Представлен комплексный анализ современных биотехнологий самовосстановления бетона на основе микробно-индуцированного осаждения карбоната кальция (MICP). Рассмотрены механизмы биохимической активности бактерий, включая штаммы Bacillus subtilis, Bacillus cereus и Sporosarcina pasteurii. Особое внимание уделено методам инкапсуляции микроорганизмов и питательных субстратов для обеспечения жизнеспособности бактерий в условиях высокощелочной среды цементной матрицы. Показаны ключевые факторы, влияющие на эффективность биоминерализации, и перспективные направления развития технологии самовосстанавливающихся строительных материалов.
Предпросмотр статьи
Идентификаторы и классификаторы
- SCI
- Строительство
Современная инфраструктура, являющаяся каркасом урбанизированной среды, в значительной степени зависит от эксплуатационных характеристик традиционных строительных материалов, среди которых лидирующие позиции занимает бетон. Его повсеместное применение обусловлено высокой прочностью при сжатии и относительной доступностью. Однако парадокс заключается в том, что, являясь основой долговечности конструкций, он сам уязвим для целого ряда деградационных процессов. Под постоянным воздействием агрессивных сред, механических нагрузок, циклического замораживания и оттаивания в материале формируются микротрещины, которые, разрастаясь, приводят к макроскопическим повреждениям, коррозии арматуры и разрушению конструкции. Данная уязвимость порождает серьезные экономические и эксплуатационные последствия. Необходимость в систематическом ремонте, усилении и преждевременной замене бетонных элементов ложится тяжелым бременем на муниципальные бюджеты и частных владельцев. Традиционные ремонтные технологии, такие как инъецирование трещин или нанесение защитных покрытий, зачастую носят симптоматический характер. Они требуют значительных трудозатрат, простоев объекта и не устраняют первопричину разрушения, а лишь замедляют ее проявление. В свете этих вызовов научное сообщество сфокусировалось на поиске проактивных и устойчивых решений. Одним из наиболее многообещающих направлений, находящихся на стыке материаловедения и биотехнологии, является разработка самовосстанавливающихся бетонов. В отличие от пассивных традиционных материалов, такие системы обладают функцией «заживления», по аналогии с живыми организмами. При этом ключевым механизмом выступает использование специфических штаммов бактерий, которые вводят в состав бетонной смеси на стадии производства совместно с биоразлагаемыми питательными веществами-капсулами. Инновационный принцип заключается в следующем: при образовании трещины и проникновении в нее влаги капсула с бактериями (например, рода Bacillus) разрушается. Микроорганизмы, активизируясь, начинают потреблять питательный субстрат и в процессе своей жизнедеятельности запускают биохимическую реакцию микробно-индуцированной кальцификации. Продуктом этой реакции является нерастворимый карбонат кальция (CaCO3), который эффективно запечатывает трещину в бетоне, предотвращая дальнейшее проникновение в него воды и агрессивных агентов. Этот процесс не только восстанавливает целостность структуры, но и повышает водонепроницаемость материала.
Если у вас возникли вопросы или появились предложения по содержанию статьи, пожалуйста, направляйте их в рамках данной темы.
Список литературы
1. Jaf D. A review on self-healing concrete: A biological approach // International Journal of Advanced Research in Engineering and Technology (IJARET). 2020. Vol. 11. Iss. 4. P. 1-10. DOI: 10.5937/ror2301001J
2. Строкова В.В., Власов Д.Ю., Франк-Каменецкая О.В., Духанина У.Н., Балицкий Д.А. Применение микробной карбонатной биоминерализации в биотехнологиях создания и восстановления строительных материалов: анализ состояния и перспективы развития // Строительные материалы. 2019. № 9. С. 83. 10.31659/0585-430X-2019 774 9 83 103. 10.31659/0585-430X-2019-774-9-83-103;. DOI: 10.31659/0585-430X-2019774983103.DOI
3. Баженов Ю.М., Ерофеев В.Т., Салман А.Д.С.Д., Смирнов В.Ф., Фомичев В.Т. Технология самовосстановления железобетонных конструкций с помощью микроорганизмов // Русский инженер. 2018. № 4 (61). С. 46-48.
