Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Phát triển phương pháp tự phục hồi vết nứt bê tông dựa trên vi sinh vật trong môi trường đất: phân lập, xác định và định tính các chủng vi khuẩn tiềm năng và đánh giá hiệu suất phục hồi vết nứt
Biomass Conversion and Biorefinery - Trang 1-14 - 2023
Tóm tắt
Không thể phủ nhận rằng nếu các vết nứt bê tông không được chữa trị kịp thời có thể gây ra nhiều vấn đề liên quan đến độ bền, dẫn đến chiến lược sửa chữa tốn kém. Gần đây, do nhiều mối quan tâm về môi trường, các vật liệu xây dựng dựa trên sinh học đã thu hút được nhiều sự chú ý từ các nhà nghiên cứu. Trong bối cảnh này, sự kết tủa của canxi cacbonat do vi khuẩn có thể được khai thác hiệu quả trong các cấu trúc bê tông để chữa trị vết nứt. Với mục tiêu này, nghiên cứu tập trung vào việc phân lập các chủng vi khuẩn từ năm vị trí khác nhau nhằm kiểm tra tiềm năng chữa trị vết nứt. Các cuộc điều tra đã được thực hiện để kiểm tra phản ứng urease dương tính và kiểm tra kết tủa canxi cacbonat trong năm loại vi khuẩn đã phân lập, trong đó ba loài vi khuẩn được phát hiện có tiềm năng cần thiết. Sử dụng phương pháp giải trình tự gene phân tử 16S rRNA, chúng đã được xác định và tiến hành kiểm tra khả năng tự phục hồi vết nứt bê tông bằng cách sử dụng dung dịch dinh dưỡng thích hợp. Vào ngày thứ 7 của quá trình bảo dưỡng bằng nước thông thường, các khối bê tông có thêm vi khuẩn được tạo thành vết nứt trước đó và được đặt trong môi trường đất ở bốn hố khác nhau trong thời gian phục hồi là 120 ngày. Vật liệu đất được bổ sung thêm ba tỉ lệ dung dịch dinh dưỡng và vi khuẩn khác nhau (7:3, 8:2 và 9:1) mà không có sự thay đổi nào về độ ẩm tự nhiên hiện có. Nghiên cứu vi cấu trúc cho thấy sự hình thành các hợp chất canxi cacbonat đáng kể trong các mẫu bê tông được bổ sung vi khuẩn. Hố vi khuẩn có tỷ lệ 9:1 cho thấy hiệu suất phục hồi cao hơn khoảng 88%, trong khi các hố còn lại chỉ cho thấy hiệu suất phục hồi là 60% và 66%. Nghiên cứu gợi ý rằng việc bổ sung vi khuẩn kết hợp với cung cấp dinh dưỡng trong môi trường đất có thể mang lại lợi ích to lớn cho việc chữa trị các vết nứt trong các mẫu bê tông. Do đó, kết luận của nghiên cứu có thể mở ra hướng đi cho quá trình chế biến sinh học trong vật liệu xây dựng trong tương lai.
