DE69012861T2 - Biologische Behandlung einer artifiziellen Oberfläche. - Google Patents
Biologische Behandlung einer artifiziellen Oberfläche.Info
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur mikrobiologischen Behandlung von künstlichen Oberflächen, insbesondere solche mineralischen Ursprungs, wie Gebäude- Fassaden, Denkmäler oder Wände, die Zeichnungen bzw. Markierungen tragen, um sie beständiger gegen Verwitterung zu machen.
- Es ist bekannt, daß Baumaterialien und insbesondere Kalkstein-Baumaterialien durch eine große Anzahl von äußeren Agentien, Regen, Wind, Mikroorganismen und Industriestäube, die nur eine Auswahl unter den zahlreichen Belastungen darstellen, denen die Gebäude beliebiger Art ausgesetzt sein können, angegriffen und beschädigt (abgebaut) werden. Diese Schädigungsphänomene treten seit einem halben Jahrhundert verstärkt auf wegen der städtischen und industriellen Umweltverschmutzungen und insbesondere unter dem Einfluß des Phänomens "saurer Regen".
- Eines der Phänomene auf Basis dieser Angriffe steht im Zusammenhang mit dem Eindringen von Wasser (Regenwasser, Tau und dgl.) in die Baumaterialien. Einerseits erleichtert dieses Eindringen die Erosion durch Phänomene, die mit Temperaturschwankungen in Verbindung stehen, andererseits dient das eindringende Wasser als Vektor und Wirkungsmedium für die sauren Gase, die durch die menschlichen Aktivitäten freigesetzt werden, insbesondere Schwefligsäureanhydrid und Salpetersäureanhydrid. Die gebildeten Säuren greifen säureempfindliche Materialien wie Kalkstein und Zement (Beton) an.
- Zu disen physikalisch-chemischen Phänomenen des Angriffs durch eine Säure und des mechanischen Angriffs (Wind, Frost) kommen noch die Angriffe biologischen Ursprungs, insbesondere die Einwirkung von Bakterien, welche die Sulfide und die Sulfate auf den Wänden oxidieren können, wie z.B. Thiobacillus, welche die Neigung haben, Materialien anzugreifen, die Calcium enthalten.
- Die bisher vorgeschlagenen Lösungen zum Schützen der Baumaterialien, insbesondere der Gebäudefassaden und der Denkmäler, bestehen meistens darin, auf die zu schützende Oberfläche einen Überzug aus einem undurchlässigen Polymerharz, insbesondere aus Siliconharzen, aufzubringen. Dieser Harz-Typ dringt in die Poren des Gesteins ein und verschließt sie und macht die Oberfläche undurchlässig.
- Dieses Verfahren, auch wenn es kurzfristig gute Ergebnisse liefert, erweist sich auf die Dauer jedoch häufig als katastrophal, wenn Wasser zwischen den undurchlässig gemachten Teil und das Muttergestein eindringt, weil die obengenannten physikalisch-chemischen Phänomene dann verstärkt ablaufen.
- Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, ein Verfahren zur Behandlung von Oberflächen von Baumaterialien bereitzustellen, das eine Verbesserung der Beständigkeit gegen Erosion und gegen Pollution erlaubt unter gleichzeitiger Beibehaltung der natürlichen Struktur des Gesteins und/oder Materials.
- Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein künstliches Verfahren zur Bildung von Kalk-Ablagerungen bereitzustellen, bei dem die Porosität der behandelten Materialien aufrechterhalten wird, so daß ein Gasaustausch zwischen dem Material und der umgebenden Atmosphäre möglich ist.
- Ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren des obengenannten Typs bereitzustellen, das sowohl auf neue Baumaterialien als auch auf die bereits bearbeiteten Oberflächen angewendet werden kann, um sie in ihren Anfangszustand zu überführen.
- Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung einer oberflächlichen Kalkablagerung mit vorgegebener Farbe bereitzustellen, um die behandelte Oberfläche an die Farbe der umgebenden Oberfläche anzupassen.
- Ziel der vorliegenden Erfindung ist außerdem die Erzielung einer Oberfläche, die das Aussehen von Kalkstein hat und die als Dekoration verwendet werden kann.
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schützen und/oder Behandeln einer künstlichen Oberfläche, vorzugsweise einer solchen mineralischen Urpsungs, durch Oberflächenbeschichtung, das dadurch gekennzeichnet ist, daß der Oberflächenüberzug in situ auf der künstlichen Oberfläche erzeugt wird, indem man diese mit mineralisierenden (mineralbildenden) Mikroorganismen in Kontakt bringt, in einer Umgebung, welche die Mineralisierung (Mineralbildung) gewährleistet.
