JoVE Logo
Authors
Contact Us

Sign In

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

In This Article

  • Summary
  • Abstract
  • Introduction
  • Protocol
  • النتائج
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

Summary

Sporosarcina pasteurii هي بكتيريا محللة للبول تكسر اليوريا إلى كربونات وأمونيوم. تتحد الكربونات مع الكالسيوم لتشكيل كربونات الكالسيوم ، مما يخلق شبكة بلورية تثبت الجسيمات المحيطة معا لإنتاج الأسمنت الحيوي. هذا بروتوكول مناسب لاستخدام القوالب المطبوعة ثلاثية الأبعاد لإنشاء طوب الأسمنت الحيوي المناسب لاختبار الضغط.

Abstract

الأسمنت هو مادة بناء رئيسية تستخدم في العديد من الهياكل في جميع أنحاء العالم ، من أساسات المنازل إلى المعالم التاريخية والطرق. إنها مادة مهمة وفيرة في جميع أنحاء العالم. ومع ذلك ، فإن الإنتاج التقليدي للأسمنت هو مساهم رئيسي في ثاني أكسيد الكربون من صنعالإنسان في الغلاف الجوي 2 ، مما يؤدي إلى انبعاثات غازات الاحتباس الحراري وتغير المناخ. ترسيب الكالسيت المستحث ميكروبيا (MICP) هو عملية بيولوجية تنتج فيها Sporosarcina pasteurii أو البكتيريا الأخرى مادة أسمنتية قوية مثل الأسمنت التقليدي ، لكن الأسمنت الحيوي محايد للكربون. طريقة MICP لإنتاج الأسمنت الحيوي هي تقنية واعدة وتخضع حاليا للتحقيق النشط من قبل العديد من الشركات والبلدان والمجموعات البحثية. يستخدم البروتوكول المقدم هنا قوالب مصممة خصيصا وقابلة لإعادة الاستخدام ومطبوعة ثلاثية الأبعاد لمعالجة MICP المتدفقة للتربة أو الرمل ، مما ينتج عنه طوب أسطواني يلبي المواصفات القياسية لاختبارات الضغط غير المحصورة. تسمح القوالب الفردية القائمة بذاتها وتعلوها الخزان بإجراء اختبار متوازي مريح لمتغيرات متعددة ومكررات. يحدد هذا البروتوكول تفاعل S. pasteurii MICP وإنشاء وتجميع واستخدام القوالب المطبوعة ثلاثية الأبعاد لتوليد طوب أسطواني من الأسمنت الحيوي.

Introduction

الخرسانة هي مادة البناء الرئيسية لمشاريع البناء حول العالم1،2. وجدت إحدى الدراسات أن الأسمنت هو ثاني أكثر المواد استهلاكا في العالم ، بعد الماءفقط 3. يتم إنتاج ما يقرب من 4.1 مليار طن من الأسمنت كل عام 4,5. ينتج عن الإنتاج التقليدي والمعالجة والتطبيق للأسمنت ما يقرب من 8٪ من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون العالمية سنويا6. نظرا لارتفاع الطلب والآثار الضارة لإنتاج الأسمنت التقليدي ، فإن طريقة جديدة محايدة للكربون للتسمت هي أولوية قصوى لأهداف الاستدامة العالمية7 ، 8 ، 9 ، 10.

الأسمنت الحيوي هو عملية استخدام الكائنات الحية الدقيقة لإنتاج الأسمنت أو المادة اللاصقة أو المادة التي يمكن استخدامها لإنشاء سطح صلب أو هيكل1،11. تتضمن عملية الأسمنت الحيوي الأكثر تحديدا استخدام البكتيريا المحللة للبول لترسيب كربونات الكالسيوم ، وربط الجسيمات معا في مادة أسمنتية صلبة12،13.

