Naukowcy stworzyli żywy beton

Autor tekstu oryginalnego: Amos Zeeberg

Źródło: https://www.nytimes.com/2020/01/15/science/construction-concrete-bacteria-photosynthesis.html?fbclid=IwAR0m7LZK76O_mhR4VKSNcXm2SIb4A4L9Y4vZWs8CDLWbhBEoAyx0o85V48I

„Materiał Frankensteina”

...pełen fotosyntetyzujących mikrobów, a ostatecznie również z nich wytworzony. I potrafi się rozmnażać.

Wil Srubar (z lewej), inżynier budownictwa na Uniwersytecie Kolorado w Boulder, oraz Sarah Williams, studentka inżynierii materiałowej, trzymają cegły z materiału budowlanego wykonanego z sinic i innych składników.

Budowniczowie od stuleci wytwarzają beton mniej więcej w ten sam sposób: mieszają twarde materiały, takie jak piasek, z różnymi spoiwami i liczą na to, że całość pozostanie mocna i sztywna przez długi czas.

Interdyscyplinarny zespół naukowców z Uniwersytetu Kolorado w Boulder stworzył teraz zupełnie inny rodzaj betonu: taki, który żyje i potrafi się nawet rozmnażać.

Minerały w nowym materiale nie odkładają się na drodze chemicznej, lecz za sprawą sinic, powszechnej grupy mikrobów czerpiących energię z fotosyntezy. Proces fotosyntezy pochłania dwutlenek węgla, w przeciwieństwie do produkcji zwykłego betonu, która uwalnia ogromne ilości gazów cieplarnianych.

Bakterie fotosyntetyzujące nadają betonowi jeszcze jedną nietypową cechę: zieloną barwę. „To naprawdę wygląda jak materiał Frankensteina”, powiedział Wil Srubar, inżynier budownictwa i kierownik projektu badawczego. (Gdy materiał wysycha, zielony kolor blaknie.)

Inni naukowcy zajmowali się już włączaniem biologii do betonu, zwłaszcza betonu zdolnego samodzielnie zasklepiać rysy. Zdaniem twórców główną zaletą nowego materiału jest to, że zamiast dodawać bakterie do zwykłego betonu, czyli do nieprzyjaznego środowiska, ich metoda skupia się bezpośrednio na bakteriach: na tym, by wytwarzały beton i pozostawały przy życiu do późniejszego wykorzystania.

Nowy, żywy beton

...opisany w czasopiśmie „Matter”, „stanowi nową i ekscytującą klasę niskoemisyjnych, projektowanych materiałów budowlanych”, powiedziała Andrea Hamilton, specjalistka od betonu ze Strathclyde University w Szkocji.

Tworząc żywy beton, naukowcy najpierw spróbowali umieścić sinice w mieszaninie ciepłej wody, piasku i substancji odżywczych. Mikroby chętnie pochłaniały światło i zaczęły wytwarzać węglan wapnia, który stopniowo spajał ziarna piasku. Proces ten był jednak powolny, a Darpie, eksperymentalnej agencji badawczej Departamentu Obrony, która finansowała projekt, zależało na tym, by budowa przebiegała bardzo szybko. Potrzeba i szczęśliwy przypadek dały więc początek wynalazkowi.

Łuk wykonany z żywych materiałów budowlanych w laboratorium dr. Srubara

Dr Srubar pracował wcześniej z żelatyną, składnikiem spożywczym, który po rozpuszczeniu w wodzie i schłodzeniu tworzy charakterystyczne wiązania między swoimi cząsteczkami. Co istotne, można jej używać w łagodnych temperaturach, przyjaznych bakteriom. Zaproponował dodanie żelatyny, by wzmocnić matrycę tworzoną przez sinice, a zespół podchwycił ten pomysł.

Naukowcy kupili w lokalnym supermarkecie żelatynę marki Knox i rozpuścili ją w roztworze z bakteriami. Gdy mieszaninę wlano do form i schłodzono w lodówce, żelatyna utworzyła swoje wiązania. „Dokładnie tak samo jak przy robieniu galaretki Jell-O”, powiedział dr Srubar. Żelatyna zapewniła mocniejszą strukturę i współdziałała z bakteriami, dzięki czemu żywy beton rósł szybciej i był mocniejszy.

