Новий напрям біотехнології - використання мікроорганізмів для потреб будівництва успішно розвивається у світі протягом останніх 15 років. Особливе місце серед нових будівельних матеріалів, посідає виробництво біоцементу та біозакріплювачів ґрунтів заснованого на використанні уреаза-продукуючих бактерій, які у присутності сечовини та іонів кальцію у лужному середовищі утворюють нерозчинні кристали кальциту. Перевага біоцементу перед традиційним цементом є низька в'язкість (в 30 – 300 разів менше в’язкості суспензії цементу), що забезпечує його здатність до глибокого проникнення в пори і тріщини ґрунту, бетону чи каменю (Ivanov та Stabnikov, 2017).
Використання біоцементу пропонується для широкого кола будівельних робіт і може бути новим, економічно ефективним рішенням в інженерії охорони довкілля та будівництва, особливо в галузі геотехнічної інженерії.
Недоліками біоцементації є використанням живих уреаза-продукуючих бактерій, які вносяться у довкілля (а в деяких біотехнологіях пропонують використовувати бактерії, що відносяться до умовно-патогенних), та вивільнення у атмосферу токсичного аміаку та можливе потрапляння іонів амонію у ґрунтові та поверхневі води.
Показано, що одним із можливих шляхів підвищення біобезпеки біоцементації може бути застосування кислої уреази при використанні в якості джерела кальцію кісткового борошна, яке містить кальцій у формі гідроксиапатиту. Проведена селекція бактеріального штаму, що синтезував кислу уреазу серед бактерій, що були виділені з кислого ґрунту. Штам з найбільшою уреазною активністю було ідентифіковано за допомогою ампліфікації та секвенування гену 16 рРНК як Staphylococcus saprophyticus AU1. Максимальна швидкість росту штаму AU1 становила 0,15 год.-1, максимальне накопичення біомаси – 6,9 г/л сухої біомаси, а максимальна уреазна активність була 8,1 мМ прогідролізованої сечовини/хв. Найвища уреазна активність у штаму Staphylococcus saprophyticus AU1 спостерігалася в інтервалі рН від 4,5 до 5,5, поступово знижуючись при підвищенні рН. З метою забезпечення біобезпеки довкілля для біоцементації запропоновано використання уреазоактивних інактивованих бактеріальних клітин після їх обробки 0,5% розчином натрію додецилсульфату протягом 120 хвилин. При проведенні біоцементації, де в якості джерела кальцію використовували кісткове борошно, яке містить кальцій у формі гідроксиапатиту при зниженій кількості сечовини за допомогою інактивованих бактеріальних клітин водопроникність біоцементованого піску була 2•10-5 м/с, що дозволяє застосувати біоцементацію такого типу для укріплення ґрунту з метою зниження його ерозії, наприклад після землетрусу, або для боротьби з пиловою ерозією для зниження атмосферного забруднення. Основною перевагою цього методу – це можливість знизити на 75% витрати сечовини та знизити за рахунок цього викиди амонію та аміаку у довкілля. Крім того вирішується проблема утилізації кісткових відходів і зменшується вартість матеріалів на біоцементацію.
Повністю біобезпечними продуцентами кислої уреази можуть бути молочнокислі бактерії. Показана здатність молочнокислих бактерій Lactobacillus reuteri та Streptococcus thermophilus до синтезу кислої уреази, що робить їх перспективними мікробними агентами у процесах біоцементації. Вирощування Lactobacillus reuteri проводили на капустяному бульйоні. Максимальна уреазна активність бактерій Lactobacillus reuteri спостерігалася при рН 5,0. При проведенні біоцементації із застосуванням молочнокислих бактерій Lactobacillus reuteri пісок після 8 біообробок мав водопроникність 6•10-5 м/с. Тому цей спосіб біоцементації можливо застосувати лише для укріплення ґрунту або для боротьби з пиловою ерозією.
Можливою заміною бактеріальної уреази може бути уреаза рослинного походження. Скринінг насіння сільськогосподарських культур, які вирощуються в Україні, показав, що боби сої можливо використовувати як джерело уреази для біоцементації у вигляді неочищеного водного екстракту із подрібненої маси самого насіння або пророщеного протягом 24 – 48 годин. Застосування неочищеного екстракту із насіння сої показало його ефективність для осадження карбонату кальцію із суміші розчинів кальцій хлориду та сечовини, а його використання при біоцементації піску дозволили знизити його водопроникність у 6000 разів і отримати значення, які відповідають водопроникності піску, біоцементованого за допомогою традиційно застосовуваних уреаза-продукуючих бактерій.
Ключові слова: біоцементація, біотехнологія, біобезпека, бактерії, агропромислові відходи, біосинтез, метаболіти, природоохоронна технологія, рослинна уреаза, охорона довкілля, біозакупорювання ґрунту, фізичні, хімічні і біологічні методи, чисті культури, біологічно активні речовини, рідкі живильні середовища, рН, джерела вуглецевого та азотного живлення, Lactobacillus, молочнокислі бактерії, ферменти, продуцент, мікроорганізми, мікробний синтез, Bacillus, пробіотичні мікроорганізми, поживне середовище, середовище росту, скринінг, Streptococcus thermophilus.
