Material de construcción vivo

La mezcla de arena e hidrogel a partir de la cual se fabrica el hormigón autorreplicante tiene un pH , una fuerza iónica y temperaturas de curado más bajas que una mezcla de hormigón típica , lo que le permite servir como medio de cultivo para las bacterias. A medida que las bacterias se reproducen, se extienden por el medio y lo biomineralizan con carbonato de calcio , que es el principal responsable de la resistencia y durabilidad generales del material. Tras la mineralización, el compuesto de arena e hidrogel es lo suficientemente resistente como para utilizarse en la construcción, como hormigón o mortero . ^{[ 2 ]}

Las bacterias en el hormigón autorreplicante reaccionan a los cambios de humedad : son más activas —y se reproducen más rápido— en un ambiente con un 100 % de humedad, aunque una disminución al 50 % no tiene un gran impacto en la actividad celular. Una menor humedad da como resultado un material más resistente que una alta humedad. ^{[ 2 ]}

A medida que las bacterias se reproducen, su actividad de biomineralización aumenta; esto permite que la capacidad de producción crezca exponencialmente. ^{[ 2 ]}

Las propiedades estructurales de este material son similares a las de los morteros a base de cemento Portland : tiene un módulo elástico de 293,9 MPa y una resistencia a la tracción de 3,6 MPa (el valor mínimo requerido para el hormigón a base de cemento Portland es de aproximadamente 3,5 MPa); ^{[ 2 ]} sin embargo, tiene una energía de fractura de 170 N, que es mucho menor que la mayoría de las formulaciones de hormigón estándar, que pueden alcanzar hasta varios kN.

El hormigón autorreplicante puede utilizarse en una variedad de aplicaciones y entornos, pero el efecto de la humedad en las propiedades del material final (véase más arriba ) significa que la aplicación del material debe adaptarse a su entorno. En entornos húmedos, el material puede utilizarse para rellenar grietas en carreteras , muros y aceras, penetrando en las cavidades y creciendo hasta formar una masa sólida al fraguar; ^{[ 23 ]} mientras que en entornos más secos puede utilizarse estructuralmente, debido a su mayor resistencia en entornos de baja humedad.

A diferencia del hormigón tradicional, cuya producción libera enormes cantidades de dióxido de carbono a la atmósfera, las bacterias utilizadas en el hormigón autorreplicante absorben dióxido de carbono, lo que resulta en una menor huella de carbono . ^{[ 24 ]}

Este hormigón autorreplicante no pretende sustituir al hormigón estándar, sino crear una nueva clase de materiales, con una mezcla de resistencia, beneficios ecológicos y funcionalidad biológica. ^{[ 25 ]}

Los organismos microscópicos son el componente clave en la formación del bioconcreto, ya que proporcionan el sitio de nucleación para que el CaCO₃ _precipite en la superficie. ^{[ 26 ]} Microorganismos como Sporosarcina pasteurii son útiles en este proceso, ya que crean ambientes altamente alcalinos donde el carbono inorgánico disuelto (CID) está presente en altas cantidades. ^{[ 29 ]} Estos factores son esenciales para la precipitación de calcita inducida microbiológicamente (PICM), que es el principal mecanismo en el que se forma el bioconcreto. ^{[ 27 ] [ 26 ] [ 29 ]} Otros organismos que pueden usarse para inducir este proceso incluyen microorganismos fotosintéticos como microalgas , cianobacterias y bacterias reductoras de sulfato (BRS) como Desulfovibrio desulfuricans . ^{[ 27 ] [ 30 ]}

La nucleación del carbonato de calcio depende de cuatro factores principales:

1. Concentración de calcio
2. concentración de DIC
3. niveles de pH
4. Disponibilidad de sitios de nucleación

Siempre que las concentraciones de iones de calcio sean suficientemente altas, los microorganismos pueden crear dicho entorno a través de procesos como la ureólisis. ^{[ 27 ] [ 31 ]}

Los avances en la optimización de métodos para utilizar microorganismos para facilitar la precipitación de carbonatos se están desarrollando rápidamente. ^{[ 27 ]}

El biocemento tiene la capacidad de "autorrepararse" gracias a las bacterias, el lactato de calcio , el nitrógeno y el fósforo que se mezclan en el material. ^{[ 28 ]} Estos componentes pueden permanecer activos en el biocemento hasta por 200 años. El biocemento, como cualquier otro hormigón, puede agrietarse debido a fuerzas y tensiones externas. Sin embargo, a diferencia del hormigón normal, los microorganismos del biocemento pueden germinar al entrar en contacto con el agua. ^{[ 32 ]} La lluvia puede proporcionar esta agua, un entorno en el que el biocemento se encuentra. Una vez en contacto con el agua, las bacterias se activan y se alimentan del lactato de calcio que forma parte de la mezcla. ^{[ 32 ]} Este proceso de alimentación también consume oxígeno, lo que convierte el lactato de calcio, originalmente soluble en agua, en caliza insoluble. Esta caliza se solidifica sobre la superficie donde se encuentra, que en este caso es el área agrietada, sellando así la grieta. ^{[ 32 ]}

El oxígeno es uno de los principales elementos que causan corrosión en materiales como los metales. Cuando se utiliza biocemento en estructuras de hormigón armado, los microorganismos consumen el oxígeno, aumentando así la resistencia a la corrosión. Esta propiedad también permite la resistencia al agua, ya que induce la autorreparación y reduce la corrosión general. ^{[ 32 ]} Los agregados de hormigón con agua se utilizan para prevenir la corrosión y también tienen la capacidad de ser reciclados. ^{[ 32 ]} Existen diferentes métodos para su formación, como la trituración o molienda del biocemento. ^{[ 27 ]}

La permeabilidad del biocemento también es mayor en comparación con el cemento normal. ^{[ 26 ]} Esto se debe a la mayor porosidad del biocemento. Una mayor porosidad puede provocar una mayor propagación de grietas cuando se expone a fuerzas suficientemente fuertes. El biocemento ahora está compuesto aproximadamente en un 20 % por un agente autorreparador. Esto disminuye su resistencia mecánica. ^{[ 26 ] [ 28 ]} La resistencia mecánica del bioconcreto es aproximadamente un 25 % menor que la del concreto normal, lo que hace que su resistencia a la compresión sea menor. ^{[ 28 ]} Organismos como Pseudomonas aeruginosa son eficaces en la creación de biocemento. Estos son peligrosos para los humanos, por lo que deben evitarse. ^{[ 33 ]}

La nucleación heterogénea en superficies celulares microbianas es común en MICP. Las paredes celulares bacterianas y los polímeros extracelulares presentan sitios con carga negativa que se unen selectivamente a iones Ca ²⁺ , reduciendo eficazmente la barrera de energía de nucleación. ^{[ 34 ]} En esencia, cada encuentro catión-carbonato unido forma un pequeño embrión cristalino. Por lo tanto, los microbios proporcionan numerosas plantillas de nucleación, produciendo plaquetas o agujas de calcita en lugar de películas vítreas uniformes. Por ejemplo, los estudios SEM muestran que la calcita a menudo precipita como plaquetas agrupadas o agregados en forma de aguja en películas bacterianas. ^{[ 34 ]} A alta sobresaturación local , precursores inestables como el carbonato de calcio amorfo y la vaterita pueden formarse inicialmente y luego transformarse en calcita. En consorcios microbianos o en agua de mar , las vías metabólicas mixtas modulan aún más el pH local y las actividades iónicas, afectando los umbrales de nucleación. Estos incluyen la hidrólisis de la urea o la fotosíntesis .

La microscopía de la calcita inducida por microorganismos suele mostrar morfologías características. Las superficies bacterianas y las vainas exopoliméricas concentran iones Ca²⁺ y CO₃²⁻ y actúan como sitios de nucleación cargados. ^[ 34 _] ^{El resultado suele ser la formación de} "balsas" agregadas o cúmulos aciculares de calcita, como se muestra en la imagen, en lugar de cristales individuales lisos. Estas texturas son consistentes con la nucleación heterogénea: los cristales crecen epitaxialmente sobre plantillas celulares que elevan localmente la sobresaturación. Cuando la sobresaturación se alivia mediante una precipitación rápida, los iones de calcio se difunden desde el fluido circundante, lo que mantiene la nucleación y el crecimiento continuos alrededor del microorganismo.

Las sustancias poliméricas extracelulares (EPS) secretadas por las bacterias también desempeñan un papel crucial en la nucleación del CaCO₃ _. Las EPS son biopolímeros complejos compuestos por polisacáridos, proteínas y ácidos nucleicos que forman una matriz hidratada alrededor de las colonias microbianas. Estas matrices pueden unirse a cationes divalentes como el Ca²⁺ ^y localizar iones carbonato, aumentando así la actividad iónica en la interfaz célula-fluido. Las EPS median la nucleación heterogénea al concentrar los reactivos y disminuir la barrera de energía interfacial para la formación de cristales. Además, grupos funcionales específicos en las EPS, como los grupos carboxilo e hidroxilo, pueden servir de plantilla para la orientación de los cristales o la selección de polimorfos. Este control microambiental sobre la sobresaturación y la energía de unión es un ejemplo fundamental de mineralización controlada biológicamente.

Una vez nucleados, los cristales de calcita crecen incorporando iones en sus superficies. En ciencia de materiales, a menudo se distinguen dos regímenes límite: el crecimiento en espiral alimentado por fuentes de dislocación y la nucleación de capas bidimensionales (2D) en terrazas cristalinas. Los estudios cinéticos muestran que el tamaño del cristal y el transporte de iones determinan qué mecanismo predomina. Por ejemplo, se ha descubierto que los cristales de calcita de más de aproximadamente 1 μm crecen preferentemente mediante escalones en espiral, mientras que los cristalitos más pequeños dependen más de la nucleación superficial 2D. ^{[ 35 ]} Esta dependencia del tamaño surge porque el transporte de iones a través de la capa límite del fluido es finito: la difusión lenta en tamaños mayores reduce la sobresaturación efectiva en la cara del cristal, favoreciendo un crecimiento en espiral constante. ^{[ 35 ]}

La difusión de iones hacia el frente de crecimiento se describe mediante las leyes de Fick . Una simplificación es la primera ley de Fick. ${\displaystyle J=-D{\frac {dC}{dx}}}$, que establece que el flujo difusivo J (en mol·m ⁻² ·s ⁻¹ ) es proporcional al gradiente de concentración del ion por el factor de proporcionalidad de la difusividad D. En MICP, la ureólisis bacteriana o la fotosíntesis crean zonas de alta [Ca ²⁺ ] y [HCO ₃ ^- ]. A medida que precipita la calcita, se forman zonas de agotamiento local y los iones se difunden para reponerlas. Cuando la precipitación es muy rápida debido a la alta actividad enzimática o a la alta sobresaturación, la difusión puede convertirse en el factor limitante de la velocidad: el crecimiento se ralentiza a medida que D y el gradiente de concentración definen el flujo. ^{[ 35 ]} Por el contrario, a menor sobresaturación o con abundante mezcla, los pasos de reacción superficial que implican la cinética de adhesión pueden controlar las tasas de crecimiento.

A microescala, las morfologías de crecimiento cristalino reflejan esta cinética. En la imagen SEM mostrada, los cristales de calcita presentan estructuras alargadas en forma de aguja, indicativas de un crecimiento por capas escalonado. La cinética experimental revela que, más allá de un tamaño crítico, el suministro continuo de iones por difusión mantiene un frente de crecimiento espiral constante. Por el contrario, las partículas de calcita submicrométricas pueden crecer mediante la nucleación frecuente de nuevas capas a lo largo de su superficie. Se ha descubierto que el crecimiento general de la calcita puede modelarse como una combinación de crecimiento espiral y nucleación de nuevas capas.

El carbonato de calcio tiene múltiples polimorfos cristalinos y precursores amorfos. En MICP, el producto final más estable suele ser la calcita con cristal romboédrico, pero aparecen formas metaestables transitoriamente. Inicialmente, puede formarse una fase de CaCO₃ amorfo hidratado ₍ ACC) o vaterita transitoria. El ACC es altamente soluble y se recristaliza rápidamente. Se aplica la regla de etapas clásica de Ostwald : el sistema a menudo precipita primero la forma menos estable y luego se transforma en polimorfos más estables. ^{[ 34 ]} Por ejemplo, bajo muchas condiciones, el ACC precipita primero, luego cristaliza en vaterita y finalmente se reordena en calcita. ^{[ 34 ]} En entornos microbianos, las moléculas orgánicas como proteínas o polisacáridos y la química de la solución que involucra Mg²⁺ ^, fosfato, etc., pueden estabilizar la vaterita o incluso la aragonita . Sin embargo, en suelos de pH neutro, la transformación de fase dominante suele ser de vaterita a calcita.

La disponibilidad de plantillas de nucleación también influye en el polimorfismo. Las bacterias y las algas pueden inducir selectivamente la formación de aragonita o calcita mediante la producción de matrices orgánicas específicas. En estudios de MICP de laboratorio, la adición de magnesio o ciertos biopolímeros tiende a favorecer la nucleación de aragonita o a inhibir la de calcita. Por el contrario, en muchos experimentos de MICP ureolíticos, la calcita se observa como rombos de bordes afilados, ya que el Ca²⁺ ^se une con mayor fuerza a las superficies celulares que el Mg²⁺ ^. [ ^{34 ] En} todos los casos, la ruta de cristalización en múltiples etapas (ACC → vaterita → calcita) está regida por la interacción de la cinética y la termodinámica, donde una mayor sobresaturación y una rápida hidrólisis de la urea suelen impulsar el sistema a través de estas transformaciones rápidamente. ^{[ 34 ]}

El biocemento se utiliza actualmente en aplicaciones como aceras y pavimentos en edificios. ^{[ 36 ]} También existen ideas para construcciones biológicas. Los usos del biocemento aún no están generalizados porque actualmente no existe un método viable para su producción masiva a gran escala. ^{[ 37 ]} Además, se necesitan pruebas mucho más concluyentes para utilizar el biocemento con confianza en aplicaciones a gran escala donde la resistencia mecánica es fundamental. El costo del biocemento también es el doble que el del hormigón convencional. ^{[ 38 ]} Sin embargo, en aplicaciones más pequeñas se utilizan en barras de pulverización, mangueras, líneas de goteo y nidos de abejas. El biocemento aún se encuentra en fase de desarrollo, pero su potencial resulta prometedor para sus futuras aplicaciones.

Los compuestos a base de micelio se sintetizan generalmente utilizando diferentes tipos de hongos , especialmente setas . ^{[ 40 ]} Un microorganismo individual de hongos se introduce en diferentes tipos de sustancias orgánicas para formar un compuesto. ^{[ 41 ]} La selección de especies de hongos es importante para crear un producto con propiedades específicas. Algunas de las especies de hongos que se utilizan para hacer compuestos son G. lucidum, Ganoderma sp. P. ostretus, Pleurotus sp., T. versicolor, Trametes sp ., etc. ^{[ 42 ]} Se forma una red densa cuando el micelio del microorganismo de hongos degrada y coloniza la sustancia orgánica. Los residuos vegetales son un sustrato orgánico común que se utiliza en compuestos a base de micelio. El micelio de hongos se incuba con un producto de residuos vegetales para producir alternativas sostenibles, principalmente para materiales derivados del petróleo . ^{[ 42 ] [ 3 ]} El micelio y el sustrato orgánico necesitan tiempo para incubar adecuadamente y este tiempo es crucial ya que es el período en que estas partículas interactúan entre sí y se unen para formar una red densa y por lo tanto formar un compuesto. Durante este período de incubación, el micelio utiliza nutrientes esenciales como carbono, minerales y agua del producto vegetal de desecho. ^{[ 41 ]} Algunos de los componentes del sustrato orgánico incluyen algodón, granos de trigo, cáscaras de arroz, fibras de sorgo, residuos agrícolas, aserrín, partículas de pan, cáscara de plátano, residuos de café, etc. ^{[ 42 ]} Los compuestos se sintetizan y fabrican utilizando diferentes técnicas como agregar carbohidratos, alterar las condiciones de fermentación, utilizar diferentes tecnologías de fabricación, alterar las etapas de posprocesamiento y modificar genética o bioquímicos para formar productos con ciertas propiedades. ^{[ 40 ]} La fabricación de la mayoría de los compuestos de micelio se realiza utilizando moldes de plástico, por lo que el micelio se puede cultivar directamente en la forma deseada. ^{[ 41 ] [ 42 ]} Otros métodos de fabricación incluyen moldes de piel laminada, moldes de piel al vacío, moldes de vidrio, moldes de madera contrachapada, moldes de madera, moldes de placas de Petri, moldes de azulejos, etc. ^{[ 42 ]} Durante el proceso de fabricación, es esencial contar con un ambiente esterilizado, un ambiente controlado con luz, temperatura (25-35  °C) y humedad alrededor del 60-65% para obtener los mejores resultados. ^{[ 41 ]}Una forma de sintetizar un compuesto a base de micelio es mezclando diferentes proporciones de fibras, agua y micelio, y colocándolos en moldes de PVC en capas, comprimiendo cada capa y dejándola incubar durante un par de días. ^{[ 43 ]} Los compuestos a base de micelio se pueden procesar en espuma, laminado y lámina de micelio utilizando técnicas de procesamiento como corte lateral, compresión en frío y en calor, etc. ^{[ 41 ] [ 42 ]} Los compuestos de micelio tienden a absorber agua cuando se fabrican recientemente, por lo que esta propiedad se puede cambiar secando el producto. ^{[ 42 ]}

Una de las ventajas de usar compuestos a base de micelio es que las propiedades se pueden alterar dependiendo del proceso de fabricación y el uso de diferentes hongos. Las propiedades dependen del tipo de hongo utilizado y dónde se cultivan. ^{[ 42 ]} Además, los hongos tienen la capacidad de degradar el componente de celulosa de la planta para hacer compuestos de una manera preferible. ^{[ 3 ]} Algunas propiedades mecánicas importantes como la resistencia a la compresión, la morfología, la resistencia a la tracción, la hidrofobicidad y la resistencia a la flexión también se pueden modificar para diferentes usos del compuesto. ^{[ 42 ]} Para aumentar la resistencia a la tracción, el compuesto puede pasar por prensado en calor. ^{[ 40 ]} Las propiedades de un compuesto de micelio se ven afectadas por su sustrato; por ejemplo, un compuesto de micelio hecho de 75 % en peso de cáscaras de arroz tiene una densidad de 193  kg/m ³ , mientras que 75 % en peso de granos de trigo tiene 359  kg/m ³ . ^{[ 3 ]} Otro método para aumentar la densidad del compuesto sería eliminando un gen de hidrofobina. ^{[ 42 ]} Estos compuestos también tienen la capacidad de autofusión, lo que aumenta su resistencia. ^{[ 42 ]} Los compuestos a base de micelio suelen ser compactos, porosos, ligeros y un buen aislante. La principal propiedad de estos compuestos es que son completamente naturales, por lo tanto, sostenibles. Otra ventaja de los compuestos a base de micelio es que esta sustancia actúa como aislante, es ignífuga, no tóxica, resistente al agua, de rápido crecimiento y capaz de unirse con productos de micelio vecinos. ^{[ 44 ]} Las espumas a base de micelio (MBF) y los componentes sándwich son dos tipos comunes de compuestos. ^{[ 3 ]} Las MBF son el tipo más eficiente debido a su baja densidad, alta calidad y sostenibilidad. ^{[ 39 ]} La densidad de las MBF se puede disminuir utilizando sustratos de menos de 2  mm de diámetro. ^{[ 39 ]} Estos compuestos también tienen una mayor conductividad térmica. ^{[ 39 ]}

Uno de los usos más comunes de los compuestos a base de micelio es como alternativa a los materiales derivados del petróleo y el poliestireno . ^{[ 42 ]} Estas espumas sintéticas se utilizan habitualmente en productos de diseño y arquitectura sostenibles. El uso de compuestos a base de micelio se basa en sus propiedades. Existen varias empresas biosostenibles.