عند التفكير في بديل صديق للبيئة للأسمنت التقليدي ، يجب أن يلبي البديل أيضا توقعات القوة للأسمنت. اختبار الضغط غير المحصور هو قياس تحليلي يستخدم لتحديد قوة القص لصخور أو مواد بناء أو عينة تربة14. لاختبار القص الفعال ، يجب تحضير العينة وفقا لمعايير الصناعة ، والتي تشمل نسبة القطر إلى الارتفاع 1: 2 والشكل الأسطواني15. تم إنشاء قالب مطبوع ثلاثي الأبعاد مصمم خصيصا لتلبية هذه المعايير وزيادة الكفاءة في تنفيذ بروتوكول MICP. تسمح هذه القوالب المصممة خصيصا بتطبيق التدفق وتصريف علاجات MICP المتسلسلة. يمكن بسهولة تطبيق الاستزراع البكتيري ومحلول الأسمنت على الخزان العلوي ، والذي يمر بعد ذلك عبر القالب ويمر عبر فتحة مبطنة بشبكة على قاعدة القالب. تم تصميم القوالب لتستقر فوق دورق أو حاوية أخرى لجمع النفايات. يتم تقسيم القالب إلى نصفين عموديا للسماح بسهولة بفك القالب للطوب الأسمنتي. يتم تثبيته معا بواسطة ثمانية مغناطيسات مثبتة على إطار القالب ومختومة بالإيبوكسي لمنع تلف المغناطيس من التعرض لمحاليل MICP. يحتوي النصفان أيضا على أخدود داخلي لوضع حشية مطاطية ، مما يساعد على إغلاق القالب ومنع التسرب. يوجد في الجزء الداخلي من القالب الأسطواني أخدود للإشارة إلى مستوى تعبئة الرمل / التربة لإنتاج لبنة بارتفاع 3 بوصات. الغرض من المساحة الموجودة فوق هذا الأخدود هي استخدامها كخزان لتطبيق حلول المعالجة. قطعة من الشبكة السلكية الموضوعة فوق الفتحة السفلية داخل القالب ، عند إنشائها ، تمنع الرمل أو التربة من السقوط من خلال قاع القالب. بالإضافة إلى ذلك ، يتم وضع قطعة من الشبكة السلكية على الجزء العلوي من الرمل أو التربة للمساعدة في توزيع المحاليل المطبقة بالتساوي والتأكد من أن الطوب المتكون له قمة مستوية دون أي حواف حادة ، مما قد يؤثر على نتائج اختبار الضغط غير المحصور.

تم تصميم القوالب باستخدام برنامج التصميم بمساعدة الكمبيوتر (CAD) ، وتم إنشاء ملف STL (الملف التكميلي 1 والملف التكميلي 2) من ملف CAD (الملف التكميلي 3 والملف التكميلي 4)). تم تحميل ملف STL هذا في برنامج الطابعة ثلاثية الأبعاد وطبع لاحقا. بعد طباعة القوالب ، تم استخدام نظام نفث الماء لإزالة المواد الداعمة التي تم إنشاؤها من الطابعة ثلاثية الأبعاد ، تاركا الهيكل النهائي المطبوع ثلاثي الأبعاد. كما تم تضمين ملف طباعة جهاز دك للمساعدة في ضغط الرمل / التربة في القالب وإنشاء سطح علوي مستو.

Protocol

يتم سرد تفاصيل الكواشف والمعدات والبرامج المستخدمة في جدول المواد.

