Biocemento

19 Enero 2017

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A día de hoy, en todo el mundo, para la construcción de la mayor parte de edificios y estructuras se emplea hormigón, mezcla de cemento (conglomerado obtenido a partir de caliza, arcilla, arena, mineral de hierro y yeso), agua y otros aditivos, ya que se trata de un material fuerte y relativamente económico. Sin embargo, su utilización masiva genera efectos negativos sobre el medio ambiente, principalmente debido a la alta liberación de CO₂ que tienen lugar durante la fabricación del cemento, por lo que no se puede considerar un material “sostenible” de tal forma que en la actualidad se está llevando a cabo la búsqueda de alternativas para producir hormigón biosostenible. (Imagen de portada: FreeImages.com/Nick Cowie)

Sofía Lázaro Gaspar

Otra desventaja del hormigón es que tiende a fracturarse, originándose microgrietas que empiezan por aparecer en la superficie y que son una de las principales razones por las que puede fallar la estructura de un edificio, ya que estas microgrietas permiten el paso de agua y otras sustancias con efecto corrosivo que acaban dañando el material, agrandando estas grietas y poniendo en compromiso la integridad de la estructura e incluso haciendo que el edificio se caiga. La aparición de estas microgrietas en el hormigón no solo ocurre con el paso de los años sino que también tienen lugar en los primeros momentos tras la construcción, por lo que se hace necesario un costoso mantenimiento del mismo para aumentar su durabilidad.

La reparación de estos daños puede hacerse con técnicas convencionales basadas en la aplicación de ciertos compuestos químicos pero de nuevo nos encontramos ante el problema del impacto ambiental que estos ocasionan. Sin embargo, por extraño que parezca, la biotecnología puede ser una solución a este problema ya que existen bacterias productoras de minerales que permiten obtener un hormigón más resistente y a su vez más sostenible: el BIOCEMENTO.

En nuestro planeta, existe una enorme diversidad de microorganismos capaces de vivir en ambientes muy hostiles y de llevar a cabo procesos químicos muy particulares. En este caso, se trata de un grupo de bacterias del género Bacillus alcalófilas (que se desarrollan a valores de pH alcalinos), entre las que se incluyen B. pseudofirmus and B. cohnii, que tienen la capacidad de sintetizar minerales, en concreto, carbonato cálcico (CaCO₃). El carbonato cálcico se encuentra en muchos seres vivos (conchas de moluscos por ejemplo) pero también forma parte de muchos tipos de roca como la calcita, la caliza o el mármol.

¿Cómo usar estas bacterias para reparar el hormigón? La idea es introducirlas con el cemento (biocemento) en la mezcla de fabricación del hormigón, junto con algunos nutrientes que la bacteria necesitará para realizar su función. Es lógico preguntarse cómo un ser vivo puede sobrevivir en el interior del hormigón, y es que este género de bacterias no sólo se ha elegido para este fin por su capacidad para sintetizar CaCO₃, sino porque son capaces de formar endosporas. Las endosporas son unas estructuras muy resistentes que forman algunos tipos de bacterias, como Bacillus, cuando se encuentran en condiciones muy desfavorables, como por ejemplo ausencia de nutrientes, agua, altas temperaturas o presencia de productos químicos tóxicos (Figura 1). La formación de la endospora permite a la bacteria sobrevivir hasta que las condiciones ambientales vuelven a ser favorables. Entonces, se hacen esporular las bacterias mediante una serie de estímulos y después se introducen en la mezcla de cemento (biocemento), quedando las esporas en el seno del hormigón.

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¿Cómo se produce la reparación de las grietas? Cuando el hormigón se resquebraje entrará oxígeno, agua y otros compuestos que pueden utilizar las células de Bacillus para desarrollarse por lo que germinará la endospora (como si de una semilla se tratase) para volver al estado de bacteria (Figura 2). La maquinaria presente en el interior de la célula permite producir el carbonato cálcico, el cual se acumulará a su alrededor, es decir, en la grieta, permitiendo la reparación (Figura 3).

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Figura 2: Reparación del hormigón con biocemento. Henk Jonkers [5]

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Figura 3: (a) Estructura de la bacteria. (b) Pared celular cargada negativamente y presencia de iones positivos. (c) Proceso de biomineralización de la pared cellular [6]

Las reacciones químicas por las cuales la bacteria produce el carbonato de calcio son las siguientes:

CaC6H10O6 + 6 O2CaCO3 + 5 CO2 + 5 H2O

5 CO2 + Ca(OH)2 → 5 CaCO3 + 5 H2O

Se trata de un mecanismo de autorreparación ya que una vez el material se encuentra formando parte de un edificio, contiene las esporas de Bacillus, y en el momento que se produzcan grietas se va a sintetizar el carbonato de calcio. También es importante destacar que las endosporas pueden sobrevivir cientos de años en el interior del cemento, por lo que la protección de la estructura del hormigón está garantizada tanto al principio como con el paso de los años.

Este campo todavía está en desarrollo, y los estudios más recientes han revelado que la encapsulación de las endosporas en hidrogeles aumentan las posibilidades de supervivencia y el tamaño de grieta a reparar (5 mm frente a los 3 mm que se consigue con las esporas aisladas). Además no solo el género Bacillus posee estas extraordinarias características, Sporoscarcina pasteurii también puede formar esporas y carbonato cálcico, y ya se ha probado que funciona.

Como se puede comprobar, la biotecnología tiene un amplio espectro de aplicaciones y en campos muy diversos. En este caso, los seres vivos presentan una solución que reduce costes y daños al medio ambiente, en un ámbito tan diferente como es la construcción.


Bibliografía

  1. Jonkers, H. M., Thijssen, A., Muyzer, G., Copuroglu, O., & Schlangen, E. (2010). Application of bacteria as self-healing agent for the development of sustainable concrete. Ecological engineering, 36(2), 230-235.
  2. Jonkers, H.M. (2011) Bacteria-based self-healing concrete. HERON Vol. 56 No. 1/2. http://heronjournal.nl/56-12/1.pdf
  3. Department of Microbiology, Cornell University. <https://micro.cornell.edu/research/epulopiscium/espanol/endospora-de-bacterias> (Consulta: Diciembre, 2016).
  4. Flores, J.D. y Rivas, R. (2015). Bacterias productoras de biocementos. Investigación y Ciencia 463:13022
  5. Jonkers, H. (2014) Bio-concrete. Syndebio.com/bio-concrete/. (Consultado en enero de 2017)
  6. Seifan, M., Samani, A.K. & Berenjian, A. (2016) Bioconcrete: next generation of self-healing concrete. Appl Microbiol Biotechnol, 100: 2591. doi:10.1007/s00253-016-7316-z

 

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