Biomodifizierte selbstheilende Baustoffe

Veröffentlicht am 8. Januar 2021 um 21:46

Magnus und Tabea  haben im Nationalteam Deutschland an der ICYS (Internationalen Conference of young scientists) teilgenommen, den Weltmeistertitel in der Sparte Environmental Science gewonnen und stehen aktuell im Finale des Artur Fischer Erfinderpreises. Sie haben außerdem am Jugend forscht Wettbewerb 2021 teilgenommen und einen Sonderpreis erhalten.

Beim Erfinderwettbewerb Invent at school haben sie einen der fünf Hauptpreise gewonnen.

Bakterien können Werkstoffe wie Zementmörtel oder Putz in ihren Eigenschaften verändern

Risse im Werkstoff Beton führen bei Bauwerken verschiedenster Art zu hohen Reparaturkosten oder dazu, dass die Bauwerke teuer ersetzt werden müssen. In unserem Projekt möchten wir deshalb herausfinden, ob und wie das Bakterium Bacillus subtilis eine biochemische Reparaturmöglichkeit bietet, indem man es entweder unter bestimmten Bedingungen auf die Risse aufbringt oder bereits beim Bau in den Werkstoff einarbeitet. Gleichzeitig möchten wir herausfinden, ob das Bakterium auch die Oberflächeneigenschaften des Betons in Bezug auf den Kontakt mit Wasser so verändern kann, dass dieses gar nicht erst in den Werkstoff eindringen kann. Ein erster vielversprechende Ansatz konnte hierbei bereits gefunden werden. Wir möchten damit einen Beitrag zur kostengünstigeren und selbstständigen Instandhaltung von Betonbauwerken leisten.

Die Ergebnisse unserer Forschungen werden anhand der zu Beginn gestellten Fragen ausgewertet, wobei zum Teil Fragen zusammengefasst beantwortet werden. Die grundlegende Erkenntnis unserer Versuche ist, dass die Bakterien aus einem Nahrungsergänzungsmittel wirklich auch zur Reparatur und für die Hydrophobisierung vonOberflächen aus Zementmörtel genutzt werden können. Dies hat uns sehr erstaunt.

1. Wie sieht das von uns eingesetzte Bakterium Bacillus subtilis aus, wo kommt es vor und welche Eigenschaften weist es auf?

Bacillus subtilis ist ein Bakterium aus der Abteilung der Firmicutes, Klasse der Bacilli, Ordnung der Bacillales, Familie der Bacillaceae und Gattung Bacillus. Es ist stäbchenförmig, peritrich (über die ganze Außenfläche) begeißelt, kann sich also fortbewegen, und weist eine chemoorgano-heterotrophe Lebensweise auf, das heißt, es deckt seinen Energiebedarf über den Abbau organischer Verbindungen, wie zum Beispiel Kohlenhydrate. Sein Stoffwechsel ist aerob, es braucht also Sauerstoff, was bei der Kultivierung zu beachten ist. Es bildet Endosporen, mit denen es auch unter schlechten Bedingungen überleben kann, was für die vorliegende Arbeit und die Einarbeitung der Bakterien in den Werkstoff Zementmörtel wichtig ist. Es weist eine Größe von 2 – 3 Mikrometern auf und ist etwa 0,6 Mikrometer dick. Im Mikroskop kann schön beobachtet werden, wie schnell sich die Bakterien bewegen können.

Bacillus subtilis ist fast überall verbreitet und kann aus Boden, Wasser und der Luft isoliert werden. Natürlich kommt es in den oberen Schichten des Bodens vor und ist aufgrund seiner natürlich sehr stark wechselnden Lebensgrundlage an Stresssituationen angepasst. Dies ist eine ebenfalls sehr gute Voraussetzung für seinen Einsatz für die Werkstoffforschung.

Das Bakterium wird in homöopathischen Präparaten zur Verdauungsförderung verwendet. In der Landwirtschaft dient es als biologisches Fungizid für Samen verschiedener Gemüsepflanzen wie Soja, indem es durch Konkurrenz Verpilzung vorbeugt. Da es auch extrazelluläre Enzyme herstellen kann, wird es in der Waschmittelindustrie für die Synthese von Riboflavin (Vitamin B2) und für die Herstellung des Antibiotikums Bactracin eingesetzt. Auch in der Werkstoffforschung wird es ebenfalls eingesetzt. So trägt es als Biofilmpartikel, die Trockenmörtel untergemischt werden, dazu bei, dass dieser die Oberflächenstruktur verändert was verhindert, dass Wasser die Oberfläche erreichen kann und es stattdessen abperlt.

Diesem Prinzip wird nun auch in Forschungen zum Thema Beton nachgegangen, wobei sich die vorliegende Arbeit dem Werkstoff Zementmörtel widmet.