4. Jonkers H.M., Thijssen A., van Breugel K. Bacteria mediated remediation of concrete structures // Proceedings of the second international symposium on service life design for infrastructures. 2010. P. 833-840.
5. Ghosh P., Mandal S., Chattopadhyay B.D., Pal C. Use of microorganism to improve the strength of cement mortar // Cement and Concrete Research. 2005. Vol. 35. Iss. 10. P. 1980-1983. 10.1016/j.cemconres. 2005.03.005. DOI: 10.1016/j.cemconres.2005.03.005
6. Ghosh S., Biswas M., Chattopadhyay B.D., Mandal S. Microbial activity on the microstructure of bacteria modified mortar // Cement and Concrete Composites. 2009. Vol. 31. Iss. 2. P. 93-98. DOI: 10.1016/j.cemconcomp.2009.01.001
7. Dhami N.K., Reddy M.S., Mukherjee A. Biomineralization of calcium carbonates and their engineered applications: a review // Frontiers in Microbiology. 2013. Nо. 4. DOI: 10.3389/fmicb.2013.00314
8. Wang J.Y., Snoeck D., Van Vlierberghe S., Verstraete W., De Belie N. Application of hydrogel encapsulated carbonate precipitating bacteria for approaching a realistic self-healing in concrete // Construction and Building Materials. 2014. Vol. 68. P. 110-119. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2014.06.018
9. Seifan M., Ebrahiminezhad A., Ghasemi Y., Berenjian A. Microbial calcium carbonate precipitation with high affinity to fill the concrete pore space: nanobiotechnological approach // Bioprocess and Biosystems Engineering. 2018. Vol. 42. Iss. 1. P. 37-46. 10.1007/s00449 018 2011 3. DOI: 10.1007/s0044901820113
10. Seifan M., Sarmah A.K., Samani A.K., Ebrahiminezhad A., Ghasemi Y., Berenjian A. Mechanical properties of bio self-healing concrete containing immobilized bacteria with iron oxide nanoparticles // Applied Microbiology and Biotechnology. 2018. Vol. 102. Iss. 10. P. 4489-4498. 10.1007/s00253 018 8913 9. 10.1007/s00253-018-8913-9;. DOI: 10.1007/s0025301889139.DOI
11. Иноземцев С.С., До Т.Ч. Состояние и перспективы развития технологии самовосстанавливающихся дорожных материалов // Вестник МГСУ. 2020. Т. 15. № 10. С. 1407-1424. DOI: 10.22227/1997-0935.2020.10.1407-1424
12. Wang J.Y., Soens H., Verstraete W., De Belie N. Self-healing concrete by use of microencapsulated bacterial spores // Cement and Concrete Research. 2014. Vol. 56. P. 139-152. DOI: 10.1016/j.cemconres.2013.11.009
13. Nielsen S.D., Koren K., Löbmann K., Hinge M., Scoma A., Kjeldsen K.U. et al. Constraints on CaCO3 precipitation in superabsorbent polymer by aerobic bacteria // Applied Microbiology and Biotechnology. 2019. Vol. 104. Iss. 1. P. 365-375. 10.1007/s00253 019 10215 4. DOI: 10.1007/s00253019102154
14. Черных Т.Н., Горбачевских К.А., Криушин М.В., Орлов А.А., Комелькова М.В., Платковский П.О. Биоминеральные добавки для самозалечивания бетона // Вестник МГСУ. 2024. Т. 19. Вып. 4. С. 569-579. DOI: 10.22227/1997-0935.2024.4.569-579
15. Ерофеев В.Т., Аль Дулайми Салман Давуд Салман, Смирнов В.Ф. Бактерии для получения самовосстанавливающихся бетонов // Интернет-журнал “Транспортные сооружения”. 2018. Т. 5. № 4. DOI: 10.15862/07SATS418
16. Qtiashat D., Al Khazaleh M. Influence of Bacillus Subtilis Bacteria on Strength and Durability of Concrete with Silica Fume // Civil and Environmental Engineering. 2022. Vol. 18. Iss. 1. P. 254-264. DOI: 10.28991/CEJ-2025-011-05-013
17. Журавская Н.Е., Шевченко К.В., Журавский Д.А. Биоповреждения бетонных конструкций, мероприятия по восстановлению // Проблемы современного строительства. Мат. Межд. науч.-техн. конф. Минск, 28 мая 2020 г. С. 231-232.
18. Симонов А.А., Алфимов А.В., Бабакулиев Р. Исследование механизма самовосстановления микротрещин в бетонных конструкциях с использованием бактерий // Сб. науч. ст. Всеросс. молод. науч. конф. “За нами будущее: взгляд молодых ученых на инновационное развитие общества”. 2020. Т. 4. С. 81-86.
19. Карпов Д.С., Домашин А.И., Котлов М.И, Осипова П.Д. и др. Биотехнологический потенциал штамма Bacillus subtilis 20 // Молекулярная биология, 2020. T. 54. № 1. С. 137-145. DOI: 10.31857/S0026898420010085
20. Van Dijl J.M., Hecker M. Bacillus subtilis: From soil bacterium to super-secreting cell factory // Microbial Cell Factories. 2013. DOI: 10.1186/1475-2859-12-3
21. Функциональная гастроэнтерология: Bacillus subtilis (cенная палочка) [Электронный ресурс]. URL: https://gastroscan.ru/handbook/144/5648 (дата обращения 20.10.2025).
22. Аль Дулайми С.Д.С. Самовосстанавливающиеся бетоны, модифицированные микробиологической добавкой: дисc. канд. техн. наук. М., 2019. 310 с.
23. Joshi K.A., Kumthekar M.B., Ghodake V.P. Bacillus Subtilis Bacteria impregnation in concrete for enhancement in compressive strength // International Research Journal of Engineering and Technology. 2016. Vol. 3. Iss. 5. P. 1229-1234.
24. De Leeuw N.H., Parker S.C. Surface structure and morphology of calcium carbonate polymorphs calcite, aragonite, and vaterite: an atomistic approach // The Journal of Physical Chemistry B. 1998. Vol. 102. Iss. 16. P. 2914-2922. DOI: 10.1021/jp973210f
25. Jongvivatsakul P., Janprasit K., Nuaklong P., Pungrasmi W., Likitlersuang S. Investigation of the crack healing performance in mortar using microbially induced calcium carbonate precipitation (MICP) method // Construction and Building Materials. 2019. Vol. 212. P. 737-744. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2019.04.035
26. Мальчевский В.А., Береговой В.А., Болдырев С.А., Капустин А.Е., Субботин А.М., Петров С.А. Использования добавки экзометаболита микроорганизма Bacillus cereus, полученного из обводненных грунтов, в качестве пластификатора для улучшения прочности цементных растворов // Байкал - Ворота в Азию. Мат. Межд. науч.-практ. конф. Улан-Удэ, 2021. С. 122-126. DOI: 10.31554/978-5-7925-0605-3-2021-122-126
27. Bacillus cereus - Микробиологический контроль [Электронный ресурс]. URL: https://mibio.ru/mikrobiologiya/mikrobiologicheskij-kontrol-produktov-bacillus-cereus/ (дата обращения 20.10.2025).
28. Achal V., Mukherjee A., Reddy, M.S. Microbial concrete: A way to enhance the durability of building structures // Journal of Materials in Civil Engineering. 2011. Vol. 23(6). P. 730-734. DOI: 10.1061/(ASCE)MT.1943-5533.0000159
29. Xu J., Wang X. Self-healing of concrete cracks by ceramsite-loaded microorganisms // Advances in Materials Science and Engineering. 2018. Vol. 1-12. DOI: 10.1155/2018/5153041
30. Yang Y., Chu J., Cao B., Hanlong L. Biocementation of soil using non-sterile enriched urease-producing bacteria from activated sludge. Journal of Cleaner Production. 2020. 262. 121315. DOI: 10.1016/j.jclepro.2020.121315
31. EurekAlert!: Bacillus cereus under the Microscope [Электронный ресурс]. URL: https://www.eurekalert.org/multimedia/707853 (дата обращения 20.10.2025).