Từ khóa
#bê tông tự phục hồi #vi khuẩn #canxi cacbonat #vật liệu xây dựng sinh học #hiệu suất chữa trị vết nứtTài liệu tham khảo
Gebremariam EC, Malede YC, Prabhu SV, Varadharajan V, Manivannan S, Jayakumar M, Gurunathan B (2023) Development of bio-based adhesive using tannery shaving dust: process optimization using statistical and artificial intelligence techniques. Bioresource Technol Rep 22:101413. https://doi.org/10.1016/j.biteb.2023.101413
Akeed MH, Qaidi S, Ahmed HU, Faraj RH, Mohammed AS, Emad W, Tayeh BA, Azevedo AR (2022) Ultra-high-performance fiber-reinforced concrete. Part IV: durability properties, cost assessment, applications, and challenges. Case Stud Constr Mater 17:e01271. https://doi.org/10.1016/j.cscm.2022.e01271
Xu J, Tang Y, Wang X, Wang Z, Yao W (2020) Application of ureolysis-based microbial CaCO3 precipitation in self-healing of concrete and inhibition of reinforcement corrosion. Constr Build Mater 265:120364. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2020.120364
Awad SA, Ghaffar SH, Hamouda T, Midani M, Katsou E, Fan M (2022) Critical evaluation of date palm sheath fibre characteristics as a reinforcement for developing sustainable cementitious composites from waste materials. Biomass Convers Biorefinery. https://doi.org/10.1007/s13399-022-02759-9
Luo M, Qian CX, Li RY (2015) Factors affecting crack repairing capacity of bacteria-based self-healing concrete. Constr Build Mater 87:1–7. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2015.03.117
Zhang J, Liu Y, Feng T, Zhou M, Zhao L, Zhou A, Li Z (2017) Immobilizing bacteria in expanded perlite for the crack self-healing in concrete. Constr Build Mater 148:610–617. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2017.05.021
Justo-Reinoso I, Heath AC, Gebhard S, Paine K (2021) Aerobic non-ureolytic bacteria-basedself-healing cementitious composites: a comprehensive review. J Build Eng 42:102834. https://doi.org/10.1016/j.jobe.2021.102834
Alemu D, Demiss W, Korsa G (2022) Bacterial performance in crack healing and its role in creating sustainable construction. Int J Microbiol 2022:1–10. https://doi.org/10.1155/2022/6907314
Sathyapriya S, Sharvesh R, Karthik V, Periyasamy S, Sundramurthy VP (2023) Study on Osmotic Consolidation and Hydraulic Conductivity Behavior of an Expansive Soil Inundated with Sodium Chloride Solution. Int J Chem Eng 2023(6574646):10. https://doi.org/10.1155/2023/6574646
Skevi L, Reeksting B, Hoffmann TD, Gebhard S, Paine K (2021) Incorporation of bacteria in concrete: the case against MICP as a means for strength improvement. Cem Concr Compos 120:104056. https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2021.104056
Siddique R, Nanda V, Kunal, Khatib J, Khan MI, Singh M, Rajor A (2016) Influence of bacteria on compressive strength and permeation properties of concrete made with cement baghouse filter dust. Constr Build Mater 106:461–469. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2015.12.112
Hesham AE, Alrumman SA, Al-Amari JA (2016) 16S rDNA phylogenetic and RAPD–PCR analyses of petroleum polycyclic aromatic hydrocarbons-degrading bacteria enriched from oil-polluted soils. Arab J Sci Eng. https://doi.org/10.1007/s13369-015-1843-2
Mokhtar G, Ahmed AA-E-A, Reyad AM (2021) The effect of isolated Bacillus ureolytic bacteria in improving the bio-healing of concrete cracks. Beni-Suef University Journal of Basic and Applied Sciences 10:1–10. https://doi.org/10.1186/s43088-021-00142-7
Canakci H, Sidik W, Kiliç İ (2015) Bacterail calcium carbonate precipitation in peat. Arab J Sci Eng 40(8):2251–2260. https://doi.org/10.1007/s13369-015-1760-4
