XIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

СОЗДАНИЕ СТРОИТЕЛЬНОГО МАТЕРИАЛА, САМОСТОЯТЕЛЬНО ВОССТАНАВЛИВАЮЩЕГО МЕЛКИЕ ПОВРЕЖДЕНИЯ

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Варавина А.В. 1Чернецова А.Е. 1

---

1ГБУ ДО "БелОЦД(ю)ТТ"

Давыдова Л.Е. 1

---

1ГБУ ДО "Белгородский областной Центр детского (юношеского) технического творчества"

Работа в формате PDF

260.4 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

В последнее время в научно-технической литературе стал чаще встречаться термин «биоминерализации» для разработки нового типа строительных материалов. Биоминерализация – это осаждение минеральных веществ, таких как CаCO₃, SiO₂, и др. в результате жизнедеятельности микроорганизмов – бактерий и водорослей.

Цель работы: создать строительный материал, который будет сам восстанавливать мелкие повреждения.

Задачи:

Найти микроорганизмы, которые в процессе жизнедеятельности выделяют соединения кальция (микрокристаллы CaCO₃);

Выделение и культивирование микроорганизмов-продуцентов соединений кальция;

Изготовление строительного материала;

Проверка материала на прочность и самовосстановление.

Актуальность. При постройке новых домов люди заботятся об их долговечности и прочности. Бетон, используемый при постройке домов, имеет пористую структуру, способную образовывать микротрещины при проникновении газов и жидкостей в его поры. CаCO₃, являющийся одним из метаболитов уробактерий, способен восстанавливать микроповреждения.

Научная новизна. В 2021 году человечеству очень важно состояние экологии Земли. Наша планета подвержена негативному влиянию со стороны человека почти каждый день, а то и каждую секунду: начиная от огромных заводов с промышленными отходами и заканчивая прохожими, которые бесконтрольно и бессознательно засоряют условия внешней среды.

Многое в нашем мире зависит от каркаса. Начиная жилыми домами и заканчивая теми самыми промышленными производствами. Часто на улицах города можно заметить, что дома или многоквартирные постройки ухудшаются по своим внешним качествам. Это не только портит вид, но и является значительной угрозой здоровью как прохожих, так и жильцов. Наше научное сообщество предлагает решение данной проблемы. Биобетон – прочный, безопасный, экологичный, необычный и первый в своем роде стройматериал. В его основе лежат компоненты обычного цемента, но в добавок они пропитываются питательной средой, годной для благоприятного развития и жизнедеятельности сенной палочки, а также туда заселяется сама бактерия. Свойства бактерии способствуют укреплению строительного материала и защищают постройки от мелких, но опасных повреждений. Любые трещинки с течением некоторого времени перерастают в более крупные трещины и проблемы. Если вовремя не заметить повреждение и не устранить его, это может привести к тяжелым последствиям. Наш Биобетон имеет ряд преимуществ, благодаря которым эта проблема становится менее сложной. Сенные бактерии имеют свойства переживать десятки лет без питания, а после, при его наличии, возобновлять свои жизненные функции. С их помощью, механические повреждения будут исправляться и исчезать.

Предмет исследования. Образцы строительного материала в форме параллелепипеда, выполненные в разной технике

Объект исследования. Морфологические и механические особенности уробактерий (BacillusSubtilis), используемых при постройке зданий и сооружений.

Личный вклад участников коллектива следующий:

Варавина Алиса: Подготовительные этапы постановки эксперимента, непосредственная постановка опытов.

Чернецова Анастасия: тестирование прочности образцов.

ГЛАВА 1. Литературный обзор

Биологические особенности бактерий, позволяющие
использовать их для биоминерализации

Для этой работы мы выбрали BacillusSubtillus (сенная палочка), потому что данный вид уробактерий способен образовывать споры. Споры бактерий образовываются при неблагоприятных условиях жизнедеятельности. При попадании споры обратно в благоприятную (влажную, с нормальным давлением и температурой) среду, она выходит из состояния покоя, тем самым продолжая процесс активной жизнедеятельности, в ходе которой вырабатывается CаCO_3, который способен участвовать в процессе реставрации мелких повреждений [6].

BacillusSubtillus (или Сенная палочка) – вид грамоположительных спорообразующих факультативно аэробных почвенных бактерий. Название «Сенная палочка» появилось из-за того, что накопительные культуры, откуда получают эти бактерии, получают из сенного экстракта. Данный вид широко распространен в природе. Сенная палочка обладает удивительной способностью: при попадании в условия, где ее успешному «пропитанию» что-то грозит, бактерия может уйти на покой и образовать эндоспору, и в таком состоянии пребывать десятилетиями. При этом, несмотря на такой длинный срок, бактерия выживает без ущерба себе и выдерживает даже высокие температуры и радиоактивное облучение (что, в свою очередь, несомненно бы погубило обычные вегетативные бактерии). Так же, проводя время в смертельных условиях, сенная палочка не просто ни капельки не страдает, но и расходует ничтожную часть своего наследственного материала: для нормальной жизни ей хватает 271 гена. По сравнению с общим количеством (4100 гена) это крайне мало. Остальные гены помогают «основным» в экстренных ситуациях: либо дублируют их, либо активируются сами. Возвращение в вегетативное состояние достигается путем помещения клетки в благоприятные условия [6].