1. إعداد الحلول والوسائط

  1. تسريب الدماغ والقلب (BHI) - وسط اليوريا (1 لتر)
    1. تزن 37 جم من مسحوق BHI باستخدام ميزان وأضفها إلى قارورة أو دورق سعة 1 لتر.
    2. قم بوزن 20 جم من اليوريا باستخدام الميزان وأضفه إلى نفس القارورة أو الدورق سعة 1 لتر الذي يحتوي على مسحوق BHI.
      تنبيه: لا تقم بالأوتوكلاف أو إضافة مواد التبييض إلى أي مواد تحتوي على اليوريا. سوف تتحلل اليوريا إلى أمونيا ، والتي يمكن أن تكون ضارة كغاز متطاير ويمكن أن تتفاعل مع المبيض لتكوين غاز الخردل السام. تخلص من جميع النفايات كنفايات خطرة وفقا لبروتوكولات السلامة الخاصة بالمؤسسة.
    3. املأ القارورة أو الدورق سعة 1 لتر الذي يحتوي على مسحوق BHI واليوريا ب 1 لتر من H2O.
    4. امزج وقم بتصفية تعقيم الوسط بمرشح 0.45 ميكرومتر في قارورة أو دورق معقم.
  2. محلول الأسمنت (1 لتر)
    1. تزن 20 جم من اليوريا باستخدام الميزان وأضفها إلى قارورة أو دورق سعة 1 لتر.
    2. قم بوزن 10 جم من NH4Cl (كلوريد الأمونيوم) باستخدام ميزان وأضفه إلى نفس قارورة 1 لتر أو دورق يحتوي على اليوريا.
      تنبيه: لا تقم بالأوتوكلاف أو إضافة مواد التبييض إلى أي مواد تحتوي على كلوريد الأمونيوم. سيشكل كلوريد الأمونيوم توازنا مع غاز الأمونيا ، والذي يمكن أن يكون ضارا كغاز متطاير ويمكن أن يتفاعل مع المبيض لتكوين غاز الخردل السام. تخلص من جميع النفايات كنفايات خطرة وفقا لبروتوكولات السلامة الخاصة بمؤسستك.
    3. تزن 49 جم من CaCl4.2H 2O (كلوريد الكالسيوم) باستخدام ميزان وأضفها إلى نفس قارورة أو دورق سعة 1 لتر تحتوي على اليوريا وكلوريد الأمونيوم.
    4. املأ القارورة أو الدورق سعة 1 لتر الذي يحتوي على اليوريا وكلوريد الأمونيوم وكلوريد الكالسيوم ب 1 لتر من H2O.
      ملاحظة: هذا الحل غير معقم. تحضر طازجة وتستخدم في غضون 48 ساعة.
  3. طباعة الطوب وإعداده (يتم إجراؤه قبل عدة أيام من علاج MICP)
    1. قم بتحميل ملف STL لقالب الطوب (الملف التكميلي 1) وجهاز الحشو (الملف التكميلي 2) إلى البرنامج المناسب للطابعة ثلاثية الأبعاد.
      ملاحظة: قد يختلف البرنامج المحدد المستخدم باستخدام طابعة ثلاثية الأبعاد مختلفة. استخدم البرنامج المناسب للطابعة التي تستخدمها.
    2. اطبع القوالب وأجهزة الحشو (الشكل 1).
    3. قم بمعالجة القوالب وفقا لمتطلبات الطابعة.
    4. ضع مغناطيسا واحدا في كل فتحة من فتحات المغناطيس المناسبة في القالب ، مع التأكد من وضع الشحنات بطريقة تجذب نصفي القالب ولا يصدان ببعضهما البعض
    5. بمجرد وضع المغناطيس بشكل مناسب ، أغلق كل مغناطيس بالإيبوكسي.
    6. حدد دائرتين بقطر 1.5 بوصة من الشبكة السلكية واتركها جانبا.

2. تحضير الطوب (اليوم 0)

ملاحظة: يتم توفير تفاصيل إعداد لبنة واحدة هنا.

