Bio-mineralizzazione microbica (seconda parte)

Dopo aver introdotto il concetto di bio-mineralizzazione microbica ad opera di specifici microrganismi batterici, approfondito il concetto teorico e la reazione chimica della formazione del carbonato di calcio, iniziamo ad introdurre la seconda parte del primo articolo in cui si approfondirà l’utilizzo dei batteri nell’edilizia, i batteri carbonatogeni nelle grotte ed il Bio-risanamento da metalli pesanti e radionuclidi microrganismi. Vi auguriamo una buona lettura dell’articolo “Bio-mineralizzazione microbica (seconda parte)“.

Batteri nell’edilizia

I batteri carbonatogeni, negli ultimi anni, sono oggetto di studio anche in campo edilizio, soprattutto per la produzione di “materiali base per la costruzione” (mattoni).

L’uso dei batteri in questo campo è rivolto alla produzione dei cosiddetti “biobrick”: bio-mattoni ottenuti da un processo altamente sostenibile e dalle caratteristiche più performanti per quanto riguarda resistenza ed impermeabilità, rispetto ad altri materiali di produzione industriale e sintetica.

La produzione “sperimentale” di tali materiali avviene principalmente in condizioni sature di calcio.

I batteri, pertanto, possono essere potenzialmente impiegati in diversi settori:

• Restauro di mattoni di malta cementizia;
• Consolidamento di matrici sabbiose e di materiale calcareo;
• Riduzione della permeabilità agli ioni cloruro ed all’acqua nel calcestruzzo;
• Riempimento di pori e crepe nel calcestruzzo; (Fig.1)
• Aumento della resistenza dei mattoni attraverso processi mediati dai microrganismi.

Batteri carbonatogeni nelle grotte

La cristallizzazione e la precipitazione del carbonato di calcio attuata dai microbi, ha contribuito alla formazione di strutture caratteristiche delle grotte, in particolare delle stalattiti e delle stalagmiti (concrezioni calcaree, in forma di colonne cilindro-coniche, che pendono dal tetto o si innalzano dal pavimento delle grotte.

Nel corso di studi condotti su campioni di stalattiti prelevati dalle grotte di Sahastradhara (localizzata lungo la riva del Fiume Baldi nella valle di Dehradun, Uttarakhand, India) sono state isolate diverse specie batteriche in grado di precipitare il carbonato di calcio, in condizioni di laboratorio, in seguito all’idrolisi dell’urea:

• Klebsiella pneumoniae – (batterio Gram negativo, anaerobio facoltativo);
• Bacillus pumilus – (batterio Gram positivo, aerobio);
• Bacillus thuringiensis – (batterio Gram positivo, aerobio).

Questi batteri sono stati identificati mediante il sequenziamento del gene per l’rDNA 16S.

Diversi tipi di campioni (stalattiti, stalagmiti, concrezioni) sono stati raccolti in modo asettico dalla grotta e portati in laboratorio in condizioni refrigerate. I campioni sono stati, quindi, lasciati asciugare all’aria per 48 ore e frantumati finemente con un pestello in un mortaio. (Fig. 2)

I batteri che precipitavano il calcio sono stati arricchiti mediante semina dei campioni frantumati in brodo di arricchimento B4 (2,5 g/L⁻¹ acetato di calcio, 10 g/L^-1 glucosio, 4 g/L⁻¹ estratto di lievito). L’incubazione è stata condotta a 30 °C per 10 giorni.

Tutti i batteri isolati sono stati sottoposti a screening per la loro capacità di precipitare il calcio, anche in relazione alla produzione di anidrasi carbonica e di ureasi. La produzione di anidrasi carbonica è stata testata con l’impiego di p-NPA (para-nitrofenilacetato), mentre la produzione di ureasi è stata determinata su terreno di urea-agar. In particolare, nel lavoro pubblicato, gli autori riportano che il batterio Klebsiella pneumoniae era in grado di precipitare il carbonato di calcio in circa 38 ore, che è il tempo più breve riportato fino ad oggi per il microbiota delle caverne.

Ulteriori studi sui microrganismi isolati dalle grotte sono necessari per valutare il loro potenziale impiego nel campo delle costruzioni e per ottimizzare il processo di biomineralizzazione in situ. In particolare, è necessario capire come fattori ambientali (temperatura, pH, concentrazioni di ossigeno, etc.) possano influire sulla bioformazione di cristalli di calcite nel consolidamento di manufatti in calcestruzzo degradati.

