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Precipitación de calcita inducida microbiológicamente

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. [1] La biomineralización en forma de precipitación de carbonato de calcio se remonta al período Precámbrico . [2] El carbonato de calcio se puede precipitar en tres formas polimórficas, que en el orden de sus estabilidades habituales son calcita , aragonito y vaterita . [3] Los principales grupos de microorganismos que pueden inducir la precipitación de carbonato son microorganismos fotosintéticos como cianobacterias y microalgas ; bacterias reductoras de sulfato ; y algunas especies de microorganismos involucrados en el ciclo del nitrógeno . [4] Se han identificado varios mecanismos por los cuales las bacterias pueden inducir la precipitación de carbonato de calcio, incluyendo la hidrólisis de urea, la desnitrificación , la producción de sulfato y la reducción de hierro. [5] Se han identificado dos vías diferentes, o vías autótrofas y heterotróficas, a través de las cuales se produce el carbonato de calcio. Existen tres vías autótrofas, que resultan en el agotamiento del dióxido de carbono y favorecen la precipitación de carbonato de calcio. [6] En la vía heterotrófica, pueden estar involucrados dos ciclos metabólicos: el ciclo del nitrógeno y el ciclo del azufre . [7] Se han propuesto varias aplicaciones de este proceso, como la remediación de grietas y la prevención de la corrosión en el hormigón, [8] [9] [10 ] [11 ] [ 12] [13] [14] [ 15] [16] biogrout, [17] [18] [19] [20] [21] [ 22] [23 ] [24] secuestro de radionucleidos y metales pesados . [25] [26] [27] [28] [29] [30] [ citas excesivas ]

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. [31] Estas vías incluyen la metanogénesis no metilotrófica , la fotosíntesis anoxigénica y la fotosíntesis oxigénica . La metanogénesis no metilotrófica la llevan a cabo las arqueobacterias metanogénicas , que utilizan CO2 y H2 en anaerobiosis para producir CH4 . [ 31]

Vía heterotrófica

Pueden ocurrir dos vías heterotróficas separadas y a menudo concurrentes que conducen a la precipitación de carbonato de calcio, que incluyen la carbonatogénesis activa y pasiva. Durante la carbonatogénesis activa, las partículas de carbonato se producen por intercambios iónicos a través de la membrana celular [32] por activación de bombas o canales iónicos de calcio y/o magnesio, probablemente acoplados con la producción de iones carbonato. [31] Durante la carbonatogénesis pasiva, pueden estar involucrados dos ciclos metabólicos, el ciclo del nitrógeno y el ciclo del azufre . Tres vías diferentes pueden estar involucradas en el ciclo del nitrógeno: amonificación de aminoácidos, reducción disimilatoria de nitrato y degradación de urea o ácido úrico. [8] [33] En el ciclo del azufre, las bacterias siguen la reducción disimilatoria de sulfato. [31]

Ureolisis o degradación de la urea

La ureasa microbiana cataliza la hidrólisis de la urea en amonio y carbonato. [20] 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). [7] [34]

CO(NH 2 ) 2 + H 2 O → NH 2 COOH + NH 3 (1)
NH2COOH + H2O → NH3 + H2CO3 ( 2 )​

El amonio y el ácido carbónico forman bicarbonato y 2 moles de iones de amonio e hidróxido en agua (3 y 4).

2NH3 + 2H2O ↔ 2NH + 4 +2OH − (3 )
H 2 CO 3 ↔ HCO − 3 + H + (4)

La producción de iones hidróxido produce un aumento del pH, [35] lo que a su vez puede cambiar el equilibrio del bicarbonato, lo que resulta en la formación de iones 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 con la superficie del suelo, lo que resulta en la producción de múltiples capas de calcita.

Posibles aplicaciones

Ciencia de los materiales

Se ha informado que el MICP es una técnica de remediación a largo plazo que ha demostrado un alto potencial para la cementación de grietas en varias formaciones estructurales como el granito y el hormigón. [36]

Tratamiento del hormigón

Se ha demostrado que el 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 agrietada, imitando el proceso por el cual las fracturas óseas en el cuerpo humano son curadas por células osteoblásticas que se mineralizan para reformar el hueso. [36] Actualmente se están estudiando dos métodos: inyección de bacterias precipitantes de carbonato de calcio. [12] [13] [37] [38] y mediante la aplicación de bacterias y nutrientes como tratamiento de superficie. [10] [39] [40] Se ha informado de un aumento de la resistencia y durabilidad del mortero de cemento y el hormigón tratados con MICP. [40] [41]

Materiales prefabricados (tejas, ladrillos, etc.)

