BME Vásárhelyi Pál Építőmérnöki és Földtudományi Doktori Iskola  

BME,  Építőanyagok és Mérnökgeológia Tanszék

Témavezető: Dr. Kopecskó Katalin

Biomineralizáció hatása porózus mészkőre 

A kutatási téma néhány soros bemutatása

Kutatásom során a biomineralizáció, mint bakteriális eredetű kalcium-karbonát kiválasztás építőipari és kőanyagvédelmi felhasználási lehetőségét vizsgálom laboratóriumban és helyszínen végzett kísérletek során. A biomineralizáció lényege, hogy egyes baktériumfajták képesek kalcium-karbonát kristályokat előállítani oly módon, hogy a környezetükben lévő szerves anyagokat elfogyasztva karbonát-ionokat bocsátanak ki a sejten kívüli térbe. Ezek az ionok reakcióba lépnek a hozzáadott kalcium-ionokkal, kalcium-karbonát, azaz mészkő csapadékot eredményezve.

A kutatóhely rövid bemutatása

Kutatásaimat a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Építőmérnöki Karán, az Építőanyagok és Mérnökgeológia Tanszék laboratóriumában végzem. Emellett a Vegyészmérnöki és Biomérnöki Kar Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudományi Tanszéke nyúlt segítséget számunkra bizonyos kísérletek előkészítéséhez.

A kutatás történetének, tágabb kontextusának bemutatása

A bakteriális eredetű kalcium-karbonát-képződés - más néven biomineralizáció - jelenségét először 1973-ban írták le [1]. Ezt követően francia kutatók kezdték el behatóbban tanulmányozni a biomineralizáció folyamatát, s feltárták annak felhasználási lehetőségét is. 1990-ben szabadalmaztatták módszerüket, melynek lényege az volt, hogy a bakteriális karbonátkiválást porózus felületek javítására és kezelésére használták fel [2]. Az európai szabadalmat hosszas kísérletezési és tesztelési folyamat előzte meg [3], s elfogadását követően megalakult a Calcite Bioconcept cég, amely napjainkig számos francia épületet kezelt saját a fejlesztésű kezelőanyaggal és kezelési módszerrel.

A biomineralizáció kutatásának két főbb irányvonala alakult ki: a biolerakódás (biodeposition) és a biocementálás (biocementation) [4]. A biolerakódás elsődleges, és legtöbbet kutatott felhasználási területe a porózus kőanyagok védelme. Emellett vizsgálatokat folytatnak egyéb mesterséges porózus anyagok, mint például habarcsok és betonok felületi védelmére is.

A biocementáláson alapuló vizsgálatok lényege, hogy a bakteriális úton keletkező mészkövet közvetlenül kötőanyagként használják fel. Egyes kutatók kiegészítő kötőanyagként, míg mások kizárólagos kötőanyagként alkalmazzák az új kristályokat.

A két fő terület mellett érdemes megemlíteni az önjavító betonokkal kapcsolatos kutatásokat. Ezek elméleti lényege, hogy a cementpépbe keveréskor bevitt baktériumok a beton szilárdulása után létrejövő repedéseket tömítenék ki oly módon, hogy a repedésbe jutó víz aktiválná spóráikat, s így elindulna a biomineralizáló folyamat [4].

A kutatás célja, a megválaszolandó kérdések

Kutatásom során foglalkozom a biomineralizációs kezelések hatásmechanizmusának elemzésével, az alkalmazás kőre gyakorolt hatásainak vizsgálatával, valamint a további alkalmazási lehetőségek felderítésével és tesztelésével.

Az alapvető célok között szerepelnek a kísérlettechnikai és alkalmazási sajátságok pontosítása és leírása (például a behatolási mélység és a hatékony kezelési mélység megállapítása), a durvamészkő pórusrendszerének és vízfelvételi tulajdonságainak minél pontosabb meghatározása, valamint a kezelőszer viselkedésének és áramlási sajátságainak megértése (például a kezelőszer szétosztályozódása és szűrődése a kapilláris-vízfelvétel során).