Sumathi A, Murali G, Gowdhaman D, Amran M, Fediuk R, Vatin N, Laxme RD, Gowsika TS (2020) Development of bacterium for crack healing and improving properties of concrete under wet–dry and full-wet curing. Sustainability 12(24):10346. https://doi.org/10.3390/su122410346
Raut SH, Sarode DD, Lele SS (2014) Biocalcification using B. pasteurii for strengthening brick masonry civil engineering structures. World J Microbiol Biotechnol 30(1):191–200. https://doi.org/10.1007/s11274-013-1439-5
Prabhu SV, Varadharajan V, Mohanasundaram S et al (2023) A comparative study on process optimization of betalain pigment extraction from Beta vulgaris subsp. vulgaris: RSM, ANN, and hybrid RSM-GA methods. Biomass Conv Bioref. https://doi.org/10.1007/s13399-023-04581-3
Esaker M, Hamza O, Souid A, Elliott D (2021) Self-healing of bio-cementitious mortar incubated within neutral and acidic soil. Materials and Structures 54:1–16. https://doi.org/10.1617/s11527-021-01690-1
Hamza O, Esaker M, Elliott D, Souid A (2020) The effect of soil incubation on bio self-healing of cementitious mortar. Mater Today Commun. https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2020.100988
Hoang T, Alleman J, Cetin B, Ikuma K, Choi S (2019) Sand and silty-sand soil stabilization using bacterial enzyme–induced calcite precipitation (BEICP). Can Geotech J 56(6):808–822. https://doi.org/10.1139/cgj-2018-0191
Ramachandran AL, Dubey AA, Dhami NK, Mukherjee A (2021) Multiscale Study of Soil Stabilization Using Bacterial Biopolymers. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering 147:1–16. https://doi.org/10.1061/(asce)gt.1943-5606.0002575
Gowthaman S, Mitsuyama S, Nakashima K, Komatsu M, Kawasaki S (2019) Biogeotechnical approach for slope soil stabilization using locally isolated bacteria and inexpensive low-grade chemicals: a feasibility study on Hokkaido expressway soil, Japan. Soils Found 59(2):484–499. https://doi.org/10.1016/j.sandf.2018.12.010
Mekonnen E, Amdie Y, Etefa H et al (2022) Stabilization of expansive black cotton soil using bioenzymes produced by ureolytic bacteria. International Journal of Geo-Engineering 13:1–22. https://doi.org/10.1186/s40703-022-00175-6
IS. 269–2015, Ordinary Portland cement specification (sixth Revision); Bureau of Indian Standard: New Delhi, India
IS. 2386:1963(part 1), methods of test for aggregates for concrete, Bureau of Indian Standard: New Delhi, India
IS. 2386:1963(part 3), methods of test for aggregates for concrete, Bureau of Indian Standard: New Delhi, India
Wang R, Haller P (2022) Applications of wood ash as a construction material in civil engineering: a review. Biomass Convers Biorefinery. https://doi.org/10.1007/s13399-022-03580-0
Sebastian AT, Umesh M, Priyanka K, Preethi K (2021) Isolation of plant growth-promoting Bacillus cereus from soil and its use as a microbial inoculant. Arab J Sci Eng 46(1):151–161. https://doi.org/10.1007/s13369-020-04895-8
Padhan K, Patra RK, Sethi D, Panda N, Sahoo SK, Pattanayak SK, Senapati AK (2023) Isolation, characterization and identification of cellulose-degrading bacteria for composting of agro-wastes. Biomass Convers Biorefinery. https://doi.org/10.1007/s13399-023-04087-y
Mondal S, Das P, Chakraborty A (2017) Application of bacteria in concrete. Mater Today: Proc 4(9):9833–9836. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2017.06.276
Durga CSS, Ruben N, Chand MSR, Indira M, Venkatesh C (2021) Comprehensive microbiological studies on screening bacteria for self-healing concrete. Mater 15:101051. https://doi.org/10.1016/j.mtla.2021.101051
Mekonnen E, Kebede A, Nigussie A, Kebede G, Tafesse M (2021) Isolation and characterization of urease-producing soil bacteria. Int J Microbiol 2021:1–11. https://doi.org/10.1155/2021/8888641
Leeprasert L, Chonudomkul D, Boonmak C (2022) Biocalcifying potential of ureolytic bacteria isolated from soil for biocementation and material crack repair. Microorganisms 10(5):963. https://doi.org/10.3390/microorganisms10050963
