Биологические технологии являются одним из основных общемировых направлений научно-технического прогресса, обеспечивающих прорыв к получению новых материалов, обладающих уникальными свойствами, которое представляет собой интегрированное использование биохимии, микробиологии и инженерных наук для обеспечения возможности технологического (промышленного) применения микроорганизмов.
Материалы, получаемые посредством биотехнологий имеют высокий инновационный потенциал и к настоящему времени уже востребованы во многих отраслях промышленности, в том числе и в строительной. Биотехнологии стали находить применение во многих технологических процессах получения строительных материалов – предварительной обработке сырья, производстве клеев, био-ПАВ строительного назначения и т.д.
ХХ столетие – время небывалого технического прогресса, изменившего образ жизни и мышления общества. В строительной отрасли ушедший век можно по праву назвать веком бурного развития технологии бетона и железобетона, а также других материалов на минеральных, органических, металлических и прочих вяжущих. Начиная с античных времен, и по сей день бетон, пожалуй, является одним из самых лучших строительных материалов, когда-либо созданных человеком для построения домов, мостов, дорог и других сооружений. Это объясняет его огромную популярность во всем мире. Главным недостатком материала является его хрупкость, что в результате износа приводит к возникновению трещин и повреждений, требующих дополнительного технического обслуживания.
Кроме того имеет место такой процесс, как биокоррозия, который приводит к разрушению бетона, вызванного заселением и развитием бактерий, грибов, актиномицетов. Как известно множество строительных материалов (бетон, кирпич, дерево и т.д.), потенциально являются благоприятной средой обитания для микроорганизмов (бактерий, грибов, лишайников и т.д.), что оказывает влияние как на прочностные, декоративные свойства материала, так и на срок их службы.
Идея создания строительного материала, который восстанавливается самостоятельно, еще недавно была из области фантастики, однако команда ученых Нидерландского Технического университета в Делфте разработала бетон, который может самовосстанавливаться благодаря особым бактериям внутри него.
Микробиолог Хенк Джонкерс, и исследователь бетона Эрик Шлаген, во время исследований подмешали в цемент некие бактерии, и через месяц они обнаружили, что три вида из этих бактерий все еще были жизнеспособными. Тогда ученые добавили в бетон безвредные бактерии под названием Bacillus genus, отличающиеся живучестью и приспособляемостью к любым температурным условиям, которые проявляют активность лишь тогда, когда дождевая вода попадает в трещины. Для регенерации материала эти бактерии используют лактат кальция (компонент молока), который ученые добавили в цемент. При добавлении воды происходит химическая реакция, во время которой образуется известняк. Именно он и заполняет все микротрещины.
Столкнувшись с нарастающей угрозой истощения природных ресурсов и коллапса мировой экосистемы, отношение человека к окружающей среде в некоторой степени меняться. Стали более популярны концепции «профилактики», а не «исправления» содеянного. К профилактическому средству против нарастающей экологической угрозы относится создание и использование на практике таких строительных материалов, которые приводят к максимальному снижению воздействия человека на окружающую среду.
Так, группа испанских исследователей во главе с Антонио Агуадо (Antonio Aguado) из Политехнического университета в испанской провинции Каталонии разработали принципиально новый строительный материал – биобетон, основное отличие которого от обычного заключается в том, что в его состав входят химические компоненты, позволяющие материалу сохранять все свои свойства в условиях прорастания в нем растений.
С его использованием здания можно превратить в настоящие вертикальные сады, поскольку в новом составе вместо обычного связующего вещества – портландцемента – используется фосфат магния, который не только отлично выполняет скрепляющие функции, но и обуславливает наличие кислотной среды, обеспечивающей благоприятные условия для прорастания и развития различных растений, таких как лишайники, мхи и т.п. Здесь они могут свободно расти, без какого-либо вреда для строительных конструкций, преображая при этом внешний вид домов и сооружений. При этом проросшие поверхности хорошо поддерживают процессы естественного очищения воздуха в загазованных мегаполисах.
К основным достоинствам данного биобетона специалисты относят: более высокие теплосохраняющие свойства, чем у обычного; высокие эстетические качества; наличие защитного слоя из растений в зданиях, построенных из биобетона, что создает особый микроклимат. В виду чего специалисты предсказывают необыкновенную популярность биобетона в будущем, особенно в высокоразвитых странах.
Выше уже говорилось о хрупкости бетона, поэтому в ситуациях, когда бетонное строение испытывает серьезные нагрузки, например, землетрясения, существует серьезный риск разрушения сооружения. Сегодня специалистами уже разработан способ укрепления зданий, расположенных в сейсмоопасных районах. Способ этот заключается в том, что придать большую устойчивость зданиям помогут специальные микроорганизмы, превращающие почву в бетон.
Профессор Карлос Сантамарина (Carlos Santamarina) из Технологического института Джорджии утверждает, что использование бактерий для преобразования почвы является одной из самых перспективных строительных технологий XXI века.
Технологию укрепления почвы с помощью живых микроорганизмов разработала группа ученых из Калифорнийского университета под руководством профессора Джейсона Дейона (Jason DeJong). Согласно проведенным исследованиям, бактерия Bacillus pasteuri, добавленная во влажную землю, способствует слипанию содержащихся в ней твердых частиц. Bacillus pasteurii обладают способностью повышать щелочность воды, в результате чего она начинает активно растворять кальций и карбонаты, соли угольной кислоты. В растворе они реагируют друг с другом, образуя кристаллы карбоната кальция: именно это вещество является цементом, который связывает частицы природного песчаника и строительного бетона – кристаллы карбоната кальция заполняют промежутки между песчинками и заставляют их слипаться друг с другом. Подобному грунту не страшны ни оползни, ни землетрясения.
Сегодня идет активный поиск различных новых альтернативных источников энергии. Микробиологи считают перспективными экологически безопасные, неиссякаемые и дешевые микробные топливные элементы. Принцип их работы основан на способности бактерий к перевариванию органики.
В этом направлении работает и группа исследователей Бристольского Университета Западной Англии (UWE), которая разрабатывает «умные кирпичи», представляющие собой специализированные биореакторы различного назначения. Основой каждого «кирпича» будут колонии микроорганизмов под названием микробные топливные элементы (MFC), способные в процессе жизнедеятельности разлагать органические или неорганические отходы и генерировать электричество. «Умные» кирпичи позволят стенам генерировать электричество, чистую воду и кислород.
Здания из таких «умных кирпичей» смогут не только поддерживать внутри оптимальную экологическую обстановку, но и обеспечивать себя различными видами энергии. Встроенные биореакторы будут компенсировать отклонения температуры, влажности, содержания углекислого и других газов, а также уничтожать различные органические и неорганические загрязнения.
