स्पोरोसारसीना पेस्टुरी
स्पोरोसारसीना पेस्टुरी जिसे पहले पुराने जैविक वर्गीकरण से बैसिलस पेस्टुरि के रूप में जाना जाता था, एक ग्राम पॉजिटिव जीवाणु है जिसमें कैल्शियम स्रोत और यूरिया दिए जाने पर केल्साइट को अवक्षेपित करने और रेत को जमने की क्षमता होती है; माइक्रोबायोलॉजिकल रूप से प्रेरित कैल्साइट वर्षा (एमआईसीपी) या जैविक सीमेंटेशन (भूविज्ञान) की प्रक्रिया के माध्यम से।[1] एस पेस्टुरी को पारिस्थितिक रूप से ध्वनि जैविक निर्माण सामग्री के रूप में उपयोग करने का प्रस्ताव दिया गया है। शोधकर्ताओं ने प्लास्टिक और कठोर खनिज के संयोजन में बैक्टीरिया का अध्ययन किया; हड्डी से अधिक शक्तिशाली सामग्री का निर्माण।[2] यह सामान्यतः एमआईसीपी के लिए उपयोग किया जाता है क्योंकि यह गैर-रोगजनक जीव है| गैर-रोगजनक है और एंजाइम यूरिया की उच्च मात्रा का उत्पादन करने में सक्षम है जो यूरिया को कार्बोनेट और अमोनिया में हाइड्रोलाइज करता है।[3]
फिजियोलॉजी
एस पेस्टुरी एक ग्राम पॉजिटिव जीवाणु जीवाणु है जो प्रकृति में छड़ी के आकार का होता है। यह अपने अस्तित्व को बढ़ाने के लिए सही पर्यावरणीय परिस्थितियों में एंडोस्पोर बनाने की क्षमता रखता है, जो इसके रोग-कीट वर्ग की विशेषता है।[4] इसकी चौड़ाई 0.5 से 1.2 माइक्रोन और लंबाई 1.3 से 4.0 माइक्रोन है। क्योंकि यह क्षारीय है, यह पीएच 9-10 के बुनियादी वातावरण में पनपता है। यह 11.2 के पीएच तक अपेक्षाकृत कठोर परिस्थितियों में जीवित रह सकता है।[3]
चयापचय और विकास
एस पाश्चुरी मृदा जनित वैकल्पिक अवायवीय जीव हैं जो विषमपोषी होते हैं और वृद्धि के लिए यूरिया और अमोनियम की आवश्यकता होती है।[5] अमोनियम का उपयोग सबस्ट्रेट्स को कोशिका झिल्ली को सेल में पार करने की अनुमति देने के लिए किया जाता है।[5]यूरिया का उपयोग जीवाणु के लिए नाइट्रोजन और कार्बन स्रोत के रूप में किया जाता है। एस। पाश्चुरी यूरिया के हाइड्रोलिसिस को प्रेरित करने में सक्षम हैं और इसे यूरिया एंजाइम का उत्पादन और स्राव करके ऊर्जा के स्रोत के रूप में उपयोग करते हैं। एंजाइम कार्बोनेट और अमोनिया बनाने के लिए यूरिया को हाइड्रोलाइज करता है। इस जल-अपघटन के दौरान, कुछ और सहज अभिक्रियाएँ की जाती हैं। कार्बामेट को कार्बोनिक एसिड और अमोनिया में हाइड्रोलाइज़ किया जाता है और फिर अमोनियम और बिकारबोनिट में हाइड्रोलाइज़ किया जाता है।[3]यह प्रक्रिया प्रतिक्रिया के पीएच को 1-2 पीएच बढ़ाने का कारण बनती है, जिससे पर्यावरण अधिक बुनियादी हो जाता है जो उन स्थितियों को बढ़ावा देता है जिनमें यह विशिष्ट जीवाणु पनपता है।[6] बायोसीमेंटेशन के लिए इस जीवाणु के बड़े मापदंड पर उत्पादन के लिए इस पीएच के साथ माध्यम को बनाए रखना महंगा हो सकता है। कारकों की विस्तृत श्रृंखला एस पाश्चुरी की वृद्धि दर को प्रभावित कर सकती है। इसमें इष्टतम तापमान, पीएच, यूरिया की सघनता, जीवाणु घनत्व, ऑक्सीजन के स्तर आदि का पता लगाना सम्मिलित है।[6]यह पाया गया है कि इष्टतम बढ़ता तापमान 30 डिग्री सेल्सियस है, किन्तु यह अन्य पर्यावरणीय कारकों से स्वतंत्र है।[4] चूँकि एस. पाश्चुरी
