Бактерии, предпочитающие щелочную среду, помогают восстанавливать бетон

Новости МирТесен

Бактерии, устойчивые к щелочной среде, способны повысить безопасность захоронения ядерных отходов в подземных хранилищах. Их метаболиты обладают способностью восстанавливать повреждения в цементных конструкциях.

Ядерные отходы можно безопасно хранить, помещая их под землю и обеспечивая несколько уровней защиты. Как правило, их упаковывают в специальные контейнеры и помещают в туннели, расположенные на глубине сотен метров. Цемент применяется при возведении таких хранилищ как для создания основных конструкций, так и для заполнения пустот и герметизации контейнеров.

Даже прочный цемент со временем подвержен разрушению, в частности, из-за воздействия грунтовых вод. Механическое и химическое воздействие приводит к образованию микротрещин и пор в цементе, что может вызвать утечки радиоактивных отходов.

Ситуацию осложняет тот факт, что цемент нередко представляет собой щелочную смесь. Причина тому – его высокая pH, благодаря содержанию от 10 до 12, это вещество приобретает долговечность и устойчивость к коррозии. Однако, именно эта характеристика приводит к ослаблению защитных слоев, непосредственно контактирующих с цементом, что может создать угрозу для целостности всего хранилища.

Британские ученые разработали способ восстановления бетона, основанный на использовании бактерий, предпочитающих щелочную среду. Метод получил название микробно-индуцированное осаждение карбонатов ( microbially induced carbonate precipitation, MICP ). Научная статья с деталями опубликована в журнале ACS Omega.

Ученые-химики изучили, как бетон трансформируется под воздействием времени и бактерий. Они высказали предположение, что метаболиты, образующиеся в процессе жизнедеятельности бактерий, окажут положительное влияние на бетон самозалечивать трещины.

Для оценки реализуемости задуманного, группа ученых осуществила шестимесячный эксперимент. В ходе исследования применялись плиты, изготовленные из цемента с пониженным уровнем щелочности ( pH 10–11), характеризуется повышенной устойчивостью к коррозии по сравнению с обычными материалами и обладает достаточной прочностью для обеспечения долговечности, исчисляемой тысячелетиями. Микроорганизмы, обитающие в щелочной среде, были отобраны из природного участка с высоким pH. Образцы поместили в лабораторный раствор, который воспроизводит состав грунтовых вод, и опустили в него цементные плиты. Содержание органических веществ в растворе изменялось.

Процесс заживления трещин осуществляется благодаря микроорганизмам, которые в ходе своей жизнедеятельности расщепляют органические вещества. В результате этого образуется диоксид углерода, который взаимодействует с кальцием и магнием, высвобождающимися из цемента. Это приводит к формированию кальцита и других карбонатных минералов, которые и заполняют образовавшиеся трещины.

Согласно результатам эксперимента, ученые пришли к выводу, что эффективность самовосстановления напрямую связана с количеством органических веществ, доступных бактериям. В средах с большим количеством углерода бактерии проявили высокую активность, произвели большое количество диоксида углерода, который снижал pH окружающей воды и способствовал образованию множества кристаллов кальцита. Это запечатало трещины и уменьшило пористость цемента. Также исследователи узнали, что при определенной концентрации органики может стать недостаточно для самозалечивания цемента.

По мнению исследователей, несмотря на успешное завершение эксперимента, требуется продолжение работы для оценки перспектив MICP в более длительных временных масштабах и в более сложных условиях.