Reinventing Coastline Protection with Biocompatible Cement

10/10/24-FR-English-NL-footer

Réinventer la protection du littoral avec du ciment biocompatible

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Les côtes sont bien plus que de simples panoramas ou des hauts lieux touristiques ; ce sont des écosystèmes dynamiques qui soutiennent une grande partie de la stabilité écologique et économique de notre planète.

La santé de ces zones côtières influence directement la biodiversité, la résilience aux intempéries et les économies locales, de la pêche durable au tourisme. Pourtant, alors que le développement humain continue de se heurter à ces frontières vitales, de nombreux littoraux naturels sont confrontés à de graves menaces.

En réponse, des solutions techniques telles que des digues, des digues et des récifs artificiels sont souvent construites pour éviter l’érosion et protéger les infrastructures côtières. Mais si ces structures artificielles font leur travail de protection du littoral, elles ne parviennent souvent pas à soutenir les écosystèmes fragiles qui prospèrent dans des habitats naturels comme les récifs coralliens, les mangroves et les zones humides.

Les structures artificielles du littoral sont essentielles pour protéger le développement humain de la montée des eaux, des tempêtes et de l’érosion. Cependant, nombre de ces structures ont un coût caché : elles ne parviennent pas à soutenir la vie marine de la même manière que les côtes naturelles. Le ciment utilisé dans ces structures, en particulier, est connu depuis longtemps pour perturber les écosystèmes marins en raison de sa forte alcalinité, qui inhibe la formation de biofilms, un élément essentiel des réseaux alimentaires marins.

Des chercheurs de l’Université du Sud-Est et de l’Université de l’Académie chinoise des sciences ont récemment exploré des moyens innovants pour améliorer la biocompatibilité du ciment utilisé dans l’ingénierie du littoral. Dans leur étude publiée dans Biointerphases, ils ont expérimenté des traitements conçus pour réduire les effets nocifs du ciment traditionnel, dans le but de créer des structures qui sont non seulement robustes mais également favorables aux écosystèmes marins.

L’utilisation de ciment dans les récifs artificiels, les brise-lames et les digues a souvent été une arme à double tranchant. Bien qu’il fournisse la protection physique nécessaire, son alcalinité élevée (niveaux de pH de +12) s’avère toxique pour la vie marine. « De nouveaux matériaux de substrat doivent être développés pour réduire les effets de toxicité biologique sur les organismes marins », a déclaré Xiaolin Lu, l’un des principaux chercheurs du projet.
La promesse des traitements de surface

L’équipe a étudié deux nouveaux traitements susceptibles d’atténuer les effets nocifs du ciment sur la vie marine : le polyacrylamide, une résine synthétique couramment utilisée dans le traitement de l’eau, et le chitosane, un sucre naturel dérivé des carapaces de crustacés comme les crevettes. Ces traitements ont été appliqués en pulvérisation de surface et mélangés directement au ciment lui-même pour créer des structures plus respectueuses de la vie marine.

Lors des tests, les échantillons traités en surface ont donné des résultats impressionnants. En seulement deux jours, un biofilm (une couche visqueuse de micro-organismes essentiels à la survie de la vie marine) a commencé à se former sur le ciment traité. Cette croissance s’est poursuivie au cours des semaines suivantes, surpassant considérablement le ciment non traité dans sa capacité à soutenir le biofilm et la survie des coraux.

Les chercheurs ont découvert que si les traitements en vrac (où des additifs sont mélangés au ciment) amélioraient également la biocompatibilité, ils avaient un impact négatif sur la résistance mécanique du matériau. Les traitements de surface constituent donc l’option la plus prometteuse, car ils ne compromettent pas l’intégrité structurelle du ciment tout en favorisant un environnement marin plus sain.
Amélioration de l’habitat marin grâce à un ciment biocompatible

Les résultats de l’étude marquent une avancée significative dans l’ingénierie côtière respectueuse de l’environnement. Les traitements de surface offrent un équilibre idéal : ils préservent la résistance et la durabilité des structures en ciment tout en favorisant les environnements où les organismes marins, comme les coraux et les algues, peuvent prospérer. L’alcalinité réduite des échantillons traités en surface permet la croissance naturelle des biofilms, qui à leur tour soutiennent une grande diversité de vie marine.

« Les biofilms sont fondamentaux dans les écosystèmes marins, fournissant de la nourriture aux brouteurs et favorisant l’installation des larves », a déclaré Lu. En améliorant la croissance des biofilms sur les structures artificielles, les chercheurs espèrent créer des défenses côtières qui ne se contentent pas de protéger contre les tempêtes et l’érosion, mais contribuent également activement à la santé des écosystèmes voisins.

