Geri Dön

Microbial nitrate reduction induced autonomous self-healing in concrete

Betonda mikrobiyal nitrat indirgenmesi ile gerçekleşen otonom kendini onarma

PDF İndir

  1. Tez No: 710329
  2. Yazar: YUSUF ÇAĞATAY ERŞAN
  3. Danışmanlar: PROF. DR. NICO BOON
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Biyoteknoloji, Çevre Mühendisliği, İnşaat Mühendisliği, Biotechnology, Environmental Engineering, Civil Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2016
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: Ghent University
  10. Enstitü: Yurtdışı Enstitü
  11. Ana Bilim Dalı: Biyomühendislik ve Bilimleri Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Biyoteknoloji Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 220

Özet

Metabolik aktivitenin bir sonucu olarak üretilen CO2'nin bir kısmı, çözünmeyen karbonatlara dönüştürülebilir ve bu nedenle, Dünya yüzeyinde oluşan tortul karbonat birikintilerinin önemli bir kısmı, hücre içi veya hücre dışı mikrobiyal aktiviteye atfedilir. Bu fenomene mikrobiyal kaynaklı karbonat çökeltmesi (MICP) denir. Aerobik solunum, sülfat indirgeme, demir indirgeme, üre hidrolizi, nitrat indirgeme, metan oksidasyonu ve fotosentez gibi metabolik faaliyetlerin MICP'ye yol açtığı bilinmektedir. Kalsiyum karbonat (CaCO3) çökelmesi, bakteri dünyasında hem yaygın hem de duruma bağlı bir davranıştır; bu, bakterilerin çoğunun, çevresel koşullar uygunsa kalsit kristallerini çökeltebildiği anlamına gelir. Mikroorganizmalar ve inşaat malzemeleri arasındaki etkileşime artan ilgi ile MICP, beton çatlakları için bir onarım stratejisi olarak dikkate alındı. Heterojen matrisi nedeniyle betonun çatlaması neredeyse kaçınılmazdır ve çatlaklar önemli dayanıklılık sorunlarına neden olabilir. Bu nedenle, çatlamaya bağlı dayanıklılık sorunlarını önlemek için yapıların düzenli dış bakımı gereklidir. Mikroişçileri, bakterileri beton yapıların içine yerleştirmek ve CaCO3 gibi dolgu malzemelerini çökeltme yeteneklerinden yararlanmak, harici bakım ihtiyacını ortadan kaldırabilir ve yapıların kendi kendini iyileştirmesini sağlayabilir. Mikrobiyal kendi kendini onaran bir beton geliştirmek için önemli araştırmalar yapılmıştır. Tekniğin mevcut durumunda, bu tür bir kullanım için iki ayrı metabolik yol, aerobik solunum ve üre hidrolizi ve ilgili bakteriler tarif edilmektedir. Bununla birlikte, bu yolların her birinin iyileştirilmesi gereken belirli dezavantajları vardır. Üreoliz, çevre için toksik ve beton matrisi için zararlı olan NH3 üretimine yol açar. Aerobik solunum, çatlak içindeki O2 sınırlamaları nedeniyle çoğunlukla çatlak ağzında etkilidir. Bu nedenle bir alternatif ihtiyacı ortaya çıkmaktadır. Bu tez çalışması, beton çatlaklarının içsel onarımı için biyolojik nitrat (NO3-) azaltımının araştırılmasını sunar. Başlıca hedefler, mikrobiyal kendi kendini iyileştiren betonun geliştirilmesi için alternatif bir metabolik yol olarak biyolojik nitrat (NO3-) azaltma potansiyelini araştırmak ve parametreleri değiştirerek geliştirilen teknolojiyi pazara daha yakın hale getirmekti. NO3 indirgeme yolunun potansiyelini tamamen araştırmak için, ilk aşamada tek tip bakteri içeren aksenik kültürler kullanıldı. Aksenik kültürler ticari koruyucu taşıyıcılarla birleştirildi ve harcın kendi kendini iyileştirme özellikleri üzerindeki etkilerini değerlendirmek için harç içinde test edildi. Aksenik kültürler için bakteriler, dehidrasyon, sıcaklık şoku, açlık ve ek besin ve vitaminlerde kısıtlama gibi bakterilerin beton ortamda karşılaşacakları stres koşullarına