Isolamento, caracterização e avaliação de Serratia ureilytica como agente de biocimentação e bioclogging para estabilização de solos

Abstract

Estradas não pavimentadas constitui-se em um importante componente de infraestrutura rodoviária, pois permite o fluxo regular de mercadorias e serviços, facilitando a fixação e desenvolvimento das atividades rurais, principalmente as relacionadas com o setor agrícola e florestal. Conservar a superfície destas estradas é fundamental para garantir uma trafegabilidade ótima, diminuir processos erosivos, e evitar impactos negativos sociais e ambientais. Por tanto, é necessário melhorar as propriedades geomecânicas dos solos mediante a estabilização, porém os métodos utilizados muitas vezes resultam ineficientes ou são economicamente y/o ambientalmente inviáveis em alguns projetos, sendo necessário propor novas metodologias. A bioestabilização de solos surge como uma nova alternativa para este fim que se baseia na precipitação de cristais de carbonato de cálcio nos grãos do solo para aumentar sua resistência mecânica. É um processo complexo pelos diferentes fatores que intervêm sendo necessário avalia-os para propor uma metodologia de aplicação em campo. Neste sentido, o objetivo desta tese foi definir uma metodologia para implementação da biocimentação em solos de estradas não pavimentadas que permitam aumentar a resistência mecânica do solo. A tese foi desenvolvida em três capítulos; no primeiro capítulo se apresenta uma revisão de literatura dos principais conceitos e fatores que intervém no processo. No segundo capitulo, foram identificados e avaliados microrganismos ureolíticos eficientes na precipitação de carbonato de cálcio, para caracterizar e otimizar as condições da precipitação de carbonato de cálcio microbiológicamente induzida (MICP) para fins de biocimentação. 160 colônias foram isoladas de amostras de solo, das quais, foram selecionados 7 isolados para identificar os microrganismos com maior atividade ureolitica baixo diferentes condições de meio de cultura, pH e temperatura. Os resultados evidenciaram que a bactéria Serratia ureilytica, uréase positiva, foi identificada de forma inédita como um microrganismo eficiente na precipitação de carbonato de cálcio que apresenta altas taxas de atividade ureolítica variando entre 50-80 mM de ureia hidrolisada/min, dependendo das condições do meio. Já no capítulo 3, foi estudada uma metodologia de precipitação de carbonato de cálcio em areias usando Serratia ureilytica sp, em que foram avaliadas concentrações de solução bacteriana e soluções de cálcio, para identificar a metodologia mais eficiente no processo. Os resultados permitiram identificar que aplicações de 12.5% do volume dos poros, seguida pela aplicação de uma solução de fixação de 50 mM CaCl2 e posteriormente a aplicação de uma solução cimentante é a metodologia mais eficiente para precipitar carbonato de cálcio em solos arenosos. Enfim, a Serratia ureilytica sp foi identificado como um microorganismo promissório na precipitação de carbonato de cálcio em areias, com altas taxas de atividade urelitica, maior das reportadas atualmente na literatura. O processo resultou na diminuição da permeabilidade nos solos tratados, evidenciando a viabilidade para aumentar a resistência mecânica de solos de estradas não pavimentadas.Unpaved roads is an important component of road infrastructure, because it allows for regular flow of goods and services, facilitating the establishment and development of rural activities, especially those related to the agricultural and forestry sector. Conserving the surface of these roads is essential to guarantee optimal trafficability, reduce erosion processes, and avoid negative social and environmental impacts. Therefore, it is necessary to improve the geomechanical properties of soils by means of stabilization, but the methods used are often inefficient or are economically and environmentally unfeasible in some projects, being necessary to propose new methodologies. Soil biostabilization appears as a new alternative for this purpose, which is based on the precipitation of calcium carbonate crystals in soil grains to increase their mechanical resistance. It is a complex process due to the different factors involved and it is necessary to evaluate them to propose a methodology for application in the field. In this sense, the objective of this thesis was to define a methodology for the implementation of biocement in soils of unpaved roads that allow to increase the mechanical resistance of the soil. The thesis was developed in three chapters; the first chapter presents a literature review of the main concepts and factors that intervene in the process. In the second chapter, ureolytic microorganisms efficient in the precipitation of calcium carbonate were identified and evaluated to characterize and optimize the conditions of microbiologically induced calcium carbonate precipitation (MICP) for biocimentation purposes. 160 colonies were isolated from soil samples, of which, 7 isolates were selected to identify the microorganisms with greater ureolytic activity under different conditions of culture medium, pH and temperature. The results showed that the bacterium Serratia ureilytica, positive urea, was unprecedentedly identified as an efficient microorganism in the precipitation of calcium carbonate that presents high rates of ureolytic activity ranging between 50-80 mM of hydrolyzed urea / min, depending on the conditions of the middle. In chapter 3, a methodology for precipitation of calcium carbonate in sands was studied using Serratia ureilytica sp, in which concentrations of bacterial solution and calcium solutions were evaluated, in order to identify the most efficient methodology in the process. The results allowed to identify that applications of 12.5% of the pore volume, followed by the application of a fixation solution of 50 mM CaCl2 and later the application of a cementing solution is the most efficient methodology to precipitate calcium carbonate in sandy soils. Finally, Serratia ureilytica sp was identified as a promising microoganism in the precipitation of calcium carbonate in sands, with high rates of urelitic activity, higher than those currently reported in the literature. The process resulted in a decrease in permeability in the treated soils, showing the feasibility to increase the mechanical resistance of soils of unpaved roads.