- Unter künstlichen Oberflächen ist hier eine Oberfläche zu verstehen, die bearbeitet worden ist, selbst wenn sie nur grob bearbeitet wurde, oder die Elemente trägt, die man zu konservieren wünscht, wobei die Oberfläche eines behauenen Steins ebenso als künstliche Oberfläche angesehen wird wie die Oberflächen, die Wandanstriche bzw. Wandmalereien tragen.
- Das Charakteristikum dieser Oberfläche besteht darin, daß die mineralisierenden (mineralbildenden) Mikroorganismen sich darauf entwickeln können unter Bildung einer Kalksteinschicht (Überzugsschicht).
- Das erfindungsgemäße Verfahren schlägt vor die Verwendung von mineralisierenden (mineralbildenden) Mikroorganismen, d.h. von Mikroorganismen, die in der Lage sind, in einer geeigneten Umgebung Biomineralisationen zu erzeugen.
- Das erfindungsgemäße Verfahren ist selbstverständlich insbesondere durchführbar mit Mikroorganismen, die sich mit Calciumcarbonaten verkrusten (überziehen), es ist aber auch möglich, andere Typen von Verkrustungen (Überzügen) oder Co-Verkrustungen in Betracht zu ziehen. Nachstehend wird daher insbesondere von einer Kalkablagerung auf der Basis von Calcium gesprochen, es ist aber auch möglich, andere Überzüge, wie solche aus Baryt (Schwertspat) oder anderen Bariumsalzen, beispielsweise solchen, die eine höhere Lebensdauer haben als die Calciumcarbonate und die gegenüber Säuren beständig sind, in Betracht zu ziehen.
- Die mineralbildenden (mineralisierenden) Mikroorganismen sind weit verbreitet, ihre Anwesenheit und ihr Vorkommen in Carbonatablagerungen, wie Tuffstein oder Travertin, wurden bereits von Jean-Pierre ADOLPHE beschrieben, insbesondere in seiner Doktorarbeit mit dem Titel "Observations et experimentations geomicrobiologiques et physicochimiques des concretionnements carbonates continentaux actuelles et fossiles" (Doktorarbeit Nr. 81- 34 der naturwissenschaftlichen Fakultät, "Mémoires des Sciences de la Terre", Universität Paris VI, 339 Seiten). Unter diesen Mikroorganismen müssen die Algen, die Pilze und vor allem die Bakterien genannt werden.
- In dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die mineralbildenden Mikroorganismen insbesondere ausgewählt aus den Bakterien-Familien: Bacillaceae, vorzugsweise aus dem Genus Bacillus, Pseudomonadaceae, vorzugsweise aus dem Genus Pseudomonas, oder Enterobacteriaceae, vorzugsweise aus dem Genus Proteus.
- Nach dem Verfahren ist es möglich, Reinkulturen eines spezifischen Stammes oder auch Gemische zu verwenden. Als spezifisches Beispiel für Mikroorganismen, die im Rahmen der Erfindung verwendbar sind, können genannt werden:
- - Bacillus brevis,
- - Bacillus licheniformis,
- - Bacillus cereus,
- - Bacillus megaterium
- - Pseudomonas stutzerii
- - Proteus mirabilis.
- Die Liste der Mikroorganismen ist jedoch keineswegs beschränkend. Es können auch andere Mikroorganismen ausgewählt werden, wobei man vorzugsweise von natürlichen Anreicherungen von verkalten Bakterien ausgeht, durchgeführte Untersuchungen haben nämlich gezeigt, daß es möglich ist, beispielsweise die "versteinerten" oder inkrustierten Mikroorganismen aus Kalksteinablagerungen, Stalaktiten, Erdbodenverdichtungen, wie z.B. Mondmilch, zu entnehmen.
- Die erfindungsgemäßen Mikroorganismen müssen mit der zu behandelnden Oberfläche unter Bedingungen in Kontakt gebracht werden, welche die Mineralisierung (Mineralbildung) ermöglichen, d.h. daß diese Mikroorganismen meistens in Form einer Suspension in einem wäßrigen flüssigen Medium vorliegen, das die Mineralisation (Mineralbildung) erlaubt.
- Dieses flüssige Medium ist im allgemeinen ein Kulturmedium, das an den (oder die) eingesetzten Stamm angepaßt ist.