Mniej więcej w ciągu doby mieszanina przybierała kształt każdej formy, jakiej użył zespół: powstawały sześciany o boku dwóch cali, bloki wielkości pudełka na buty oraz elementy pokrycia dachowego z żebrami i wycięciami. Pojedyncze dwucalowe sześciany były na tyle wytrzymałe, że mógł na nich stanąć człowiek, choć materiał jest słabszy od zwykłego betonu. Bloki wielkości pudełka na buty pokazały, że materiał nadaje się do zastosowania w prawdziwym budownictwie.

Pierwsze eksperymenty

„Kiedy po raz pierwszy wykonaliśmy w tym systemie dużą konstrukcję, nie wiedzieliśmy, czy to zadziała; z tak małej skali przeszliśmy od razu do tej dużej cegły”, powiedziała Chelsea Heveran, dawniej stażystka podoktorska w zespole, dziś inżynier na Montana State University i główna autorka badania. „Wyjęliśmy ją z formy i trzymaliśmy w rękach. Była przepiękna, jaskrawozielona, a z boku widniało słowo »Darpa«”. (Forma nosiła nazwę fundatora projektu.) „To był pierwszy raz, kiedy osiągnęliśmy skalę, jaką sobie wyobrażaliśmy, i było to naprawdę ekscytujące”.

Gdy zespół przywiózł niewielkie próbki na regularne spotkanie z przedstawicielami Darpy, ci byli pod wrażeniem, relacjonuje dr Srubar: „Każdy chciał postawić sobie jedną na biurku”.

Przechowywane w stosunkowo suchym powietrzu w temperaturze pokojowej bloki osiągają maksymalną wytrzymałość w ciągu kilku dni, a bakterie stopniowo zaczynają obumierać. Jednak nawet po kilku tygodniach bloki wciąż żyją; po ponownym wystawieniu na wysoką temperaturę i wilgotność wiele komórek bakteryjnych samo się odradza.

Zespół może wziąć jeden blok, przeciąć go diamentowym ostrzem, jedną połowę włożyć z powrotem do ciepłego zbiornika z większą ilością surowców, wlać ją do formy i ponownie zacząć tworzyć beton. Każdy blok może w ten sposób dać początek trzem kolejnym pokoleniom, czyli w sumie ośmiu potomkom.

Departament Obrony jest zainteresowany wykorzystaniem zdolności rozrodczych tych „LBM”, czyli żywych materiałów budowlanych, do wspierania budownictwa na obszarach odległych lub jałowych. „Nikt przecież nie chce wozić na pustynię ogromnych ilości materiału”, powiedział dr Srubar.

Zaletą bloków jest to

...że powstają z różnych łatwo dostępnych materiałów. Większość betonu wymaga naturalnego piasku z rzek, jezior i oceanów, którego na całym świecie brakuje, głównie z powodu ogromnego popytu na beton. Nowy żywy materiał nie jest tak wybredny. „Nie jesteśmy przywiązani do konkretnego rodzaju piasku”, powiedział dr Srubar. „Moglibyśmy użyć także materiałów odpadowych, takich jak mielone szkło czy beton z recyklingu”.

Zespół badawczy pracuje nad tym, by materiał stał się bardziej praktyczny: wzmacnia beton, zwiększa odporność bakterii na wysychanie, zmienia układ materiałów tak, by dało się je przechowywać na płasko i łatwo montować jak płytę gipsowo-kartonową, oraz szuka innego rodzaju sinic, które nie wymagają dodatku żelatyny.

Dr Srubar stwierdził, że narzędzia biologii syntetycznej mogłyby znacznie poszerzyć możliwości: na przykład o materiały budowlane, które wykrywają toksyczne substancje chemiczne i reagują na nie, albo takie, które zaczynają świecić i sygnalizują uszkodzenie konstrukcji. Żywy beton mógłby się przydać w środowiskach trudniejszych niż najbardziej suche pustynie, na przykład na innych planetach, takich jak Mars.

„Nie ma możliwości transportu materiałów budowlanych w kosmos”, powiedział dr Srubar. „Zabieramy ze sobą biologię”.