Les résultats de l’équipe démontrent que le ciment traité en surface peut soutenir la croissance des coraux et des biofilms pendant 30 jours, surpassant le ciment non traité en termes de biocompatibilité et de durabilité. Bien que les traitements en vrac aient contribué à réduire la toxicité biologique du ciment, ils se sont faits au prix d’une résistance mécanique réduite, un problème qui doit être résolu avant que les matériaux traités en vrac puissent être largement utilisés.

Pourquoi cela est important pour la gestion du littoral

Le changement climatique accélère la dégradation des littoraux naturels. Il n’a jamais été aussi urgent de mettre en place une gestion efficace et durable des côtes. Les écosystèmes côtiers, en particulier les récifs coralliens, les zones humides et les mangroves, fournissent des services inestimables en absorbant le dioxyde de carbone, en prévenant l’érosion et en atténuant les effets des tempêtes. Cependant, le rythme rapide de l’urbanisation et la gravité croissante des phénomènes liés au climat dépassent la capacité de récupération de la nature.

Les structures artificielles, telles que les digues et les brise-lames, offrent une protection essentielle, mais n’ont pas les propriétés d’autorégulation et de restauration des côtes naturelles. Comme le montre cette recherche, nous pouvons désormais prendre des mesures pour rendre ces structures plus respectueuses de l’environnement, leur permettant de jouer un rôle non seulement dans la protection des établissements humains, mais aussi dans la préservation de la biodiversité marine.

L’intégration de matériaux biocompatibles dans les défenses côtières pourrait contribuer à réduire l’empreinte écologique du développement côtier, en en faisant une pratique plus durable. Alors que les gouvernements, les entreprises de construction et les agences environnementales cherchent des moyens d’atténuer les effets du changement climatique, des innovations comme celles-ci joueront probablement un rôle crucial dans les futures stratégies de protection côtière.
Quelle est la prochaine étape pour le ciment marin ?

Bien que les premiers résultats soient prometteurs, des recherches supplémentaires sont nécessaires avant que ces ciments biocompatibles puissent être déployés pour des projets à grande échelle. Les prochaines étapes pour les chercheurs consistent à tester l’usure à long terme et la biocompatibilité du ciment traité dans des environnements marins réels. L’équipe espère que ces traitements de surface pourront éventuellement être utilisés dans la construction de récifs artificiels, de digues et d’autres défenses côtières dans le monde entier, offrant à la fois une protection contre les éléments et une base pour l’épanouissement des écosystèmes marins.

L’évolution vers des infrastructures côtières plus durables met en évidence une reconnaissance croissante de la nécessité d’équilibrer le développement humain et la préservation de l’environnement. Comme le dit Xiaolin Lu, « Ces nouveaux traitements ont montré la biocompatibilité nécessaire dans un éco-environnement marin simulé, qui peut être utilisé pour favoriser la croissance de biofilms sans interférer avec l’habitation prolongée d’échantillons de coraux modèles. » Vers un avenir plus durable

La volonté de développer des matériaux biocompatibles ne vise pas seulement à améliorer la longévité des défenses côtières. Il s’agit également de favoriser des écosystèmes capables de se maintenir face à des pressions environnementales croissantes.

En adoptant une approche plus intégrée, combinant l’expertise technique et les connaissances écologiques, nous pouvons construire des structures qui font plus que simplement résister aux tempêtes. Elles peuvent également faire partie de la solution à l’un des défis les plus urgents de notre époque : protéger nos côtes tout en préservant leur beauté naturelle et leur biodiversité.
NJC.© Info study published in Biointerphases

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10/10/24-English

Reinventing Coastline Protection with Biocompatible Cement

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Coastlines are more than scenic views or tourist hotspots; they are dynamic ecosystems that underpin much of our planet’s ecological and economic stability.

The health of these coastal areas directly influences biodiversity, weather resilience, and local economies, from sustainable fisheries to tourism. Yet, as human development continues to press up against these vital borders, many natural coastlines face serious threats.

In response, engineered solutions like dikes, seawalls, and artificial reefs are often constructed to stave off erosion and protect coastal infrastructure. But, while these man-made structures do their job in shielding the coast, they often fall short in supporting the delicate ecosystems that thrive in natural habitats like coral reefs, mangroves, and wetlands.

Artificial coastline structures are essential to protecting human development from rising seas, storms, and erosion. However, many such structures come with a hidden cost: they fail to support marine life in the same way natural coastlines do. The cement used in these structures, particularly, has long been known to disrupt marine ecosystems due to its high alkalinity, which inhibits biofilm formation—a critical element in marine food webs.

