17.01.2020 - Cell Press

Bakterien und Sand zu lebendigem Beton verarbeitet

Zement und Beton haben sich als Technologie in über hundert Jahren nicht viel verändert, aber die Forscher in Colorado revolutionieren die Baustoffe, indem sie sie buchstäblich zum Leben erwecken. Die entwickelte Methode, die am 15. Januar in der Zeitschrift Matter vorgestellt wurde, kombiniert Sand und Bakterien zu einem lebenden Material, das strukturelle Tragfähigkeit und biologische Funktion hat.

Das Team schuf ein Gerüst aus Sand und Hydrogel, in dem die Bakterien wachsen können. Das Hydrogel hält Feuchtigkeit und Nährstoffe zurück, damit sich die Bakterien vermehren und mineralisieren können, ein Prozess, der der Bildung von Muscheln im Meer ähnelt. Durch die Kombination der drei haben die Forscher ein grünes, lebendes Material geschaffen, das eine ähnliche Festigkeit wie zementbasierter Mörtel aufweist.

"Wir verwenden photosynthetische Cyanobakterien, um das Gerüst biomineral zu bilden, so dass es tatsächlich grün ist. Es sieht aus wie ein Frankenstein-ähnliches Material", sagt der Seniorautor Wil Srubar, der das Living Materials Laboratory an der University of Colorado Boulder leitet. "Das ist genau das, was wir versuchen zu erschaffen... etwas, das am Leben bleibt."

Der Hydrogel-Sandstein ist nicht nur lebendig, sondern vermehrt sich auch. Durch die Halbierung des Ziegels können die Bakterien mit Hilfe von etwas zusätzlichem Sand, Hydrogel und Nährstoffen zu zwei kompletten Ziegeln wachsen. Anstatt die Ziegel einzeln herzustellen, zeigten Srubar und sein Team, dass ein Mutterziegel nach drei Generationen bis zu acht Ziegel reproduzieren kann.

"Was uns wirklich begeistert, ist, dass dies die konventionellen Wege, auf denen wir strukturelle Baustoffe herstellen, in Frage stellt", sagt Srubar. "Es zeigt wirklich die Fähigkeit der exponentiellen Materialherstellung."

Beton ist nach Wasser der zweithäufigste Verbrauchsstoff der Erde. Allein die Herstellung von Zement, dem Pulver zur Herstellung von Beton, ist für 6 Prozent der CO2-Emissionen verantwortlich, und auch beim Aushärten des Betons wird CO2 freigesetzt. Die von Srubar und seinem Team entwickelte Methode bietet eine grüne Alternative zu modernen Baumaterialien. Allerdings gibt es einen Kompromiss mit diesem grünen Material.

Der Ziegel muss vollständig getrocknet werden, um die maximale strukturelle Kapazität (d.h. Festigkeit) zu erreichen, aber gleichzeitig belastet die Trocknung die Bakterien und beeinträchtigt ihre Lebensfähigkeit. Um die strukturelle Funktion zu erhalten und die mikrobielle Überlebensfähigkeit zu gewährleisten, ist das Konzept der optimalen relativen Luftfeuchtigkeit und Lagerbedingungen entscheidend. Indem sie die Feuchtigkeit und die Temperatur als physikalische Schalter nutzen, können die Forscher steuern, wann die Bakterien wachsen und wann das Material ruhend bleibt, um strukturelle Funktionen zu erfüllen.

"Dies ist eine Materialplattform, die die Bühne für brandneue, aufregende Materialien bildet, die so gestaltet werden können, dass sie mit ihrer Umgebung interagieren und auf sie reagieren", sagt Srubar. "Wir versuchen nur, Baustoffe zum Leben zu erwecken, und ich denke, das ist der Nugget in dieser ganzen Sache. Wir kratzen nur an der Oberfläche und legen den Grundstein für eine neue Disziplin. Der Himmel ist die Grenze."

Der nächste Schritt für Srubar und sein Team ist die Erforschung der zahlreichen Anwendungen, die die Materialplattform mit sich bringt. Srubar stellt sich vor, Bakterien mit unterschiedlichen Funktionalitäten auf die Materialplattform zu bringen, um neue Materialien mit biologischen Funktionen zu schaffen, wie zum Beispiel solche, die Giftstoffe in der Luft wahrnehmen und darauf reagieren. Andere Anwendungen umfassen den Bau von Strukturen, wo es begrenzte Ressourcen gibt, wie die Wüste oder sogar einen anderen Planeten - den Mars.

"In einer strengen Umgebung würden diese Materialien besonders gut funktionieren, weil sie das Sonnenlicht nutzen, um zu wachsen und sich zu vermehren, ohne dass sehr viel exogenes Material für ihr Wachstum benötigt wird", sagt Srubar. "Es wird so oder so passieren, und wir werden keine Zementsäcke bis zum Mars transportieren. Ich glaube wirklich, dass wir die Biologie mitnehmen werden, wenn wir gehen."

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