Infrastruktura podpira in olajša naše vsakdanje življenje - pomislite na ceste, po katerih se vozimo, mostove in predore, ki pomagajo pri prevozu ljudi in tovora, poslovne stavbe, kjer delamo, in jezove, ki zagotavljajo vodo, ki jo pijemo. A ni skrivnost, da se ameriška infrastruktura stara in v obupni potrebi po rehabilitaciji.
Zlasti betonske konstrukcije trpijo resno. Razpoke so zelo pogoste zaradi različnih kemičnih in fizikalnih pojavov, ki se pojavijo med vsakodnevno uporabo. Beton se ob sušenju skrči, kar lahko povzroči razpoke. Lahko se pokvari, kadar je gibanje pod seboj ali zahvaljujoč ciklom zamrzovanja / odmrzovanja med letnimi časi. Preprosto nalaganje prevelike teže lahko povzroči zlome. Še huje je, da lahko jeklene palice, vgrajene v beton, kot armatura sčasoma korodirajo.
Zelo drobne razpoke so lahko zelo škodljive, saj omogočajo enostavno tekočino in pline - in škodljive snovi, ki jih lahko vsebujejo. Na primer, mikro razpoke lahko omogočijo, da se voda in kisik infiltrirata in nato korodirata, kar vodi v strukturno okvaro. Tudi vitka lomitev samo širine las lahko omogoči dovolj vode, da spodkopava celovitost betona.
Toda neprekinjena vzdrževalna dela in popravila so težavna, saj običajno zahtevajo ogromno dela in naložb.
Tako od leta 2013 poskušam ugotoviti, kako bi se te škodljive razpoke lahko zacelile brez človekovega posredovanja. Ideja je bila prvotno navdihnjena z neverjetno sposobnostjo človeškega telesa, da se zdravi z urezninami, modricami in zlomljenimi kostmi. Človek zaužije hranila, ki jih telo porabi za proizvodnjo novih nadomestkov za zdravljenje poškodovanih tkiv. Ali lahko na enak način zagotovimo potrebne izdelke za beton, da zapolnimo razpoke, ko pride do škode?
Moji kolegi z univerze Binghamton Guangwen Zhou in David Davies, Ning Zhang z univerze Rutgers in jaz smo našli nenavadnega kandidata, ki bi pomagal konkretno zaceliti: gliva, imenovana Trichoderma reesei .
Raziskovalci so pregledali številne glive in iskali kandidata, ki bi mu lahko pomagal zapolniti konkretne razpoke. (Congrui Jin, CC BY-ND) Na začetku smo pregledali približno 20 različnih vrst gliv, da bi našli beton, ki bi zdržal težke razmere v betonu. Nekatere smo izolirali iz korenin rastlin, ki so zrasle na tleh, ki niso bogata s hranilnimi snovmi, med njimi iz New Jersey Pine Barrens in Kanadske skalnate gore v Alberti.
Ugotovili smo, da se je kalcijev hidroksid iz betona, raztopljenega v vodi, pH našega gojišča za glive povečal iz blizu nevtralne prvotne vrednosti 6, 5 vse do zelo alkalne 13, 0. Od vseh preizkušenih gliv je samo T. reesei lahko preživel to okolje. Kljub drastičnemu povečanju pH so njene spore kalile v nitasti hifalni micelij in enako dobro rasle z ali brez betona.
Ko spore (levo) prerastejo z dodatkom vode, prerastejo v navojni hifični micelij (desno). (Congrui Jin, CC BY-ND) Predlagamo, da se glivne spore skupaj s hranili vključijo med začetnim postopkom mešanja pri gradnji nove betonske konstrukcije. Ko pride do neizogibnega pokanja in voda najde svojo pot, mirujoče glivične spore kalijo.
Ko rastejo, bodo delovali kot katalizator v betonu bogatih s kalcijem, da bi spodbudili obarjanje kristalov kalcijevega karbonata. Ta mineralna nahajališča lahko zapolnijo razpoke. Ko se razpoke popolnoma zamašijo in ne more več vstopiti voda, glive ponovno tvorijo spore. Če se spet pojavijo razpoke in okoljski pogoji postanejo ugodni, bi se spore lahko zbudile in postopek ponovile.
T. reesei je okolju prijazen in nepatogen, ne predstavlja nevarnosti za zdravje ljudi. Kljub razširjeni prisotnosti v tropskih tleh ni poročil o škodljivih učinkih na vodnih ali kopenskih rastlinah ali živalih. Pravzaprav ima T. reesei dolgo zgodovino varne uporabe pri proizvodnji ogljikovih hidraznih encimov v industrijskem obsegu, kot je celulaza, ki ima pomembno vlogo v fermentacijskih procesih med vinarstvom. Seveda bodo morali raziskovalci temeljito preučiti morebitne takojšnje in dolgoročne učinke na okolje in zdravje ljudi, preden se jih uporabi kot zdravilno sredstvo v konkretni infrastrukturi.
Prihodnji recepti za cement lahko vključujejo glive. (Prehod sredi mesta v parku Turner, CC BY) Še vedno ne razumemo v celoti te zelo mlade, a obetavne tehnike biološkega popravljanja. Beton je za glive surovo okolje: zelo visoke vrednosti pH, razmeroma majhne velikosti por, močan primanjkljaj vlage, visoke temperature poleti in nizke temperature pozimi, omejena razpoložljivost hranil in možna izpostavljenost ultravijoličnim žarkom sončne svetlobe. Vsi ti dejavniki močno vplivajo na presnovne aktivnosti gliv in jih naredijo ranljive za smrt.
Naše raziskave so še v začetni fazi in še dolgo je treba narediti samozdravilni beton, ki bo praktičen in stroškovno učinkovit. Toda zaradi izzivov ameriške infrastrukture je raziskovanje kreativnih rešitev, kot je ta, smiselno.
Ta članek je bil prvotno objavljen na pogovoru.
Congrui Jin, docentka za strojništvo, Univerza Binghamton, Državna univerza v New Yorku
