Sporosarcina pasteurii, anteriormente conocida como Bacillus pasteurii en taxonomías más antiguas, es una bacteria grampositivacon la capacidad de precipitar calcita y solidificar arena dada unafuente de calcio y urea ; a través del proceso de precipitación de calcita inducida microbiológicamente (MICP) o cementación biológica . [2] Se ha propuesto que S. pasteurii se utilice como un material de construcción biológico ecológicamente sólido. Los investigadores estudiaron las bacterias junto con plástico y minerales duros; formando un material más fuerte que el hueso. [3] Se usa comúnmente para MICP ya que no esy puede producir altas cantidades de la enzima ureasa que hidroliza la urea en carbonato y amoníaco . [4]
S. pasteurii es una bacteria grampositiva que tiene forma de bastón. Tiene la capacidad de formar endosporas en las condiciones ambientales adecuadas para mejorar su supervivencia, lo cual es una característica de su clase de bacilo . [5] Tiene dimensiones de 0,5 a 1,2 micrones de ancho y de 1,3 a 4,0 micrones de largo. Debido a que es un alcalófilo , prospera en entornos básicos de pH 9-10. Puede sobrevivir en condiciones relativamente duras hasta un pH de 11,2. [4]
S. pasteurii son anaerobios facultativos transmitidos por el suelo que son heterótrofos y requieren urea y amonio para crecer. [6] El amonio se utiliza para permitir que los sustratos crucen la membrana celular hacia la célula. [6] La urea se utiliza como fuente de nitrógeno y carbono para la bacteria. S. pasteurii puede inducir la hidrólisis de la urea y utilizarla como fuente de energía mediante la producción y secreción de la enzima ureasa . La enzima hidroliza la urea para formar carbonato y amoníaco. Durante esta hidrólisis, se realizan algunas reacciones espontáneas más. El carbamato se hidroliza a ácido carbónico y amoníaco y luego se hidroliza aún más a amonio y bicarbonato . [4] Este proceso hace que el pH de la reacción aumente 1-2 pH, lo que hace que el entorno sea más básico, lo que promueve las condiciones en las que prospera esta bacteria específica. [7] Mantener un medio con este pH puede ser costoso para la producción a gran escala de esta bacteria para biocementación. Una amplia gama de factores puede afectar la tasa de crecimiento de S. pasteurii. Esto incluye encontrar la temperatura óptima, el pH, la concentración de urea, la densidad bacteriana, los niveles de oxígeno, etc. [7] Se ha encontrado que la temperatura óptima de crecimiento es de 30 °C, pero esto es independiente de los otros factores ambientales presentes. [5] Dado que S. pasteurii es halotolerante , puede crecer en presencia de bajas concentraciones de iones de cloruro acuoso que son lo suficientemente bajas como para no inhibir el crecimiento de células bacterianas. [7] Esto muestra aplicaciones prometedoras para el uso de MICP .
Se describe que S. pasteurii DSM 33 es auxotrófico para L-metionina , L-cisteína , tiamina y ácido nicotínico . [8]
El genoma completo de S. pasteurii NCTC4822 fue secuenciado y reportado bajo el Número de Acceso NCBI: NZ_UGYZ01000000. Con una longitud cromosómica de 3,3 Mb, contiene 3036 genes codificadores de proteínas y tiene un contenido de GC del 39,17%. [9] Cuando se calcula la proporción de genes funcionales conocidos con respecto a los genes desconocidos, la bacteria muestra las proporciones más altas para el transporte, el metabolismo y la transcripción. La alta proporción de estas funciones permite la conversión de urea en iones de carbonato, lo cual es necesario para el proceso de biomineralización . [9] La bacteria tiene siete genes identificados que están directamente relacionados con la actividad y el ensamblaje de la ureasa, que pueden estudiarse más a fondo para obtener información sobre cómo maximizar la producción de ureasa para optimizar el uso de S. pasteurii en aplicaciones industriales. [9]
S. pasteurii tiene la capacidad única de hidrolizar la urea y, a través de una serie de reacciones, producir iones de carbonato. Esto se hace secretando grandes cantidades de ureasa a través de la membrana celular . [5] Cuando la bacteria se coloca en un entorno rico en calcita, los iones de carbonato cargados negativamente reaccionan con los iones metálicos positivos como el calcio para precipitar carbonato de calcio o biocemento. [4] El carbonato de calcio se puede utilizar como precipitado o se puede cristalizar como calcita para cementar partículas de arena. Por lo tanto, cuando se coloca en un entorno de cloruro de calcio, S. pasteurii puede sobrevivir ya que son halotolerantes y alcalófilos. Dado que las bacterias permanecen intactas durante duras condiciones de mineralización , son robustas y tienen una carga superficial negativa , sirven como buenos sitios de nucleación para MICP . [9] La pared celular cargada negativamente de la bacteria proporciona un sitio de interacción para que los cationes cargados positivamente formen minerales . El grado de esta interacción depende de una variedad de factores, incluidas las características de la superficie celular, la cantidad de peptidoglicano , el nivel de amidación del carboxilo libre y la disponibilidad de ácidos teicoicos . [7] S. pasteurii muestra una carga superficial altamente negativa que se puede demostrar en su potencial zeta altamente negativo de −67 mV en comparación con las bacterias no mineralizantes E. coli , S. aureus y B. subtilis a −28, −26 y −40,8 mV, respectivamente. [9] Además de todos estos beneficios del uso de S. pasteurii para MICP, existen limitaciones como la ampliación de ingeniería no desarrollada, subproductos no deseados , crecimiento descontrolado o dependencia de las condiciones de crecimiento como las concentraciones de urea u oxígeno. [9]
La bacteria S. pasteurii tiene como finalidad mejorar los materiales de construcción, como el hormigón o el mortero. El hormigón es uno de los materiales más utilizados en el mundo, pero es susceptible de formar grietas que pueden resultar costosas de reparar. Una solución es incrustar esta bacteria en las grietas y, una vez activada, utilizar MICP. Los minerales formarán y repararán la grieta de forma permanente y respetuosa con el medio ambiente. Una desventaja es que esta técnica solo es posible para superficies externas a las que se pueda acceder. [7]
Otra aplicación es el uso de S. pasteurii en la bioautocuración del hormigón, lo que implica la implementación de la bacteria en la matriz del hormigón durante la preparación del mismo para curar las microfisuras. Esto tiene la ventaja de una intervención humana mínima y produce un hormigón más duradero con mayor resistencia a la compresión . [7]
Una limitación del uso de esta bacteria para la biomineralización es que, aunque es un anaerobio facultativo , en ausencia de oxígeno, la bacteria no puede sintetizar ureasa de forma anaeróbica . La falta de oxígeno también impide el MICP, ya que su iniciación depende en gran medida del oxígeno. Por lo tanto, en sitios distantes del lugar de inyección o a grandes profundidades, la probabilidad de precipitación disminuye. [9] Una posible solución es acoplar esta bacteria en el biocemento con compuestos liberadores de oxígeno (ORC) que normalmente se utilizan para la biorremediación y la eliminación de contaminantes del suelo. [7] Con esta combinación, se puede disminuir la falta de oxígeno y se puede optimizar el MICP con la bacteria.
Algunos ejemplos específicos de aplicaciones actuales incluyen:
Otras aplicaciones potenciales incluyen:
Las consideraciones sobre el uso de esta bacteria en aplicaciones industriales son el potencial de ampliación, la viabilidad económica, la viabilidad a largo plazo de las bacterias, el comportamiento de adhesión del carbonato de calcio y el polimorfismo . [7]