УДК 574

Современные технологии стабилизации грунтов с помощью биоцементации

Офицеров Владислав Евгеньевич – студент Красноярского института железнодорожного транспорта – филиала Иркутского государственного университета путей сообщения

Научный руководитель Преснов Олег Михайлович – кандидат технических наук, доцент Красноярского института железнодорожного транспорта – филиала Иркутского государственного университета путей сообщения

Аннотация: В этой статье рассматриваются принципы, области применения и экологические преимущества биоцементации, проливающие свет на то, как этот новаторский метод преобразует ландшафт грунтовой инженерии.

Ключевые слова: биоцементация, экологичность, бактерии, кальцит, стабилизация, эрозия, инфраструктура, экосистема.

В области геотехники поиск устойчивых и инновационных методов улучшения грунта привел к появлению биоцементации — революционного метода, который использует силу бактерий для повышения прочности грунта. Традиционно стабилизация грунта основывалась на механическом и химическом подходах, но биоцементация привносит биологический элемент, обеспечивая как эффективность, так и экологичность.

Биоцементация – это метод улучшения грунта, который включает осаждение минерала (обычно карбоната кальция, CaCO₃) в поровом пространстве почвы для связывания частиц почвы, что, в свою очередь, увеличивает прочность и снижает проницаемость почвы.

Понимание биоцементации

Биоцементация предполагает использование бактерий для осаждения минералов, обычно карбоната кальция, в почвенной матрице. Этот процесс имитирует естественные процессы, при которых микроорганизмы способствуют цементации частиц почвы. Бактерии, используемые для биоцементации, тщательно отбираются за их способность процветать в определенных почвенных условиях и вырабатывать соединения, которые связывают частицы почвы вместе, в конечном итоге повышая прочность и стабильность почвы [1].

Применение биоцементации может быть эффективным в различных типах грунтов. Вот несколько примеров:

Песчаные почвы

Биоцементация может быть использована для укрепления песчаных почв, повышая их прочность и устойчивость к эрозии. Микроорганизмы могут помочь создать структуру, связывающую песчинки и улучшающую их механические свойства.

Глинистые почвы

В глинистых почвах биоцементация может быть использована для улучшения их проницаемости и предотвращения образования трещин. Это может быть полезным, например, в строительстве для предотвращения просадок или водопроницаемости.

Очистка и рекультивация почв

Биоцементация может быть также применена для очистки загрязненных почв от тяжелых металлов и других загрязнителей. Микроорганизмы могут взаимодействовать с загрязнителями, превращая их в менее вредные формы.

Укрепление склонов и береговых линий

Биоцементация может помочь укреплению склонов и береговых линий, предотвращая их размывание. Это может быть важным аспектом в инженерных и экологических проектах.

Создание биоматериалов

Биоцементация может быть использована для создания биологических материалов, таких как биоцементированный бетон, который может использоваться в строительстве.

Применение биоцементации может быть разнообразным и зависеть от конкретных условий и задачи, но в целом она предоставляет экологически более дружественные и устойчивые методы управления почвой и материалами [2].

Биоцементация находит применение в различных областях, включая инженерное строительство, сельское хозяйство, охрану окружающей среды и биотехнологии. Вот несколько основных областей применения биоцементации:

Строительство и геотехническая инженерия

Укрепление почвы: Биоцементация используется для укрепления почвы, улучшения ее механических свойств и предотвращения эрозии. Это может быть полезным при строительстве дамб, дорог, зданий и других инженерных объектов.
Создание биоматериалов: Биоцементированные материалы, такие как биоцементированный бетон, могут использоваться в строительстве, создавая более устойчивые и экологически чистые конструкции.

Сельское хозяйство

Управление почвой: Биоцементация может применяться для улучшения структуры почвы, ее водопроницаемости и устойчивости к эрозии. Это может быть важным в сельском хозяйстве для повышения урожайности и предотвращения деградации почвы.
Очистка загрязненных почв: Микроорганизмы, используемые в биоцементации, могут помочь в очистке почвы от загрязнителей.

Охрана окружающей среды

Рекультивация земель: Биоцементация применяется для восстановления земель, загрязненных токсичными веществами или разрушенных промышленной деятельностью.
Охрана береговых линий: Методы биоцементации могут использоваться для укрепления береговых линий и предотвращения эрозии.