A biomineralizációs kezelés kőre gyakorolt hatásainak vizsgálatakor egyrészt azt vizsgálom, hogy az általam választott kőanyagra, a rendkívül porózus (akár 30% fölötti nyílt porozitás) sóskúti durvamészkőre milyen eredménnyel alkalmazható a biomineralizáló kezelés, s mely tulajdonságokban várható szignifikáns javulás, avagy romlás. Az eddig kiértékelt vizsgálatok eredményei azt mutatták, hogy a vízfelvételi tulajdonságokban következnek be jól mérhető változások. Így céljaim között szerepel ezen, biomineralizációból fakadó változások okának pontos leírása, valamint az ezzel összefüggő időállósági tulajdonságok megváltozásának vizsgálata is.

Az alkalmazás terén eddig viszonylag kevés validált eredményről számol be a szakirodalom. Emellett a publikált eredmények sem célirányos, károsodás-specifikus kezelésekből, hanem alkalmazási próbákból származnak. Ennek okán célom annak megállapítása is, hogy konkrét kőanyaggal kapcsolatos károsodások (például rétegleválás, kipergő szemcsék, kőhiány pótlása) megoldására milyen keretek között és eredménnyel alkalmas a biomineralizáción alapuló kezelés.

Módszerek

A kutatás sajátsága, hogy ötvözi az alkalmazott mikrobiológiai és az építőanyag-kutatási módszereket. Ennek okán több szempontból is vizsgáltam a kőanyag és a kezelőszer kölcsönhatását. Vizsgálataimat durva- és középszemű, váztöredékes sóskúti mészkövön, valamint Bacillus cereus és Myxococcus xanthus baktéiumokat tartalmazó tápoldatokkal végeztem.

A biomineralizáció hatásának vizsgálatához egyrészt hagyományos, szabványos méréseket végeztem, másrészt új, a kísérletek léptékének megfelelő vizsgálati módszereket vezettem be. A biomineralizáció hatását a próbatestek kezelés előtti és kezelést követően mért egyes tulajdonságainak különbözőségéből mutattam ki.

Első megközelítésben a kőanyag tömegösszetételi tulajdonságainak megváltozását vizsgáltam. Ennek során szabványos módon tömegváltozást, testsűrűséget, anyagsűrűséget, vízjárható porozitást, valamint teljes porozitást mértem [5].

Ezt követően a tömegösszetételi tulajdonságok megváltozásának hatását vizsgáltam a kőanyag egyéb paramétereire, elsősorban a szilárdságra és a felületi keménységre. A szilárdságmérések során szabványos méretű kezelt és kezeletlen mészkőhenger-csoportokon az egyirányú nyomószilárdság különbözőségét mértem [6]. A felületi keménység változását Duroskope segítségével kőlapokon, 100-100 mérési pontból álló, egymást területileg nem fedő minták összevetésével értékeltem. Vizsgáltam továbbá a felületi szemcsék megkötődését is, amit a tépőszalaggal lefejtett szemcsék kezelés előtti és utáni tömegének mérésével számszerűsítettem [7].

A gyakorlati műemlékvédelem szempontjából is fontos, kezelőszer okozta színelváltozás vizsgálatára kezdetben a próbatestekről eredeti és kezelt állapotukban készült felvételeinek hisztogramjait (a pixelértékek eloszlásának diagramjait) hasonlítottam össze egymással [8]. Később spektrofotométer segítségével a CIEM – Lab színtérben mért értékekből ΔE teljes színelváltozást számoltam, és vetettem azt össze a szem számára érzékelhető változási mértékkel [9].

Vizsgáltam továbbá a mészkő vízfelvételét is, mind a kapilláris vízszint emelkedését, mind a felvett víz tömegét [10]. Új, horizontális vízfelszíváson és nedvesítési alakon alapuló kísérleti módszert dolgoztam ki, melynek segítségével egyrészt roncsolásmentes módon, in situ körülmények között is kimutathatóvá tettem a porózus durvamészkő szövetének szemrevételezésel nem észlelhető irányítottságát. Ezen felül színezett víz beáramoltatásával, majd a metszeti áramlási profil elemzésével képet nyertem a kezeletlen és a kezelt durvamészkő vízfelszívási sajátságairól is [11].

Elemeztem továbbá a kezelőszer hatékony beszívódási mélységét is, mely közvetlen hatással van a biomineralizáció által érintett mélységre. A kezelőszer és a baktériumok kőanyagba történő beszivárgásának megértésére a biomineralizáló oldattal kapilláris folyadék-felvételi teszteket végeztem, melyet követően a mészkőhengereket szelektív táptalajra nyomtam le. A táptalajon kikelt baktériumtelepek eloszlásából a baktériumok behatolási mélységére következtettem [12]. A kezelés hatékony mélységét ugyancsak horizontális vízfelvételi teszt segítségével mutattam ki.

A fent említett vizsgálatok mellett kimondottan műemlékvédelmi felhasználásra, valós kőkárosodási problémák megoldására célzott kísérleteket végeztem. Ezek során különböző vastagságú mészkőrétegeket, illetve mészkő lisztet kíséreltem meg ráragasztani mészkő lapokra, kimutatandó a kezelőszer cementáló hatását.

Eddigi eredmények

A tömegösszetételi tulajdonságok vizsgálata során az átöblített és kiszárított próbatestek tömege átlagosan 0,2 m/m %-kal nőtt, ami a biomineralizáló oldat alacsony, összetételtől függően 1,25 – 2,40 m/V % (g/ml) – os szárazanyag-tartalmának tudható be. Ez a kismértékű kalcium-karbonát beépülés azonban közel 10 %-os csökkenést idézett elő a vízzel átjárható porozitásban [5].

Az egyirányú nyomószilárdsági vizsgálatok, a felületi keménység-vizsgálatok, valamint a tépőszalagos szemcselefejtési kísérletek nem mutattak szignifikáns eltérést a kezelt és a kezeletlen próbatestek között [6], [7]. Ez részben a durvamészkő nagy szöveti inhomogenitásának, valamint a kevés beépülő szárazanyagnak tudható be. Mindazonáltal előrevetíti, hogy a biomineralizáló kezelőszerek kis szárazanyag-tartalom mellett szilárdítási célokra nem alkalmasak.

A színelváltozási tesztek eredménye, hogy az átlátszó vagy áttetsző bakteriális kezelőoldatok nem okoznak az emberi szem számára észlelhető színelváltozást. A kezelőszerek által okozott, 1.05 – 5.67 –es ΔE teljes színelváltozás értéke csak egy esetben haladta meg a már érzékelhető 5-ös felső határértéket. Ez a kezelőszer karbamid-tartalma miatti sárga árnyalatának tudható be [8], [9].

A vízfelvételi tesztek mind a felvett vízmennyiség, mind a kapilláris emelkedési sebesség tekintetében csökkenést mutattak a kezelt próbatesteken. A kezdeti vízfelvétel intenzitása közel 30%-ára csökkent [5], [10].

A kezelőszer-felvételi tesztek során kísérletileg kimutattam, hogy a kalcium-karbonát forrásból, baktériumokból és keverővízből álló tápoldat a beszívódás során szétosztályozódik. A próbatestek táptalajra való lenyomatolása és a színes tápoldattal végzett kísérletek azt mutatják, hogy a baktériumok csak korlátozott mélységben (14 - 28 mm) tudnak behatolni a kőanyagba (1. ábra). Ez annak tükrében figyelemreméltó, hogy a kezelőszer a 90 mm magasságú próbatest tetejéig felszívódott. Különböző mennyiségben beitatott kezelőszer alkalmazásával megállapítottam, hogy a baktériumok behatolási mélységét azok oldatban lévő mennyisége határozza meg, függetlenül az áramlás sebességtől [11], [12].

 

1. ábra. A lenyomat kontúrján  (zöld szaggatott vonal) belül kikelt Bacillus cereus - telepek

 

Kimutattam továbbá, hogy a kezelt próbatestek pórusaiban bent rekedő, fel nem használt szerves anyagok a vízfelvétel során mérési hibát okoznak.

A horizontális vízfelszíváson és nedvesítési alakon alapuló kísérleti módszerrel kimutattam a porózus durvamészkő szövetének irányítottságát, s a szivárgási profil megjelenítésével (2. ábra) mérhetővé tettem a mészkőre alkalmazott biomineralizáló kezelőszer hatékony mélységét is. Ez 4-5 mm közötti értékre adódott – lásd 3. ábra. [13].

 

2. ábra. A szivárgási profil kialakulásának folyamata – profilkép az 5.,11.,24. és 37. percben

 

3. ábra. Szabályos beszívódási profil kezeletlen – (a.), és szabálytalan profil kezelt felületen (b.)

 

A por- és rétegragasztási vizsgálatok során kimutattam, hogy a kezelőszer ragasztó hatását nagymértékben a kezelőszerben lévő szerves anyagok (például fehérje) okozzák, amelyek viszont vízoldhatóak. Így víz hatására a ragasztóhatás megszűnik.

