“Cemento vivo” autorigenerante. Fantascienza? No, microbiologia!

L’impatto ambientale del settore edilizio

Sapevate che il cemento è il secondo bene più consumato al mondo, dopo l’acqua, e il primo in assoluto tra i materiali prodotti dall’uomo? Se non vi siete mai posti il problema, sappiate anche che la produzione del principale materiale da costruzione si aggira sui 4.4 miliardi di tonnellate all’anno e contribuisce per il 5% alle emissioni globali di CO₂, con la Cina che, leader del settore, da sola produce il 3%. Numeri importanti che, sommati all’elevato consumo di acqua necessaria per la realizzazione del cemento, delineano l’immagine di un settore edilizio davvero poco ecosostenibile.

Non sarebbe meglio, piuttosto, se il cemento fosse in grado di “riprodursi” da solo? No, non è uno scherzo né un’ipotesi da film di fantascienza. E’ realtà ed è possibile grazie ad una delle infinite potenzialità offerte dalle biotecnologie microbiche e alla stupefacente versatilità dei microrganismi esistenti in natura.

Il primo “cemento autorigenerante” a base di cianobatteri

Un primo promettente prototipo di “cemento autorigenerante” è infatti a base di sabbia, gel e microrganismi fotosintetici. E’ stato messo a punto in un recente studio condotto da un team di ricercatori dell’Università del Colorado e pubblicato sulla rivista Matter. Si tratta di un vero e proprio nuovo materiale costituito da due componenti: un’impalcatura di base statica, ovvero una matrice fatta di sabbia comune e idrogel all’interno della quale “vivono”, crescono e si moltiplicano dei robusti cianobatteri (batteri speciali, in grado di compiere la fotosintesi clorofilliana) appartenenti alla specie Synechococcus (Fig.1), che costituiscono la componente dinamica e “viva”, appunto.

La crescita di questi cianobatteri è favorita dall’umidità fornita dall’idrogel e da un’adeguata temperatura (37°C) adottata nella fase di produzione. In particolari condizioni, questi microrganismi sono in grado di mineralizzare il materiale in cui crescono, facendo precipitare il carbonato di calcio presente nella sabbia, riempiendo il volume vuoto della matrice e donando così robustezza e solidità a questo cemento alternativo.

Proprietà meccaniche: confronto con il cemento comune

Una volta essiccato, il cemento a base di cianobatteri potrà essere utilizzato esattamente alla stregua dell’equivalente cemento comune. L’abbassamento della temperatura infatti comporta sia l’assestamento del carbonato di calcio all’interno della matrice sia l’inibizione della proliferazione dei microrganismi, che entrano in “stand-by” aumentando la stabilità del cemento. Le analisi preliminari sulle proprietà meccaniche del primo “mattone vivente” in queste condizioni hanno dimostrato che, se ben essiccato, questo ha la stessa forza della classica malta cementizia tanto che lo stesso Dr. Wil Srubar, uno degli autori dello studio afferma tranquillamente: “Puoi saltarci su, non si romperà!”.

Il meccanismo di auto-rigenerazione

Il sorprendente valore aggiunto di questo cemento è che in grado di auto-rigenerarsi e riprodursi. Infatti, l’elevata resistenza e adattabilità tipica dei cianobatteri (che ricordiamo essere stati anche i primi esseri viventi a colonizzare la Terra) fa sì che sopravvivano alla fase di essiccazione e possano essere riattivati in seguito. I ricercatori hanno dimostrato che, tagliando il mattone a metà, aggiungendo altra sabbia e riportando l’umidità e la temperatura al di sopra di una certa soglia favorevole ai cianobatteri, questi riprendono a crescere generando due mattoni interi con le stesse proprietà e addirittura un maggior precipitato di carbonato di calcio.

Tutto questo per almeno tre cicli consecutivi: invece che fabbricare i mattoni uno per uno, un solo mattone è in grado di generare da sé otto mattoni, che possono però essere incrementati ad esempio ingegnerizzando il cianobatterio per aumentarne le performance, sia in termini di crescita esponenziale o per renderlo ancora più resistente a condizioni di bassa umidità.

Le possibili applicazioni

Un risultato entusiasmante, frutto del perfetto connubio tra ingegneria e microbiologia applicata, una strategia “che sfida i modi convenzionali con cui produciamo materiali da costruzione strutturali” – come afferma lo stesso Srubar.

Questo studio pone allora le basi per lo sviluppo di nuovi materiali con tantissime applicazioni utili: dalla costruzione di future basi spaziali su Marte o edifici nei deserti, dove le risorse sono limitate ed è complesso operare con le attuali tecniche edili, alla possibilità per i mattoni di “autoguarire” le crepe. Un ulteriore vantaggio è dato dalla possibilità di utilizzare materie prime low cost (come materiali edili di scarto e vetro riciclato) per ricavarne la sabbia, al posto delle comuni ghiaia e sabbia di fiume che sono sempre più sfruttate con notevoli ricadute sull’ambiente e sulla loro rigenerazione naturale.

Il passo successivo: un cemento “interattivo”

Il team dell’Università del Colorado, supportato dall’agenzia americana DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) che ha finanziato la ricerca, è già al lavoro per il miglioramento delle performance del primo prototipo ed ha annunciato che i passi successivi saranno volti alla messa a punto di un vero e proprio cemento “interattivo”. L’utilizzo della biologia sintetica permetterà infatti di ingegnerizzare i cianobatteri per renderli in grado, ad esempio, di rilevare nell’ambiente la presenza di sostanze tossiche o di danni strutturali all’interno del mattone stesso e di emettere un segnale di risposta, comunicando appunto con l’esterno.

Tantissimi scenari, all’apparenza futuristici, ma molto più concreti di quanto possiamo immaginare, che ci confermano quanto siano numerosi e diversificati i campi di applicazione della microbiologia e che ci lasciano ancora una volta affascinati da ciò che può nascere dall’incontro tra la creatività dei ricercatori e gli innumerevoli “superpoteri” dei microrganismi.

Bibliografia e sitografia

[1] Statista Agency (2020) World cement production by country – Estrapolato da (www.statista.com/statistics/267364/world-cement-production-by-country)

[2] Heveran, C. M., Williams, S. L., Qiu, J., Artier, J., Hubler, M. H., Cook, S. M., … & Srubar III, W. V. (2020). Biomineralization and Successive Regeneration of Engineered Living Building Materials. Matter.