Assessing Recombinant Expression of Urease Enzyme from Sporosarcina ureae as a Carbonatogenic Method for Strength Enhancement of Loose, Sandy Soils
Creators: name: Whitaker, Justin
Publisher: name: Université d'Ottawa / University of Ottawa
Year: 2016
Subjects: biotechnology
remediation
calcium carbonate
urease
carbonatogenesis
soil
bacteria
biofilm
recombinant protein
E. coli
S. ureae
S. pasteurii

description: Les sols qui ne rencontrent pas les normes d’ingénierie civile doivent êtres soumis à des améliorations géotechniques car les vibrations causées par les tremblements de terre ou par la surcharge sur des infrastructures en hauteur peuvent mener à la liquéfaction partielle ou totale des sols saturés en eau. Ceci peut donc entrainer des dommages importants aux structures construites sur ces sols. Certaines méthodes existent pour remédier à ce problème, mais elles demeurent couteuses et parfois toxiques car elles utilisent de l’acrylamide et des lignosulfates. La bio-précipitation in situ de calcite dans les sols représente une méthode alternative. Le tout se fait avec des bactéries qui démontrent une activité uréolytique. La présente étude s’est intéressée à l’activité uréolytique des souches Escherichia coli, Sporosarcina ureae, Bacillus pasteurii, Lysinibacillus sphaericus, Bacillus subtilis et Bacillus megaterium. Les résultats démontrent que l’urée est seulement dégradée par les souches S. ureae et S. pasteurii. L’incubation de S. ureae en présence de Ni2+ (0.1-1 ppm) et Fe2+ (1-10 ppm) a toutefois permis d’augmenter l’activité catalytique de la souche, ce qui démontre l’importance des éléments nutritifs lors de l’hydrolyse de l’urée. Afin de tester l’activité uréolytique des autres souches, nous avons introduit un système d’expression uréase dans la souche E. coli en substituant des amino-acides dans la structure primaire des protéines. Suite à cette modification, l’activité uréolytique de E. coli s’est améliorée et est devenue comparable à celle des souches S. ureae et S. pasteurii. L’injection de S. ureae et du mutant E. coli dans des sables non-consolidés a permis de cimenter de façon significative (p &lt; 0.05) le matériel par rapport à des sables non inoculés, et ce après seulement 48 heures. Le transfert du système recombinant de E coli vers S. ureae est présentement en cours. Ces résultats prometteurs indiquent qu’il est possible de stimuler la précipitation in situ de calcite en utilisant des bactéries et de stabiliser les sols prônes à la liquéfaction. === Soils often do not satisfy functional requirements for civil engineering projects and as a result geotechnical improvements to soils are often made. Dynamic shaking during earthquakes or static overloading by overlying structures may still result in liquefaction in partially or fully water saturated soils. These have little bearing capacity for structures. Severe damages can result. Moreover, preventative soil grouting strategies are expensive, toxic, and permanent due to acrylamides, lignosulfonates, and otherwise harmful compounds present therein. Alternative methods of strength enhancement are advisable. Microbial induced calcite precipitation (MICP) was assessed in this investigation to consolidate loose, sandy soils. Ureolytic activty of Escherichia coli, Sporosarcina ureae, Bacillus pasteurii, Lysinibacillus sphaericus, Bacillus subtilis and Bacillus megaterium were assessed. Urea was readily degraded foremost by S. ureae and next by S. pasteurii with no significant (p &lt;0.05) activity in other strains. Incubation of S. ureae with 0.1 - 1ppm Ni2+ and 1-10ppm Fe2+ was shown to improve catalytic activity, suggesting their importance as a dietary source for urea hydrolysis. A urease expression system was established in E. coli and particular amino acid substitutions in protein primary structure made. Enhanced ureolytic activity was observed in these E. coli mutants, comparable to native S. ureae activity. Application of wild type S. ureae and recombinant E. coli for MICP in a model sand showed significant (p &lt; 0.05) improvements compared to controls after 48 hours. Transfer of the recombinant system in E. coli to S. ureae is currently underway. These results provide valuable insight affirming that a practical system for the application of MICP may be feasible in the field for the strength enhancement of native and construction-laid loose, sandy soils.