benzer stres koşulları uygulanarak topraktan izole edilmiştir. Nitelikli suşlar Diaphorobacter nitroreducens ve Pseudomonas aeruginosa, yalnızca karbon kaynağı (HCOO-), elektron alıcısı (NO3-) ve çökelme başlatıcısı (Ca2+) içeren betona benzer besin ortamı altında MICP performanslarının optimizasyonu için ayrıca araştırıldı. Tek bir inokulumun tekrarlayan çökeltme kapasitesi, sahada tekrarlayan çatlak kapatmanın gerekli olması durumunda araştırıldı. Sonuç olarak Diaphorobacter nitroreducens ve Pseudomonas aeruginosa için sırasıyla 14.1 g CaCO3/g NO3-N ve 18.7 g CaCO3/g NO3-N CaCO3 çökeltme verimleri elde edildi. CaCO3 çökeltme oranları 30-50 mg/saat arasındaydı ve suş direncinin daha fazla ilerlemeye yetecek kadar yüksek olduğu bulundu. Dayanıklılıkları ne olursa olsun, aksenik kültürler, matrisin zamanla büzülmesinden dolayı beton içinde ezilmelerini önlemek için, beton eklenmeden önce koruyucu taşıyıcılar üzerinde hareketsiz hale getirilmelidir. Bu nedenle, diyatomeli toprak tozu, genişletilmiş kil parçacıkları ve granüler aktif karbon parçacıkları gibi ticari koruyucu taşıyıcılar, seçilen Diaphorobacter nitroreducens ve Pseudomonas aeruginosa suşları ile uyumlulukları ve farklı pH ortamlarında (pH 7, pH 9.5 ve pH 13) koruma etkinlikleri açısından test edilmiştir. ). Ayrıca koruyucu taşıyıcıların harca katılmasına uygunluğu araştırılmıştır. En önemli parametre, harç karıştırma sırasında ve harç içinde çatlamaya kadar geçen süre boyunca bakterileri koruma açısından etkinlikleriydi. İkinci olarak, harçla ve çatlak onarımı sırasında bakteri aktivitesi için gerekli olacak besinlerle uyumlulukları test edilmiştir. Son olarak, bakteri aktivitesinin çelik donatı üzerindeki etkisini test etmek gerekliydi. Sonuçlar, tüm koruyucu taşıyıcıların bakterilerle uyumlu olduğunu ve harç ortamında 28 gün hayatta kalmalarını sağladığını göstermiştir. Çatlak yüzeylerinden toplanan bakterilerden önemli bakteri aktivitesi elde edilebilir. Araştırılan koruyucu taşıyıcılar arasında diyatomlu toprak, harç eklenmesi sırasında bakteri koruması açısından agrega benzeri taşıyıcılardan %20 daha az verimli olmuştur. Ayrıca diyatomlu toprak, bakterilerin çatlak onarımı için ihtiyaç duyduğu besin maddeleri ile uyumlu olmadığı için harç priz süresinde yaklaşık 130 dakika azalmaya neden olmuştur. Genişletilmiş kil partikülleri ve granüler aktif karbon partikülleri, hem harç hem de besin maddeleri ile büyük uyumluluk gösterdi, dolayısıyla harç özelliklerini önemli ölçüde etkilemedi. Bakteri-çelik etkileşimi ile ilgili olarak, mikrobiyal üretilen NO2- nedeniyle korozyon inhibisyonunu gösteren olumlu sonuçlar elde edilmiştir. Bu nedenle, daha fazla araştırma için bakterileri kullanmak güvenli ve faydalıydı ve bu tür testlerde taşıyıcı olarak ya genişletilmiş kil parçacıkları ya da granüler aktif karbon parçacıkları kullanılabilir. Kendi kendini onaran betonun geliştirilmesi için biyolojik NO3 azaltımının potansiyelini kanıtlamak için harcın çatlak iyileştirme potansiyelindeki gelişmeyi araştırmak gerekliydi. Seçilmiş aksenik bakteri suşları Diaphorobacter nitroreducens ve Pseudomonas aeruginosa, genişletilmiş kil parçacıkları veya granüler aktif karbon parçacıkları (% 5 ağ/ağ çimento) kullanılarak harca (% 0,5 ağ/ağ çimento) dahil edildi ve içsel çatlak onarımı için test edildi. 100 ile 750 µm arasında değişen çatlak genişliklerine sahip çatlakların iyileşmesi test edilmiştir. Çatlamış numuneler 28 gün boyunca tamamen suya daldırıldığında, bakteri içerenlerin iyileşme potansiyeli ~400 µm olmuştur. Bakteri veya koruyucu taşıyıcı değiştirildiğinde önemli bir fark elde edilmedi. Daldırma süresi 56 güne uzatıldığında örneklerin iyileşme potansiyeli ~500 µm olarak kaydedildi. ~450 µm çatlağın 56 günlük iyileşmesinin sonunda, su geçirmezlik geri kazanımı ~%85 olmuştur. Sonunda, sonuçlar biyolojik NO3 indirgeme potansiyelini kanıtladı ve böylece teknolojiyi uygulamaya daha yakın hale getirmek için iyileştirici ajanların modifikasyonları için daha fazla özgürlük yarattı. Mikrobiyal kendi kendini iyileştiren beton, konsepti kanıtlamak için tipik olarak kullanılan aksenik kültürler bu tez çalışmasında incelenen aynı miktarda uygulanırsa, yaklaşık 1300 ila 2800 €/m3 betona mal olabilir. Ana hedeflerden biri, geliştirilen teknolojiyi pazara yaklaştırmak olduğundan, olası bakteri ajanları üzerindeki araştırmaları genişletmek gerekiyordu. Bu nedenle, aksenik olmayan kültürlerin kullanılması düşünülmüştür. Yenilikçi bir yaklaşım izlendi ve laboratuvar ölçeğinde birçok farklı bakteriden (granül içeriğinin %70'i) oluşan özel biyo-granüller üretildi ve kendinden korumalı bir bakteri ajanı olarak daha fazla araştırıldı. Farklı pH koşullarında (pH 7, pH 9.5 ve pH 13) performansları ve harcın eklenmesinden sonraki etkinlikleri test edildi. Ayrıca, harç ile olan uyumları, basınç dayanımı ve harcın prizindeki değişimler değerlendirilerek araştırılmıştır. Herhangi bir dış koruma veya taşıyıcı olmadan, biyo-granüller, benzer çevresel koşullar altında korunan aksenik kültürlerle elde edilenlerle karşılaştırılabilir performans gösterdi. Ayrıca, granüller, araştırılan dozlarda (%0.7 w/w çimento ve %1.4 w/w çimento) harç ile oldukça uyumluydu ve bu da onları aksenik kültürlere umut verici alternatifler haline getirdi. Korunan aksenik kültürlerin kendinden korumalı aksenik olmayan kültürlerle değiştirilmesi nedeniyle mikrobiyal kendi kendini iyileştiren betonun performansındaki olası değişiklik test edilmelidir. Bu nedenle, granül halde bakteri içeren harç numuneleri (0.5 ve %1 bakteri w/w çimento dozunda) hazırlanmış ve 28 gün sonra çekme yüküne maruz bırakılarak çatlak genişlikleri 90 – 640 µm arasında değişen çoklu çatlaklar oluşturulmuştur. 6 aylık kürlemeden sonra oluşan olgun çatlakların kendi kendini iyileştirme performansını test etmek için aynı numuneler hazırlanmıştır. Mikrobiyal numunelerde etkin bir şekilde kendini iyileştiren çatlak genişlikleri, erken yaş çatlakları ve olgun çatlaklar için ~500 µm ve ~400 µm olarak kaydedilmiştir. ~450 µm çatlak genişliğinin 28 günlük iyileşmesinden sonra, su geçirmezlik geri kazanımı %74'e kadar çıkmıştır. Ayrıca, 28 günlük iyileşmeden sonra, çatlak içinde mikrobiyal kaynaklı CaCO3 çökelmesi nedeniyle ~400 µm çatlak genişliğinden su geçirgenliği %80 azaldı. Erken yaştaki çatlakların ve olgun çatlakların iyileşmesi için bakterilerden istikrarlı performans elde edilebilirken, otojen kendi kendini iyileştirme ve dolayısıyla toplam iyileşme potansiyeli zamanla önemli ölçüde azaldı. Sonuç olarak, bu tez çalışmasında, mikrobiyal kendi kendini iyileştiren betonun geliştirilmesi için biyolojik NO3 azaltımının önemli potansiyeli başarılı bir şekilde gösterilmiş ve bakteriyel ajanların modifikasyonu çalışmaları ile mikrobiyal kendi kendini iyileştiren betonun maliyeti ~240'a düşürülmüştür. €/m3 beton. İleride yapılacak çalışmalarda, teknolojinin kısıtlılıklarının ve iyileştirme alanlarının belirlenmesinde aksenik kültürlerin, uygulama amaçlı ise aksanik olmayan kültürlerin, özellikle kendini koruyan aksenik olmayan kültürlerin kullanılması önerilmektedir.

