Urease production by Sporosarcina pasteurii ATCC 11859 in response to growing conditions and its potential for soil stabilization

O crescente consumo de materiais de construção, acelerado pelo crescimento populacional global e pela urbanização, resulta em efeitos negativos sobre o meio ambiente. Consequentemente, o desenvolvimento de alternativas sustentáveis e que propiciem o progresso da construção civil tornou-se uma demanda urgente. A bactéria Sporosarcina pasteurii ATCC 11859 é capaz de realizar a hidrólise de ureia e induzir, em presença de íons cálcio, a precipitação de carbonato de cálcio (CaCO 3), que funciona como um agente cimentante de partículas minerais. Este trabalho teve como objetivos (1) investigar os efeitos da concentração de ureia, pH, temperatura e tempo de cultivo sobre a produção e a cinética da enzima urease de S. pasteurii ATCC 11859, e (2) desenvolver um modelo experimental para aplicação do bio- grout, com a finalidade de aumentar sua estabilidade mecânica e reduzir sua permeabilidade. Para isso, avaliou-se o efeito de diferentes níveis de concentrações de ureia, pH, temperatura e tempo de cultivo sobre a produção da enzima urease por S. pasteurii ATCC 11859, bem como sobre a cinética aparente da enzima, a fim de se determinarem as condições ótimas de produção e aplicação da enzima. A cultura bacteriana obtida nas condições previamente estabelecidas como ótimas foi aplicada em um solo típico da região de Viçosa/MG, Brasil, com textura de areia fina a média (silto-argilosa) e pH ácido (5,14). Íons cálcio, na forma de cloreto de cálcio (CaCl 2), além de ureia, foram adicionados para propiciar a precipitação de CaCO 3 a partir da hidrólise da ureia por S. pasteurii ATCC 11859. As propriedades geotécnicas do solo foram avaliadas pelas análises de cisalhamento direto, resistência à compressão simples e permeabilidade. A formação de cristais de CaCO 3 sob forma de calcita foi confirmada por microscopia eletrônica de varredura e espectroscopia por energia dispersiva de raio X (MEV/EDS). A condição determinada como ótima para a produção da urease foi a combinação de pH 8,5, temperatura de 35 oC, 80 g L-1 de ureia e cultivo por 16 horas. A enzima urease apresentou atividade aparente máxima em pH 6,5, sendo que na faixa de pH 5,5 a 8,5, pelo menos 80% da atividade máxima foi mantida. A temperatura ótima para a atividade da enzima foi 45 oC. Os ensaios de cisalhamento direto e resistência à compressão simples mostraram que não houve ganho de resistência mecânica pelo solo. Esse fato foi atribuído à ocorrência da biocimentação somente no topo dos corpos de prova. O ensaio de permeabilidade apresentou resultados promissores, com redução da permeabilidade do solo em 99,56%. As imagens de MEV/EDS confirmaram a precipitação de calcita, pela ação biológica, apenas na camada superior do solo. Esse resultado sugere que a técnica de bio-grout otimizada no presente estudo pode ser aplicada para redução da permeabilidade de solos com textura de areia fina a média e pH ácido, atenuando processos de erosão marginal. Palavras-chave: Sporosarcina pasteurii. Bio-grout. MICP. Cimentação microbiologicamente induzida. Biocimentação. MEV/EDS.The growing consumption of construction materials accelerated by population growth and urbanization has resulted in negative effects on the environment. Thus, the development of sustainable alternatives that enable progress on civil construction has become an urgent demand. The bacterium Sporosarcina pasteurii ATCC 11859 is able to hydrolyze urea and, in the presence of calcium ions, induce the precipitation of calcium carbonate (CaCO 3), which acts as a cementing agent. The aims of this work were (1) to investigate the effects of urea concentration, pH, temperature and cultivation time on the production and urease kinetics of S. pasteurii ATCC 11859; (2) to develop an experimental model for the application of bio-grout, in order to increase mechanical stability and reduce permeability. For this purpose, we evaluated the effects of different urea concentrations, pH, temperature and cultivation time on urease enzyme production of S. pasteurii ATCC 11859, as well as on the apparent kinetics of the enzyme, in order to determine the optimal conditions for production and enzyme application. The bacterial culture obtained under the conditions previously established as optimal was applied in a typical soil of the region of Viçosa/ MG, Brazil, characterized as fine to medium sand texture (silty - clayey soil) and acid pH (5,14). Calcium ions were added in the form of calcium chloride (CaCl2) to induce CaCO3 precipitation. The soil geotechnical properties were evaluated by direct shear, unconfined compression and permeability test. The CaCO3 crystals formation in the form of calcite was confirmed by scanning electron microscopy and X ray energy dispersive spectroscopy (SEM/EDS). The optimal condition for the urease production was determined as a combination of pH 8.5, temperature 35 oC, 80 g L-1 urea and cultivation time of 16 hours. The urease enzyme showed maximum activity at pH 6.5, and in the pH range 5.5 to 8.5 at least 80% of the maximum activity was maintained. The optimum temperature for enzyme activity was 45 oC. The direct shear and unconfined compression tests showed that there was no improvement of mechanical soil resistance. This result was related to the occurrence of biocimentation only at the top of the soil columns, not allowing the solution penetration into the soil. The results of the permeability test were inspiring. The soil permeability was reduced in 99,56%. The SEM / EDS images confirmed biological calcite precipitation only on the upper layer of the soil columns. These results suggest that the optimized bio-grout technique developed in this research can be applied efficiently reducing soil permeability characterized as fine to medium sand texture and acid pH, attenuating marginal erosion processes. Keywords: Sporosarcina pasteurii. Bio-grout. Microbial induced cementation. Biocimentation. SEM/EDS. MICP.Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNP