Biocement: Bacteriën die Marsstof omzetten in bouwmateriaal

De mogelijkheden om op Mars te bouwen krijgen steeds concretere vormen. Wetenschappers van het Politecnico di Milano hebben een methode beschreven om martiaans stof, het zogenoemde regoliet, om te zetten in een materiaal vergelijkbaar met beton door middel van biocementatie. De techniek combineert twee micro-organismen die elk een cruciale rol vervullen: Sporosarcina pasteurii en Choococcidiopsis.

Waarom biocementatie voor Mars?

Transport van bouwmaterialen van de Aarde naar Mars is logistiek en economisch onpraktisch. Het oppervlak van de Maan en Mars is bedekt met fijn stof en fragmenten die chemisch geschikt zijn om, met de juiste processen, om te vormen tot steenachtige materialen. Biocementatie biedt een methode om lokale hulpbronnen te benutten en zo structuren ter plaatse te creëren zonder enorme hoeveelheden materiaal te verschepen.

Een recent onderzoek gepubliceerd in Frontiers in Microbiology beschrijft hoe het martiaanse regoliet met behulp van micro-organismen kan worden samengebonden tot compacte blokken met druksterktes vergelijkbaar met sommige betonmengsels. De aanpak is gebaseerd op een proces dat bekendstaat als Microbially Induced Calcium Carbonate Precipitation (MICP).

Hoe werkt het proces?

Het kernprincipe van MICP omvat de vorming van calciumcarbonaat door microbieel handelen. In dit systeem speelt Sporosarcina pasteurii een centrale rol dankzij ureolyse: deze bacterie produceert het enzym urease dat urea hydrolyseert tot ammoniak en koolzuur. De vrijgekomen ammoniak verhoogt de pH van de omgeving, terwijl het koolzuur dissocieert naar carbonaationen. Wanneer deze carbonaationen reageren met aanwezige calciumionen, slaan ze neer als calciumcarbonaatkristallen op oppervlaktes en tussen de deeltjes van het regoliet.

Die neerslag fungeert als een natuurlijk bindmiddel dat losse stofdeeltjes aan elkaar hecht en zo een compact materiaal vormt. Het resultaat zijn blokken die structurele eigenschappen vertonen die bruikbaar kunnen zijn voor bouwtoepassingen op Mars.

De rol van twee complementaire bacteriën

De combinatie van Sporosarcina pasteurii en Choococcidiopsis benut beide organismen optimaal. Terwijl Sporosarcina pasteurii het biocement vormt, biedt Choococcidiopsis bescherming en een gunstig microklimaat. Deze fotosynthetische cyanobacterie produceert zuurstof en kan zo een lokaal milieu ondersteunen waarin de ureolytische bacterie effectiever blijft opereren.

Choococcidiopsis is bovendien een van de meest resistente microben die we kennen. Experimenten in het kader van de missie BIOMEX hebben aangetoond dat sommige stammen blootgesteld aan vacuüm en zonnestraling tijdens lange perioden – in experimenten tot achttien maanden – in staat waren om na rehydratatie hun metabolisme te hervatten. Die veerkracht maakt de soort bijzonder interessant voor toepassingen in het buitengewoon vijandige martiaanse milieu.

Beschermingsmechanismen van Choococcidiopsis

• Een dikke laag van extracellulaire polymeerachtige stoffen die aanzienlijke delen van UVA- en UVM-straling filteren (bij benadering 70%) en bijna 90% van UVC blokkeren.
• Antioxidanten die aan de buitenmembraan binden en functioneren als fotoprotectoren tegen reactieve zuurstofsoorten die door straling ontstaan.
• Interne mechanismen voor DNA-herstel die beschadiging herstelt na blootstelling aan hoge stralingsniveaus.

Door deze gecombineerde verdedigingen fungeert Choococcidiopsis als een soort biologisch schild, terwijl Sporosarcina pasteurii het bouwkundige werk doet. Deze symbiotische relatie maakt lokale productie van constructiematerialen realistischer.

Het onderzoek benadrukt ook bredere mogelijkheden: behalve het produceren van bouwmateriaal kan zo’n microbieel duo bijdragen aan zuurstofproductie en het produceren van nuttige bijproducten. Bijvoorbeeld ammoniak dat ontstaat tijdens ureolyse zou in theorie als meststof voor toekomstige kweeksystemen kunnen dienen.

Hoewel de concepten veelbelovend zijn, waarschuwen onderzoekers dat grootschalige toepassing veel stappen vereist, waaronder het nabootsen van martiaanse omstandigheden op aarde om processen te optimaliseren en zekerheid te krijgen over veiligheid en efficiëntie.

Vooruitblik en uitdagingen

Ambities om een menselijk habitat op Mars te bouwen in de komende decennia – met als doel de jaren rond 2040 als richtpunt voor vroege habitats – vragen niet alleen om innovatieve bouwmethodes, maar ook om robuuste strategieën voor terugkeer en duurzaamheid. Biocementatie biedt een aantrekkelijk pad, maar vereist verdere tests onder realistische omstandigheden, langdurige betrouwbaarheidstests en een integratieplan met levensondersteunende systemen.

De combinatie van Sporosarcina pasteurii en Choococcidiopsis laat zien dat biotechnologie niet alleen in staat is om materialen te creëren, maar ook om levensondersteunende functies te vervullen die essentieel zijn voor langdurige aanwezigheid op andere werelden.

Veelgestelde vragen

• Wat is biocementatie?

  Biocementatie is een proces waarbij micro-organismen, via chemische reacties zoals de vorming van calciumcarbonaat, losse deeltjes samenbinden tot een stevig materiaal.

• Waarom zijn twee bacteriën nodig?

  Een soort levert het bindmiddel (Sporosarcina pasteurii), terwijl de andere (Choococcidiopsis) bescherming en een gunstiger microklimaat biedt, waardoor het hele proces veerkrachtiger wordt.

• Kan dit nu al op Mars worden toegepast?

  Niet direct. De methode is veelbelovend, maar er zijn nog experimenten nodig om de processen te optimaliseren en te valideren onder martiaanse omstandigheden.

• Zijn de bacteriën gevaarlijk?

  De onderzochte soorten zijn niet bedoeld als ziekteverwekkers; veiligheid en ecologische risico's moeten echter grondig worden beoordeeld voordat ze in een ander planetaire milieu worden ingezet.