Инфраструктурата подкрепя и улеснява ежедневието ни - помислете за пътищата, по които караме, мостовете и тунелите, които помагат за транспортирането на хора и товари, офис сградите, където работим, и язовирите, които осигуряват водата, която пием. Но не е тайна, че американската инфраструктура застарява и има отчаяна нужда от рехабилитация.
Бетонните конструкции, по-специално, страдат от сериозно влошаване. Пукнатините са много чести поради различни химични и физични явления, които се появяват по време на ежедневна употреба. Бетонът се свива при изсъхване, което може да причини пукнатини. Той може да се напука, когато има движение под или благодарение на циклите на замръзване / размразяване през сезоните. Простото нанасяне на твърде много тегло може да доведе до фрактури. Още по-лошото е, че стоманените пръти, вградени в бетон като армировка, могат да корозират във времето.
Много малки пукнатини могат да бъдат много вредни, защото осигуряват лесен път за течности и газове - и вредните вещества, които могат да съдържат. Например, микропукнатините могат да позволят на водата и кислорода да проникнат и след това да корозират стоманата, което води до структурна повреда. Дори стройното нарушаване само на ширината на косъма може да позволи достатъчно количество вода да подкопае целостта на бетона.
Но работата по непрекъсната поддръжка и ремонт е трудна, тъй като обикновено изисква огромно количество труд и инвестиции.
Така че от 2013 г. се опитвам да разбера как тези вредни пукнатини могат да се излекуват без човешка намеса. Първоначално идеята беше вдъхновена от невероятната способност на човешкото тяло да лекува себе си от порязвания, натъртвания и счупени кости. Човек приема хранителни вещества, които тялото използва за производството на нови заместители за заздравяване на увредените тъкани. По същия начин можем ли да предоставим необходимите продукти за бетон, които да запълнят пукнатини, когато се случат повреди?
Моите колеги от университета в Бингхамт Гуангвен Джоу и Дейвид Дейвис, Нинг Джан от университета в Рутгерс и аз открихме необичаен кандидат, който да помогне на бетона да се излекува: гъбичка, наречена Trichoderma reesei .
Изследователите провериха редица гъбички, търсещи кандидат, които биха могли да помогнат за запълване на бетонни пукнатини. (Congrui Jin, CC BY-ND) Първоначално проверихме около 20 различни видове гъби, за да открием такъв, който да издържи на тежките условия в бетон. Някои от нас изолираха от корените на растенията, които растат в бедни на хранителни вещества почви, включително от Ню Джърси Борови борове и Канадските скалисти планини в Алберта.
Установихме, че като калциев хидроксид от бетон, разтворен във вода, рН на нашата гъбична среда за растеж се повишава от близо до неутрална първоначална стойност от 6, 5 до много алкални 13, 0. От всички тествани гъбички, само T. reesei може да оцелее в тази среда. Въпреки драстичното повишаване на pH, спорите му покълнаха в хифен мицел, наподобяващ нишка и растат еднакво добре с или без бетон.
След като спорите (вляво) покълнат с добавянето на вода, те прерастват в хифен мицел, подобен на нишки (вдясно). (Congrui Jin, CC BY-ND) Предлагаме включването на гъбични спори заедно с хранителни вещества по време на първоначалния процес на смесване при изграждане на нова бетонна конструкция. Когато се случи неизбежното напукване и водата намери своето място, задрямалите гъбични спори ще покълнат.
Докато растат, те ще работят като катализатор в богатите на калций условия на бетона, за да насърчават утаяването на кристали от калциев карбонат. Тези минерални находища могат да запълнят пукнатините. Когато пукнатините са напълно запушени и повече вода не може да влезе, гъбичките отново ще образуват спори. Ако отново се образуват пукнатини и условията на околната среда станат благоприятни, спорите могат да се събудят и да повторят процеса.
T. reesei е екологично чист и непатогенен, не представлява известен риск за човешкото здраве. Въпреки широкото му присъствие в тропически почви, няма съобщения за неблагоприятни ефекти при водни или сухоземни растения или животни. Всъщност Т. reesei има дълга история на безопасна употреба при производството на въглехидразни ензими в индустриален мащаб, като целулаза, която играе важна роля в ферментационните процеси по време на производството на вино. Разбира се, изследователите ще трябва да направят задълбочена оценка, за да проучат всякакви възможни незабавни и дългосрочни ефекти върху околната среда и здравето на човека преди използването му като лечебно средство в конкретна инфраструктура.
Бъдещите рецепти за цимент могат да включват гъбички. (Пресечка в центъра на Търнър Парк, CC BY) Все още не разбираме напълно тази много млада, но обещаваща техника за биологичен ремонт. Бетонът е сурова среда за гъбичките: много високи стойности на pH, относително малки размери на порите, тежък дефицит на влага, високи температури през лятото и ниски температури през зимата, ограничена наличност на хранителни вещества и възможно излагане на ултравиолетови лъчи от слънчева светлина. Всички тези фактори влияят драматично на метаболитните дейности на гъбите и ги правят уязвими за смърт.
Нашите изследвания все още са в начален етап и има дълъг път, за да направим самолекуващия бетон практичен и рентабилен. Но обхватът на предизвикателствата на американската инфраструктура прави изследването на творчески решения като това полезно.
Тази статия първоначално е публикувана в The Conversation.
Конгрю Джин, асистент по машинно инженерство, университет Бингхамтън, Държавен университет в Ню Йорк