Биотехнологии

Биоматериалы: Биоцементация играет роль в создании биоматериалов, таких как биоцементированные гидрогели, которые могут использоваться в медицинских и биотехнологических приложениях.

Экологически устойчивые технологии

Биодеградируемые материалы: Применение биоцементации может способствовать разработке биодеградируемых материалов, что важно для снижения окружающего воздействия человеческой деятельности

Область применения биоцементации продолжает расширяться, и эта технология представляет собой перспективный подход к решению различных проблем в области строительства, сельского хозяйства и охраны окружающей среды.

Биоцементация представляет собой процесс, в ходе которого биологические организмы или их продукты воздействуют на окружающую среду и приводят к физико-химическим изменениям. В этом контексте физико-химический смысл биоцементации связан с изменениями свойств почвы или материалов под воздействием микроорганизмов или их продуктов. Вот несколько ключевых аспектов физико-химического смысла биоцементации:

Формирование биоцементов

Производство минералов: Микроорганизмы могут катализировать процессы, в результате которых образуются минералы, такие как карбонаты. Эти минералы способны связывать частицы почвы или материала, укрепляя его структуру.

Улучшение механических свойств

Фиксация частиц: Биоцементация может способствовать фиксации частиц почвы, образуя биологические структуры, которые укрепляют материал и делают его более устойчивым.

Формирование экзополимеров

Продукция экзополимеров: Некоторые микроорганизмы вырабатывают экзополимеры, такие как экзополисахариды. Эти полимеры могут образовывать структуры, улучшающие свойства материала, такие как водоудержание или адгезия.

Изменение химического состава

Минерализация: Микроорганизмы могут ускорять процессы минерализации, приводя к образованию минералов, таких как кальцит или гидроксиапатит, что может изменять химический состав почвы или материала.

Улучшение водопроницаемости

Формирование пористой структуры: Деятельность микроорганизмов может способствовать формированию пористой структуры, улучшая водопроницаемость почвы или материала.

Управление загрязнителями

Биоремедиация: Микроорганизмы могут принимать участие в биоремедиации, образуя продукты, которые могут взаимодействовать с загрязнителями и превращать их в менее токсичные формы [3].

Физико-химический смысл биоцементации заключается в том, что биологические процессы, проводимые микроорганизмами, приводят к физическим и химическим изменениям в окружающей среде, что может быть использовано для укрепления почвы, создания новых материалов или очистки среды от загрязнителей [4].

Изобретение биоцементации связано с исследованиями в области биотехнологии, микробиологии, и инженерных наук. Процесс разработки новых технологий биоцементации обычно включает в себя следующие этапы:

Исследование

На первом этапе исследователи изучают свойства микроорганизмов (бактерий, грибов или других микроорганизмов), способных воздействовать на окружающую среду и обладающих потенциалом для укрепления почвы или создания биоматериалов. Они также изучают биохимические процессы, которые могут быть использованы для формирования минералов или экзополимеров.

Изоляция микроорганизмов

Исследователи выбирают подходящие микроорганизмы, которые обладают необходимыми свойствами. Это может включать в себя сбор образцов из природных источников или модификацию существующих микроорганизмов.

Генетическая модификация (при необходимости)

В некоторых случаях исследователи могут использовать генетическую инженерию для модификации микроорганизмов с целью улучшения их способности к биоцементации. Это может включать в себя введение генов, отвечающих за производство определенных белков или метаболических путей.

Лабораторные эксперименты

Исследователи проводят лабораторные эксперименты, чтобы определить эффективность выбранных микроорганизмов в условиях, максимально приближенных к тем, которые они встретят в реальных природных условиях. Это может включать в себя определение оптимальных условий роста и действия микроорганизмов.

Масштабирование

В случае успешных результатов в лаборатории, технологию биоцементации масштабируют для промышленного применения. Это включает в себя разработку процессов производства, определение оптимальных условий для использования в реальных условиях и решение проблем, связанных с масштабированием.

Тестирование на месте

Разработанная технология биоцементации подвергается тестированию в реальных условиях, чтобы оценить ее эффективность и долговечность в различных природных средах.

Улучшение и оптимизация

На основе результатов тестирования технологию могут улучшать и оптимизировать, чтобы повысить ее эффективность, экономическую целесообразность и экологическую устойчивость [5].