Várható impakt, további kutatás

A biomineralizáció építőipari felhasználásának vizsgálatában több kutatócsoport és cég is részt vesz. Ezek közül a legfontosabbak a Ghent University (kőanyag- és betonvizsgálatok, beton-mikróba interakciók), egy francia cég (kőanyagvédelem), valamint egy német cég (önjavító betonok). Ezek közül az első kettővel közvetlen konzultációs kapcsolatban állok, míg utóbbi egy konferencia-előadásomat követően érdeklődött kutatásom iránt.

Eddigi eredményeimet angol nyelvű folyóirat- és konferenciacikkekben közöltem, valamint nemzetközi részvételű konferenciákon adtam elő. További céljaim közt szerepelnek az időállósági tulajdonságok vizsgálata, mállott kőzetek kezelése, valamint adalékanyagos kezelőszerek tesztelése. Emellett konkrét műemlékvédelmi célokat szolgáló kísérleteket is el kívánok végezni.

Saját publikációk, hivatkozások, linkgyűjtemény 

Hivatkozások listája

 

[1]  Boquet, E., Boronat, A., Ramos-Cormenzana, A., 1973. Production of calcite (calcium carbonate) crystals by soil bacteria is a common phenomenon. Nature 246, 527–529. old.

 

[2] Adolphe, J.-P., Loubie`re, J.-F., Paradas, J., Soleilhavoup, F.,1990. Proce´de´ de traitement biologique d’une surface artificielle.  European patent No. 90400G97.0 (after French patent No. 8903517, 1989).

 

[3]  Le Métayer-Levrel, G., S. Castanier, S., G.Orial, J.-F. Loubière, J.-P., Perthuisot, 1999. Applications of bacterial carbonatogenesis to the protection and regeneration of limestones in buildings and historic patrimony. Sedimentary Geology 126 (1999) 25-34. old.

 

[4]  De Muynck, W., De Belie, N., Verstraeteb, W., (2010), „Microbial carbonate precipitation in construction materials: A review”, Ecological Engineering, Vol. (36) 118–136. old.

 

Kapcsolódó saját publikációk listája.

 

[5]  Juhász, P., Kopecskó K., 2012. Consolidation and strenghtening effect of biomineralization on porous materials.  Concrete Structures 13 (1) 65-71. old.

 

[6] Juhász P., 2012. Influence of biomineralization on mechanical and physical characteristics of Hungarian limestone. In: Harald S. Müller, Michael Haist, Fernando Acosta: Proceedings of the 9th fib International PhD Symposium in Civil Engineering, 181-186. old., Paper 28.

 

[7]   Juhász, P., Kopecskó K. 2013. - in press: Evaluating effect of biomineralization compounds on the surface hardness and material loss of porous limestone. Pollack Periodica, referenciaszám: 2013-36. old.

 

[8]   Juhász, P., 2012. Analysis of effects of biomineralization on porous limestone. In: Józsa János, Lovas Tamás, Németh Róbert (szerk.) Proceedings of the Conference of Junior Researchers in Civil Engineering 2012. 70-76. old., Paper 11. ISBN: 978-963-313-061-2

 

[9]  Juhász, P., Kopecskó, K., 2013. Biomineralizáció – alkalmazott mikrobiológia az építőanyag-kutatásban. In: XVII. Nemzetközi Építéstudományi Konferencia: ÉPKO 2013. Csíksomlyó, Románia, 2013.06.13-2013.06.16. Kolozsvár: 154 - 159.old. ISBN: 1843-2123

 

[10] Juhász, P., Béla, Sz., Kopecskó, K., 2013. - Mathematical analysis of capillary elevation of porous limestone. Építőanyag 65. pp.2-5.

 

[11] Juhász, P. 2013 – Analysis of the effective depth of a biominearlizing treatment In: Józsa János, Lovas Tamás, Németh Róbert: Proceedings of the Second Conference of Junior Researchers in Civil Engineering 2013.                

 

[12] Juhász, P., Kopecskó, K., 2013. – accepted: Analysis of capillary absorbtion properties of porous limestone material and its relation to the migration depth of bacteria in biomineralizing compound. Periodica Polytechnika

 

[13] Juhász, P., Kopecskó, K., 2013. – submitted: Introduction of a new technique in observation of newly formed layers and contaminants on stone surfaces. Central European Geology