MICROBIALLY INDUCED CALCIUM CARBONATE PRECIPITATION (MICP): AN INNOVATIVE APPROACH TO DECREASE THE HARMFUL IMPACT ON THE NATURAL ENVIRONMENT

A new technique for a completely natural and net0 bio-cement useful for the increase of ge-otechnical properties of the standard common multimineral sand commonly used for building engineering purposes is proposed. The procedure was tested introducing the sand in the water flow of a river with active microbial mediated Calcite deposition which forms tufa deposits. Tufa are covered by a lithifying biofilm composed of a microbial community including autotrophic and heterotrophic bacteria, algae, viruses, and extracellular polymeric substances. Biominerals forming the tufa deposit replace the organic substrates starting with an amorphous phase rich in Ca, Si, and other cations, followed by massive precipitation of fibrous to polyhedral Ca-carbonate crystals and subordinately lamellar/fibrous Mg-clay crystals. The experiment lasted for 16 weeks, during which the biofilm colonized rapidly all the surface of the sand grains, which were gradually encrusted by neo-formed Ca-carbonate biominerals showing the same crystal structures and composition of those forming the tufa deposit. Moreover, the sand showed a pro-gressive increase of the internal friction angle from 28.6° to 35.4°, with a trend very similar to MICP lab experiments that used a single bacterial species. This suggests that is possible to use natural Ca-carbonate biominerals, induced by natural microbial communities, for engineering applications with very sustainable procedures.

Negli ultimi due decenni con il fine di mitigare il sempre più dannoso effetto antropico sull’ambiente naturale è stato sviluppato un approccio innovativo denominato Microbially Induced Ca-Carbonate Precipitation (MICP) consisten-te nell’uso di micro-organismi nella produzione di biomateriali sostenibili. Le applicazioni della MICP sono molteplici riguardano il miglioramento geotecnico dei suoli grazie alla precipitazione di carbonato di calcio che cementa ed oc-clude i pori aumentando la loro resistenza al taglio e rigidità; bonifica ambientale come ad esempio il sequestro di ca-tioni inquinanti dalle acque inquinate o di scarto industriale; produzione di materiale da costruzione, miglioramento della durabilità e riparazione di materiali da costruzione; fino anche al sequestro di CO2. Tuttavia, sebbene la MICP rappresenti un’ottima alternativa green, volta alla mitigazione dell’utilizzo di energia da fonti fossili e quindi utile alla diminuzione della produzione antropica industriale di CO2 e NO2, il processo non è ancora del tutto scevro dall’avere un impatto ambientale nullo. Infatti le attività di laboratorio necessitano comunque di agenti chimici e producono materiali di scarto che dovranno poi essere smaltiti o stoccati. Di conseguenza, con l’obiettivo di svilup-pare un biocemento che possa migliorare le caratteristiche geotecniche della comune e standard sabbia multiminerale usata per scopi edilizi, viene proposta in questo lavoro una procedura innovativa. Essa è stata testata e sviluppata introducendo della sabbia per 16 settimane all’interno del flusso di un fiume dove si osserva una deposizione attiva e microbicamente mediata di calcite che forma dei depositi comunemente classificati come tufa. Questi depositi sono coperti da un biofilm litificante composto da comunità microbiche costituite da batteri autotrofi ed eterotrofi, alghe, virus e da sostanza polimerica extracellulare (extracellular polymeric substances – EPS). I biominerali che formano i depositi di tufa sostituiscono il substrato organico e presentano una prima fase di nucleazione amorfa dei cristalli ric-chi in Ca, Si ed altri cationi; successivamente si ha una precipitazione massiva di cristalli di carbonato di calcio (cal-cite) da fibrosi a poliedrici e subordinatamente di cristalli di argilla magnesiaca dall’abito lamellare e/o fibroso. Du-rante le 16 settimane di durata dell’esperimento, il biofilm ha colonizzato rapidamente tutte le superfici dei clasti che compongono la sabbia che sono state gradualmente incrostate dai neoformati biominerli di calcite che mostra le stesse strutture cristalline e la stessa composizione dei depositi di tufa. Inoltre, la sabbia trattata ha mostrato un progressivo incremento dell’angolo di attrito interno da 28.6° a 35.4°, con un trend molo simile a quelli osservati negli esperi-menti di MICP in laboratorio che generalmente utilizzano una sola specie di batteri e non una comunità completa. Questo suggerisce come sia possibile usare i biominerali naturali di calcite, la cui precipitazione è indotta da comuni-tà microbiche naturali, per ottenere dei processi sostenibili e con impatto ambientale nullo che abbiano una grande utilità per diverse applicazioni ingegneristiche.