Özet (Çeviri)

A portion of CO2 produced as a result of metabolic activity can be converted into insoluble carbonates and thus substantial amount of the sedimentary carbonate deposits formed at the Earth's surface is attributed to intra- or extracellular microbial activity. The phenomenon is called microbial induced carbonate precipitation (MICP). The metabolic activities, namely aerobic respiration, sulfate reduction, iron reduction, urea hydrolysis, nitrate reduction, methane oxidation and photosynthesis are known to give rise to MICP. Calcium carbonate (CaCO3) precipitation is a common as well as a circumstantial behavior in the bacterial world, which implies that most of the bacteria are able to precipitate calcite crystals if the environmental conditions favor them. By the growing interest in the interaction between microorganisms and construction materials, MICP came into consideration as a repair strategy for concrete cracks. Due to its heterogeneous matrix, cracking of concrete is almost inevitable and the cracks may cause significant durability problems. Therefore, regular external maintenance of the structures is required to prevent cracking related durability issues. Placing micro-laborers, the bacteria, inside the concrete structures and exploiting their ability to precipitate filling materials such as CaCO3 may avoid the need for extrinsic maintenance and make the structures self-healing. Significant research has been conducted to develop a microbial self-healing concrete. In the current state of the art two separate metabolic pathways, aerobic respiration and urea hydrolysis, and the respective bacteria are described for such utilization. However, each of these pathways has certain drawbacks that require improvement. Ureolysis leads to NH3 production which is toxic for the environment and harmful for the concrete matrix. Aerobic respiration is mostly efficient at the crack mouth due to the O2 limitations inside the crack. Therefore, a need for an alternative arises. This thesis work presents the investigation of biological nitrate (NO3-) reduction for intrinsic repair of concrete cracks. The major objectives were to explore the potential of biological nitrate (NO3-) reduction as an alternative metabolic pathway for development of microbial self-healing concrete and to bring the developed technology closer to market by modifying parameters. In order to purely investigate the potential of NO3- reduction pathway, axenic cultures containing single type of bacteria were used at initial stage. The axenic cultures were combined with commercial protective carriers and tested in mortar to evaluate their influence on self-healing properties of mortar. The bacteria for axenic cultures were isolated from soil by applying stress conditions that are similar to the ones the bacteria would face in concrete environment such as dehydration, temperature shock, starvation and limitation in supplementary nutrients and vitamins. Qualifying strains Diaphorobacter nitroreducens and Pseudomonas aeruginosa were further investigated for optimization of their MICP performance under concrete similar nutrient environment which contains only the carbon source (HCOO-), electron acceptor (NO3-) and precipitation initiator (Ca2+). Repetitive precipitation capability of a single inoculum was investigated in case repetitive crack closure would be required on site. As a result CaCO3 precipitation yields of 14.1 g CaCO3/g NO3-N and 18.7 g CaCO3/g NO3-N were achieved for Diaphorobacter nitroreducens and Pseudomonas aeruginosa, respectively. The CaCO3 precipitation rates were between 30-50 mg/h and the strain resilience was found high enough to proceed further. Regardless of their resilience axenic cultures should be immobilized on protective carriers prior to concrete incorporation to prevent their being crushed inside the concrete due to the shrinkage of the matrix in time. Therefore, commercial protective carriers like diatomaceous earth powder, expanded clay particles and granular activated carbon particles were tested for their compatibility with the selected strains Diaphorobacter nitroreducens and Pseudomonas aeruginosa and for their protection efficiency in different pH environments (pH 7, pH 9.5 and pH 13). Furthermore, the suitability of protective carriers for mortar incorporation was investigated. The most important parameter was their effectiveness in terms of protecting bacteria during mortar mixing and the subsequent period inside the mortar until cracking. Secondly, their compatibility with mortar and with the nutrients that would be necessary for bacterial activity during crack repair, were tested. Finally, it was necessary to test the influence of bacterial activity on steel reinforcement. Results indicated that all the protective carriers were compatible with the bacteria and enabled their survival in mortar environment for 28 days. Significant bacterial activity could be achieved from the bacteria collected from crack surfaces. Among the investigated protective carriers diatomaceous earth was 20 % less efficient than the aggregate like carriers in terms of bacteria protection during mortar incorporation. Additionally, diatomaceous earth was not compatible with the nutrients that bacteria require for crack repair, thus caused about 130 minutes decrease in mortar setting time. Expanded clay particles and granular activated carbon particles showed great compatibility with both mortar and the nutrients, hence did not influence the mortar properties significantly. Regarding the bacteria-steel interaction, positive results indicating corrosion inhibition due to the microbial produced NO2-, were obtained. Therefore, it was safe and beneficial to use the bacteria for further investigation and either expanded clay particles or granular activated carbon particles could be used as carrier in such tests. In order to evidence the potential of biological NO3- reduction for development of self-healing concrete, it was necessary to investigate the improvement in crack healing potential of mortar. Selected axenic bacterial strains Diaphorobacter nitroreducens and Pseudomonas aeruginosa were incorporated in mortar (0.5 % w/w cement) by using either expanded clay particles or granular activated carbon particles (5 % w/w cement) and tested for intrinsic crack repair. Healing of cracks with crack widths varying from 100 to 750 µm were tested. When the cracked specimens were fully immersed in water for 28 days, the healing potential for the ones containing bacteria was ~400 µm. No significant difference was achieved when either the bacteria or the protective carrier was interchanged. When the immersion time was extended to 56 days, the healing potential of the specimens were recorded as ~500 µm. At the end of 56 days healing of ~450 µm crack, the water tightness regain was ~85 %. Eventually, the results evidenced the potential of biological NO3- reduction and thus created more freedom for modifications of healing agents to bring the technology closer to application. Microbial self-healing concrete can cost around 1300 to 2800 €/m3 concrete if axenic cultures typically used to prove the concept are implemented at the same amount investigated in this thesis work. Since one of the main objectives was to bring the developed technology closer to the market, it was necessary to extend the research on possible bacterial agents. Therefore, use of non-axenic cultures was considered. An innovative approach was followed and special bio-granules consisting of many different bacteria (70 % of the granule content) were produced at lab scale and further investigated as a self-protected bacterial agent. Their performance at different pH conditions (pH 7, pH 9.5 and pH 13) and subsequent activity after mortar incorporation were tested. Furthermore, their compatibility with mortar was investigated by evaluating changes in compressive strength and setting of mortar. Without any external protection or a carrier, bio-granules showed comparable performances with those achieved with the protected axenic cultures under similar environmental conditions. Furthermore, the granules were highly compatible with the mortar at the investigated doses (0.7 % w/w cement and 1.4 % w/w cement) which made them promising alternatives to axenic cultures. The possible variation in the performance of microbial self-healing concrete due to the replacement of protected axenic cultures with self-protected non-axenic cultures should be tested. Therefore, mortar specimens containing bacteria in the granular form (at a dose 0.5 and 1 % bacteria w/w cement) were prepared and subjected to tensile load after 28 days to create multiple cracks with the crack widths ranging between 90 – 640 µm. Identical specimens were prepared to test the self-healing performance of mature cracks that were created after 6 months curing. Effectively self-healing crack widths in the microbial specimens were recorded as ~500 µm and ~400 µm for early age cracks and mature cracks. After 28 days healing of a ~450 µm crack width the water tightness regain was up to 74 %. Moreover, after 28 days healing, the water permeability through a ~400 µm crack width decreased by 80 % due to the microbial induced CaCO3 precipitation inside the crack. Stable performance from bacteria could be achieved for healing of the early age cracks and mature cracks while the autogenous self-healing and thus the total healing potential significantly decreased in time. In conclusion, in this thesis work, the significant potential of biological NO3- reduction for development of microbial self-healing concrete was successfully demonstrated and by the efforts on modification of bacterial agents, the cost of microbial self-healing concrete was reduced to ~240 €/m3 concrete. In future studies, it is recommended to use axenic cultures for determining the constrains of the technology and the rooms for improvement, while non-axenic cultures, particularly the self-protected non-axenic cultures, for application purposes.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    896591

