Μικροβιακά επαγόμενη εναπόθεση ανθρακικού ασβεστίου για την στεραιοποίηση πέτρινων κτηρίων πολιτισμικής κληρονομιάς

Abstract

Microbially induced calcium carbonate precipitation (MICP) is a promising technology for the conservation of natural building and decorative stone. In this work, bacteria inducing calcium carbonate (CaCO3) precipitation were isolated from marine sediments. The 16S rRNA gene sequencing identified isolates of Arthrobacter, Bacillus, and Micrococcus. Microbial growth kinetics revealed the profile of each microorganism. CaCO3 solubilization properties were not observed, suggesting no biodeterioration issues. Among all strains, A. crystallopoietes DSM 20117 induced the highest concentration of CaCO3 (2286 mg/L) and urease activity, while the CaCO3 crystals formed were mainly calcite, which is the most stable CaCO3 polymorph. B. licheniformis PP1 and Micrococcus species formed mainly vaterite and hydroxyapatite, respectively. Comparing the newly isolated strains, A. crystallopoietes DSM 20117 was chosen for MICP treatment on a building limestone quarried in Cyprus. Complementary non- and micro-destructive tests were employed to evaluate the biological treatment of the aforementioned stone. Notably, contact angle measurements showed a decrease of water absorption by 80%, while the drilling resistance of the surface of the stone increased by 64.9%. These results highlight the potential of MICP by A. crystallopoietes DSM 20117 as an alternative, promising biological treatment for architectural heritage stone and for further environmental and biotechnological applications. Η μικροβιακά επαγόμενη καταβύθιση ανθρακικού ασβεστίου (MICP) είναι μια πολλά υποσχόμενη τεχνολογία για τη διατήρηση της φυσικής οικοδομικής και διακοσμητικής πέτρας. Στην παρούσα εργασία, απομονώθηκαν βακτήρια που προκαλούν καταβύθιση ανθρακικού ασβεστίου (CaCO3) από θαλάσσια ιζήματα. Η αλληλούχιση του γονιδίου 16S rRNA ταυτοποίησε απομονώσεις των Arthrobacter, Bacillus και Micrococcus. Η κινητική της μικροβιακής ανάπτυξης αποκάλυψε το προφίλ του κάθε μικροοργανισμού. Δεν παρατηρήθηκαν ιδιότητες διαλυτοποίησης του CaCO3, γεγονός που υποδηλώνει ότι δεν υπάρχουν προβλήματα βιολογικής φθοράς. Μεταξύ όλων των στελεχών, το A. crystallopoietes DSM 20117 προκάλεσε την υψηλότερη συγκέντρωση CaCO3 (2286 mg/L) και δραστικότητα ουρεάσης, ενώ οι κρύσταλλοι CaCO3 που σχηματίστηκαν ήταν κυρίως ασβεστίτης, ο οποίος είναι το πιο σταθερό πολυμορφή CaCO3. Τα είδη B. licheniformis PP1 και Micrococcus σχημάτισαν κυρίως βατερίτη και υδροξυαπατίτη, αντίστοιχα. Συγκρίνοντας τα πρόσφατα απομονωμένα στελέχη, επιλέχθηκε το A. crystallopoietes DSM 20117 για την επεξεργασία MICP σε ασβεστόλιθο οικοδομής που εξορύσσεται στην Κύπρο. Για την αξιολόγηση της βιολογικής επεξεργασίας του προαναφερόμενου πετρώματος χρησιμοποιήθηκαν συμπληρωματικές μη- και μικροκαταστροφικές δοκιμές. Ειδικότερα, οι μετρήσεις γωνίας επαφής έδειξαν μείωση της απορρόφησης νερού κατά 80%, ενώ η αντίσταση διάτρησης της επιφάνειας του λίθου αυξήθηκε κατά 64,9%. Τα αποτελέσματα αυτά αναδεικνύουν τις δυνατότητες της MICP από το A. crystallopoietes DSM 20117 ως εναλλακτική, πολλά υποσχόμενη βιολογική επεξεργασία για πέτρα αρχιτεκτονικής κληρονομιάς και για περαιτέρω περιβαλλοντικές και βιοτεχνολογικές εφαρμογές.