Recently, researchers from Southeast University and the University of Chinese Academy of Science have been exploring innovative ways to enhance the biocompatibility of cement used in coastline engineering. In their study published in Biointerphases, they experimented with treatments designed to reduce the harmful effects of traditional cement, aiming to create structures that are not only robust but also supportive of marine ecosystems.

The use of cement in artificial reefs, breakwaters, and seawalls has often been a double-edged sword. While it provides the necessary physical protection, its high alkalinity (pH levels of +12) proves toxic to marine life. “New substrate materials need to be developed to reduce the biological toxicity effects on marine organisms,” said Xiaolin Lu, one of the lead researchers on the project.
The Promise of Surface Treatments

The team explored two novel treatments that could mitigate the harmful effects of cement on marine life: polyacrylamide, a synthetic resin commonly used in water treatment, and chitosan, a natural sugar derived from the shells of crustaceans like shrimp. These treatments were applied both as a surface spray and mixed directly into the cement itself to create more marine-friendly structures.

When tested, the surface-treated samples yielded impressive results. Within just two days, biofilm—a slimy layer of microorganisms critical for supporting larger marine life—began forming on the treated cement. This growth continued over the following weeks, significantly outperforming untreated cement in its ability to support biofilm and coral survival.

The researchers found that while bulk treatments (where additives are mixed into the cement) also improved biocompatibility, they had a negative impact on the material’s mechanical strength. This makes surface treatments the more promising option, as they don’t compromise the cement’s structural integrity while still fostering a healthier marine environment.
Enhancing Marine Habitat with Bio-Compatible Cement

The study’s results mark a significant step forward in ecologically sensitive coastal engineering. Surface treatments offer an ideal balance—preserving the strength and durability of cement structures while fostering environments where marine organisms, like corals and algae, can thrive. The reduced alkalinity in surface-treated samples allows for the natural growth of biofilms, which in turn support a diverse range of marine life.

“Biofilms are foundational in marine ecosystems, providing food for grazers and promoting the settlement of larvae,” said Lu. By improving biofilm growth on artificial structures, the researchers hope to create coastline defences that don’t just protect against storms and erosion, but also actively contribute to the health of nearby ecosystems.

The team’s findings demonstrate that surface-treated cement can support coral and biofilm growth for up to 30 days, outperforming untreated cement in terms of both biocompatibility and durability. While bulk treatments helped reduce the biological toxicity of cement, they came at the cost of reduced mechanical strength—an issue that needs to be addressed before bulk-treated materials can be widely used.

Why This Matters for Coastline Management

With climate change accelerating the degradation of natural coastlines, the need for effective, sustainable coastal management has never been more urgent. Coastal ecosystems—especially coral reefs, wetlands, and mangroves—provide invaluable services by absorbing carbon dioxide, preventing erosion, and mitigating the impacts of storms. However, the rapid pace of urbanisation and the increasing severity of climate-related events are outstripping nature’s ability to recover.

Artificial structures, such as seawalls and breakwaters, offer essential protection but lack the self-regulating and restorative properties of natural coastlines. As this research shows, we can now take steps to make these structures more environmentally friendly, enabling them to play a role not only in protecting human settlements but also in preserving marine biodiversity.

Incorporating biocompatible materials into coastline defences could help reduce the ecological footprint of coastal development, making it a more sustainable practice. As governments, construction firms, and environmental agencies look for ways to mitigate the effects of climate change, innovations like these will likely play a crucial role in future coastal protection strategies.
What’s Next for Marine Cement?

Although the early results are promising, further research is needed before these biocompatible cements can be rolled out for large-scale projects. The next steps for the researchers involve testing the long-term wear and biocompatibility of treated cement in real-world marine environments. The team hopes that these surface treatments could eventually be used in the construction of artificial reefs, seawalls, and other coastal defences worldwide, providing both protection from the elements and a foundation for marine ecosystems to flourish.

The shift towards more sustainable coastal infrastructure highlights a growing recognition of the need to balance human development with environmental preservation. As Xiaolin Lu puts it, “These new treatments showed the necessary biocompatibility in a simulated marine eco-environment, which can be used to promote biofilm growth without interfering in extended habitation of model coral samples.”
Toward a More Sustainable Future

The push to develop biocompatible materials is not just about improving the longevity of coastal defences. It’s also about fostering ecosystems that can sustain themselves in the face of growing environmental pressures.

