“ESTUDIOS DE BIOMINERALIZACIÓN BACTERIANA PARA LA CONSOLIDACIÓN DEL TAJO DE SAN PEDRO”. Carlos Rodríguez Navarro. Catedrático de Mineralogía y Petrología, UGR.

1. ESTUDIOS DE BIOMINERALIZACIÓN
BACTERIANA PARA LA CONSOLIDACIÓN
DEL TAJO DE SAN PEDRO
Carlos Rodriguez-Navarro y Kerstin Elert
Departamento de Mineralogía y Petrología
Universidad de Granada

2. Biomineralización bacteriana
De Muynck et al. Ecol. Eng. 2010
Ureolytic bacteria
CaCO3
NH3 + H2O  NH4
+ + OH-
CO2 + H2O  H2CO3  HCO3
- + H+ CO3
2- + 2H+
Ca2+ + CO3
2-  CaCO3
calcita vaterita
Biominerales

3. Las bacterias juegan un papel
clave en la formación de rocas
carbonatadas en la Naturaleza
Proceso natural y ubicuo
Biomineralización bacteriana de CaCO3
The Getty Center

4. Biomineralización y conservación del Patrimonio Histórico
CaCO3 en conchas
Mineralización
de CaCO3
inducida por
bacterias
PROBLEMA
Tratamientos
convencionales
Nueva aproximación
Biomineralización
Science, 300, 577 (2003)
calcita
Molde de
bacterias
Mayan mural paintings
Giorgi et al. Accounts Chem. Res. 43, 695 (2010).

5. Métodos de protección/consolidación bacteriana
Método 1: Inoculación con una especie exógena (método CALCITE )
1. Spray 2. Nutrición 3. Biomineralización 4. Recalcificación
Método 2: Activación de las bacterias carbonatogenica del sustrato (método UGR)
1. Spray 2. Nutrición 3. Biomineralización 4. Recalcificación
Metodo 1: con grandes limitaciones: a) Complejidad; b) Coste; c) Problemas
con el método original CALCITE (penetración limitada, consolidación limitada,
uso de bacterias patógenas: Bacillus cereus)
(Schemes from: Jacque Livage, Collège de France)

6. Capilla Real
Tratamiento bacteriano (Método 2)
Scotch tape test
0
10
20
30
40
50
Weight
loss
(g/m2)
1
Before After
Patented M-3P
nutritive medium
0
2
4
6
8
10
12
14
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Depth (mm)
Drilling
resistance
(N/mm) Bacterial treatment
Control
Paraloid
Mowital
Ethyl silicate
Resistencia al taladrado

7. Copan
Honduras

8. Bacterial Conservation
Temple 18
Sterile culture
medium M-3P
Copan-2 to 5
Copan-11
Copan-12
Copan-13
Copan-1
Copan-6 and 7
Copan-8 and 9
Copan-10
H
2019
G
2018
F

9. Micrococcus
Copan stone After treatment
Calcified Bacterial cells

10. 0
50
100
150
200
Weight
loss
(g/m
2
)
Before
treatment
After
treatment
0
5
10
15
20
25
30
35
0 2 4 6 8 10
DR
(N)
Depth (mm)
Before treatment
After treatment
A B Before
treatment
( = 16 )
After
treatment
( = 93 )
C
0
0.001
0.002
0.003
0.004
0.005
0 500 1000 1500 2000
Time (s)
Strain
Before treatment
After treatment
0
0.001
0.002
0.003
0.004
0.005
0 10000 20000 30000
Time (s)
Strain
Wetting
Drying
After treatment
D
1.5 3 4.5 6 7.5 9
°2q (Cu Ka)
Intensity
(a.u.)
1.5 3 4.5 6 7.5 9
°2q (Cu Ka)
Intensity
(a.u.)
E F
Before treatment
After treatment
001Mont
Copan 11
Copan 13
Copan 12
001Mont
110Mord
Copan 11
53 Å
48 Å
44 Å
001Mont
15 Å
211Analcime
5.6 Å
Beamstop
Tratamiento de conservación bacteriana: Método 2
Piedra volcánica de Copan
0 2 4 6 8 10
Depth (mm)
Before treatment
After treatment
Before
treatment
( = 16 )
After
treatment
( = 93 )
C
F
Copan 11
48 Å
0
50
100
Weight
loss
(g
Before
treatment
After
treatment
0
5
10
15
20
0 2 4 6 8 1
DR
(N)
Depth (mm)
0
0.001
0.002
0.003
0.004
0.005
0 500 1000 1500 2000
Time (s)
Strain
Before treatment
After treatment
0
0.001
0.002
0.003
0.004
0.005
0 10000 20000 30000
Time (s)
Strain
Wetting
Drying
After treatment
D
1.5 3 4.5 6 7.5 9
°2q (Cu Ka)
Intensity
(a.u.)
E
Before treatment
After treatment
001Mont

11. Aplicaciones de la biomineralización bacteriana
Autosellado de grietas en hormigón
Ghent University
Cementación de arena y suelos
Bacterias ureolíticas (Bacillus pasteurii, B. subtilis)
Bacillus pateurii
Sporosarcina pasteurii
Con bacterias

12. Consolidación de suelos
Geosyntec.com
Aplicaciones de la biomineralización bacteriana

13. Consolidación de suelos
Aplicaciones de la biomineralización bacteriana
Coste = 25 a 75 US$ m3
100 m3
Futuro:
Bioestimulación de
bacterias ureolíticas: 12
m prof.