  1. قم بتعقيم 150 مل من وسط BHI-urea. الأوتوكلاف قارورة سعة 250 مل.
  2. تحضير 250 مل من محلول الأسمنت ؛ لا تضعه في قارورة 250 مل معقمة
  3. تحضير S. pasteurii مزرعة الخطوط المعزولة على طبق بتري مع BHI أجار اليوريا واحتضانها عند 30 درجة مئوية لمدة 24-48 ساعة (S. pasteurii من مخزون الجلسرين المجمد).
  4. ثقافة بادئ S . pasteurii (اليوم 1)
    1. اصنع مزرعة بداية سعة 1.6 مل عن طريق إضافة 1.6 مل من وسط BHI-Urea إلى أنبوب الاستزراع.
    2. تلقيح الثقافة بمستعمرة واحدة من لوحة خط اليوم 0.
    3. قم بزراعة ثقافة البادئ في شاكر (150 دورة في الدقيقة) عند 30 درجة مئوية بين عشية وضحاها.
  5. نمو الثقافة (اليوم 2)
    1. افحص ثقافة البادئ لتأكيد النمو (يتضح من زيادة التعكر).
    2. أضف 40 مل من وسط BHI-urea إلى قارورة التعقيم سعة 250 مل. صب ثقافة البداية سعة 1.6 مل في القارورة. احتضن ورج عند 30 درجة مئوية لمدة 7 ساعات.
    3. أضف 40 مل إضافيا من وسط BHI-urea إلى القارورة. ضع القارورة في شاكر عند 20 درجة مئوية طوال الليل (~ 16 ساعة).
  6. معالجة الطوب بالمكورات العنقودية باستوري (اليوم 3)
    1. أضف 40 مل إضافيا من وسط BHI-urea إلى قارورة الاستزراع الليلية واستمر في احتضان S. pasteurii عند 20 درجة مئوية.
  7. تحضير قوالب الطوب (اليوم 3) (انظر الشكل 2).
    1. ضع حشوات مطاطية في المساحات المناسبة على القوالب. قم بتوصيل نصفي القوالب ، مع التأكد من إغلاق الحشيات وتوصيل جميع المغناطيسات.
    2. أضف دائرة من شبكة سلكية دقيقة إلى الجزء السفلي من قالب الطوب الأسطواني لمنع الرمل من السقوط من خلال الفتحة الموجودة في القالب.
    3. املأ القالب بالرمل أو أي مادة أخرى حتى الخط الموجود داخل القالب ودكها بإحكام.
    4. ضع دائرة أخرى من الشبكة السلكية في الجزء العلوي من الرمل لتغطية السطح العلوي بالكامل ودكها مرة أخرى.
    5. ضع القالب فوق حاوية النفايات لالتقاط التدفق من خلاله.
  8. إجراء العلاج (اليوم 3)
    1. صب 40 مل من S. مزرعة باستوري فوق الرمل واتركها تنقع. انتظر لمدة 45 دقيقة.
    2. صب 80 مل من محلول الأسمنت فوق الرمال. انتظر لمدة 30 دقيقة.
    3. صب 40 مل من S . pasteurii ثقافة فوق الرمال. انتظر لمدة 30 دقيقة.
    4. صب 80 مل من محلول الأسمنت فوق الرمال. انتظر لمدة 30 دقيقة.
    5. صب 40 مل من S . pasteurii ثقافة فوق الرمال. انتظر لمدة 30 دقيقة.
    6. صب 80 مل من محلول الأسمنت فوق الرمال. اترك الطوب بمفرده لمدة 48 ساعة على الأقل أو حتى يبدو الرمل جافا.
  9. تحقق من المنتج النهائي (اليوم 5).
    1. افتح القوالب بعناية عن طريق تقسيم القالب إلى نصفين وتحرير الضغط من المغناطيس. قم بإزالة الطوب برفق من القالب.
      ملاحظة: إذا بدا الرمل رطبا ، فسيحتاج القالب إلى الجفاف لمدة يوم أو يومين آخرين قبل إزالة الطوب من القالب (كلما كان الطوب أكثر جفافا ، كان من الأسهل إزالته).
    2. ضع الطوب على منشفة ورقية ليستمر في الجفاف لمدة 3 أسابيع قبل إجراء اختبار الضغط.
  10. تنظيف القوالب (اليوم 5)
    1. بمجرد إزالة الطوب من القالب ، افصل الحشيات والشبكة السلكية عن كل نصف من القالب.
    2. انقع الشبكة السلكية في محلول من الإيثانول بنسبة 70٪ لمدة 24 ساعة قبل شطفها بالماء. قد تكون هناك حاجة إلى فرك طفيف لتنظيف الشبكة.
    3. اشطف القوالب بنسبة 70٪ من الإيثانول وافركها بفرشاة ذات شعيرات ناعمة أو إسفنجة أو أي جهاز تنظيف آخر 3 مرات على الأقل ؛ ثم نظف بالماء والصابون متبوعا بالتجفيف بالهواء
    4. اشطف الحشيات بنسبة 70٪ من الإيثانول ثم نظفها بالماء والصابون ، متبوعا بالتجفيف بالهواء.