Исследования в области биоцементации продолжаются, и новые методы и технологии появляются благодаря усовершенствованию научных методов и технологий.

Биоцементация может попадать в грунт с использованием различных технологий и методов, в зависимости от конкретных целей и условий приложения. Вот несколько технологий, которые могут использоваться/

Внесение микроорганизмов

Прямое внесение: Микроорганизмы, способные к биоцементации, могут быть прямо внесены в грунт. Это может осуществляться с помощью специальных

установок, распыляющих микробиальные препараты непосредственно на почвенную поверхность.

Биоинъекция

Инъекция микроорганизмов: Микроорганизмы могут быть инъецированы в грунт с использованием специальных инъекционных систем. Этот метод может быть эффективен для доставки микроорганизмов в более глубокие слои почвы.

Биосондирование

Использование биосонд: Это технология, при которой биологические препараты вводятся в грунт с использованием специальных буровых инструментов, называемых биосондами. Этот метод может быть эффективен для обработки более глубоких слоев почвы.

Применение биостимуляторов

Внесение стимуляторов роста микроорганизмов: Для усиления активности биоцементации можно использовать биостимуляторы, которые способствуют размножению и активности микроорганизмов. Эти стимуляторы могут быть внесены в грунт в виде препаратов или добавок.

Применение биогелей и биоматериалов

Применение гелей: Биогели, содержащие микроорганизмы или их продукты, могут быть нанесены на почву поверхностным способом. Эти гели могут затем проникнуть в почву, обеспечивая биоцементацию.

Инженерные структуры

Внедрение в инженерные структуры: Биоцементация может быть интегрирована в инженерные структуры, такие как дорожные покрытия или фундаменты. Микроорганизмы или их продукты могут быть внедрены в материалы, используемые в строительстве.

Эти методы и технологии могут применяться индивидуально или комбинироваться в зависимости от конкретных условий и целей проекта. Они направлены на обеспечение эффективной доставки биоцементирующих агентов в грунт для улучшения его свойств и устойчивости.

Биоцементация представляет собой смену парадигмы в стабилизации грунта, предлагая устойчивую, безвредную для окружающей среды и эффективную альтернативу традиционным методам. Несмотря на существующие проблемы и возможности для улучшения, текущие исследования, разработки и сотрудничество в сообществе инженеров-геотехников стимулируют эволюцию биоцементации. Поскольку эта инновационная технология продолжает совершенствоваться, она обладает потенциалом для пересмотра нашего подхода к проектированию грунтов, способствуя внедрению устойчивых, экологичных и рациональных методов строительства в ближайшие годы. Путь биоцементации от исследовательских лабораторий к практическому крупномасштабному применению является свидетельством преобразующей силы биологических процессов в формировании будущего геотехнической инженерии.

Список литературы

Чу Дж., Иванов В. Биопрепараты на основе железа и кальция для улучшения почвы // Технические документы Гео-конгресса 2014. С. 1596-1601.
Хамдан Н., Кавазанджян Э., Риттман Б.Э., Каратас И. Осаждение карбонатных минералов для улучшения почвы путем микробной денитрификации // Гео-границы. 2011. С. 3925-3934.
Тихонов И.В., Рубан Е.А., Грязнева Т.Н., Самуйленко А.Я., Гаврилов В.А. Биотехнология / под ред. Е.С. Воронина. СПб.: ГИОРД, 2005 792 с.
Максимович Н.Г., Хмурчик В.Т. Влияние микроорганизмов на минеральный состав и свойства грунтов // Вестник Пермского уни-верситета. Сер. Геология. 2012 Вып. 3 (16). С. 47–54. URL: http://www.nsi.psu.ru/labs/gtp/stat/2012/0394.pdf.
Трофимов В.Т., Королев В.А., Вознесенский Е.А., Голодковская К.А., Васильчук Ю.К., Зиангиров Р.С. Грунтоведение. М.: Изд-во МГУ, 2005 1024 с.
De Муйнк В., Лейридан С., Ван Лоо Д., Вербекен К., Кнудде В., Де Бели Н., Верстраете В. Влияние структуры пор на эффективность о биогенной карбонатной обработке поверхности // Прикладная микробиология и экологическая микробиология. 2011 Т. 77 № 19 с. 6808-6820.

Интересная статья? Поделись ей с другими: