Наукові засади створення біотехнологій біоцементації для використання в охороні довкілля і промисловості

Abstract

Дисертацію присвячено розробці наукових засад біотехнології виробництва і використання біоцементу на основі уреаза-продукуючих бактерій, які утворюють кристали карбонату кальцію в розчині солі кальцію і сечовини. Обґрунтовано використання безпечних чистих культур уреаза-продукуючих, галотолерантних та алкалофільних штамів бактерій Bacillus sp. VS1 і Yaniella sp. VS8 як інокуляту під час виробництва бактеріальної біомаси для біоцементації. Розроблено наступні біотехнології мікробної біоцементації: 1) формування міцного біоцементованого шару з товщиною в кілька міліметрів; 2) формування біоцементованого шару товщиною декілька сантиметрів; 3) біоцементація всього об’єму пористого матеріалу методом перколяції чи інжекції; 4) біоцементація з заміною іонів кальцію на іони двовалентного заліза, які утворюються залізо-відновлювальними бактеріями з гематиту дешевої залізної руди; 5) послідовна денітрифікація і фіксація пухирців утвореного біогазу в порах піску шляхом карбонатної біоцементації. Показано в лабораторних та пілотних дослідженнях, що біоцементація може знайти застосування для герметизації ставків і водоізоляції звалищ твердих відходів у піщаному ґрунті, для боротьби з вітровою та водною ерозію ґрунтів, для іммобілізації хімічних та бактеріологічних забруднювачів ґрунту, для покриття твердих матеріалів шаром кальциту, для гідроізоляції тріщин у камені та попередження міграції забруднювачів від сховищ твердих відходів в ґрунтову та поверхневу воду. Проведені дослідження відкривають шляхи розвитку і практичного використання нової біотехнологічної дисципліни – біотехнології біоцементаційних матеріалів і процесів. New area of biotechnology - construction biotechnology – is developing intensively for last decade. Construction biotechnology is using microorganisms for new materials such as biocement and new processes such as biocementation, that are useful for environmental engineering and industry. Biocement is considered as a replacement of cement for soil sealing and strengthening. Sizes of the biocement particles is significantly smaller that the cement sizes therefore biocement suspension is penetrating deeper than the cement suspension. Additionally, the viscosity of the biocement is 30 – 300 times lower than viscosity of the cement suspension. The thesis is devoted to the development of biocementation biotechnologies based on the activity of urease-producing bacteria and their applications in environmental engineering. Phylogenetic analysis by nucleotide sequences of 16S rRNA gene of strains from enrichment culture of urease-producing bacteria with stable urease activity has been done. Pure bacterial cultures should be used to avoid the presence of opportunistic pathogens. Urease-active halotolerant and alkaliphilic strains of Bacillus sp. VS1 and Yaniella sp. VS8 have been isolated, identified by 16S rRNA gene sequencing and studied as the bioagents for biocementation. Phylogenetic and physiological similarity of the strains Bacillus sp., which were isolated for ureolytic precipitation of calcium carbonate from different climate world zones was shown. To increase biosafety of biocementation, a method for production of inactivated but urease-active bacterial cells of urease-producing bacteria was developed and possibility of their application for biocementation was shown. It was shown that two types of urease-producing bacteria with constitutive urease (Bacillus sp. VS1) and inducible urease (Yaniella sp. VS8) can be cultivated for large scale biocementation using hydrolysate of activated sludge of municipal wastewater treatment plant. It is possible to increase greatly urease activity and biocementation rate by concentration of urease-producing bacterial biomass. It was shown that a mechanism of biocementation, which is based on microbiologically induced calcium carbonate precipitation, includes adsorption of bacterial cells onto the surface of sand grains, formation the crystals of calcite, aragonite, and vaterite, and binding with surface and between themselves. Adsorption efficiency of bacterial cells on the sand particles can be increased from 29 to 37% by pretreatment of sand with cations of calcium, aluminum and iron. To obtain material with needed properties, the following microbial biocementation technologies have been developed: 1) the formation of the strong biocemented layer with a thickness of a few mm by precipitation on the surface of material; 2) the formation of the layer with a thickness of a few cm by spraying biocement solution onto the surface, and 3) the formation of the biocemented volume of the porous material by percolation or injection of the biocement solution. To increase technological and economic efficiency of microbial biocementation two new methods have been proposed and studied. First method is the replacement of calcium ions with ions of ferrous, which were produced by ironreducing bacteria from hematite of cheap iron ore. This method can decrease the hydraulic conductivity of sand to 1.4∙10-7 m/s. Second method includes bioimmobilization of the gas bubbles, which were produced in the sand pores. This method can decrease the hydraulic conductivity of sand to 2∙10-7 m/s. Biotechnology of the surface biocementation has been proposed. This process can be used for the sealing of the ponds or landfills in sandy soil. It was shown that biocementation can be used to control wind and water erosion of soil and release of associated with dust chemical and bacteriological model pollutants. An application of biocementation for the coating of the surfaces of concrete, stone, glass, plastic, and wood with the layer of calcite was studied. This biocoating can be used for the surface protection of coastal concrete structures, creation of artificial reefs, and can promote environmental sustainability in the coastal area. The pilot test of biotechnological biocementation for the sealing of the cracks in the rocks with inactivated but urease active cells Yaniella sp. VS8 showed the applicability of the method in environmental engineering for prevention of pollutants migration to groundwater and surface water from the landfills. The pilot biocementation of the mixture of sand and limestone in by the injection of urease-producing bacteria Bacillus sp. VS1 significantly decreased hydraulic conductivity. The pilot tests confirmed the effectiveness of biocementation nto control the wind erosion of soil and showed the applicability of biocementation for the manufacturing of sand filters for microfiltration of water. Economical calculations showed the viability of biocementation application for environmental engineering. Selected microorganisms, discovered mechanisms of microbial biocementation, and the developed biotechnologies of the surface and bulk biocementation give the opportunity for further scientific development and practical applications of new biotechnological discipline – biotechnology of biocement production and application.