3. اختبار الضغط (اليوم 25)

  1. قم بتحليل جميع الطوب للتأكد من قوته باستخدام اختبار ضغط غير محصور16.
    1. تأكد من أن الأطراف الدائرية للطوب مسطحة ومتساوية. إذا لم تكن الأطراف متساوية ، فاستخدم ملفا أو جهازا آخر لتوحيد الأسطح.
      ملاحظة: يجب أن تكون نهايات الطوب مسطحة في الغالب إذا تم تطبيق الشبكة السلكية بشكل صحيح. من الأهمية بمكان أن تكون نهايات الطوب متساوية قدر الإمكان لضمان قياس دقيق للقوة.
  2. ضع لبنة في كيس بلاستيكي بسحاب أو مغلق وضع الطوب في الكيس البلاستيكي بحيث لا يتم تغطية الوجوه المسطحة للطوب بخط للحصول على تغطية سلسة ومسطحة.
  3. ضع الطوب على لوحة التحميل السفلية. ضع لوحة تحميل مسطحة ومتساوية فوق الطوب.
  4. قم بتطبيق حوالي 1 رطل من الضغط على الطوب عبر آلة اختبار الضغط غير المحصورة.
  5. الفارغة للقراءة الرقمية.
  6. قم بتطبيق الحمل المتزايد بشكل مستمر وفقا لمواصفات الماكينة حتى يتم تحقيق الفشل الهيكلي الكامل للطوب.
  7. سجل الحد الأقصى للحمل الحامل لكل لبنة. إجراء التحليل الإحصائي المطلوب لتقييم النتائج.

النتائج

يمكن رؤية بناء القالب المطبوع ثلاثي الأبعاد في الشكل 1 والشكل 2. يجب أن ينظر إلى النتائج الإيجابية على أنها لبنة تحتفظ بشكله عند إزالتها من القالب ، وبعد 3 أسابيع من التجفيف ، تظهر كهيكل صلب يمكن التعامل معه بسهولة بأقل قدر من فقدان المواد م...

Discussion

الخطوات الحاسمة
يستخدم بروتوكول الأسمنت الحيوي هذا S. pasteurii MICP لإنتاج طوب أسطواني حيوي مناسب لاختبار الضغط غير المحصور. أحد أهم العوامل لاختبار الضغط غير المحصور هو شكل العينة وهيكلها. تأكد من أن الجزء العلوي والسفلي من منتج الأسطوانة مسطحان وأن ارتفاع ال...

Disclosures

ويعلن أصحاب البلاغ عدم وجود تضارب في المصالح. تمت الموافقة على هذه المخطوطة للنشر العام. رقم السلطة الفلسطينية: USAFA-DF-2024-777. الآراء الواردة في هذه الورقة هي آراء المؤلفين ولا تمثل بالضرورة الموقف أو السياسة الرسمية للحكومة الأمريكية أو وزارة الدفاع أو وزارة القوات الجوية.

Acknowledgements

تستند هذه المادة إلى بحث ترعاه أكاديمية القوات الجوية الأمريكية ومختبر أبحاث القوات الجوية بموجب الاتفاقية رقم FA7000-24-2-0005 (MG). يحق لحكومة الولايات المتحدة إعادة إنتاج وتوزيع الطبعات للأغراض الحكومية، بغض النظر عن أي تدوين لحقوق الطبع والنشر عليها.

Materials

NameCompanyCatalog NumberComments
3D-PrinterStratasysObjet 30 V3Objet30 Pro V3.0 Desktop 3D-Printer
3D-Printer MaterialStratasysOBJ-04066Rigur RGD450 Model Material
3D-Printer MaterialStratasysOBJ-04020Sup 705 Support Material
Ammonium ChlorideFisher ScientificA661-500Any other Ammonium Chloride should work, manufacturer should not matter
Brain Heart Infusion BrothMillipore53286Any other Brain Heart Infusion Broth should work, manufacturer should not matter
Calcium Chloride DihydrateVWR BDH9224Any other Calcium chloride Dihydrate should work, manufacturer should not matter
Coarse SandWard’s470016-902Special Sand-Gravel Mix and Stress Clay
Desktop Water JetStratasysOBJ-01400Water jet system for post-processing of 3D prints
EpoxyGorilla Glue4200102GORILLA Epoxy Adhesive: Epoxy, 0.8 fl oz, Syringe, Clear, Thick Liquid
Fine SandSandtastikPLA25 Play Sand in Sparkling White
Gasket MaterialMcMaster-Carr8525T65Ethylene-propylene diene monomer (EPDM) 1/16” thickness
GrabCADStratasysGrabCAD3D printer software
MagnetsK&J MagneticsD64-N52Neodymium Magnet Grade N52
SolidWorks 2021Dassault SystèmesSolidWorks 2021CAD software
Sporosarcina pasteuriiStrain: ATCC 11859 / DSM 33
Vacuum Filtration cup 0.45µmVWR10040-450
Wire Mesh 1.5” Diameter DiscsMcMaster-Carr2812T43Steel Wire Mesh Material

