Bakteriyal biyomineralizasyon ile mikroyapısal özellikleri iyileştirilmiş çimentolu kompozit tasarımı
Cement composite design with improved microstructural properties using bacterial biomineralization
Yazar: AYKUT İSAR
Danışman: PROF. DR. ELİF ESİN TUNA ; DOÇ. DR. ÖZGE ANDİÇ ÇAKIR
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyomühendislik Ana Bilim Dalı / Biyomühendislik Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering

Özet:
Çimentolu sistemlerdeki boşlukların azaltılması ve mikroyapısal özelliklerin bakteriler kullanılarak iyileştirilmesi konusunda son on yılda çalışmalar yapılmaktadır. Çimentolu sistemlerde mikroyapısal özelliklerin iyileştirilmesi, temelde mikrobiyal olarak tetiklenmiş biyokalsifikasyon ile özelleşmiş bakterilerin yaptığı kalsiyum karbonat (CaCO3) çökelmesi ile meydana gelir. Bakteriler ortamda bulunan üreyi, üreaz enzimi ile parçalayarak amonyum ve karbonat iyonlarına dönüştürürler ve ortam pH'ını artırırlar. Bu enzimatik reaksiyon sonucu ortaya çıkan karbonat iyonları ortamda bulunan serbest Ca+2 varlığı nedeniyle CaCO3 oluşumunu sağlamaktadır. Tez çalışmasında, çimentolu sistemlerde spor oluşturan bakteriler kullanılarak bakteriyel biyomineralizasyon mekanizması sayesinde CaCO3 çökelmesinin sağlanması ve boşlukların azaltılarak dayanım ve dayanıklılığın arttırıldığı mikroyapısal iyileşme yeteneği olan bakteriyel çimentolu kompozit tasarımı amaçlanmıştır.
Çimentolu harç örneklerinde boşluk yapısında iyileşme (azalma), dayanım artışı, geçirimlilikte azalma ve mikroyapısal iyileşme etkilerini tespit etmek amacıyla farklı bakteri türleri (Sporosarcina pasteurii, Bacillus cereus ve Actinobacteria izolatı), çimento tipi (yüksek ve düşük alkali) ve mikroorganizma yoğunluğu (107, 108, 109 cfu/mL) değişkenleri kullanılmıştır. Elde edilen örneklerin 2, 7, 28 ve 56. günlerde mekanik ve fiziksel testleri (basma dayanımı, su emme ve kılcal yolla su emme, klor iyon geçirimlilik testleri) gerçekleştirilmiş, örneklerden SEM görüntüleri alınmıştır.
Mekanik ve fiziksel testler sonucunda farklı tür ve konsantrasyonda bakteri içeren harç örnekleri ile bakteri içermeyen kontrol harç örnekleri istatistiksel olarak karşılaştırılmıştır. Basma dayanımları örnek-gün sayısı bakımından yüksek alkali çimento içeren ve S. pasteurii ile hazırlanan örneklerde kontrole göre istatistiksel olarak anlamlı artış göstermiştir. Su emme testleri karşılaştırıldığında B. cereus türünü içeren tüm harç örnekleri kontrol örneklerine göre istatistiksel olarak anlamlı değişim göstermiştir. Kılcal yolla su emme testleri sonucu elde edilen başlangıç ve ikincil su emme hızları karşılaştırıldığında bakteri türü ve konsantrasyonlarının kontrol örneklerine göre farklılıklar gösterdiği fakat bu farklılıkların tüm deney günlerinde aynı olmadığı belirlenmiştir. Klor iyon geçirimlilik testleri sonucunda bakteri içeren hiçbir örnek kontrol örneğine göre istatistiksel olarak anlamlı bir farklılık göstermemiştir. Mekanik ve fiziksel testlerde aynı bakteri türü olmasına rağmen farklı konsantrasyonlarının istatistiksel olarak anlamlı ve/veya anlamsız değişimler göstermesi nedeni ile test edilen aralıkta bakteri konsantrasyonunun önemli bir parametre olduğu değerlendirilmiştir. Mikroyapı incelemelerinde bakterilerin enzimatik aktivitesi sonucu oluşan kalsiyum karbonat moleküllerinin kullanılan mikroorganizma türüne göre değiştiği tespit edilmiştir. Kalsiyum karbonat molekülleri; S. pasteurii türü için kübik ve küresel (yaklaşık 20 µm boyutunda) yapıda, B. cereus türü için düzensiz ve bakteri çevresinde yığınlar şeklinde ve aktinomiset izolatında ise düzensiz ve organizmanın misel yapılarının mikroçevresinde oluştuğu tespit edilmiştir. 
Bakteri içeren çimentolu harç örneklerine uygulanan fiziksel ve mekanik testlerin sonucunda bakteri türü ve konsantrasyonunun testlerin sonucuna doğrudan etki ettiği, bakteri içeren harç örneklerinin kontrol örneklerine göre istatistiksel olarak da desteklenecek şekilde daha yüksek mekanik dayanım, daha düşük su emme değeri ve su emme hızına sahip olması nedeniyle bakteri içeriğinin mikroyapısal iyileşmeye katkı sağladığı tespit edilmiştir. Mikroyapı incelemelerinde bakteriyel metabolik aktivite sonucu oluşan kalsiyum karbonat (biyokalsit) moleküllerinin şekil ve boyutlarının kullanılan mikroorganizma türüne göre değişiklik gösterdiği sonucuna varılmıştır.

Anahtar sözcükler: Biyomineralizasyon, biyokalsifikasyon, üreaz, kendiliğinden iyileşme, bakteriyel çimentolu sistemler

Abstract:
In cement systems, studies have been carried out in the last decade to improve microstructural features of cementitious composites using bacteria. Improvement of microstructural properties in cemented systems is basically the precipitation of calcium carbonate (CaCO3) made by bacteria specialized with microbially induced calcite precipitation. Bacteria hydrolyze urea in the environment with urease enzyme and convert it into ammonium and carbonate ions and increase the pH of the environment. The carbonate ions produced as a result of this enzymatic reaction provide CaCO3 formation due to the presence of free Ca+2 in the environment. In this study, bacterial cementitious composite design with microstructural enhancement is provided to induce CaCO3 precipitation thanks to the bacterial bio-mineralization mechanism by using spor-forming bacteria in cemented systems and to increase the strength by closing the pores.
The variables of different types of bacteria (Sporosarcina pasteurii, Bacillus cereus and Actinobacteria isolate), cement type (high and low alkali) and microorganism density (107, 108, 109 cfu / mL) were used in cement mortar samples in order to determine the improvement (reduction) in the pore structure, increase in strength, decrease in permeability and microstructural improvement. Mechanical and physical tests (compressive strength, water absorption and capillary water absorption, chlorine ion permeability tests) of the obtained samples were performed on days 2, 7, 28 and 56, and SEM images were taken from the samples.
As a result of mechanical and physical tests, mortar samples containing different types and concentrations of bacteria and control mortar samples without bacteria were compared statistically. Compressive strength of samples containing high alkali cement in terms of sample-days and prepared with S. pasteurii showed a statistically significant increase compared to the control. When comparing water absorption tests, all mortar samples containing B. cereus species showed statistically significant changes compared to control samples. When the initial and secondary water absorption rates obtained as a result of capillary water absorption tests were compared, it was observed that bacterial species and concentrations differed from the control samples, but these differences were not the same in all experimental days. As a result of chlorine ion permeability tests, none of the samples containing bacteria showed a statistically significant difference compared to the control sample. Even among the mechanical and physical tests of the same type of bacteria, bacterial concentration was evaluated as an important parameter in the tested range, since different concentrations showed statistically significant and / or non-significant changes. In microstructure studies, it has been observed that the calcium carbonate (bio-calcite) molecules formed as a result of the enzymatic activity of bacteria change according to the type of microorganism used. It has been determined that calcium carbonate is formed in the cubic and spherical (about 20 µm size) structure for the S. pasteurii species, in the form of irregular and around the bacterial stacks for the B. cereus species and in the irregular and formed around the microsurroundings of the micelle structures of the organism for actinomycete.
As a result of physical and mechanical tests applied to cement mortar samples containing bacteria it was determined that bacteria type and concentration directly affect the test results, and that bacteria-containing mortar samples contribute to microstructural improvement higher mechanical strength, lower water absorption value and water absorption rate statistically as compared to control samples. In microstructure studies, it was concluded that the shape and size of calcium carbonate molecules formed as a result of bacterial metabolic activity varies according to the type of microorganism used.

Keywords: Biomineralization, biocalcification, urease enzyme, self-healing, bacterial cementitious systems