    Improvement of the quality of recycled fine aggregates by microbial induced calcium carbonate precipitation

    Geri dönüştürülmüş ince agregaların özelliklerinin mikrobiyal kalsiyum karbonat çökelmesi ile iyileştirilmesi

    EKİN ARIKAN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Çevre MühendisliğiHacettepe Üniversitesi

    Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. YUSUF ÇAĞATAY ERŞAN

  2. Tez No

    896555

    Investigation of the simultaneous urea hydrolysis and denitrification activity of biogranules under various environmental conditions and their comparison with the inherently present pure cultures

    Biyogranüllerin simültane üre hidrolizi ve denitrifikasyon aktivitelerinin farklı ortam koşullarında incelenmesi ve içeriğindeki saf kültürlerle kıyaslanması

    MEVLÜT SOLUK

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    BiyoteknolojiHacettepe Üniversitesi

    Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. YUSUF ÇAĞATAY ERŞAN

  3. Tez No

    775573

    Geopolimer harcın mağara bakterileri kullanılarak kendi kendine iyileştirilmesi

    Self-healing of geopolymer mortar using cave bacteria

    YAĞMUR AVCI

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Biyoteknolojiİstanbul Üniversitesi

    Biyoloji Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. NİHAL DOĞRUÖZ GÜNGÖR

    PROF. DR. MÜCTEBA UYSAL

  4. Tez No

    323988

    Determination of biodegradation capacity of erythromycin under anoxic and anaerobic conditions

    Eritromisinin biyodegradasyon kapasitesinin anoksik ve anaerobik koşullarda belirlenmesi

    NEŞE COŞKUN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2011

    Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ORHAN İNCE

  5. Tez No

    577699

    Lipopolisakkarit ile sıçanlarda oluşturulan sistemik inflamatuvar yanıt ve ilişkili nöroinflamasyonda MTOR'un rolünün araştırılması

    Investigation of the role of MTOR in systemic inflammatory response and associated neuroinflammation in rats with Lipopolysaccharide

    DEMET SİNEM GÜDEN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    Eczacılık ve FarmakolojiMersin Üniversitesi

    Eczacılık Farmakoloji Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SEYHAN ŞAHAN FIRAT

Geri Dön