By taking a more integrated approach—combining engineering expertise with ecological insights—we can build structures that do more than simply stand up to storms. They can also become part of the solution to one of the most pressing challenges of our time: protecting our coastlines while preserving their natural beauty and biodiversity.
NJC.© Info study published in Biointerphases

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10/10/24-NL

Kustlijnbescherming opnieuw uitvinden met biocompatibel cement

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Kustlijnen zijn meer dan alleen mooie uitzichten of toeristische hotspots; het zijn dynamische ecosystemen die een groot deel van de ecologische en economische stabiliteit van onze planeet ondersteunen.

De gezondheid van deze kustgebieden heeft een directe invloed op biodiversiteit, weerbestendigheid en lokale economieën, van duurzame visserij tot toerisme. Maar omdat de menselijke ontwikkeling deze vitale grenzen blijft tegenkomen, worden veel natuurlijke kustlijnen met ernstige bedreigingen geconfronteerd.

Als reactie hierop worden vaak technische oplossingen zoals dijken, zeeweringen en kunstmatige riffen gebouwd om erosie tegen te gaan en de kustinfrastructuur te beschermen. Maar hoewel deze door de mens gemaakte structuren hun werk doen om de kust te beschermen, schieten ze vaak tekort in het ondersteunen van de kwetsbare ecosystemen die gedijen in natuurlijke habitats zoals koraalriffen, mangrovebossen en wetlands.

Kunstmatige kustlijnstructuren zijn essentieel voor het beschermen van de menselijke ontwikkeling tegen stijgende zeespiegels, stormen en erosie. Veel van dergelijke structuren hebben echter een verborgen prijs: ze ondersteunen het zeeleven niet op dezelfde manier als natuurlijke kustlijnen. Het cement dat in deze constructies wordt gebruikt, staat er al lang om bekend dat het mariene ecosystemen verstoort vanwege de hoge alkaliteit, die de vorming van biofilm remt, een cruciaal element in mariene voedselwebben.

Onlangs hebben onderzoekers van Southeast University en de University of Chinese Academy of Science innovatieve manieren onderzocht om de biocompatibiliteit van cement dat wordt gebruikt in de kustwaterbouw te verbeteren. In hun studie, gepubliceerd in Biointerphases, experimenteerden ze met behandelingen die zijn ontworpen om de schadelijke effecten van traditioneel cement te verminderen, met als doel structuren te creëren die niet alleen robuust zijn, maar ook mariene ecosystemen ondersteunen.

Het gebruik van cement in kunstmatige riffen, golfbrekers en zeeweringen is vaak een tweesnijdend zwaard gebleken. Hoewel het de nodige fysieke bescherming biedt, blijkt de hoge alkaliteit (pH-niveaus van +12) giftig te zijn voor het zeeleven. "Er moeten nieuwe substraatmaterialen worden ontwikkeld om de biologische toxiciteitseffecten op mariene organismen te verminderen", aldus Xiaolin Lu, een van de hoofdonderzoekers van het project.
De belofte van oppervlaktebehandelingen

Het team onderzocht twee nieuwe behandelingen die de schadelijke effecten van cement op het zeeleven konden verminderen: polyacrylamide, een synthetische hars die veel wordt gebruikt bij waterbehandeling, en chitosan, een natuurlijke suiker die afkomstig is van de schalen van schaaldieren zoals garnalen. Deze behandelingen werden zowel als oppervlaktespray toegepast als direct in het cement zelf gemengd om structuren te creëren die beter zijn voor de zee.

Toen de oppervlaktebehandelde monsters werden getest, leverden ze indrukwekkende resultaten op. Binnen slechts twee dagen begon zich biofilm te vormen op het behandelde cement, een slijmerige laag micro-organismen die cruciaal is voor het ondersteunen van groter zeeleven. Deze groei zette zich de daaropvolgende weken voort en overtrof onbehandeld cement aanzienlijk in zijn vermogen om biofilm en koraaloverleving te ondersteunen.

De onderzoekers ontdekten dat hoewel bulkbehandelingen (waarbij additieven in het cement worden gemengd) ook de biocompatibiliteit verbeterden, ze een negatieve impact hadden op de mechanische sterkte van het materiaal. Dit maakt oppervlaktebehandelingen de meest veelbelovende optie, omdat ze de structurele integriteit van het cement niet in gevaar brengen en toch een gezonder zeemilieu bevorderen. Verbetering van mariene habitat met biocompatibel cement

De resultaten van de studie markeren een belangrijke stap voorwaarts in ecologisch gevoelige kusttechniek. Oppervlaktebehandelingen bieden een ideale balans: ze behouden de sterkte en duurzaamheid van cementconstructies en bevorderen tegelijkertijd omgevingen waarin mariene organismen, zoals koralen en algen, kunnen gedijen. De verminderde alkaliteit in oppervlaktebehandelde monsters maakt de natuurlijke groei van biofilms mogelijk, die op hun beurt een breed scala aan zeeleven ondersteunen.