References

  1. Xiao, Y., He, X., Zaman, M., Ma, G., Zhao, C. Review of strength improvements of biocemented soils. Int J Geomech. 22 (11), 03122001 (2022).
  2. Hottle, T., et al. Environmental life-cycle assessment of concrete produced in the United States. J Clean Prod. 363, 131834 (2022).
  3. Miller, S. A., John, V. M., Pacca, S. A., Horvath, A. Carbon dioxide reduction potential in the global cement industry by 2050. Cem Concr Res. 114, 115-124 (2018).
  4. . Cement Technology Roadmap: Carbon Emissions Reductions up to 2050 Available from: https://www.iea.org/reports/cement-technology-roadmap-carbon-emissions-reductions-up-to-2050 (2009)
  5. Rodgers, L. Climate change: The massive CO2 emitter you may not know about. BBC News. 17 (12), (2018).
  6. Imbabi, M. S., Carrigan, C., Mckenna, S. Trends and developments in green cement and concrete technology. Int J Sustain Built Environ. 1 (2), 194-216 (2012).
  7. . THE 17 GOALS | Sustainable Development Available from: https://sdgs.un.org/goals (2024)
  8. Lehne, J., Preston, F. Making Concrete Change: Innovation in low-carbon cement and concrete. Chatham House. , (2018).
  9. Zhang, G. -. Y., Wang, X. -. Y. . Materials. 16, 4705 (2023).
  10. Jiang, K., et al. Zero-emission cement plants with advanced amine-based CO2 capture. Environ Sci Technol. 58 (16), 6978-6987 (2024).
  11. Iqbal, D. M., Wong, L. S., Kong, S. Y. Bio-cementation in construction materials: A review. Materials. 14 (9), 2175 (2021).
  12. Liu, Y., et al. Microbial-induced calcium carbonate precipitation: Influencing factors, nucleation pathways, and application in wastewater remediation. Sci Total Environ. 860, 160439 (2023).
  13. Fu, T., Saracho, A. C., Haigh, S. K. Microbially induced carbonate precipitation (MICP) for soil strengthening: A comprehensive review. Biogeotechnics. 1 (1), 100002 (2023).
  14. Güneyli, H., Rüşen, T. Effect of length-to-diameter ratio on the unconfined compressive strength of cohesive soil specimens. Bull Eng Geol Environ. 75, 793-806 (2016).
  15. Gebresamuel, H. T., Melese, D. T., Boru, Y. T., Legese, A. M. Effect of specimens' height to diameter ratio on unconfined compressive strength of cohesive soil. Stud Geotech Mech. 45 (2), 112-132 (2023).
  16. Vigil, T. N., et al. Surface-displayed silicatein-α enzyme in bioengineered E. coli enables biocementation and silica mineralization. Front Syst Biol. 4, 1377188 (2024).
  17. Choi, S. -. G., et al. Review on geotechnical engineering properties of sands treated by microbially induced calcium carbonate precipitation (MICP) and biopolymers. Constr Build Mater. 246, 118415 (2020).
  18. Heveran, C. M., et al. Engineered ureolytic microorganisms can tailor the morphology and nanomechanical properties of microbial-precipitated calcium carbonate. Sci Rep. 9 (1), 14721 (2019).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

Sporosarcina pasteuriiMICP

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Contact Us

Recommend to library

JoVE NEWSLETTERS

Research

Education

Authors

Librarians

ABOUT JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved