PhD Thesis

Design of soil biocementation strategies using biological activity monitored with biosensors

Inês Costa Feijão Borges — 2025

Key information

Authors:

Inês Costa Feijão Borges (Inês Costa Feijão Borges)

Supervisors:

Maria Rafaela Pinheiro Cardoso (Rafaela Cardoso); Susana Isabel Pinheiro Cardoso de Freitas (Susana Isabel Pinheiro Cardoso de Freitas)

Published in

01/15/2025

Abstract

Esta tese contribui para o avanço do estudo da biocimentação, que é uma técnica ecológica utilizada para a estabilização de solos em engenharia geotécnica. Está dividida em três partes principais, cada uma centrada num aspeto importante do dimensionamento de soluções para a utilização desta técnica, nomeadamente: (i) interação entre bactérias e minerais argilosos, (ii) monitorização utilizando um novo biossensor, e (iii) desenvolvimento de uma câmara de biocimentação para ensaios laboratoriais e preparar amostras mais homogéneas. Uma primeira parte investiga o impacto dos minerais argilosos na biocimentação, estudando a precipitação de carbonato de cálcio e o crescimento de S. pasteurii na presença de caulinite e bentonite em diferentes quantidades. As percentagens ótimas de argila variam entre 5% e 10% para a caulinite e 5% para a bentonite, tendo em conta a sobrevivência bacteriana e a quantidade de biocimento precipitado. O estudo realça a importância de considerar a interação argila-bactéria e o acesso prático ao fluido de tratamento. No geral, os minerais de argila desempenham um papel crucial na eficácia da biocimentação, sendo um potencial aditivo para melhorar o tratamento. A segunda parte centra-se na otimização de um biossensor para monitorizar a biocimentação através da medição da quantidade de enzima urease presente nos fluidos dos vazios. Os principais fatores de otimização incluem a gama de funcionamento, as reações cruzadas, a portabilidade, a facilidade de utilização, a interferência das partículas do solo e a gestão económica. O biossensor, otimizado para detetar a urease purificada de C. ensiformis, definiu curvas de calibração válidas para diferentes gamas de concentração. Estimou com sucesso a concentração de urease em amostras de areia tratadas com precipitação de calcite induzida por enzima (EICP do termo em inglês), confirmando o seu potencial para ser utilizado na previsão do teor de biocimento. Apesar das limitações do sensor, a sua utilização como ferramenta de monitorização da biocimentação é promissora e tem potencial para se tornar uma importante ferramenta de dimensionamento. A terceira parte descreve em pormenor o desenvolvimento de uma nova câmara de biocimentação e a sua aplicação no tratamento de amostras de areia com EICP. A câmara permite a medição da permeabilidade e a extração de amostras intactas para caraterização mecânica, oferecendo vantagens em relação aos métodos convencionais. A análise das amostras tratadas revelou um nível de biocimentação ligeiro. As imagens de SEM indicam a presença de calcite, observaram-se texturas mais suaves nas amostras biocimentadas. Os testes mecânicos mostraram uma diminuição do ângulo de atrito após o tratamento, juntamente com um aumento da compressibilidade, evidenciando um fenómeno ao nível das partículas. Embora ainda existam alguns desafios por resolver, esta tese contribui para o avanço da nossa compreensão da biocimentação e das suas aplicações práticas na engenharia geotécnica. This thesis contributes to the advancement of the study on biocementation, which is an environmentally friendly technique used for soil stabilization in geotechnical engineering. It is divided into three main parts, each focused on a n important topic of the design of solutions for the use of this technique, namely: (i) bacteria and clay mineral interaction, (ii) monitoring using a novel biosensor, and (iii) the development of a biocementation chamber for laboratory tests, to prepare more homogeneous samples. The first part investigates the impact of clay minerals on biocementation, by studying calcium carbonate precipitation and S. pasteurii growth in the presence of kaolin and bentonite with different quantities. Optimal clay percentages range from 5% to 10% for kaolin and 5% for bentonite considering bacterial survival and the amount of biocement precipitated. The study highlights the importance of considering clay-bacteria interaction and practical treatment fluid access. Overall, clay minerals play a crucial role in promoting biocementation effectiveness, being a potential additive to enhance treatment. The second part is focused on optimizing a biosensor for monitoring biocementation by measuring the amount of urease enzyme present in pore fluids. Key optimization factors include the operational range, cross-reactions, portability, user-friendliness, soil particle interference, and economic management. The biosensor, optimized for detecting purified urease from C. ensiformis, yielded calibration curves valid for different concentration ranges. It successfully estimated urease concentration in enzyme induced calcite precipitation (EICP) treated sand samples, confirming its potential to be used for predicting biocement content. Despite sensor’s limitations, its use as monitoring tool for biocementation is promising and has the potential to become an important design tool. The third part details the development of a new biocementation chamber and its application in treating sand samples with EICP. The chamber allows for permeability measurement and intact specimen extraction for mechanical characterization, offering advantages over conventional methods. Analysis of treated samples revealed a lightly biocemented level. SEM images indicate calcite presence and with smoother textures observed in biocemented samples. Mechanical tests showed a decrease in friction angle after treatment, alongside increased compressibility, highlighting a particle-level phenomenon. Although still some challenges remain unsolved, this thesis contributes to advancing our understanding of biocementation and its practical applications in geotechnical engineering.

Publication details

Authors in the community:

Supervisors of this institution:

RENATES TID

101639740

Degree Name

Doutoramento em Engenharia Civil

Fields of Science and Technology (FOS)

civil-engineering - Civil engineering

Keywords

  • Biocementation
  • Clay-bacteria
  • Biosensor
  • Monitoring
  • Biocementation chamber
  • Biocimentação
  • Argila-bactérias
  • Biossensor
  • Monitorização
  • Câmara de biocimentação

Publication language (ISO code)

eng - English

Rights type:

Open access

Institution name

Instituto Superior Técnico

Financing entity

Fundação para a Ciência e a Tecnologia

Identifier for the funding entity: https://doi.org/10.13039/501100001871

Type of identifier of the funding entity: Crossref Funder

Number for the project, award or grant: SFRH/BD/144257/2019

Financing entity

Fundação para a Ciência e a Tecnologia

Title of the project, award or grant: BIOSOIL

Number for the project, award or grant: PTDC/ECI-EGC/32590/2017

Financing entity

Fundação para a Ciência e a Tecnologia

Title of the project, award or grant: CALCITE

Number for the project, award or grant: PTDC/ECI-EGC/1086/2021