Biological and genetic diversity of bacteria with ureolytic activity and its application in biocementation

Abstract

Around 7-8% of the world's CO2 emissions come from the civil engineering sector, where the large-scale production of Portland cement presents an exponential pollution, economic and sustainability problem. Considering this, methods that ensure the lasting quality of the materials associated with a beneficial environmental quality must be implemented when building materials wear out to avoid replacing them. Emerges the precipitation of calcium carbonate (CaCO3) induced by microorganisms (MICP), a natural process that can be assisted by ureolytic bacteria and their innate capacity to produce effective enzymes to hasten the precipitation of CaCO3.The primary objective of this work was to study the biological and genetic diversity of ureolytic bacteria to select a strain capable of efficiently performing MICP for the development of sustainable solutions in biocementation within the construction sector. To achieve this, this project analyzed the potential of five strains with ureolytic capabilities to perform MICP via urease enzyme activity, in B4 medium. These strains were subjected to biochemical tests to optimize various parameters including temperature, pH, cell concentration, urea concentration, and calcium source. All the bacteria showed the ability for urea degradation and cell growth when cultivated in B4 medium. The best outcomes were obtained by Sporosarcina pasteurii strain LMG 07130, proving its effective ureolytic activity and unique ability to produce CaCO3 crystals, under the tested conditions. These results affirm its potential applicability in biocementation by filling cracks and fissures in building structures.This study was an important step in selecting promising ureolytic bacteria and optimizing their conditions for possible applications in biocementation.

A produção em grande escala de cimento Portland exibe, no setor da indústria civil, um problema exponencial a nível económico, sustentável, e de poluição, responsável por 7-8 % das emissões de CO2 a nível global. Tendo isto em consideração, quando existe desgaste dos materiais de construção, para evitar a sua substituição, é necessário a implementação de métodos que consigam providenciar uma qualidade duradoura dos materiais, associados a uma qualidade ambiental benéfica. Deste modo, surge a precipitação de carbonato de cálcio induzida por microrganismos (MICP), um processo natural que utiliza bactérias ureolíticas e a sua capacidade inerente de produzir enzimas eficientes para acelerar a precipitação de carbonato de cálcio (CaCO3). O objetivo fundamental deste trabalho foi estudar a diversidade a nível biológico e genético de bactérias ureolíticas para selecionar uma estirpe capaz de realizar, de forma eficiente, a técnica de MICP para o desenvolvimento de soluções sustentáveis para aplicação na biocimentação. Neste projeto foi analisado o potencial de 5 estirpes, com capacidades ureolíticas, de realizarem MICP através da atividade da enzima urease. Estas estirpes foram sujeitas a testes bioquímicos para otimização de vários parâmetros, como temperatura, pH, concentração celular, concentração de ureia e a fonte de cálcio.Todas as bactérias demonstraram aptidão para degradação de ureia e crescimento celular quando cultivadas em meio B4.Os melhores resultados foram obtidos pela estirpe Sporosarcina pasteurii LMG 07130, o que comprova a sua eficaz atividade ureolítica e a sua capacidade de produzir cristais de CaCO3, nas condições testadas. Estes resultados afirmam a potencial aplicabilidade na biocimentação, através do preenchimento de fissuras e fendas na estrutura de edifícios.O presente trabalho foi uma etapa importante na seleção de bactérias ureolíticas promissoras e na otimização das condições das mesmas para possíveis aplicações em biocimentação.