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“ESTUDIOS DE BIOMINERALIZACIÓN BACTERIANA PARA LA CONSOLIDACIÓN DEL TAJO DE SAN PEDRO”

“ESTUDIOS DE BIOMINERALIZACIÓN BACTERIANA PARA LA CONSOLIDACIÓN DEL TAJO DE SAN PEDRO”. Carlos Rodríguez Navarro. Catedrático de Mineralogía y Petrología, UGR.

1 de 31
ESTUDIOS DE BIOMINERALIZACIÓN
BACTERIANA PARA LA CONSOLIDACIÓN
DEL TAJO DE SAN PEDRO
Carlos Rodriguez-Navarro y Kerstin Elert
Departamento de Mineralogía y Petrología
Universidad de Granada
Biomineralización bacteriana
De Muynck et al. Ecol. Eng. 2010
Ureolytic bacteria
CaCO3
NH3 + H2O  NH4
+ + OH-
CO2 + H2O  H2CO3  HCO3
- + H+ CO3
2- + 2H+
Ca2+ + CO3
2-  CaCO3
calcita vaterita
Biominerales
Las bacterias juegan un papel
clave en la formación de rocas
carbonatadas en la Naturaleza
Proceso natural y ubicuo
Biomineralización bacteriana de CaCO3
The Getty Center
Biomineralización y conservación del Patrimonio Histórico
CaCO3 en conchas
Mineralización
de CaCO3
inducida por
bacterias
PROBLEMA
Tratamientos
convencionales
Nueva aproximación
Biomineralización
Science, 300, 577 (2003)
calcita
Molde de
bacterias
Mayan mural paintings
Giorgi et al. Accounts Chem. Res. 43, 695 (2010).
Métodos de protección/consolidación bacteriana
Método 1: Inoculación con una especie exógena (método CALCITE )
1. Spray 2. Nutrición 3. Biomineralización 4. Recalcificación
Método 2: Activación de las bacterias carbonatogenica del sustrato (método UGR)
1. Spray 2. Nutrición 3. Biomineralización 4. Recalcificación
Metodo 1: con grandes limitaciones: a) Complejidad; b) Coste; c) Problemas
con el método original CALCITE (penetración limitada, consolidación limitada,
uso de bacterias patógenas: Bacillus cereus)
(Schemes from: Jacque Livage, Collège de France)
Capilla Real
Tratamiento bacteriano (Método 2)
Scotch tape test
0
10
20
30
40
50
Weight
loss
(g/m2)
1
Before After
Patented M-3P
nutritive medium
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Depth (mm)
Drilling
resistance
(N/mm) Bacterial treatment
Control
Paraloid
Mowital
Ethyl silicate
Resistencia al taladrado
Copan
Honduras
Bacterial Conservation
Temple 18
Sterile culture
medium M-3P
Copan-2 to 5
Copan-11
Copan-12
Copan-13
Copan-1
Copan-6 and 7
Copan-8 and 9
Copan-10
H
2019
G
2018
F
Micrococcus
Copan stone After treatment
Calcified Bacterial cells
0
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2
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treatment
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DR
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Depth (mm)
Before treatment
After treatment
A B Before
treatment
( = 16 )
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( = 93 )
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Time (s)
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Before treatment
After treatment
0
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0.003
0.004
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0 10000 20000 30000
Time (s)
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After treatment
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°2q (Cu Ka)
Intensity
(a.u.)
1.5 3 4.5 6 7.5 9
°2q (Cu Ka)
Intensity
(a.u.)
E F
Before treatment
After treatment
001Mont
Copan 11
Copan 13
Copan 12
001Mont
110Mord
Copan 11
53 Å
48 Å
44 Å
001Mont
15 Å
211Analcime
5.6 Å
Beamstop
Tratamiento de conservación bacteriana: Método 2
Piedra volcánica de Copan
0 2 4 6 8 10
Depth (mm)
Before treatment
After treatment
Before
treatment
( = 16 )
After
treatment
( = 93 )
C
F
Copan 11
48 Å
0
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Weight
loss
(g
Before
treatment
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treatment
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0 2 4 6 8 1
DR
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Time (s)
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Before treatment
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0
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Strain
Wetting
Drying
After treatment
D
1.5 3 4.5 6 7.5 9
°2q (Cu Ka)
Intensity
(a.u.)
E
Before treatment
After treatment
001Mont
Aplicaciones de la biomineralización bacteriana
Autosellado de grietas en hormigón
Ghent University
Cementación de arena y suelos
Bacterias ureolíticas (Bacillus pasteurii, B. subtilis)
Bacillus pateurii
Sporosarcina pasteurii
Con bacterias
Consolidación de suelos
Geosyntec.com
Aplicaciones de la biomineralización bacteriana
Consolidación de suelos
Aplicaciones de la biomineralización bacteriana
Coste = 25 a 75 US$ m3
100 m3
Futuro:
Bioestimulación de
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m prof.
El Tajo de San Pedro
“ESTUDIOS DE BIOMINERALIZACIÓN BACTERIANA PARA LA CONSOLIDACIÓN DEL TAJO DE SAN PEDRO”
Conglomerado Alhambra
Tajo de San Pedro
10 cm
Composición Mineralógica (Difracción de rayos-X)
Barranco gris
Chamosite
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Quartz
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By Eric Doehne
0
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Time (min)
Length
increase
(%)
First cycle Second cycle
Water added
Hydric expansion
Rodriguez-Navarro et al (1998) JAIC
Estel Calosil NanoEstel 2M KOH Bacteria
Untreated Bacteria NanoEstel Calosil 2M KOH Estel
Tratamiento de conservación bacteriana: Método 2
Tapial
Microproyecto “Ciencia en
la Alhambra”
Dirección: Kerstin Elert
Tratamiento de conservación bacteriana: Método 2
Bacterias calcificadas
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Consolidación bacteriana del Tajo de San Pedro
Estudio de viabilidad
Preparación de Muestras
12 cm
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LOS TRATAMIENTOS:
1) Solución nutritiva para bacterias carbonatogénicos indígenas (M-3P)
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(Sporosarcina pasteurii) cultivadas en el laboratorio
Evaluación de los Tratamientos
Diagramas de
TG/DSC de los
materiales sin tratar
(control) y tratados
(M-3p, Urea, y
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Concentración de carbonato cálcico (CaCO3) en las muestras
sin tratar (control) y tratadas. Datos en % en peso.
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Evaluación de los Tratamientos
8 cm
Sistema de medición de la resistencia a
la perforación (DRMS) usado para la
evaluación de la eficacia de los
tratamientos de bioconsolidación.
0
0.2
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0 5 10 15
Force
(N)
Drilling depth (mm)
CONTROL
M 3P
UREA
UREA+BACTERIA
Resultados de las medidas de la
resistencia a la perforación de
bloques de tierra antes (control) y
después de la bioconsolidación.
Evaluación de los Tratamientos
0
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2
2,5
3
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0 2 4 6 8 10
MPa
mm
(MPa)
Esfuerzo de
compresión (MPa)
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Control
M-3P
Urea
Urea + Bac
Curvas de esfuerzo/deformación y resistencia a compresión de
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Evaluación de los Tratamientos
4 cm
Control M-3P Urea Urea+Bacteria
a
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Control
Aspecto de los bloques de tierra sin tratar y consolidados con las
distintas soluciones nutritivas antes (a) y después de la inmersión en
agua durante 5 minutos (b y c).
Evaluación de los Tratamientos
Pérdida de material de bloques de tierra sin tratar y consolidados
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Evaluación de los Tratamientos
Microbiota TOTAL
(UFC*/g)
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(%)
Barranco de Tejar (7.7 ± 0.2) x 104 99
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Muestras extraídas de los bloques de tierra del Barranco de Tejar
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TOTAL (UFC*/g)
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Muchas gracias por su atención

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“ESTUDIOS DE BIOMINERALIZACIÓN BACTERIANA PARA LA CONSOLIDACIÓN DEL TAJO DE SAN PEDRO”

  • 1. ESTUDIOS DE BIOMINERALIZACIÓN BACTERIANA PARA LA CONSOLIDACIÓN DEL TAJO DE SAN PEDRO Carlos Rodriguez-Navarro y Kerstin Elert Departamento de Mineralogía y Petrología Universidad de Granada
  • 2. Biomineralización bacteriana De Muynck et al. Ecol. Eng. 2010 Ureolytic bacteria CaCO3 NH3 + H2O  NH4 + + OH- CO2 + H2O  H2CO3  HCO3 - + H+ CO3 2- + 2H+ Ca2+ + CO3 2-  CaCO3 calcita vaterita Biominerales
  • 3. Las bacterias juegan un papel clave en la formación de rocas carbonatadas en la Naturaleza Proceso natural y ubicuo Biomineralización bacteriana de CaCO3 The Getty Center
  • 4. Biomineralización y conservación del Patrimonio Histórico CaCO3 en conchas Mineralización de CaCO3 inducida por bacterias PROBLEMA Tratamientos convencionales Nueva aproximación Biomineralización Science, 300, 577 (2003) calcita Molde de bacterias Mayan mural paintings Giorgi et al. Accounts Chem. Res. 43, 695 (2010).
  • 5. Métodos de protección/consolidación bacteriana Método 1: Inoculación con una especie exógena (método CALCITE ) 1. Spray 2. Nutrición 3. Biomineralización 4. Recalcificación Método 2: Activación de las bacterias carbonatogenica del sustrato (método UGR) 1. Spray 2. Nutrición 3. Biomineralización 4. Recalcificación Metodo 1: con grandes limitaciones: a) Complejidad; b) Coste; c) Problemas con el método original CALCITE (penetración limitada, consolidación limitada, uso de bacterias patógenas: Bacillus cereus) (Schemes from: Jacque Livage, Collège de France)
  • 6. Capilla Real Tratamiento bacteriano (Método 2) Scotch tape test 0 10 20 30 40 50 Weight loss (g/m2) 1 Before After Patented M-3P nutritive medium 0 2 4 6 8 10 12 14 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Depth (mm) Drilling resistance (N/mm) Bacterial treatment Control Paraloid Mowital Ethyl silicate Resistencia al taladrado
  • 8. Bacterial Conservation Temple 18 Sterile culture medium M-3P Copan-2 to 5 Copan-11 Copan-12 Copan-13 Copan-1 Copan-6 and 7 Copan-8 and 9 Copan-10 H 2019 G 2018 F
  • 9. Micrococcus Copan stone After treatment Calcified Bacterial cells
  • 10. 0 50 100 150 200 Weight loss (g/m 2 ) Before treatment After treatment 0 5 10 15 20 25 30 35 0 2 4 6 8 10 DR (N) Depth (mm) Before treatment After treatment A B Before treatment ( = 16 ) After treatment ( = 93 ) C 0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0 500 1000 1500 2000 Time (s) Strain Before treatment After treatment 0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0 10000 20000 30000 Time (s) Strain Wetting Drying After treatment D 1.5 3 4.5 6 7.5 9 °2q (Cu Ka) Intensity (a.u.) 1.5 3 4.5 6 7.5 9 °2q (Cu Ka) Intensity (a.u.) E F Before treatment After treatment 001Mont Copan 11 Copan 13 Copan 12 001Mont 110Mord Copan 11 53 Å 48 Å 44 Å 001Mont 15 Å 211Analcime 5.6 Å Beamstop Tratamiento de conservación bacteriana: Método 2 Piedra volcánica de Copan 0 2 4 6 8 10 Depth (mm) Before treatment After treatment Before treatment ( = 16 ) After treatment ( = 93 ) C F Copan 11 48 Å 0 50 100 Weight loss (g Before treatment After treatment 0 5 10 15 20 0 2 4 6 8 1 DR (N) Depth (mm) 0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0 500 1000 1500 2000 Time (s) Strain Before treatment After treatment 0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0 10000 20000 30000 Time (s) Strain Wetting Drying After treatment D 1.5 3 4.5 6 7.5 9 °2q (Cu Ka) Intensity (a.u.) E Before treatment After treatment 001Mont
  • 11. Aplicaciones de la biomineralización bacteriana Autosellado de grietas en hormigón Ghent University Cementación de arena y suelos Bacterias ureolíticas (Bacillus pasteurii, B. subtilis) Bacillus pateurii Sporosarcina pasteurii Con bacterias
  • 12. Consolidación de suelos Geosyntec.com Aplicaciones de la biomineralización bacteriana
  • 13. Consolidación de suelos Aplicaciones de la biomineralización bacteriana Coste = 25 a 75 US$ m3 100 m3 Futuro: Bioestimulación de bacterias ureolíticas: 12 m prof.
  • 14. El Tajo de San Pedro
  • 16. Conglomerado Alhambra Tajo de San Pedro 10 cm
  • 17. Composición Mineralógica (Difracción de rayos-X) Barranco gris Chamosite (Chloride) Illite Paragonite Quartz Kaolinite Chloride Dolomite Calcite Feldspar Barranco rojo Palacio Tajo de San Pedro °2ϴ Muestras en polvo
  • 18. Composición Mineralógica (Difracción de rayos-X) Tajo de San Pedro Agregados Orientados – Fracción Arcilla Illita Clorita/ Caolinita Esmectita Cuarzo Calcita Feldespatos Clorita
  • 19. Daño por expansión de arcillas Expansión ESEM By Eric Doehne 0 1 2 3 4 5 0 200 400 600 800 1000 Time (min) Length increase (%) First cycle Second cycle Water added Hydric expansion Rodriguez-Navarro et al (1998) JAIC
  • 20. Estel Calosil NanoEstel 2M KOH Bacteria Untreated Bacteria NanoEstel Calosil 2M KOH Estel Tratamiento de conservación bacteriana: Método 2 Tapial Microproyecto “Ciencia en la Alhambra” Dirección: Kerstin Elert
  • 21. Tratamiento de conservación bacteriana: Método 2 Bacterias calcificadas EPS
  • 22. Consolidación bacteriana del Tajo de San Pedro Estudio de viabilidad
  • 23. Preparación de Muestras 12 cm Preparación de bloques de tierra usando moldes de madera. 4 cm Bloques de tierra antes del tratamiento. LOS TRATAMIENTOS: 1) Solución nutritiva para bacterias carbonatogénicos indígenas (M-3P) 2) Solución nutritiva para bacterias ureolíticas indígenas (Sporosarcina pasteurii) 3) Solución nutritiva para bacterias ureolíticas y bacterias ureolíticas (Sporosarcina pasteurii) cultivadas en el laboratorio
  • 24. Evaluación de los Tratamientos Diagramas de TG/DSC de los materiales sin tratar (control) y tratados (M-3p, Urea, y Urea+bacterias). Concentración de carbonato cálcico (CaCO3) en las muestras sin tratar (control) y tratadas. Datos en % en peso. Control M-3P Urea Urea + Bacterias CaCO3 4.29 7.05 5.59 5.71
  • 25. Evaluación de los Tratamientos 4 µm d 1 µm Imágenes de FESEM de células bacterianas calcificadas
  • 26. Evaluación de los Tratamientos 8 cm Sistema de medición de la resistencia a la perforación (DRMS) usado para la evaluación de la eficacia de los tratamientos de bioconsolidación. 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 0 5 10 15 Force (N) Drilling depth (mm) CONTROL M 3P UREA UREA+BACTERIA Resultados de las medidas de la resistencia a la perforación de bloques de tierra antes (control) y después de la bioconsolidación.
  • 27. Evaluación de los Tratamientos 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 0 2 4 6 8 10 MPa mm (MPa) Esfuerzo de compresión (MPa) (MPa) Control M-3P Urea Urea + Bac Curvas de esfuerzo/deformación y resistencia a compresión de las muestras antes (control) y después del tratamiento.
  • 28. Evaluación de los Tratamientos 4 cm Control M-3P Urea Urea+Bacteria a b c Control Aspecto de los bloques de tierra sin tratar y consolidados con las distintas soluciones nutritivas antes (a) y después de la inmersión en agua durante 5 minutos (b y c).
  • 29. Evaluación de los Tratamientos Pérdida de material de bloques de tierra sin tratar y consolidados con las distintas soluciones nutritivas durante la inmersión en agua.
  • 30. Evaluación de los Tratamientos Microbiota TOTAL (UFC*/g) Carbonatogénica (%) Barranco de Tejar (7.7 ± 0.2) x 104 99 Tajo de San Pedro (3.7 ± 0.4) x 104 98 Muestras extraídas de los bloques de tierra del Barranco de Tejar después de los tratamientos Microbiota TOTAL (UFC*/g) Carbonatogénica (%) Tratamiento M-3P (3.8 ± 0.2) x 106 100 Tratamiento UREA (1.2 ± 0.2) x 107 100 Tratamiento UREA + Bacteria (1.0 ± 0.8) x 107 100 Muestras de la Alhambra antes de tratarlas
  • 31. Muchas gracias por su atención

Notas del editor

  1. La precipitación de carbonatos de calcio por bacterias es un procesos muy común en la naturaleza, ya que tiene lugar en multiples ambientes, tales como en suelos, lagos y en cuevas, como vemos en la imgen. El carbonato calcico, la calcita de estas estalactitas y estalagmitas se ha formado por la accien de tales bacteria carbonatogenicas, que en general son ademas de muy comunes, no son patogenas. Aquí vemos los restos de bacillus que han formado estas estructuras.
  2. Muchas Gracias por su atención