14. El Tajo de San Pedro

16. Conglomerado Alhambra
Tajo de San Pedro
10 cm

17. Composición Mineralógica (Difracción de rayos-X)
Barranco gris
Chamosite
(Chloride)
Illite
Paragonite
Quartz
Kaolinite
Chloride Dolomite
Calcite
Feldspar
Barranco rojo
Palacio
Tajo de San Pedro
°2ϴ
Muestras en polvo

18. Composición Mineralógica (Difracción de rayos-X)
Tajo de San Pedro
Agregados Orientados – Fracción
Arcilla
Illita
Clorita/
Caolinita
Esmectita Cuarzo
Calcita
Feldespatos
Clorita

19. Daño por expansión de arcillas
Expansión
ESEM
By Eric Doehne
0
1
2
3
4
5
0 200 400 600 800 1000
Time (min)
Length
increase
(%)
First cycle Second cycle
Water added
Hydric expansion
Rodriguez-Navarro et al (1998) JAIC

20. Estel Calosil NanoEstel 2M KOH Bacteria
Untreated Bacteria NanoEstel Calosil 2M KOH Estel
Tratamiento de conservación bacteriana: Método 2
Tapial
Microproyecto “Ciencia en
la Alhambra”
Dirección: Kerstin Elert

21. Tratamiento de conservación bacteriana: Método 2
Bacterias calcificadas
EPS

22. Consolidación bacteriana del Tajo de San Pedro
Estudio de viabilidad

23. Preparación de Muestras
12 cm
Preparación de bloques de tierra usando
moldes de madera.
4 cm
Bloques de tierra antes
del tratamiento.
LOS TRATAMIENTOS:
1) Solución nutritiva para bacterias carbonatogénicos indígenas (M-3P)
2) Solución nutritiva para bacterias ureolíticas indígenas (Sporosarcina
pasteurii)
3) Solución nutritiva para bacterias ureolíticas y bacterias ureolíticas
(Sporosarcina pasteurii) cultivadas en el laboratorio

24. Evaluación de los Tratamientos
Diagramas de
TG/DSC de los
materiales sin tratar
(control) y tratados
(M-3p, Urea, y
Urea+bacterias).
Concentración de carbonato cálcico (CaCO3) en las muestras
sin tratar (control) y tratadas. Datos en % en peso.
Control M-3P Urea Urea +
Bacterias
CaCO3 4.29 7.05 5.59 5.71

25. Evaluación de los Tratamientos
4 µm
d
1 µm
Imágenes de FESEM de células bacterianas calcificadas

26. Evaluación de los Tratamientos
8 cm
Sistema de medición de la resistencia a
la perforación (DRMS) usado para la
evaluación de la eficacia de los
tratamientos de bioconsolidación.
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
0 5 10 15
Force
(N)
Drilling depth (mm)
CONTROL
M 3P
UREA
UREA+BACTERIA
Resultados de las medidas de la
resistencia a la perforación de
bloques de tierra antes (control) y
después de la bioconsolidación.

27. Evaluación de los Tratamientos
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
0 2 4 6 8 10
MPa
mm
(MPa)
Esfuerzo de
compresión (MPa)
(MPa)
Control
M-3P
Urea
Urea + Bac
Curvas de esfuerzo/deformación y resistencia a compresión de
las muestras antes (control) y después del tratamiento.

28. Evaluación de los Tratamientos
4 cm
Control M-3P Urea Urea+Bacteria
a
b
c
Control
Aspecto de los bloques de tierra sin tratar y consolidados con las
distintas soluciones nutritivas antes (a) y después de la inmersión en
agua durante 5 minutos (b y c).

29. Evaluación de los Tratamientos
Pérdida de material de bloques de tierra sin tratar y consolidados
con las distintas soluciones nutritivas durante la inmersión en agua.

30. Evaluación de los Tratamientos
Microbiota TOTAL
(UFC*/g)
Carbonatogénica
(%)
Barranco de Tejar (7.7 ± 0.2) x 104 99
Tajo de San Pedro (3.7 ± 0.4) x 104 98
Muestras extraídas de los bloques de tierra del Barranco de Tejar
después de los tratamientos
Microbiota
TOTAL (UFC*/g)
Carbonatogénica
(%)
Tratamiento M-3P (3.8 ± 0.2) x 106 100
Tratamiento UREA (1.2 ± 0.2) x 107 100
Tratamiento UREA +
Bacteria
(1.0 ± 0.8) x 107 100
Muestras de la Alhambra antes de tratarlas

31. Muchas gracias por su atención