимися свойствами.
В данном направлении (которое безусловно является прорывным) работают многие лидеры современной науки о материалах (см. раздел 4.5 заявки). Однако, как показывает наш анализ, общим недостатком исследований конкурентов является недостаточное внимание именно к биологической составляющей данных технологий.
В рамках планируемого проекта впервые в мировой практике будет проведена систематическая работа по подбору, селекции и конструированию штаммов микроорганизмов для получения качественного биобетона. Подбор штаммов бактерий идет в настоящее время с учетом следующих параметров: способности к аэробному росту, споруляции, способности разлагать мочевину на аммиак и углекислоту, что приводит к практически неограниченному числу штаммов-кандидатов. Наш исследовательский коллектив предполагает ввести дополнительные направления отбора, среди которых: выделение штаммов - изолятов из образцов древнего цемента. Анализ сохранившейся в древнем цементе ДНК микроорганизмов с целью определения видов-доминантов микробного сообщества; получение цемента на природной воде из различных естественных водоемов и последующий метагеномный анализ полученных образцов. Этот подход позволит отобрать штаммы бактерий адаптированные эволюционно к выживанию внутри цементной матрицы, на границе цемент/щебень и цемент/арматура. Следующий этап - улучшение полученных культур микроорганизмов с использованием методов селекции, индуцированного мутагенеза и генной инженерии.
Впервые будет исследована возможность применения относительно дешевых бесклеточных препаратов с высокой уреазной активностью, таких как, например, сырые соевые бобы и отходы производства соевых продуктов, для регенерации бетона.
Впервые будут проведены систематические исследования механизмов биорегенерации микротрещин в стройматериалах. Для изучения этих процессов будут использованы современные методы оптической и электронной микроскопии, атомно-силовой микроскопии, синхротронного анализа. Анализ метаболитов будет проводиться с помощью газовой и жидкостной хроматографии с масс-спектометрической детекцией. Выявленные закономерности также будут использованы для подбора целевых штаммов.
Несомненный, и очень существенный, элемент новизны будет присутствовать при разработке лабораторной технологии получения биопрепаратов. Планируется использование для получения препаратов подхода, основанного на твердофазной ферментации микроорганизмов, что позволит получать биопрепараты с высокой целевой активностью с минимальными затратами.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В ходе выполнения исследовательского проекта была сформирована уникальная коллекция образцов древнего строительного раствора и бетона, собранных из различных археологических объектов. Образцы были систематизированы в зависимости от их географического происхождения, состава и возраста. Это обеспечило основу для дальнейших экспериментов.
Было установлено наличие жизнеспособных спор бактерий в фрагментах древнего строительного раствора и бетона. Проведенные тесты продемонстрировали способность спор сохранять жизнеспособность в экстремальных условиях. В результате обнаружения таких спор были выделены бактериальные культуры. Эти культуры подверглись полногеномному секвенированию, что позволило получить подробную информацию о генетической структуре древних микроорганизмов.
Обнаружены фрагменты бактериальной ДНК в образцах древнего строительного раствора и бетона. В ходе анализа было проведено метагеномное секвенирование выявленных фрагментов ДНК. Полученные результаты раскрыли состав микробиоты, участвовавшей в древних процессах твердения и взаимодействия с цементирующими материалами.
Создана схема клонирования гена уреазы в клетках Bacillus subtilis. Генетическая конструкция успешно внедрена в клетки-реципиенты, что открывает перспективы использования модифицированных бактерий для ускорения процессов минерализации и самовосстановления бетона.
Сформирована коллекция штаммов спорообразующих бактерий из образцов природной воды, собранных в бассейнах Азовского моря и Финского залива. Из выделенных культур были выбраны наиболее перспективные штаммы, способные выживать при гидратации бетонной смеси и набирать активность в процессе твердения бетона. Проведены экспериментальные испытания их жизнеспособности в моделируемых условиях бетонных композитов.
Таким образом, был создан банк данных штаммов бактерий, перспективных для разработки биорепаратов, способных инициировать процессы самовосстановления бетона. Это открывает новые пути для повышения долговечности строительных материалов и оптимизации их экологического воздействия.
Результаты исследования включили публикацию двух статей в журналах, индексируемых в Web of Science Core Collection и Scopus, двух статей в журнале, включенных в базу данных RSCI и одной статьи в журнале, индексируемом в Российском индексе научного цитирования.
Публикации
1.
Beskopylny A.N., Shcherban E.M., Stelmakh S.A., Shilov A.A., Chernilnik A., Elshaeva D., Chistyakov V.A.
Analysis of the Current State of Research on Bio-Healing Concrete (Bioconcrete)
Materials, 17(18) р. (год публикации - 2024)
10.3390/ma17184508
2.
Kirsanova T.A., Chistyakov V.A., Hamid R., Aramova O.Y., Alliluyeva E.V.
Factors influencing the mechanisms of self-healing of cementing materials. Review
Construction of Unique Buildings and Structures, ISSN 2304-6295, выпуск 4(113) (год публикации - 2024)
10.4123/CUBS.113.9
3.
Kirsanova T.A., Chistyakov V.A., Hamid R., Vdovchenkov E.V., Aramova O. Y., Alliluyeva E.V.
Overview of developments in the field of adobe bricks
AlfaBuild, Том 31, выпуск 2(31) (год публикации - 2024)
10.57728/ALF.31.5
4.
Aramova O.Y., Kornienko I.V., Chistyakov V.A., Alliluyeva E.V., Kirsanova T.A.
Properties of the urease enzyme as a component of self-healing concrete. Review
Construction of Unique Buildings and Structures, ISSN 2304-6295 выпуск 4(113) (год публикации - 2024)
10.4123/CUBS.113.10
5. Kirsanova T.A., Chistyakov V.A., Hamid R., Gorovtsov A.V., Aramova O.Y., Alliluyeva E.V. Overview of developments in the field of biomineralization Chemical Bulletin, 2024, Том 7, №3 (год публикации - 2024)