ГЛАВА 2. Материалы и методы исследования

Выделение и идентификация чистых культур микроорганизмов с желаемыми физиологическими и биохимическими характеристиками

1) Необходимо приготовить универсальную питательную среду для бактерий – ГМФ-агар и заселить туда сенную палочку (BacillusSubtillis);

2) Далее нужно выделить чистую биологическую культуру интересующего микроорганизма [3, 8];

3) Провести идентификацию микроорганизмов. Морфологические признаки выделенной чистой культуры B. Subtillis: колония должна быть жёлтого матового цвета, гладкая, размер которой приблизительно 0,5 см. физиологические признаки данного вида бактерий — положительный результат теста на уреазу [6, 8].

Изготовление строительных блоков с использованием
техники биоминерализации

Из пенопласта нужно сделать форму для обычного и испытуемого бетона и залить растворы в нее. Размер блоков: 1x1x3 см [2].

На рисунке 1.1 изображен процесс изготовления формы для залива образцов бетона (вырезка ножом пенопласта по указанным размерам, сделанным ранее, склейка деталей в единую герметичную форму).

На рисунке 1.2 изображена уже готовая герметичная пенопластовая форма, которой осталось досохнуть перед заливкой в нее образцов бетона.

На рисунке 1.3 изображена пенопластовая форма в которую уже залиты образцы В и Г. На самой форме маркером написана дата заливки образцов в формочки.

Для исследования были взяты 3 опытных образца и 1 контрольный. В ходе эксперимента в образцах менялись время выдержки блоков в питательных средах и непосредственный состав цементных блоков (Таблица 1) [4, 7].

Рисунок 1.1-1.3: Процесс создания блоков

Таблица 1

Образцы блоков биобетона

Впоследствии блоки обжигают в сухожаровом шкафу при 100°С на протяжении 2 часов (рис.2).

Отдельные образцы (В и Г) после обжига погружают в раствор, обогащенный источником мочевины, кальция и питательных элементов для сенной палочки, также «заражают» данный субстрат изучаемой культурой микроорганизмов и выдерживают в этом растворе строительные блоки определенный промежуток времени [1, 2, 4 ,7].

Проверка качества полученных образцов биобетона

В ручные металлические тиски, приводимые в движение вращением ручки на боковой стороне тисков, с двух сторон металлических губ кладем ДСП высотой 2мм (для распределения давления по всей поверхности образца), а между ними – исследуемый образец. Далее, зафиксировав маркером исходное положение вращаемой ручки, записываем количество вращений, которое он выдержал до полного разрушения.

ГЛАВА 3. Результаты исследования

3.3. Прочность строительных материалов, изготовленных
в технике биоминерализации

В результате исследования мы добились повышения прочности строительных материалов, изготовленных в технике биоминерализации (Таблица 2).

Таблица 2

Прочность исследуемых образцов блоков, выполненных в технике биобетона

Исходя из результатов, образец Б, уступает по прочности в 0,87 раз по сравнению с контролем;

Если посмотреть на образец В, мы видим, что он прочнее контроля в 2,13 раз;

Протестировав образец Г, мы вычислили, что он оказался прочнее контроля в 2,3 раза.

Сделаем из этих вычислений вывод, что образец Г, который изготовлен из воды, цемента и песка, а также выдержанный в суспензии B. Subticis в течение 7 суток, в 2,3 раза лучше, эффективней и прочнее контроля.

Рис.2. Образцы бетонных блоков после обжига

Список использованных источников

Александрова А.К. Синтез карбонатных блоков с использованием биоцементов / А.К. Александрова, С.П. Сивков // Успехи в химии и химической технологии. Том XXXII. – 2018. – №2 – С. 16-19.

Курманбаев А.А. Выделение уреолитических бактерий, перспективных для микробиологического осаждения кальцита / А.А. Курманбаев, Г.Ж. Нагметова, Л.Ж. Бижанова и др. // РГП «Национальный центр биотехнологии», г.Астана. – 2017, 5 с.

Лабораторный практикум по микробиологии / Е.И. Кострова, Е.В. Журавко. – М.: Московская государственная технологическая академия, 2003. – 124 с.

Логвинова Т.В. Исследование свойств бактериальных цементов / Т.В. Логвинова, С.П. Сивков // Успехи в химии и химической технологии. Том XXXI. – 2017. – №1 – С. 15-16.

Логвинова Т.В. Улучшение свойств затвердевшего гипсового камня методами биотехнологии / Т.В. Логвинова, А.К. Мымрина, Н.А. Сергеева и др. // Успехи в химии и химической технологии. Том XXXХ. – 2015. – №7 – С. 53-55.

Микробиология : учебник для студ.высш.уч.заведений / А.И. Нетрусов, И.Б. Котова. – М.: Издательский центр «Академия». 2006. – 352 с.

Мымрина А.К. Применение биоминерализации для поверхностного упрочнения бетонов / А.К. Мымрина, С.П. Сивков // Успехи в химии и химической технологии. Том XXX. – 2016. – №7 – С. 72-73.

Руководство к практическим занятиям по микробиологии: Учеб. Пособие / под ред. Егорова Н.С. – М.: Изд-во МГУ, 1995. – 224 с.