- Vorzugsweise verwendet man einen (oder mehrere) Wild- Stämme wegen ihrer Resistenz und wegen ihrer Konkurrenzfähigkeit; diese Stämme sind entweder zu finden in Sammlungen oder sie können aus ihrer natürlichen Umgebung entnommen und in einem Speziallabor isoliert werden. Unter diesen Bedingungen ist das verwendete Medium meistens verhältnismäßig einfach, wobei diese Stämme im allgemeinen keine spezifischen Anforderungen stellen außer daß sie gegebenenfalls eine Kohlenstoff-Energiequelle benötigen, insbesondere im Falle von prototrophen Stämmen, wobei ein synthetisches Medium ausreicht. Es kann jedoch vorteilhaft sein, dem Stamm besser assimilierbare oder energiereichere Elemente zuzuführen, um seinen Stoffwechsel zu begünstigen, beispielsweise eine Pepton-Bouillon, Aminosäuren, eine Purinbase und eine Pyrimidinbase undioder Vitamine zu verwenden.
- In bestimmten Fällen ist es möglich, eine Modifikation des Mediums vorzusehen, um einer Symbiose zwischen zwei Organismen Rechnung zu tragen.
- Der pH-Wert des Mediums muß mit dem Wachstum des Mikroorganismus und mit der Art des Substrats kompatibel sein.
- In dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet man vorzugsweise eine Kultur von Mikroorganismen in der exponentiellen Wachstumsphase. Diese Kultur kann vor der Verwendung angesetzt werden, um sicher zu sein, daß sie sich in der exponentiellen Wachstumsphase befindet. Die Dauer der Vorkultivierung hängt selbstverständlich von dem verwendeten Stamm und dem verwendeten Medium ab.
- In dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es bevorzugt, nach dem Inkontaktbringen der Mikroorganismen mit der zu behandelnden Oberfläche das Kulturmedium periodisch zu erneuern und gegebenenfalls zu impfen, um sicher zu sein, daß eine optimale Entwicklung der Kalkablagerung stattfindet.
- Es hat sich nämlich gezeigt, daß die periodische Zufuhr eines Kulturmediums, beispielsweise alle Tage nach dem Impfen, die Bildung einer Kalkablagerung mit einer sehr kompakten Struktur erlaubt, die eine längere Lebensdauer aufweist als die Oberfläche des ursprünglichen Kalksteins.
- Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die zu behandelnde Oberfläche in das die Mikroorganismen enthaltende Medium eingetaucht werden oder es kann auch eine Suspension der Mikroorganismen auf die Oberfläche auf gebracht werden.
- Das Aufbringen der Suspension kann auf jede geeignete Weise erfolgen, bei der die Mikroorganismen nicht zerstört werden, beispielsweise durch Aufbringen mit einem Pinsel oder mit einem Zerstäuber.
- Die Oberfläche muß vorzugsweise mit einem Luftstrahl (refus) behandelt werden, aber auch ohne Berieselung.
- Desgleichen ist es zweckmäßg, daß das Nährmedium auf der gesamten zu behandelnden Wand homogen verteilt ist.
- Die Anwendung dieses Verfahrens ist besonders gut geeignet beim Verputzen der Fassaden, was den Vorteil bietet, daß das Gestein oder das Baumaterial wieder hergestellt wird. Außerdem können durch dieses Verfahren gewünschtenfalls Verbindungsstellen oder kleine Risse abgedichtet werden.
- Das Verfahren durch Eintauchen in ein Kulturmedium ist auf isolierte Gegenstände anwendbar oder auf solche, die demontiert werden können (wie z.B. Statuen), eine mittlere Dimension haben oder auch zur Vorbehandlung des Baumaterials, z.B. eines Steinblockes.
- Das erfindungsgemäße Verfahren kann angewendet werden zum Behandeln von sehr unterschiedlichen künstlichen Oberflächen natürlichen Ursprungs, wie Kalksteinen oder Magmasteinen oder auch nicht-natürlichen Ursprungs, wie Backsteinen, Dachziegeln, Beton, Zement, Faserzement, Hohlblockstein, Holz und Metall.
- Es ist auch möglich, künstliche Oberflächen, z.B. solche aus Glas, Kautschuk und Papier vorzusehen zur Herstellung von Oberflächen, die insbesondere als Dekoration bestimmt sind.
- Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens erlaubt die schnelle Bildung einer Kalkablagerung, welche die Beständigkeit gegenüber atmosphärischen Angriffen und Witterungseinflüssen beträchtlich verbessert. Wie jedoch oben angegeben, ist es erforderlich, daß die Bedingungen die Mineralisierung (Mineralbildung) erlauben; um dies zu erreichen, ist es erforderlich, die Zufuhr von Calciumionen, insbesondere in dem Kulturmedium, vorzusehen. Das Calciumion kann sich auch mindestens teilweise in den Abbauprodukten der Kalksteine befinden.
