Batteri HARD-CORE e durata del calcestruzzo

Negli Stati Uniti si sta studiando l'effetto dei batteri sul calcestruzzo, al fine di verificare la loro influenza sulla durabilità.

BATTERI HARD-CORE

In un rapporto del 2020, la Federal Highway Administration ha elencato le condizioni di oltre 45.000 dei 618.456 ponti della nazione. Dal rapporto emerge - non siamo quindi unici nel mondo ad avere questo problema - che questi ponti sono considerati strutturalmente carenti, il che è definito come "che necessitano di un'attenzione di manutenzione significativa, riabilitazione o sostituzione".

E il problema non riguarda solo i ponti. Anche le condizioni di altre strutture in cemento sono state motivo di grande preoccupazione, soprattutto dopo il devastante crollo parziale di un condominio sulla spiaggia vicino a Miami, in Florida, il 24 giugno scorso, un disastro che ha causato 98 vittime. Sebbene la causa non sia stata ancora determinata, tre anni prima gli ispettori avevano identificato il calcestruzzo danneggiato come un problema strutturale significativo che richiedeva attenzione.

La microbiologa dell'Università del Delaware Julie Maresca e il suo team di ricercatori stanno studiando come i batteri possono avere degli effetti sul calcestruzzo, e non solo in termini di deterioramento, ma anche di possibile riparazione, e quindi diventare una soluzione per un problema di sicurezza così diffuso.

Le comunità batteriche nel calcestruzzo

Julie Maresca e i suoi collaboratori di UD studiano come le comunità batteriche vivono e cambiano all'interno del calcestruzzo. Sicuramente è un habitat molto improbabile e non ha davvero alcun comfort per raccomandarlo. E la cosa che emerge è che all'interno di questo materiale c'è vita, che ostinatamente persiste.

Sì, la vita accade all'interno dei manufatti, a contatto con il cemento, nonostante il suo ambiente duro, secco e nonostante il tipico pH di circa 12,5, che lo rende invitante quasi come entrare in una bottiglia di candeggina o detergente per forno.

Alcuni batteri fondamentali, ad esempio Psychrobacter, che si trovano nel ghiaccio antartico, tra gli altri luoghi difficili, riescono a sopravvivere.

E poiché il cemento è onnipresente - il materiale da costruzione più comune al mondo - chiunque si occupi della salute di edifici, strade, ponti e altre strutture in cemento dovrebbe prendere nota di queste masse microbiche.

Uno Studio pubblicato sull'American Society for Microbiology

In un nuovo studio pubblicato dall'American Society for Microbiology, Maresca, e i suoi studenti dimostrano che anche in un habitat duro e concreto, le comunità batteriche possono sopravvivere, prosperare e fare ciò che fanno tutti gli esseri viventi: cambiare. Tale cambiamento può avere importanti implicazioni per il degrado e la potenziale riparazione delle strutture in calcestruzzo.

I ricercatori sanno da tempo che microbi e cemento hanno una relazione di amore-odio. Ma il loro studio è stato principalmente sui batteri di superficie, il tipo che viene introdotto nel calcestruzzo dopo che è stato versato.

Gli studi di Maresca sono andati oltre la superficie per studiare i batteri all'interno, i microbi che hanno fatto l'autostop sulla ghiaia e la sabbia incluse nella miscela di cemento o sono penetrati attraverso le fessure. La precedente ricerca del suo laboratorio aveva dimostrato che c'era un piccolo numero di batteri e il loro DNA poteva essere estratto.

Ora lei e i suoi studenti hanno mostrato come il tempo e le condizioni atmosferiche influenzino le comunità batteriche che vivono nel cemento.

Tra i risultati del team:

• La diversità dei batteri è diminuita nel tempo, ma alcuni hanno avuto rimbalzi stagionali.
• Le comunità batteriche all'interno del calcestruzzo potrebbero fornire un allarme tempestivo di reazioni alcali-silice che degradano il calcestruzzo ma sono difficili da rilevare. Tipicamente, queste reazioni vengono riconosciute solo quando si formano crepe nel calcestruzzo.
• I batteri hanno il potenziale per fornire la "bioriparazione" del calcestruzzo, ma quali tipi sono all'altezza del compito? Alcuni producono carbonato di calcio, una sostanza che può riempire crepe e pori nel calcestruzzo. Ricerche precedenti su questo processo mostrano che molti batteri capaci di bioriparazione possono sopravvivere nel cemento solo per un mese o due.

"Nessuno sta dicendo (ancora) che i batteri aiuteranno ad affrontare tali problemi. Potrebbero - un giorno - ma sono necessarie molte più ricerche." ha affermato la ricercatrice.

Per studiare queste comunità batteriche a base di cemento, gli studenti di Maresca hanno creato campioni di calcestruzzo in 40 cilindri, ciascuno delle dimensioni di una bottiglia da un litro. Sono stati utilizzati due tipi di miscele. Alcuni cilindri includevano solo miscele di calcestruzzo standard, soggette a degradazione da reazioni alcali-silice. Alcuni usavano miscele con ceneri volanti per ridurre tali reazioni. I campioni di controllo sono stati realizzati con perline di vetro sterilizzate, consentendo ai ricercatori di vedere quanto DNA contaminante è stato introdotto in laboratorio.

I cilindri sono stati posizionati sul tetto dello Spencer Lab di UD. I campioni di DNA sono stati raccolti circa ogni sei settimane per un periodo di due anni. Quindi il DNA è stato sequenziato e analizzato.

