Sporosarcina pasteurii -Sporosarcina pasteurii
| Sporosarcina pasteurii | |
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Sporosarcina pasteurii
Bergey 2004
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Sporosarcina pasteurii anteriormente conhecido como Bacillus pasteurii de mais velhos taxonomia , é uma gram positiva bactéria com a capacidade de precipitado a calcite e a areia Solidify dada uma cálcio fonte e ureia ; através do processo de precipitação de calcita induzida microbiologicamente (MICP) ou cimentação biológica. Foi proposto que S. pasteurii seja usado como um material de construção biológico ecologicamente correto. Os pesquisadores estudaram a bactéria em conjunto com plástico e mineral duro; formando um material mais forte que o osso. É comumente usado para MICP, uma vez que não é patogênico e é capaz de produzir grandes quantidades da enzima urease, que hidrolisa a ureia em carbonato e amônia .
Fisiologia
S. pasteurii é uma bactéria gram positiva que tem a forma de bastonete por natureza. Ele tem a capacidade de formar endosporos nas condições ambientais adequadas para aumentar sua sobrevivência, o que é uma característica de sua classe de bacilos . Tem dimensões de 0,5 a 1,2 mícron de largura e 1,3 a 4,0 mícron de comprimento. Por ser um alcalifílico , ele se desenvolve em ambientes básicos de pH 9 a 10. Ele pode sobreviver a condições relativamente adversas até um pH de 11,2.
Metabolismo e crescimento
S. pasteurii são anaeróbios facultativos do solo que são heterotróficos e requerem uréia e amônio para o crescimento. O amônio é utilizado para permitir que os substratos atravessem a membrana celular para dentro da célula. A uréia é usada como fonte de nitrogênio e carbono para a bactéria. S. pasteurii são capazes de induzir a hidrólise da ureia e usá-la como fonte de energia, produzindo e secretando a enzima urease . A enzima hidrolisa a uréia para formar carbonato e amônia. Durante essa hidrólise, mais algumas reações espontâneas são realizadas. O carbamato é hidrolisado em ácido carbônico e amônia e depois hidrolisado em amônio e bicarbonato . Esse processo faz com que o pH da reação aumente 1-2 pH, tornando o ambiente mais básico, o que promove as condições em que essa bactéria específica se desenvolve. Manter um meio com esse pH pode ser caro para a produção em larga escala dessa bactéria para biocimentação. Uma ampla gama de fatores pode afetar a taxa de crescimento de S. pasteurii. Isso inclui encontrar a temperatura ideal, pH, concentração de ureia, densidade bacteriana, níveis de oxigênio, etc. Foi descoberto que a temperatura ideal de crescimento é 30 ° C, mas isso é independente dos outros fatores ambientais presentes. Uma vez que S. pasteurii são halotolerantes , eles podem crescer na presença de baixas concentrações de íons cloreto aquoso que são baixas o suficiente para não inibir o crescimento de células bacterianas. Isso mostra aplicações promissoras para uso de MICP .
S. pasteurii DSM 33 é descrito como auxotrófico para L-metionina , L-cisteína , tiamina e ácido nicotínico .
Propriedades genômicas
Todo o genoma de S. pasteurii NCTC4822 foi sequenciado e relatado sob o número de acesso NCBI: NZ_UGYZ01000000 . Com um comprimento de cromossomo de 3,3 Mb, ele contém 3.036 genes codificadores de proteínas e tem um conteúdo de GC de 39,17%. Quando a proporção de genes funcionais conhecidos para os genes desconhecidos é calculada, a bactéria mostra as proporções mais altas de transporte, metabolismo e transcrição. A alta proporção dessas funções permite a conversão de ureia em íons carbonato, que são necessários para o processo de bio-mineralização . A bactéria tem sete genes identificados que estão diretamente relacionados à atividade e montagem da urease, que podem ser mais estudados para dar uma visão sobre como maximizar a produção de urease para otimizar o uso de S. pasteurii em aplicações industriais.