- Die Erfindung erlaubt somit auch die Modifikation des ästhetischen Aussehens der behandelten Oberflächen durch Verwendung von Mikroorganismen, welche die gefärbte Formen aufweisenden Ionen mineralisieren.
- Schließlich wurde auf überraschende Weise gefunden, daß die Anwesenheit solcher Mikroorganismen aus der Entwicklung von Bakterien und Mikroorganismen stammt, die verantwortlich sind für die Beschädigung (Beeinträchtigung) der Baumaterialien, insbesondere Thiobacillus.
- Die vorliegende Erfindung ist besonders geeignet für Baumaterialien mineralischen Ursprungs, speziell für Kalkstein-Baumaterialien, unabhängig davon, ob sie natürlich oder künstlich sind.
- Es können insbesondere alle Baumaterialien auf Basis von Calciumcarbonat genannt werden.
- Die Erfindung umfaßt auch den Fall, bei dem Calcium teilweise oder vollständig durch Barium ersetzt wird.
- Die folgenden Beispiele, welche die Erfindung nicht beschränken, erlauben dem Fachmann ein besseres Verständnis der Vorteile der vorliegenden Erfindung.
- Proben eines feinkörnigen Juraformations-Kalksteins, bestehend aus zwei Kalksteinproben einer Größe von 9 x 9 x 2 und zwei Kalksteinproben einer Größe von 10 x 10 x 4 wurden nach dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelt.
- Das Nährmedium bestand aus 5 g Pepton, 10 g Glucose, 0,05 g MgSO&sub4;, 0,5 g K&sub2;HPO&sub4;, 0,05 g NaCl, 0,1 g Ca(NO&sub3;)&sub2;, 0,1 g K&sub2;CO&sub3;, 0,1 g MgCO&sub3;, 0,05 g FeSO&sub4;, 0,05 g ZnSO&sub4;, 0,5 g NH&sub4;NO&sub3;, 0,5 g (NH&sub4;)&sub3;PO&sub4;, 0,5 g(NH&sub4;)&sub2;SO&sub4;, 0,05 g NaHCO&sub3; mit ausreichenden Mengen Wasser zum Auffüllen auf 1 l. Der verwendete Mikroorganismus war Bacillus megaterium.
- Eine Probe jeder Dimension wurde vollständig eingetaucht, während die andere Probe partiell eingetaucht wurde. Die Kultivierung wurde bei 37ºC in einem aeroben Medium durchgeführt. Die Proben wurden einer Behandlung unterzogen, deren Dauer von 15 bis 20 Tagen variierte. Am Ende des Versuchs wurde eine große Homogenität der Effekte der Bakterien-Mineralisierung festgestellt. Die Proben erfuhren in ihrer Gesamtheit Modifikationen des Aussehens, bezogen auf Vergleichsproben, die keiner Behandlung unterzogen wurden. Es wurden insbesondere eine Änderung der Färbung und eine Oberflächen-Versiegelung des Gesteins festgestellt. Es handelt sich dabei um eine echte Carbonat-Mineralisierung, die den Hüllenabschnitt der Proben beeinflußt. Diese Biomineralisierung verschweißt die Körnchen des Gesteins miteinander und verleiht ihnen eine bessere Kohäsion und eine höhere Haltbarkeit. Die behandelten Proben sind weniger empfindlich gegenüber Kratzern mit Stahl als die Vergleichsproben. Im Binokular-Schnitt stellt man fest, daß auf dünnen Streifen von behandelten Proben diese Oberflächenmineralisierung einen Niederschlag von einigen zehntel Millimetern ergeben hat. Diese Beobachtungen werden bestätigt mit dem Polarisations-Licht-Mikroskop und dem Fluoreszenzmikroskop und mit dem MEB. Außerdem wurde eine Patina erhalten, die ihm ein ästhetisches Aussehen verleiht, das von demjenigen des Ausgangs- Kalksteins verschieden ist.
- Das im Beispiel 1 beschriebene Verfahren erlaubt die Behandlung von isolierten Gegenständen. Das in diesem Beispiel beschriebene Verfahren ist auf Substrate an Ort und Stelle anwendbar.