"Biofilms zijn fundamenteel in mariene ecosystemen, ze leveren voedsel voor grazers en bevorderen de vestiging van larven", aldus Lu. Door de groei van biofilm op kunstmatige constructies te verbeteren, hopen de onderzoekers kustlijnverdedigingen te creëren die niet alleen beschermen tegen stormen en erosie, maar ook actief bijdragen aan de gezondheid van nabijgelegen ecosystemen.

De bevindingen van het team tonen aan dat oppervlaktebehandeld cement de groei van koraal en biofilm tot 30 dagen kan ondersteunen, wat onbehandeld cement overtreft in termen van zowel biocompatibiliteit als duurzaamheid. Hoewel bulkbehandelingen hielpen de biologische toxiciteit van cement te verminderen, gingen ze wel ten koste van de mechanische sterkte. Dit is een probleem dat moet worden aangepakt voordat bulkbehandelde materialen op grote schaal kunnen worden gebruikt.

Waarom dit belangrijk is voor kustlijnbeheer

Nu klimaatverandering de degradatie van natuurlijke kustlijnen versnelt, is de behoefte aan effectief, duurzaam kustbeheer nog nooit zo urgent geweest. Kustecosystemen, met name koraalriffen, wetlands en mangrovebossen, leveren onschatbare diensten door koolstofdioxide te absorberen, erosie te voorkomen en de gevolgen van stormen te verzachten. Het snelle tempo van verstedelijking en de toenemende ernst van klimaatgerelateerde gebeurtenissen overtreffen echter het vermogen van de natuur om te herstellen.

Kunstmatige structuren, zoals zeeweringen en golfbrekers, bieden essentiële bescherming, maar missen de zelfregulerende en herstellende eigenschappen van natuurlijke kustlijnen. Zoals dit onderzoek aantoont, kunnen we nu stappen ondernemen om deze structuren milieuvriendelijker te maken, waardoor ze niet alleen een rol kunnen spelen bij de bescherming van menselijke nederzettingen, maar ook bij het behoud van mariene biodiversiteit.

Het opnemen van biocompatibele materialen in kustlijnverdedigingen kan helpen de ecologische voetafdruk van kustontwikkeling te verkleinen, waardoor het een duurzamere praktijk wordt. Nu overheden, bouwbedrijven en milieuagentschappen op zoek zijn naar manieren om de effecten van klimaatverandering te verzachten, zullen innovaties als deze waarschijnlijk een cruciale rol spelen in toekomstige kustbeschermingsstrategieën.
Wat is de toekomst voor marinecement?

Hoewel de eerste resultaten veelbelovend zijn, is er meer onderzoek nodig voordat deze biocompatibele cementen kunnen worden uitgerold voor grootschalige projecten. De volgende stappen voor de onderzoekers omvatten het testen van de slijtage op lange termijn en de biocompatibiliteit van behandeld cement in echte mariene omgevingen. Het team hoopt dat deze oppervlaktebehandelingen uiteindelijk kunnen worden gebruikt bij de bouw van kunstmatige riffen, zeeweringen en andere kustverdedigingswerken wereldwijd, waardoor ze zowel bescherming bieden tegen de elementen als een basis vormen voor mariene ecosystemen om te floreren.

De verschuiving naar duurzamere kustinfrastructuur benadrukt een groeiende erkenning van de noodzaak om menselijke ontwikkeling in evenwicht te brengen met milieubehoud. Zoals Xiaolin Lu het stelt: "Deze nieuwe behandelingen toonden de noodzakelijke biocompatibiliteit in een gesimuleerde mariene eco-omgeving, die kan worden gebruikt om de groei van biofilm te bevorderen zonder de langdurige bewoning van modelkoraalmonsters te verstoren."
Op weg naar een duurzamere toekomst

De drang om biocompatibele materialen te ontwikkelen gaat niet alleen over het verbeteren van de levensduur van kustverdediging. Het gaat ook over het bevorderen van ecosystemen die zichzelf in stand kunnen houden ondanks de toenemende druk van het milieu.

Door een meer geïntegreerde aanpak te hanteren, waarbij we technische expertise combineren met ecologische inzichten, kunnen we structuren bouwen die meer doen dan alleen bestand zijn tegen stormen. Ze kunnen ook deel uitmaken van de oplossing voor een van de meest urgente uitdagingen van onze tijd: onze kustlijnen beschermen en tegelijkertijd hun natuurlijke schoonheid en biodiversiteit behouden.
NJC.© Info study published in Biointerphases

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