Maresca, una microbiologa che studia i batteri in ambienti naturali e ingegnerizzati, non aveva elementi concreti nella sua lista di potenziali ambienti naturali da studiare quando è entrata a far parte della facoltà UD nel 2011. Ma non appena è arrivata, un altro nuovo membro della facoltà - Thomas Schumacher, un ingegnere civile ora alla Portland State - si è presentato nel suo ufficio. Ha studiato i ponti ed era a conoscenza degli esperimenti di bioriparazione con i batteri. Dovrebbero collaborare, le disse.

Gli studenti hanno prelevato campioni di DNA da cilindri di cemento che erano stati esposti agli elementi per un periodo di due anni.

Julie Maresca (fonte https://www.udel.edu)

"Non si sapeva assolutamente nulla dei microbi nel cemento", ha detto Maresca. “È il materiale da costruzione più comunemente usato al mondo, ma non sappiamo nulla di ciò che vive lì dentro. È in ambienti umidi, sistemi fognari, palificazioni di ponti e sappiamo che i microbi sulle superfici possono degradarlo. Ma cosa c'è dentro e fa qualcosa? Può dirci qualcosa?" Perchè si. Può.

Per ottenere informazioni utili, tuttavia, i ricercatori devono escludere i dati estranei dai contaminanti e assicurarsi che i batteri analizzati siano quelli associati al calcestruzzo. Ciò includeva il rilevamento e l'esclusione di contaminanti.

"Il DNA può provenire da molti luoghi diversi", ha detto Anders Kiledal, uno studente di dottorato nel laboratorio di Maresca e il primo autore dell'articolo. “Gli animali, le persone e l'ambiente possono introdurre determinati tipi di contaminanti, ma c'è anche contaminazione dai reagenti che stai utilizzando. Stiamo cercando di ottenere campioni il più puri possibile".

Nessuno sterilizza le materie prime del cemento, ovviamente, non la sabbia, la ghiaia o l'acqua del torrente che potrebbero aver attraversato. "Ognuno ha il suo microbioma", ha detto Maresca. "La maggior parte dei batteri nel calcestruzzo entrano con i grandi aggregati e la polvere di cemento".

Il modo in cui i batteri sopravvivono in aree così inospitali è una questione di grande interesse.

"Cosa stanno mangiando?" ha detto Maresca. “È possibile che stiano mangiando i cadaveri di altri microbi. Se non c'è niente da mangiare, alcuni di loro possono formare spore o formare un tipo di cellula dormiente e non fare nulla fino a quando non piove, quindi mangiare quanto più possibile e tornare a dormire".

Lo studio di queste comunità batteriche e dei loro metodi di sopravvivenza potrebbe fornire agli ingegneri civili e ad altri informazioni critiche sulle condizioni di molte strutture. Maresca ha affermato che l'obiettivo è identificare quali batteri indicano un normale ambiente concreto e quali mostrano che il calcestruzzo è danneggiato in qualche modo.

Con questo tipo di sistema di allerta precoce, i funzionari dei trasporti possono dare la priorità a riparazioni e sostituzioni e modellare i propri budget di conseguenza.

"Prima puoi rilevare un problema, più tempo hai a disposizione per risolverlo prima che diventi un problema reale", ha detto. “E poiché abbiamo tutte queste strade e ponti a rischio, abbiamo bisogno di un modo per dare loro la priorità. Quali sono in disperato bisogno e quali no?"

I pezzi staccati dai cilindri di cemento hanno permesso una maggiore analisi delle condizioni interne.

Prima di poter fare diagnosi, è necessario più lavoro per identificare la correlazione tra tipi specifici di batteri e danni concreti, non perché i batteri stiano causando il danno, ma perché la loro presenza indica che il danno sta accadendo.

"Per quanto ne sappiamo, i microbi non stanno danneggiando il cemento", ha detto Maresca. “I microbi non stanno mangiando le fondamenta. Speriamo di usarli per informazioni e potenzialmente per aiutare con la riparazione".

Kiledal ha collaborato con il Dipartimento dei trasporti del Delaware (DelDOT) e il Dipartimento dei trasporti del New Jersey (NJDOT) per raccogliere campioni sul campo. Nella fase successiva dello studio, Kiledal e Maresca stanno analizzando il DNA estratto da ponti, strade e fondazioni in Delaware e New Jersey.

"Ora le nostre informazioni sono più complete", ha detto Maresca. “Abbiamo campioni sul campo da strade e ponti e abbiamo sequenziato tutto il DNA. Questi microbi sopravvivono in ambienti salati? Ambienti secchi? Che tipo di carbonio usano?"

Il lavoro è stato sostenuto con finanziamenti dal Delaware Department of Transportation e dal Delaware Environmental Institute.

Ci sono molte altre potenziali frontiere per studi simili: monumenti di pietra, terreni desertici, persino le rocce rosse su Marte.

Credit

Il Video di presentazione della Ricerca: LINK

L'articolo di presentazione della Ricerca: LINK

I ricercatori

Julie Maresca è professore associato presso il Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale del College of Engineering dell'UD. Ha anche un incarico presso il Dipartimento di Scienze Biologiche, incarichi congiunti presso la Scuola di Scienze e Politiche Marine e il Dipartimento di Scienze Vegetali e del Suolo, ed è condirettore del nuovo Microbiology Graduate Program dell'UD. Ha conseguito il dottorato in biochimica, microbiologia e biologia molecolare presso la Penn State University e ha svolto ricerca post-dottorato presso il MIT prima di entrare a far parte della facoltà di UD nel 2011.

Anders Kiledal è uno studente di dottorato presso il Dipartimento di Scienze Biologiche dell'UD, studiando biologia molecolare e genetica. È un Environmental Fellow del Delaware Environmental Institute (DENIN). Prima di entrare a far parte del Maresca Lab nel 2016, ha conseguito la laurea in biologia presso l'Hillsdale College.