Infrastruktura wspiera i ułatwia codzienne życie - pomyśl o drogach, którymi jedziemy, mostach i tunelach, które pomagają transportować ludzi i ładunki, biurowcach, w których pracujemy, oraz tamach, które dostarczają wodę, którą pijemy. Ale nie jest tajemnicą, że amerykańska infrastruktura starzeje się i rozpaczliwie potrzebuje rehabilitacji.
W szczególności konstrukcje betonowe ulegają poważnemu zniszczeniu. Pęknięcia są bardzo częste z powodu różnych zjawisk chemicznych i fizycznych, które występują podczas codziennego użytkowania. Beton kurczy się podczas wysychania, co może powodować pęknięcia. Może pękać, gdy pod spodem jest ruch lub dzięki cyklom zamrażania / rozmrażania w trakcie pór roku. Samo przyłożenie zbyt dużej masy może spowodować złamania. Co gorsza, pręty stalowe osadzone w betonie, ponieważ zbrojenie może z czasem ulec korozji.
Bardzo małe pęknięcia mogą być bardzo szkodliwe, ponieważ zapewniają łatwą drogę dla cieczy i gazów - i szkodliwych substancji, które mogą zawierać. Na przykład mikropęknięcia mogą pozwolić na infiltrację wody i tlenu, a następnie korozję stali, co prowadzi do uszkodzenia konstrukcji. Nawet delikatne wyrwanie tylko szerokości włosa może pozwolić na dostateczną ilość wody do podważenia integralności betonu.
Ale ciągłe prace konserwacyjne i naprawcze są trudne, ponieważ zwykle wymagają ogromnej ilości pracy i inwestycji.
Dlatego od 2013 roku staram się dowiedzieć, jak te szkodliwe pęknięcia mogą się wyleczyć bez interwencji człowieka. Pomysł został pierwotnie zainspirowany niesamowitą zdolnością ludzkiego ciała do leczenia ran, siniaków i połamanych kości. Osoba przyjmuje składniki odżywcze, których organizm używa do produkcji nowych substytutów do leczenia uszkodzonych tkanek. W ten sam sposób, czy możemy dostarczyć betonowi niezbędne produkty do wypełnienia pęknięć w przypadku uszkodzenia?
Moi koledzy z Uniwersytetu Binghamton, Guangwen Zhou i David Davies, Ning Zhang z Rutgers University i ja znaleźliśmy niezwykłego kandydata, który pomógłby w konkretnym leczeniu się: grzyba o nazwie Trichoderma reesei .
Naukowcy zbadali szereg grzybów w poszukiwaniu kandydata, który mógłby pomóc wypełnić betonowe pęknięcia. (Congrui Jin, CC BY-ND) Początkowo sprawdziliśmy około 20 różnych gatunków grzybów, aby znaleźć taki, który wytrzyma trudne warunki w betonie. Niektóre wyizolowaliśmy z korzeni roślin, które rosły w glebach ubogich w składniki odżywcze, w tym z sosny New Jersey Pine Barrens i kanadyjskich Gór Skalistych w Albercie.
Stwierdziliśmy, że gdy wodorotlenek wapnia z betonu rozpuszcza się w wodzie, pH naszej pożywki grzybowej wzrosło z prawie neutralnej wartości początkowej 6, 5 aż do bardzo alkalicznego 13, 0. Ze wszystkich grzybów, które testowaliśmy, tylko T. reesei mógł przetrwać w tym środowisku. Pomimo drastycznego wzrostu pH, jego zarodniki wykiełkowały do grzybni strzępkowej i rosły równie dobrze z betonem lub bez.
Gdy zarodniki (po lewej) wykiełkują z dodatkiem wody, wyrastają w grzybni strzępkowej (po prawej). (Congrui Jin, CC BY-ND) Proponujemy włączenie zarodników grzybów wraz z substancjami odżywczymi podczas początkowego procesu mieszania przy budowie nowej betonowej struktury. Kiedy nastąpi nieuniknione pękanie i woda przedostanie się do środka, uśpione zarodniki grzybów wykiełkują.
Gdy rosną, będą działać jako katalizator w bogatych w wapń warunkach betonu, aby promować wytrącanie kryształów węglanu wapnia. Te złoża mineralne mogą wypełnić pęknięcia. Gdy pęknięcia zostaną całkowicie doszczelnione i nie będzie już więcej wody, grzyby ponownie utworzą zarodniki. Jeśli pęknięcia ponownie się utworzą, a warunki środowiskowe staną się sprzyjające, zarodniki mogą się obudzić i powtórzyć proces.
T. reesei jest ekologiczny i niepatogenny, nie stanowi żadnego znanego zagrożenia dla zdrowia ludzi. Pomimo powszechnej obecności w glebach tropikalnych, nie ma doniesień o niepożądanych skutkach dla roślin wodnych i lądowych oraz zwierząt. W rzeczywistości T. reesei ma długą historię bezpiecznego stosowania w przemysłowej produkcji enzymów karbohydrazy, takich jak celulaza, która odgrywa ważną rolę w procesach fermentacji podczas produkcji wina. Oczywiście naukowcy będą musieli przeprowadzić dokładną ocenę, aby zbadać wszelkie możliwe natychmiastowe i długoterminowe skutki dla środowiska i zdrowia ludzkiego przed użyciem go jako środka leczniczego w konkretnej infrastrukturze.
Przyszłe przepisy na cement mogą obejmować grzyby. (Midtown Crossing at Turner Park, CC BY) Nadal nie do końca rozumiemy tę bardzo młodą, ale obiecującą technikę naprawy biologicznej. Beton jest trudnym środowiskiem dla grzyba: bardzo wysokie wartości pH, stosunkowo małe rozmiary porów, poważny deficyt wilgoci, wysokie temperatury w lecie i niskie temperatury w zimie, ograniczona dostępność składników odżywczych i możliwa ekspozycja na promienie ultrafioletowe ze światła słonecznego. Wszystkie te czynniki dramatycznie wpływają na metaboliczną aktywność grzybów i czynią je podatnymi na śmierć.
Nasze badania są wciąż w początkowej fazie i droga do samonaprawiającego się betonu jest praktyczna i opłacalna. Jednak zakres wyzwań amerykańskiej infrastruktury sprawia, że warto szukać takich kreatywnych rozwiązań.
Ten artykuł został pierwotnie opublikowany w The Conversation.
Congrui Jin, adiunkt inżynierii mechanicznej, Binghamton University, State University of New York