हेलोटूलेरेंस हैं, वे जलीय क्लोराइड आयनों की कम सांद्रता की उपस्थिति में विकसित हो सकते हैं जो जीवाणु कोशिका वृद्धि को बाधित नहीं करने के लिए पर्याप्त कम हैं।[6]यह माइक्रोबायोलॉजिकल रूप से प्रेरित केल्साइट वर्षा उपयोग के लिए आशाजनक अनुप्रयोग दिखाता है।
एस पेस्टुरी डीएसएम 33 को मेथियोनीन | एल-मेथियोनीन, सिस्टीन | एल-सिस्टीन, थायमिन और नियासिन (पदार्थ) के लिए औक्सोट्रॉफी के रूप में वर्णित किया गया है।[7]
जीनोमिक गुण
एस पेस्टुरी एनसीटीसी4822 के पूरे जीनोम को एनसीबीआई परिग्रहण संख्या:एनजेड_यूजीवाईजेड के अनुसार अनुक्रमित और रिपोर्ट किया गया था। 3.3 एमबी की गुणसूत्र लंबाई के साथ, इसमें 3,036 प्रोटीन कोडिंग जीन होते हैं और इसमें 39.17% जीसी-सामग्री होती है।[8]जब ज्ञात कार्यात्मक जीन और अज्ञात जीन के अनुपात की गणना की जाती है, तो जीवाणु परिवहन, चयापचय और प्रतिलेखन के लिए उच्चतम अनुपात दिखाता है। इन कार्यों का उच्च अनुपात यूरिया को कार्बोनेट आयनों में परिवर्तित करने की अनुमति देता है जो जैव-खनिजीकरण | जैव-खनिजीकरण प्रक्रिया के लिए आवश्यक है।[8]जीवाणु में सात पहचाने गए जीन हैं जो सीधे तौर पर यूरिया गतिविधि और असेंबली से संबंधित हैं, जिन्हें आगे औद्योगिक अनुप्रयोगों में एस. पाश्चुरी के उपयोग के अनुकूलन के लिए यूरिया उत्पादन को अधिकतम करने के बारे में जानकारी देने के लिए अध्ययन किया जा सकता है।[8]
एमआईसीपी
एमआईसीपी के साथ आवेदन एस. पाश्चुरी में यूरिया को हाइड्रोलाइज़ करने की अद्वितीय क्षमता होती है और प्रतिक्रियाओं की श्रृंखला के माध्यम से कार्बोनेट आयन उत्पन्न करते हैं। यह कोशिका झिल्ली के माध्यम से प्रचुर मात्रा में यूरिया को स्रावित करके किया जाता है।[4]जब बैक्टीरिया को कैल्साइट समृद्ध वातावरण में रखा जाता है, तो नकारात्मक रूप से चार्ज किए गए कार्बोनेट आयन कैल्शियम कार्बोनेट, या बायो-सीमेंट को अवक्षेपित करने के लिए कैल्शियम जैसे सकारात्मक धातु आयनों के साथ प्रतिक्रिया करते हैं।[3]कैल्शियम कार्बोनेट को तब अवक्षेप के रूप में उपयोग किया जा सकता है या सीमेंट रेत के कणों को एक साथ केल्साइट के रूप में क्रिस्टलीकृत किया जा सकता है। इसलिए जब कैल्शियम क्लोराइड वातावरण में रखा जाता है, तो एस. पाश्चुरी जीवित रहने में सक्षम होते हैं क्योंकि वे हेलोटोलेरेंस और अल्कलीफाइल|अल्कलीफाइल्स होते हैं। चूंकि बैक्टीरिया कठोर खनिजकरण (मृदा विज्ञान) स्थितियों के समय निरंतर रहते हैं, शक्तिशाली होते हैं, और नकारात्मक सतह चार्ज करते हैं, वे माइक्रोबायोलॉजिकल रूप से प्रेरित केल्साइट वर्षा के लिए अच्छे न्यूक्लिएशन साइट के रूप में काम करते हैं।[8] जीवाणु की नकारात्मक रूप से चार्ज की गई कोशिका भित्ति सकारात्मक रूप से आवेशित धनायनों के लिए खनिजों के निर्माण के लिए परस्पर क्रिया का स्थान प्रदान करती है। इस अंतःक्रिया की सीमा कोशिका की सतह की विशेषताओं, पेप्टिडोग्लाइकन की मात्रा, मुक्त कार्बोक्सिल के संशोधन स्तर और टेकोइक एसिड की उपलब्धता सहित कई कारकों पर निर्भर करती है।[6]एस. पाश्चुरी अत्यधिक नकारात्मक सतह चार्ज घनत्व दिखाते हैं जो गैर-खनिज बैक्टीरिया एस्चेरिचिया कोलाई|ई की तुलना में -67 mV की अत्यधिक नकारात्मक जीटा क्षमता में दिखाया जा सकता है। कोलाई, स्टैफिलोकोकस ऑरियस | एस। ऑरियस और बेसिलस सबटिलिस | बी। सबटिलिस क्रमशः -28, -26 और -40.8 mV पर।[8]एमआईसीपी के लिए S. पेस्टुरि का उपयोग करने के इन सभी लाभों के अतिरिक्त, अविकसित इंजीनियरिंग स्केल-अप, अवांछित उप-उत्पादों, अनियंत्रित वृद्धि, या यूरिया या ऑक्सीजन सांद्रता जैसी वृद्धि स्थितियों पर निर्भरता जैसी सीमाएँ हैं।[8]
वर्तमान और संभावित अनुप्रयोग
एस पेस्टुरी का उद्देश्य ठोस या मोर्टार (चिनाई) | मोर्टार के रूप में निर्माण सामग्री में सुधार करना है। कंक्रीट दुनिया में सबसे अधिक उपयोग की जाने वाली सामग्रियों में से है, किन्तु इसमें दरारें बनने की संभावना होती है, जिसे ठीक करना महंगा हो सकता है। एक समाधान इस जीवाणु को दरारों में एम्बेड करना है और एक बार यह एमआईसीपी का उपयोग करके सक्रिय हो जाता है। खनिज स्थायी रूप से पर्यावरण के अनुकूल तरीके से अंतराल बनाएंगे और उसकी मरम्मत करेंगे। एक हानि यह है कि यह विधि केवल उन बाहरी सतहों के लिए संभव है जिन तक पहुंचा जा सकता है।[6]
अन्य अनुप्रयोग कंक्रीट के बायो सेल्फ-हीलिंग में एस पेस्टुरी का उपयोग करना है जिसमें सूक्ष्म दरारों को ठीक करने के लिए कंक्रीट की तैयारी के समय बैक्टीरिया को कंक्रीट मैट्रिक्स में प्रायुक्त करना सम्मिलित है। इसमें न्यूनतम मानव हस्तक्षेप का लाभ है और उच्च संपीड़न शक्ति के साथ अधिक टिकाऊ कंक्रीट का उत्पादन होता है।[6]
जैवखनिजीकरण के लिए इस जीवाणु का उपयोग करने की सीमा है। जैव-खनिजीकरण यह है कि चूंकि यह ऑक्सीजन की अनुपस्थिति में ऐच्छिक अवायवीय है, जीवाणु यूरिया अवायवीय श्वसन को संश्लेषित करने में असमर्थ है। ऑक्सीजन की कमी भी एमआईसीपी को रोकती है क्योंकि इसकी प्रारंभ ऑक्सीजन पर बहुत अधिक निर्भर करती है। इसलिए, इंजेक्शन स्थान से दूर या बड़ी गहराई पर, वर्षा की संभावना कम हो जाती है।[8] संभावित सुधार यह है कि बायोसीमेंट में इस जीवाणु को ऑक्सीजन रिलीज करने वाले यौगिकों (ओआरसी) के साथ जोड़ा जाए जो सामान्यतः जैविक उपचार और मिट्टी से प्रदूषक को हटाने के लिए उपयोग किया जाता है।[6]इस संयोजन से, ऑक्सीजन की कमी को कम किया जा सकता है और जीवाणु के साथ एमआईसीपी को अनुकूलित किया जा सकता है।
वर्तमान अनुप्रयोगों के कुछ विशिष्ट उदाहरणों में सम्मिलित हैं:
- आर्किटेक्चर के छात्र मैग्नस लार्सन ने अपनी परियोजना ड्यून एंटी-डेजर्टिफिकेशन आर्किटेक्चर, सोकोटो, नाइजीरिया और एक रहने योग्य दीवार के डिजाइन के लिए क्षेत्र अफ्रीका मध्य पूर्व के लिए सस्टेनेबल कंस्ट्रक्शन नेक्स्ट जनरेशन फर्स्ट प्राइज के लिए 2008 होलसीम अवार्ड्स जीते।[9] लार्सन ने टीईडी (सम्मेलन) में भी प्रस्ताव प्रस्तुत किया।[10]
- रैले, नेकां में अदरक युद्ध की खुराक की अनूठी बायोटेक्नोलॉजी स्टार्ट-अप कंपनी बायोमेसन ने स्पोरोसारसीना पाश्चुरी और स्वाभाविक रूप से प्रचुर मात्रा में सामग्री से ईंटें उगाने की विधि विकसित की है। 2013 में इस कंपनी ने क्रैडल टू क्रैडल इनोवेशन चैलेंज (जिसमें 125,000 डॉलर का पुरस्कार सम्मिलित था) और डच पोस्टकोड लॉटरी ग्रीन चैलेंज (जिसमें 500,000 यूरो का पुरस्कार सम्मिलित था) जीता।[11]
अधिक संभावित अनुप्रयोगों में सम्मिलित हैं:
- भूकंप की संभावना वाले क्षेत्रों में तरल मिट्टी को ठोस बनाने के लिए जीवाणुओं का उपयोग करें।
- फॉर्म बायोब्रिक|बायो-ईंटें
- दलदल और दलदल को स्थिर करें
- इमारतों की बंदोबस्त दर कम करें[5]
- भारी धातुओं को अपशिष्ट जल से हटा दें[12]
औद्योगिक अनुप्रयोगों में इस जीवाणु का उपयोग करने के विचार स्केल-अप क्षमता, आर्थिक व्यवहार्यता, बैक्टीरिया की दीर्घकालिक व्यवहार्यता, कैल्शियम कार्बोनेट के आसंजन व्यवहार और बहुरूपता (जीव विज्ञान) हैं।[6]
यह भी देखें
संदर्भ
- ↑ Chou CW, Aydilek A, Seagren E, Maugel T (November 2008). "यूरोलिसिस के माध्यम से जीवाणु-प्रेरित कैल्साइट अवक्षेपण". American Society for Microbiology.
- ↑ "माइक्रोबियल निर्माता मनुष्यों को कठिन सामान बनाने में मदद करते हैं". Nature (in English). 591 (7849): 180. 2021-03-04. Bibcode:2021Natur.591R.180.. doi:10.1038/d41586-021-00565-3.
- ↑ 3.0 3.1 3.2 3.3 Henze J, Randall DG (August 2018). "Microbial induced calcium carbonate precipitation at elevated pH values (>11) using Sporosarcina pasteurii". Journal of Environmental Chemical Engineering. 6 (4): 5008–5013. doi:10.1016/j.jece.2018.07.046. S2CID 105388152.
- ↑ 4.0 4.1 4.2 Bhaduri S, Debnath N, Mitra S, Liu Y, Kumar A (April 2016). "माइक्रोबायोलॉजिकल रूप से प्रेरित कैल्साइट अवक्षेपण, स्पोरोसारसीना पेस्टुरी द्वारा मध्यस्थ". Journal of Visualized Experiments (110). doi:10.3791/53253. PMC 4941918. PMID 27167458.
- ↑ 5.0 5.1 5.2 "रेत के सख्त होने के लिए स्पोरोसारसीना पेस्टुरी बैक्टीरिया के उपयोग का अनुकूलन". www.envirobiotechjournals.com. Retrieved 2020-05-04.
- ↑ 6.0 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 Seifan M, Berenjian A (November 2018). "बायो सेल्फ-हीलिंग कंक्रीट डिजाइन करने में माइक्रोबियल रूप से प्रेरित कैल्शियम कार्बोनेट वर्षा का अनुप्रयोग". World Journal of Microbiology & Biotechnology. 34 (11): 168. doi:10.1007/s11274-018-2552-2. PMID 30387067. S2CID 53295171.
- ↑ Lapierre FM, Schmid S, Ederer B, Ihling N, Büchs J, Huber R (Dec 2020). "Revealing nutritional requirements of MICP-relevant Sporosarcina pasteurii DSM33 for growth improvement in chemically defined and complex media". Scientific Reports. 10 (22448): 22448. Bibcode:2020NatSR..1022448L. doi:10.1038/s41598-020-79904-9. PMC 7775470. PMID 33384450.
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- ↑ Magnus Larsson: Dune architect, TED.com. Retrieved 20 February 2010.
- ↑ bioMason @Green Challenge
- ↑ Torres-Aravena, Álvaro Esteban; Duarte-Nass, Carla; Azócar, Laura; Mella-Herrera, Rodrigo; Rivas, Mariella; Jeison, David (November 2018). "Can Microbially Induced Calcite Precipitation (MICP) through a Ureolytic Pathway Be Successfully Applied for Removing Heavy Metals from Wastewaters?". Crystals (in English). 8 (11): 438. doi:10.3390/cryst8110438.