Aplicações com MICP
S. pasteurii tem a capacidade única de hidrolisar uréia e, por meio de uma série de reações, produzir íons carbonato. Isso é feito pela secreção de grandes quantidades de urease através da membrana celular . Quando a bactéria é colocada em um ambiente rico em calcita, os íons carbonato carregados negativamente reagem com os íons metálicos positivos, como o cálcio, para precipitar o carbonato de cálcio , ou biocimento. O carbonato de cálcio pode então ser usado como um precipitado ou pode ser cristalizado como calcita para unir as partículas de areia. Portanto, quando colocado em um ambiente de cloreto de cálcio, S. pasteurii são capazes de sobreviver, pois são halotolerantes e alcalifílicos. Uma vez que as bactérias permanecem intactas durante condições severas de mineralização , são robustas e carregam uma carga superficial negativa , elas servem como bons locais de nucleação para MICP . A parede celular carregada negativamente da bactéria fornece um local de interação para os cátions carregados positivamente formarem minerais . A extensão dessa interação depende de uma variedade de fatores, incluindo as características da superfície celular, quantidade de peptidoglicano , nível de amidação de carboxila livre e disponibilidade de ácidos teicóicos . S. pasteurii mostra uma carga superficial altamente negativa que pode ser mostrada em seu potencial zeta altamente negativo de -67 mV em comparação com a bactéria E não mineralizante . coli , S . aureus e B . subtilis em -28, -26 e -40,8 mV, respectivamente. Além de todos esses benefícios do uso de S. pasteurii para MICP, há limitações como aumento de escala de engenharia não desenvolvida, subprodutos indesejados, crescimento descontrolado ou dependência de condições de crescimento como uréia ou concentrações de oxigênio.
Aplicações atuais e potenciais
S. pasteurii tem como objetivo melhorar o material de construção como o concreto ou a argamassa. O concreto é um dos materiais mais usados no mundo, mas é suscetível a formar rachaduras que podem ser caras para consertar. Uma solução é embutir essa bactéria nas rachaduras e assim que ela for ativada usando o MICP. Os minerais irão formar e reparar a lacuna de uma maneira permanente e ecologicamente correta. Uma desvantagem é que essa técnica só é possível para superfícies externas acessíveis.
Outra aplicação é o uso de S. pasteurii na bio autocura de concreto, que envolve a implementação da bactéria na matriz de concreto durante a preparação do concreto para curar microfissuras. Isso tem o benefício de uma intervenção humana mínima e produz um concreto mais durável com maior resistência à compressão .
Uma limitação do uso dessa bactéria para bio-mineralização é que embora seja um anaeróbio facultativo , na ausência de oxigênio, a bactéria é incapaz de sintetizar urease anaerobicamente . A falta de oxigênio também impede o MICP, pois seu início depende muito do oxigênio. Portanto, em locais distantes do local de injeção ou em grandes profundidades, a probabilidade de precipitação diminui. Uma solução potencial é acoplar esta bactéria no biocimento com compostos liberadores de oxigênio (ORCs) que são normalmente usados para biorremediação e remoção de poluentes do solo. Com essa combinação, a falta de oxigênio pode ser diminuída e o MICP pode ser otimizado com a bactéria.
Alguns exemplos específicos de aplicativos atuais incluem:
- O estudante de arquitetura Magnus Larsson ganhou o prêmio Holcim Award "Next Generation" de 2008 para a região da África no Oriente Médio por seu projeto " Arquitetura anti- desertificação de Dunas , Sokoto, Nigéria" e seu projeto de uma parede habitável. Larssons também apresentou a proposta no TED .
- A empresa inicial de biotecnologia exclusiva da Ginger Krieg Dosier, bioMason, em Raleigh, Carolina do Norte, desenvolveu um método de cultivo de tijolos de Sporosarcina pasteurii e materiais naturalmente abundantes. Em 2013, esta empresa ganhou o Cradle to Cradle Innovation Challenge (que incluiu um prémio de $ 125.000) e o Dutch Postcode Lottery Green Challenge (que incluiu um prémio de 500.000 euros).
Mais aplicações potenciais incluem:
- Use bactérias para solidificar solos liquefáveis em áreas sujeitas a terremotos .
- Forma bio-tijolos
- Estabilizar pântanos e pântanos
- Reduza a taxa de ocupação de edifícios
- Remova metais pesados de águas residuais
As considerações sobre o uso dessa bactéria em aplicações industriais são o potencial de aumento de escala, a viabilidade econômica, a viabilidade a longo prazo das bactérias, o comportamento de adesão do carbonato de cálcio e o polimorfismo .