- Das verwendete Kulturmedium ist das folgende:
- Pepton 5 g
- Glucose 10 g
- MgSO&sub4; 0,05 g
- K&sub2;HPO&sub4; 0,5 g
- NaCl 0,05 g
- Ca(NO&sub3;)&sub2; 0,1 g
- K&sub2;CO&sub3; 0,1 g
- MgCO&sub3; 0,1 g
- FeSO&sub4; 0,05 g
- ZnSO&sub4; 0,05 g
- NH&sub4;NO&sub3; 0,5 g
- (NH&sub4;)&sub3;PO&sub4; 0,5 g
- (NH&sub4;)&sub2;SO&sub4; 0,5 g
- Na&sub2;CO&sub3;.H&sub2;O 0,05 g
- Wasser ad 1 l
- Diese Medium wird 20 min lang bei 121ºC in einem Autoklaven sterilisiert. Nach dem Abkühlen werden erfindungsgemäße Bakterienstämme eingeimpft.
- In diesem Beispiel impft man direkt mit einem Inokulum, das Bacillus megaterium enthält.
- Die zu behandelnde Oberfläche des Kalksteins wird auf irgendeine geeignete Weise gereinigt, beispielsweise mit einem Dampfstrahl, wobei in bestimmten Fällen weniger drastische Reinigungsverfahren angewendet werden müssen.
- Die Stämme werden kultiviert bis zum Erreichen der exponentiellen Wachstumsphase und die Suspension wird mit Hilfe eines Pinsels auf die Oberfläche aufgebracht.
- Man führt die Beschichtung von unten nach oben durch unter Anwendung eines Luftstrahls (refus), jedoch unter Vermeidung einer Berieselung. Die Wand muß auf homogene Weise imprägniert werden. Während der beiden folgenden Wochen bringt man täglich nur das Kulturmedium auf. Am Ende der beiden Wochen stellt man die Bildung einer viele weniger porösen Kalkablagerungsschicht fest als es die ursprüngliche Oberfläche war, die viel beständiger gegen Kratzer ist.
- Die beiliegenden Photographien, die Fig. 1 und 2, erlauben die Beurteilung des Effekts des erfindungsgemäßen Verfahrens:
- - die Fig. 1 zeigt die Oberfläche des Gesteins vor der Behandlung: die kristallinen Elemente des Gesteins sind voneinander getrennt und es liegen Mikrorisse und Mikroporen vor.
- - die Fig. 2 zeigt die Oberfläche des Gesteins nach der Behandlung: die kristallinen Elemente des Gesteins sind durch kalkbildende Bakterien zementiert, die mineralisierten Bakterienschleier (Überzüge) füllen die Mikrorisse und die Mikroporen aus.
- In diesem Beispiel wurde der Mikroorganismus Bacillus megaterium verwendet, andere Stämme, die ebenfalls in Sammlungen verfügbar sind, ergeben ebenfalls gute Ergebnisse, gemischte natürliche Probenentnahmen können jedoch bevorzugt sein.
Claims (11)
1. Verfahren zum Schützen und/oder Behandeln einer
künstlichen Oberfläche vorzugsweise mineralischen
Ursprungs durch Oberflächenbeschichtung, dadurch
gekennzeichnet, daß diese Oberflächenbeschichtung in situ auf
der künstlichen Oberfläche erfolgt, indem man sie mit
mineralisierenden (mineralbildenden) Mikroorganismen in
der exponentiellen Wachstumsphase unter Bedingungen,
welche die Mineralisierung (Mineralbildung) gewährleisten, in
Kontakt bringt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Mikroorganismen sich mit Calciumcarbonaten
verkrusten (überziehen).
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch
gekennzeichnet, daß der mineralbildende Mikroorganismus in
einem Kulturmedium mit der künstlichen Oberfläche in
Kontakt gebracht wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß man nach dem Kontaktieren der
mineralbildenden Mikroorganismen mit der Oberfläche diese
Oberfläche regelmäßig innerhalb der Zeit mit einem
Kulturmedium des Mikroorganismus beschichtet.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die Umgebung die Inkrustation
(Beschichtung) mit Calciumcarbonaten zuläßt.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die Umgebung besteht aus einem Medium zur Kultivierung
des Mikroorganismus, das Calcium enthält.
7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß die Mikroorganismen aus Bakterien und
Cyanobakterien ausgewählt werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß der Mikroorganismus ein Bakterium ist, das ausgewählt
wird aus der Familie der Bacillaceae, vorzugsweise des
Genus Bacillus, der Pseudomonadaceae, vorzugsweise des Genus
Pseudomonas, oder der Enterobacteriaceae, vorzugsweise des
Genus Proteus.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß die Mikroorganismen unter den Genus Bacillus und
Pseudomonas ausgewählt werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch
gekenzeichnet, daß die Mikroorganisinen aus ab Anhäufungen von verkalt
Bakterien abgezogenen Probestücken ausgewahlt werden.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch
gekenzeichnet, daß die künstliche Oberfläche teilweise oder ganzlich aus
einem Kalkstein konstitutiert ist.
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