微生物誘発性方解石沈殿

微生物ウレアーゼは尿素を加水分解してアンモニウムと炭酸塩を生成する反応を触媒する。^{[ 20 ]} 1モルの尿素は細胞内で加水分解されて1 モルのアンモニアと1モルのカルバミン酸（1）となり、これが自発的に加水分解されてさらに1モルのアンモニアと炭酸（2）が生成される。^{[ 7 ] [ 34 ]}

CO(NH ₂ ) ₂ + H ₂ O → NH ₂ COOH + NH ₃ (1)

NH ₂ COOH + H ₂ O → NH ₃ + H ₂ CO ₃ (2)

アンモニウムと炭酸は水中で重炭酸イオンと2モルのアンモニウムイオンと水酸化物イオンを生成する（3および4）。

2NH ₃ + 2H ₂ O ↔ 2NH ⁺ ₄ +2OH ⁻ (3)

H ₂ CO ₃ ↔ HCO ⁻ ₃ + H ⁺ (4)

水酸化物イオンの生成はpHの上昇をもたらし、^{[ 35 ]}それが重炭酸イオンの平衡をシフトさせ、炭酸イオンの形成につながる可能性がある（5）。

HCO ⁻ ₃ + H ⁺ + 2NH ⁺ ₄ +2OH ⁻ ↔ CO ₃ ⁻² + 2NH ⁺ ₄ + 2H ₂ O (5)

生成された炭酸イオンはカルシウムイオンの存在下で炭酸カルシウム結晶として沈殿する（6）。

Ca ⁺² + CO ₃ ⁻² ↔ CaCO ₃ (6)

方解石の単層が形成されることで、細菌の土壌表面への親和性がさらに高まり、結果として複数の方解石層が生成される。

MICPは炭酸カルシウムの沈殿によりコンクリートの耐用年数を延ばすことが示されています。炭酸カルシウムは、ひび割れたコンクリート表面で固化することでコンクリートを修復し、骨芽細胞が骨を石灰化して再形成することで人体の骨折が治癒するプロセスを模倣します。^{[ 36 ]}現在、2つの方法が研究されています。炭酸カルシウム沈殿細菌の注入^{[ 12 ] [ 13 ] [ 37 ] [ 38 ]}と、細菌と栄養素を表面処理として適用する方法^{[ 10 ] [ 39 ] [ 40 ]}です。MICP処理されたセメントモルタルとコンクリートの強度と耐久性の向上が報告されています。^{[ 40 ] [ 41 ]}

建築家ジンジャー・クリーク・ドージャーは、微生物誘発炭酸カルシウム沈殿法を用いてレンガを製造し、二酸化炭素排出量を削減する研究で、2010年のメトロポリス次世代デザインコンペティションで優勝した。^{[ 42 ]}彼女はその後、微生物と化学プロセスを用いて建築材料を製造する会社、バイオマソン社を設立した。

MICP技術は、ゴムやプラスチックの充填剤として使用できる材料、文房具インクの蛍光粒子、ウェスタンブロットなどの生化学用途の蛍光マーカーの製造に応用できる。^{[ 43 ]}

MICP処理は、下層土での細菌の増殖と移動の制限により、深層土に限定される可能性があります。MICPは、細粒土の孔隙空間の減少により、細粒の量が限られている土壌に限定される可能性があります。微生物のサイズに基づくと、バイオセメンテーションの適用範囲は、GW、GP、SW、SP、ML、および有機土壌に限定されます。^{[ 53 ]}細菌は、約0.4μmより小さい孔の喉を通って侵入することは期待されません 。一般的に、微生物の存在量は、粒子サイズの増加とともに増加することがわかっています。^{[ 54 ]}一方、微粒子は、粒子の鉱物学がシステム内の沈殿反応の熱力学に直接影響を与える可能性があるため、炭酸カルシウム沈殿のより好ましい核形成サイトを提供する可能性があります。^{[ 22 ]} 居住可能な孔と通過可能な孔の喉は、浅い深度の粗い堆積物と一部の粘土質の堆積物で見つかりました。粘土質の土壌では、細菌は低い拘束応力（浅い深度）の下で粘土粒子を再配置および移動させることができます。しかし、高い拘束応力の下ではこれらの再配置ができないことが、より深い深度での細菌活動を制限します。さらに、堆積物と細胞の相互作用により、細胞膜に穴が開いたり、引張破壊が生じたりする可能性があります。同様に、より深い深度では、シルトや砂の粒子が砕けて孔隙が減少し、生物活動が低下する可能性があります。細菌活動は、捕食、競争、pH、温度、栄養素の利用可能性などの課題によっても影響を受けます。^{[ 55 ]}これらの要因は、細菌の個体数減少に寄与する可能性があります。これらの制限の多くは、バイオ刺激によるMICPの使用によって克服できます。バイオ刺激とは、土壌固有の尿素分解細菌をその場で濃縮するプロセスです。^{[ 55 ]}この方法は、すべての土壌にMICPを成功させるのに十分な尿素分解細菌が存在するわけではないため、常に可能とは限りません。^{[ 44 ]}