32. Sporosarcina pasteurii - Alchetron, The Free Social Encyclopedia [Электронный ресурс]. URL: https://alchetron.com/Sporosarcina-pasteurii (дата обращения 20.10.2025).
33. Mobley H.L., Hausinger R.P. Microbial ureases: significance, regulation, and molecular characterization // Microbiological Rev. 1989. P. 90-92. DOI: 10.1128/MMBR.53.1.85-108.1989
34. Yoon J.-H., Lee K.-C., Weiss N., Kho Y.H., Kang K.H., Park Y.-H. Sporosarcina aquimarina sp. nov., a bacterium isolated from seawater in Korea, and transfer of Bacillus pasteurii to the genus Sporosarcina // International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology. 2001. P. 1079. DOI: 10.1099/00207713-51-3-1079
35. Mitchell A.C., Ferris F.G. The coprecipitation of Sr into calcite precipitates induced by bacterial ureolysis in artificial groundwater: Temperature and kinetic dependence // Geochimica et Cosmochimica Acta. 2005. P. 4201. DOI: 10.1016/j.gca.2005.03.014
36. Whiffin V.S., van Paassen L.A. & Harkes M.P. Microbial carbonate precipitation as a soil improvement technique // Geomicrobiology Journal. 2007. P. 417. DOI: 10.1080/01490450701436505
37. DeJong J.T., Mortensen B.M., Martinez B.C., Nelson D.C. Bio-mediated soil improvement // Ecological Engineering. 2010. P. 201. DOI: 10.1016/j.ecoleng.2008.12.029
38. Al Qabany A., Soga K. & Santamarina C. Factors affecting efficiency of microbially induced calcite precipitation // Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering. 2012. P. 993. DOI: 10.1061/(ASCE)GT.1943-5606.0000666
39. DeJong J.T., Martinez B.C., Ginn T.R., Hunt C., Major D., and Tanyu B. Development of a Scaled Repeated Five-Spot Treatment Model for Examining Microbial Induced Calcite Precipitation Feasibility in Field Applications // Geotechnical Testing Journal. 2014. Vol. 37. № 3. P. 424-435. 10.1520/ GTJ20130089. ISSN 0149-6115. DOI: 10.1520/GTJ20130089
40. BacDive: Sporosarcina ureae DSM 2281 is a mesophilic bacterium of the family Caryophanaceae [Электронный ресурс]. URL: https://bacdive.dsmz.de/strain/11990.
41. Baskar S., Baskar R., Mauclaire L. Microbially induced calcite precipitation in culture experiments: Possible origin for stalactites in the caves of the Meghalaya Plateau // Current Sci. 2006. P. 58.
42. Чистяков В.А., Сидоренко Н.Г. Живой бетон: как микроорганизмы помогают строительным материалам самовосстанавливаться // Межд. науч.-практ. конф. “Состояние и перспективы развития фундаментальной и прикладной микробиологии”, 24-25 сентября 2025 г. C. 3. DOI: 10.5281/zenodo.17214973
43. Beskopylny A.N., Shcherban’ E.M., Stel’makh S.A., Shilov A.A., Chernil’nik A., El’shaeva D., Chistyakov V.A. Analysis of the Current State of Research on Bio-Healing Concrete (Bioconcrete) // Materials (Basel). 2024 Sep 13;17(18):4508. DOI: 10.3390/ma17184508
44. Aramova O., Kornienko I., Chistyakov V., Alliluyeva E., Kirsanova T. Properties of the urease enzyme as a component of self-healing concrete: Rev. // Construction of Unique Buildings and Structures. 2024; 113:11310.
Выпуск
Другие статьи выпуска
Рассмотрены историко-культурные особенности создания и сохранения трех строительных мегапроектов Цинь Шихуанди. Великая Китайская стена, дворцовый комплекс Эпандун и терракотовая армия должны были стать охранными объектами и жилищами императора при жизни и после смерти. Указанные образцы культурного наследия различаются по основной идее создания, тематике, стилистике, однако их объединяющим свойством является оригинальность и сохранение памяти о Великом императоре. Цель работы – исследование историко-архитектурного содержания объектов китайской эпохи Цинь. В основе лежат наблюдения авторов и их оценка сохранности исследуемых объектов. Эксперты ЮНЕСКО официально зафиксировали ценность, оригинальность и сложность конструкций, характерных для этих крупнейших архитектурных проектов. Инициативы императора продолжают формировать китайскую идеологию и на современном этапе. Благополучие жителей страны во многом определяется особенностями среды, в которой динамично развивающееся пространство соседствует с уникальными памятниками архитектуры и культуры.
Представлены материалы исследований, соответствующие паспорту научной специальности «Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей». Изучены вопросы организации производства, механизации и автоматизации технологических процессов производственных предприятий, обеспечивающих строительство, реконструкцию и эксплуатацию транспортных сооружений материалами, полуфабрикатами и изделиями, и описывающие особенности получения функционально устойчивых дорожных переделов и полуфабрикатов длительного хранения. Показано, что композиционные дорожные переделы и полуфабрикаты длительного хранения открывают широкие возможности для развития нового класса материалов, способных обеспечить повышение срока их службы. Данный класс материалов не подпадает под действие технического регламента Таможенного союза «Безопасность автомобильных дорог». Приведены примеры таких композиционных переделов и полуфабрикатов. Введено новое понятие – триггерный материал, имеющий два и более фазовых состояния устойчивого равновесия и способный переходить из одного в другое при соответствующем воздействии бинарного характера (триггера).
Рассмотрены результаты экспериментальных исследований вяжущей композиции «феррохромовый шлак – жидкое стекло» с целью оптимизации состава и изучения влияния на него различных качественных и количественных факторов. Представлены результаты математического планирования, а также данные натурного эксперимента и оценки адекватности математической модели. Приведены расчеты экстремума полученной математической функции в пятимерном факторном пространстве и определены значения варьируемых факторов, соответствующих максимальной прочности системы «феррохромовый шлак – жидкое стекло».
Использование современных аддитивных технологий за счет автоматизации процесса создания форм и изготовления элементов лепного декора позволяет снизить материальные издержки на проведение строительных работ. Однако задача минимизации расхода строительного материала при этом в полной мере не решается. Описана попытка усовершенствовать методы создания форм с помощью параметрического моделирования, фотограмметрии и 3D-печати. Дана классификация и предложен перечень наиболее часто встречающихся элементов лепного декора. Рассмотрены алгоритмы и особенности разработки скриптов для получения цифровых моделей основных видов форм. Для создания эластичных форм сложной конфигурации предложено использовать сферические объекты – метаболлы. На основе параметрических алгоритмов получен результат в виде полигональных моделей, готовых для 3D-печати. Предложенный метод создания форм позволяет более точно прогнозировать расход строительных материалов и существенно облегчает труд исполнителей работ.
Рассмотрены перспективы использования добавок льняного волокна для повышения физико-механических свойств строительных композитов. Отмечается, что регламентированный подход к вопросам подготовки армирующих добавок из растительного сырья способствует улучшению эксплуатационных характеристик строительных материалов на основе гипса. Установлено, что внесение 1-3% льняного волокна с влажностью 18-20% в гипс марки Г3 существенно (на 83%) повышает прочность на растяжение при изгибе для образцов, полученных из отвержденных гипсовых смесей, и более чем вдвое – прочность на сжатие готовых композитов. Выявлено положительное влияние степени предварительного помола льняного волокна (до 50-70° по шкале Шоппер-Риглера), смешиваемого с гипсом (марка Г3) и водой, на достижение эффекта упрочнения готовых композитов. Разработка таких материалов соответствует современным нормативным и законодательным требованиям в области устойчивого строительства и охраны окружающей среды.
Статистика статьи
Статистика просмотров за 2026 год.
Издательство
- Издательство
- ЯГТУ
- Регион
- Россия, Ярославль
- Почтовый адрес
- 150023, г. Ярославль, Московский проспект, 88; корпус «А», первый этаж, А-125
- Юр. адрес
- 150023, Ярославская обл, г Ярославль, Московский пр-кт, д 88
- ФИО
- Степанова Елена Олеговна (РЕКТОР)
- E-mail адрес
- funikovatn@ystu.ru
- Контактный телефон
- +7 (485) 2441519
- Сайт
- https://ystu.ru