Bio-risanamento da metalli pesanti e radionuclidi microrganismi

La presenza di metalli pesanti (rame, cadmio, cromo, piombo, etc.) e radionuclidi (isotopi caratterizzati da energia radioattiva), soprattutto se presenti in concentrazioni superiori ai limiti di sicurezza, comporta danni in tutti gli organismi viventi, uomo compreso. Sono state proposte diverse tecniche, per il risanamento di matrici contaminate da questi elementi tossici: fitorisanamento, lisciviazione chimica, etc.

Questi processi, però, sono costosi, alterano le proprietà dei suoli, non sono sempre sufficientemente efficienti e la loro efficacia è molto limitata nel tempo.

Per studiare il processo di detossificazione da un punto di vista microbiologico, recenti ricerche hanno dimostrato che alcuni microrganismi coinvolti nei processi di bio-mineralizzazione microbica del calcio erano anche capaci di sequestrare altri inquinanti chimici in soluzione. Da numerosi studi è emerso che diverse specie microbiche sono particolarmente promettenti nel campo del risanamento di matrici contaminate (acque, reflui industriali, suolo, sedimenti, etc.). In particolare, sono risultati particolarmente interessanti le seguenti specie microbiche:

• Sporosarcina ginsengisoli CR5: batterio Gram positivo, utile nella precipitazione dell’arsenico;
• Kocuria flava CR1: batterio Gram positivo, utile nella precipitazione del rame.

Microrganismi coinvolti nella precipitazione microbiologicamente indotta del carbonato di calcio (Microbially Incluced Calcium Carbonate Precipitiation) possono essere, pertanto, potenzialmente impiegati anche nella precipitazione di sostanze tossiche: cadmio, cromo, zinco, nichel, etc.

Conclusione

Il processo della bio-mineralizzazione microbica mediato da batteri e funghi, oltre ad aver contribuito alla formazione di meravigliose strutture calcaree (stalattiti e stalagmiti) nelle grotte, si sta dimostrando molto promettente per il suo impiego in campo edile e nel campo del bio-risanamento da metalli pesanti.

Recenti studi, inoltre, stanno valutando l’uso dei microrganismi nel sequestro dell’anidride carbonica residua della lavorazione industriale per trasformarla in composti solidi (carbonati); la carbonatazione per via microbica, sequestrando l’anidride carbonica, potrebbe contribuire alla riduzione dell’effetto serra, responsabile del riscaldamento globale. Queste scoperte, pertanto, potrebbero fornire anche un valido aiuto nella lotta a diverse forme di inquinamento ambientale, un problema che sta mettendo a dura prova l’intero pianeta.

Si ringrazia Luigi Copia e Giuseppe Miccione per la realizzazione del contenuto.

Fonti:

1. C. Rodriguez-Navarro, F. Jroundi, M. Schiro, E. Ruiz-Agudo, M. T. González-Muñoz –Influence of Substrate Mineralogy on Bacterial Mineralization of Calcium Carbonate: Implications for Stone Conservation – American Society for Microbiology (2012) – V. 78 n° 11 / pag. 4017-4029. DOI: 10.1128/AEM.07044-11
2. O. Braissant, G. Cailleau, C. Dupraz, E. P. Verrecchi – Bacterially Induced Mineralization of Calcium Carbonate in Terrestrial Environments: The Role of Exopolysaccharides and Amino Acids  – Journal of Sedimentary Research (2003) – V.73 n° 3/ pag. 485-490. DOI: 10.1306/111302730485
3. L. Cheng , T. Kobayashi, M. A. Shahin – Microbially induced calcite  precipitation for production of “bio-bricks” treated at partial saturation condition – Construction and Builiding Materials (2020) – V. 231/ 117095. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2019.117095
4. N. K. Dhami,  M. S. Reddy, A. Mukherjee – Biomineralization of calcium carbonates and their engineered applications a review – Frontiers in Microbiology (2013) – V. 4/ art. 314 DOI: 10.3389/fmicb.2013.00314
5. R. Rautela, S. Rawat – Analysis and optimization of process parameters for in vitro biomineralization of CaCO₃ by Klebsiella pneumoniae, isolated from a stalactite from the Sahastradhara cave – RSC Advances (2020) – V. 10 / pag. 8470-8479. DOI:  10.1039 / D0RA00090F
6. https://www.microbiologiaitalia.it/batteriologia/cupriavidus-metallidurans-e-la-bio-mineralizzazione-delloro/