 

2. Wie müssen die Bakterien vorbereitet werden, um aktiv zu werden?

Es reicht nicht, die Bakterien nur in warmes Wasser zu geben, um sie aus dem getrockneten Zustand wieder zu aktivieren. Ein optimales Wachstum und damit eine Konzentrationszunahme, die für die Versuche wichtig ist, weisen sie bei der Inkubation in angepasstem LB-Medium für Bacillus subtilis bei einer Temperatur von 37°C bei anschließender Übertragung auf mit LB-Medium angerührte Agarplatten und einer Inkubationszeit von insgesamt 42h auf. Wichtig ist auch, ihnen beim Einsatz für die Schließung von Rissen Harnstoff zur Verfügung zu stellen und ein Milieu zu schaffen, in dem sie arbeiten können. Eine zu große Trockenheit, wie sie in geheizten Räumen im Winter vorliegt, führt nicht zum Verschluss induzierter Risse im Zementmörtel.

 

3. Kann Bacillus subtilis wirklich Risse in Beton „heilen“?

Die aktuellsten Ansätze weisen stark darauf hin, dass dies mithilfe von Biofilmen möglich ist. Die Biofilme der höher konzentrierten Ansätze (8 Kapseln und 13 Kapseln) haben die Risse im Beton verklebt, mit dem Harnstoff bildeten sich bei den Rissen der Ansätze mit 5 Kapseln kleine orangefarbene Kristalle, die eventuell auf eine Carbonatisierung hindeuten, was vor dem Hintergrund des eingesetzten Bakterienstamms ein tolles Ergebnis wäre, da dieser eigentlich aus einem die Verdauung fördernden Präparat stammt.

 

4. In welcher Konzentration müssen die Bakterien eingesetzt werden, um optimale Ergebnisse zu erlangen?

Es ist festzustellen, dass die Konzentration der Bakterien auf der Oberfläche und im Biofilm relativ hoch sein muss, um ein gutes Ergebnis zu erhalten. Ist die Konzentration im Beton bei Einsatz von Trockenkulturen allerdings zu hoch, wird der Beton instabil und zerbröselt. Beim Einsatz von Biofilmen ist dies allerdings nicht der Fall. Die Stabilität ist unabhängig von der Biofilmkonzentration, allerdings sinken sowohl die Verweildauer von Wassertropfen auf der Oberfläche als auch die Winkelzahl, wenn die Konzentration zu hoch ist.

 

5. Wie müssen die Bedingungen bei Trocknung des Werkstoffes sein, um ein gutes Ergebnis zu erzielen?

Den Beobachtungen zufolge muss der Werkstoff Zementmörtel bei der Trocknung gerüttelt werden, um den Austritt der in ihm vorhandenen Luftblasen zu ermöglichen. Die Biofilme werden dadurch nicht beeinträchtigt.

 

6. Können die Bakterien gleich in den Werkstoff eingearbeitet werden und dann bei Rissbildung mithilfe einer Lösung „aktiviert“ werden, um den Riss zu schließen? Welche Unterschiede gibt es zwischen den Ansätzen mit integrierten Bakterien und Ansätzen, in denen die Bakterien auf den Werkstoff mit Riss gegeben werden? Wie schnell gehen die Reparaturen vonstatten?

Auf diese Fragen kann aktuell noch keine hinreichende Antwort gegeben werden. Wenn möglich, werden vor dem Wettbewerb weitere Versuchsreihen durchgeführt, um diese zu beantworten.

 

7. Wie stabil ist der reparierte Zementmörtel im Vergleich zur rissfreien Kontrolle und wie testet man diese Stabilität?

Die Stabilitätstests erfolgen mittels Schallfrequenzanalyse. Hierbei wird, wenn dem Werkstoff Risse zugefügt werden, ein Schallspektrum aufgenommen. Nach der Reparatur wird erneut ein Schallspektrum aufgenommen, das sich verändert, wenn die Risse repariert wurden. Dies ist allerdings noch kein Hinweis auf die Stabilität des Zementmörtels. Diese muss über Drucktests ermittelt werden, die leider nicht durchgeführt werden konnten, da der Termin im Analyselabor in Radolfzell pandemiebedingt nicht wahrgenommen werden durfte.

 

 

8. Bewirken die Bakterien eine Veränderung der Oberflächen hinsichtlich der Hydrophobizität?

Diese Frage kann deutlich mit „Ja“ beantworten. In beiden Versuchen, bei denen der Bacillus subtilis Stamm über ein Zweischrittverfahren kultiviert wurde, konnten beim Versickern der Tropfen zum Teil deutliche Verbesserungen im Vergleich zur Kontrolle gesehen werden, vor allem bei der Arbeit mit den Biofilmen aus Ansatz 2. Die Versickerungszeit beträgt bei fast allen Ansätzen mehr als 15 Minuten und die Tropfen bilden bei fast allen Konzentrationen höhere Winkel als beim ersten Versuch. An den Stellen, an denen sich der Biofilm von der Oberfläche abgelöst hat, bilden sich schönere Tropfen mit größeren Kontaktwinkeln. Bei den Proben mit eingemischten Bakterien sickern die Tropfen schneller ein, bilden aber deutlich schönere Tropfen mit größeren Kontaktwinkeln.

 

9. Wie kann man messen, welchen Einfluss die Bakterien auf die Oberflächenbeschaffenheit haben?

Eine gut funktionierende Low-cost Variante sind die Kontaktwinkelmessung mithilfe einer selbst gebauten Apparatur und die Messung der zeitlichen Verweildauer eines Tropfens auf der Oberfläche.


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