Ahmad SSE, MohamedAR Elmahdy, ELShami AA, Yousry E-SM (2022) Bacterial sustainable concrete for repair and rehabilitation of structural cracks. Journal of Sustainable Cement-Based Materials 12:627–646. https://doi.org/10.1080/21650373.2022.2101156
Wei S, Cui H, Zhenglong J, Liu H, He H, Fang N (2015) Biomineralization processes of calcite induced by bacteria isolated from marine sediments. Braz J Microbiol 46(2):455–464. https://doi.org/10.1590/s1517-838246220140533
Liang H, Liu Y, Tian B, Li Z, Ou H (2022) A sustainable production of biocement via microbially induced calcium carbonate precipitation. Int Biodeterior Biodegrad 172:105422. https://doi.org/10.1016/j.ibiod.2022.105422
Naeimi M, Chu J, Khosroshahi M, Zenouzi LK (2023) Soil stabilization for dunes fixation using microbially induced calcium carbonate precipitation. Geoder 429:116183. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2022.116183
Rui Y, Qian C (2022) The influence of bacteria on biologically induced calcium carbonate and its evolution process. J Cryst Growth 581:126515. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2022.126515
IS. 10262:2019, Concrete mix proportioning-guidelines, Bureau of Indian Standard: New Delhi, India
Maurya KC, Rawat A, Shanker R (2022) Monitoring of biochemical based sustainable bacterial concrete system using electromechanical impedance technique with PZT sensor. Biomass Convers Biorefinery. https://doi.org/10.1007/s13399-022-03674-9
IBM Corp. Released 2021. IBM SPSS Statistics for Windows, Version 28.0. Armonk, NY: IBM Corp With the help of the SPSS Statistical Package Programme, data were statistically analysed using a two-way analysis of variance (ANOVA test)
Duncan DB (1955) Multiple Range and Multiple F Tests. Biometrics 11:1. https://doi.org/10.2307/3001478
Tripathi N, Sapra A, Gram Staining (2022) Treasure Island (FL): StatPearls Publishing. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK562156/
Shugar D, Baranowska J (1954) Studies on the gram stain; the importance of proteins in the Gram reaction. Acta Microbiol Pol (1952) 3(1):11–20
Zhang J, Zhou A, Liu Y et al (2017) Microbial network of the carbonate precipitation process induced by microbial consortia and the potential application to crack healing in concrete. Scientific Reports 7:14600. https://doi.org/10.1038/s41598-017-15177-z
Tamura K, Dudley JT, Nei M, Kumar S (2007) MEGA4: Molecular Evolutionary Genetics Analysis (MEGA) Software Version 4.0. Mol Biol Evol 24(8):1596–1599. https://doi.org/10.1093/molbev/msm092
Lund P, Tramonti A, De Biase D (2014) Coping with low pH: molecular strategies in neutralophilic bacteria. FEMS Microbiol Rev 38:1091–1125. https://doi.org/10.1111/1574-6976.12076
Hirshfield IN, Terzulli S, O’Byrne C (2003) weak organic acids: a panoply of effects on bacteria. Sci Prog 86:245–270. https://doi.org/10.3184/003685003783238626
Jessica SJ (2009) Role of charge transfer in the structure and dynamics of the hydrated proton. J Phys Chem B 113:5149–5161. https://doi.org/10.1021/jp810652v
Gutknecht J, Walter A (1981) Transport of protons and hydrochloric acid through lipid bilayer membranes. Biochim Biophys Acta (BBA) - Biomembr 641:183–188. https://doi.org/10.1016/0005-2736(81)90582-4
Salmond CV, Kroll RG, Booth IR (1984) The effect of food preservatives on pH homeostasis in Escherichia coli. Microbiology 130:2845–2850. https://doi.org/10.1099/00221287-130-11-2845
Maurer LM, Yohannes E, Bondurant SS et al (2005) pH regulates genes for flagellar motility, catabolism, and oxidative stress in Escherichia coli K-12. J Bacteriol 187:304–319. https://doi.org/10.1128/JB.187.1.304-319.2005