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)
10.58224/2619-0575-2024-7-3-4-33
Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В отчетном периоде расширена коллекция штаммов спорообразующих алкалофильных бактерий, выделенных из археологических образцов древних растворов и природных кальцитовых образований. Выделено 48 изолятов, идентифицированных с помощью секвенирования 16S рРНК, с преобладанием родов Sutcliffiella, Alkalihalophilus, Alteribacter и Evansella. Изучена метаболическая активность бактерий в щелочных условиях при pH 10-12, включая уреазную активность и способность осаждать карбонат кальция.
Проведен подбор субстратов для твердофазной ферментации, где соевые бобы обеспечили наибольшую скорость роста. Разработан протокол сушки препаратов с использованием воздушной и СВЧ-сушки, с инкапсуляцией в биопленке для повышения выживаемости клеток. Масштабирована технология производства сухих препаратов с выходом 1000-1500 г порошка за цикл.
Экспериментально исследованы механизмы минерализации. Моделированы условия бетонных конструкций для оценки времени закупорки трещин.
Предложены киберфизические модели самовосстановления бетона как систем с обратной связью, аналогичных вычислительным процессам.
Верифицированы генетические конструкции с уреазным опероном в клетках E. coli, подтвердившие уреазную активность. Полученные результаты показали повышение водонепроницаемости биобетона до марки W8 и морозостойкости до F300. Штаммы из древних материалов признаны перспективными для биопрепаратов в строительстве.
Публикации
1.
Кирсанова Т.А., Чистяков В.А., Бескопыльный А.Н., Арамова О.Ю., Аллилуева Е.В., Бахари А.
Cyber-physical modeling and prediction of self-healing processes dynamics in bioconcrete
Construction of Unique Buildings and Structures, Kirsanova, T.; Chistyakov, V.; Beskopylny, A.; Aramova, O.; Alliluyeva, E. Cyber-physical modeling and prediction of self-healing processes dynamics in bioconcrete; 2025; Construction of Unique Buildings and Structures; 119 Article No 11902. doi: 10.4123/CUBS.119.2 (год публикации - 2025)
10.4123/CUBS.119.2
2.
Мазанко М.С., Праздникова Е.В., Демин К.А., Никора Н.И., Косых А.О., Рыженкова Д.Ю., Сытик В.С., Ельшаева А.М., Вдовченков Е.В., Панченко В.В., Аллилуева Е.В., Арамова О.Ю., Корниенко И.В., Щеглова Е.С., Баженов С.В., Березов Р.В., Манухов И.В., Рахмани Х., Бахари А., Чистяков В.А., Кирсанова Т.А.
Microorganisms from ancient unique structures: physiology, genetics, application prospects
Construction of Unique Buildings and Structures, Mazanko, M.; Prazdnova, E.; Dyomin, K.; Nikora, N.; Kosykh, A.; Ryzhenkova, D.; Sytik, V.; Yelshaeva, A.; Vdovchenkov, E.; Panchenko, V. Alliluyeva, E.; Aramova, O.; Kornienko, I.; Shcheglova, E.; Bazhenov, S.; Berezov, R.; Manukhov, I.; Rahmani, H.; Bahari, A.; Chistyakov, V.; Kirsanova, T. Microorganisms from ancient unique structures: physiology, genetics, application prospects; 2025; Construction of Unique Buildings and Structures; 119 Article No 11904. doi: 10.4123/CUBS.119.4 (год публикации - 2025)
10.4123/CUBS.119.4
3.
Березов Р.В., Манухов М.И., Баженов С.В., Ватин Н.И., Чистяков В.А., Аллилуева Е.В., Манухов И.В.
Potential of Genetically Engineered Strains to Enhance Concrete Strength: A Review
AlfaBuild (год публикации - 2025)
https://alfabuild.spbstu.ru/article/2025.36.1/
4.
Кузьминов О.О., Ватин Н.И.
Method for Evaluating Self-Healing in Cement Composites via Permeability Variation Analysis
Construction of Unique Buildings and Structures, Kuzminov O.O., Vatin N.I. Method for Evaluating Self-Healing in Cement Composites via Permeability Variation Analysis; 2025; Construction of Unique Buildings and Structures; 120 Article No 12001. doi: 10.4123/CUBS.120.1 (год публикации - 2025)
10.4123/CUBS.120.1