La arquitecta Ginger Krieg Dosier ganó el Concurso de Diseño de Próxima Generación de Metropolis de 2010 por su trabajo en el que utiliza precipitación de calcita inducida por microbios para fabricar ladrillos y, al mismo tiempo, reducir las emisiones de dióxido de carbono. [42] 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 utilizar como relleno en caucho y plásticos , partículas fluorescentes en tinta de papelería y un marcador fluorescente para aplicaciones bioquímicas, como el Western blot . [43]

Prevención de la licuefacción

La precipitación de carbonato de calcio inducida por microbios se ha propuesto como una técnica de cementación alternativa para mejorar las propiedades de la arena potencialmente licuable . [1] [18] [20] [21] [22] Se informó que el aumento de la resistencia al corte, la resistencia a la compresión confinada, la rigidez y la resistencia a la licuefacción se debe a la precipitación de carbonato de calcio resultante de la actividad microbiana. [19] [20] [22] [24] El aumento de la resistencia del suelo a partir del MICP es el resultado de la unión de los granos y la mayor densidad del suelo. [44] La investigación ha demostrado una relación lineal entre la cantidad de precipitación de carbonato y el aumento de la resistencia y la porosidad. [24] [44] [45] También se ha observado una disminución del 90% en la porosidad en el suelo tratado con MICP. [24] 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. [46]

Los experimentos en columnas unidimensionales permitieron monitorear la programación del tratamiento mediante el cambio en la química del fluido intersticial. [1] [18] [24] [47] Las pruebas de compresión triaxial en arena de Ottawa no tratada y biocementada han demostrado un aumento en la resistencia al corte por un factor de 1,8. [48] Los cambios en el pH y las concentraciones de urea, amonio, calcio y carbonato de calcio en el fluido intersticial con la distancia desde el punto de inyección en experimentos en columnas de 5 metros han demostrado que la actividad bacteriana resultó en una hidrólisis exitosa de la urea, un aumento en el pH y la precipitación de calcita. [24] Sin embargo, dicha actividad disminuyó a medida que aumentaba la distancia desde el punto de inyección. Las mediciones de la velocidad de onda de corte demostraron que existe una correlación positiva entre la velocidad de onda de corte y la cantidad de calcita precipitada. [49]

Una de las primeras patentes sobre mejora de suelos mediante MICP fue la patente “Microbial Biocementation” de la Universidad Murdoch (Australia). [50] En estudios a gran escala (100 m3 ) se ha demostrado que se observó un aumento significativo de la velocidad de las ondas transversales durante el tratamiento. [23] Originalmente, el MICP se probó y diseñó para aplicaciones subterráneas en suelos saturados de agua, que requerían bombas de inyección y producción. Trabajos recientes [51] han demostrado que la percolación o irrigación superficial 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 percola el agua. [52]

Beneficios del MICP para la prevención de la licuefacción

El MICP tiene el potencial de ser una alternativa ecológica y rentable a los métodos tradicionales de estabilización de suelos, como la inyección química, que normalmente implica la inyección de materiales sintéticos en el suelo. Estos aditivos sintéticos suelen ser costosos y pueden crear riesgos ambientales al modificar el pH y contaminar los suelos y las aguas subterráneas. A excepción del 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 produce una perturbación mínima en el suelo y el medio ambiente. [44]

Posibles limitaciones del 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. El MICP puede limitarse a los suelos que contienen cantidades limitadas de finos debido a la reducción de los espacios porosos en suelos finos. Con base en el tamaño del microorganismo, la aplicabilidad de la biocementación está limitada a GW, GP, SW, SP, ML y suelos orgánicos. [53] No se espera que las bacterias ingresen a través de gargantas de poros más pequeñas que aproximadamente 0,4 μm. En general, se encontró que la abundancia microbiana aumenta con el aumento del tamaño de partícula. [54] 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. [22] Los poros habitables y las gargantas de poros atravesables se encontraron en sedimentos gruesos y algunos sedimentos arcillosos a poca profundidad. En el suelo arcilloso, 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 altas tensiones de confinamiento limita la actividad bacteriana a mayores profundidades. Además, la interacción sedimento-célula puede causar perforación o falla por tracción de la membrana celular. De manera similar, a mayores profundidades, las partículas de limo y arena pueden aplastarse y causar una reducción en 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. [55] Estos factores pueden contribuir a la disminución de la población de bacterias. Muchas de estas limitaciones se pueden superar mediante el uso de MICP a través de bioestimulación, un proceso a través del cual las bacterias ureolíticas autóctonas del suelo se enriquecen in situ. [55] Este método no siempre es posible ya que no todos los suelos autóctonos tienen suficientes bacterias ureolíticas para lograr un MICP exitoso. [44]

Remediación de la contaminación por metales pesados ​​y radionúclidos

El MICP es una técnica prometedora que se puede utilizar para la contención de varios contaminantes y metales pesados. La disponibilidad de plomo en el suelo puede reducirse mediante su quelación con el producto MICP, que es el mecanismo responsable de la inmovilización del plomo. [56] El MICP también se puede aplicar para lograr el secuestro de metales pesados ​​y radionucleidos. La precipitación de carbonato de calcio inducida microbianamente de radionucleidos y metales contaminantes en calcita es una reacción de coprecipitación competitiva en la que se incorporan cationes divalentes adecuados en la red de calcita . [57] [58] Se demostró que el europio , un lantánido trivalente , que se utilizó como homólogo de actínidos trivalentes , como Pu(III) , Am(III) y Cm(III) , se incorpora a la fase de calcita sustituyendo a Ca(II), así como en un sitio de baja simetría dentro del biomineral. [59]

Prevención

Shewanella oneidensis inhibe la disolución de la calcita en condiciones de laboratorio. [60]

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