Infrastruktura podržava i olakšava naš svakodnevni život - razmislite o cestama po kojima vozimo, mostovima i tunelima koji pomažu u prijevozu ljudi i tereta, uredskim zgradama u kojima radimo i branama koje pružaju vodu koju pijemo. Ali nije tajna da američka infrastruktura stari i u očajničkoj je potrebi rehabilitacije.
Konkretne betonske konstrukcije trpe ozbiljno propadanje. Pukotine su vrlo česte zbog različitih kemijskih i fizikalnih pojava koje se javljaju tijekom svakodnevne uporabe. Beton se smanjuje kako se suši, što može uzrokovati pukotine. Može puknuti kada se kreće ispod ili zahvaljujući ciklusima smrzavanja / odmrzavanja tijekom godišnjih doba. Jednostavno dodavanje prevelike težine na njega može uzrokovati prijelome. Još gore, čelične šipke ugrađene u beton kao armatura mogu s vremenom korodirati.
Vrlo sitne pukotine mogu biti vrlo štetne jer omogućuju lak put za tekućine i plinove - i štetne tvari koje mogu sadržavati. Na primjer, mikro pukotine mogu dopustiti da voda i kisik infiltriraju i zatim nagrizaju čelik, što dovodi do strukturalnog neuspjeha. Čak i vitko kršenje samo širine kose može dopustiti dovoljno vode da naruši cjelovitost betona.
Ali neprekidni radovi na održavanju i popravcima su teški jer obično zahtijevaju ogromnu količinu rada i ulaganja.
Tako od 2013. godine pokušavam shvatiti kako bi se te štetne pukotine mogle zacijeliti bez ljudske intervencije. Ideja je izvorno nadahnuta nevjerojatnom sposobnošću ljudskog tijela da liječi posjekotine, modrice i slomljene kosti. Osoba uzima hranjive tvari koje tijelo koristi za proizvodnju novih zamjena za liječenje oštećenih tkiva. Na isti način, možemo li osigurati potrebne proizvode za beton kako bi se popunili pukotine u slučaju oštećenja?
Moji kolege sa Sveučilišta Binghamton Guangwen Zhou i David Davies, Ning Zhang sa Sveučilišta Rutgers i ja pronašli smo neobičnog kandidata koji će pomoći konkretnom liječenju: gljiva koja se zove Trichoderma reesei .
Istraživači su pregledali brojne gljivice tražeći kandidata koji bi mogao pomoći u popunjavanju pukotina betona. (Congrui Jin, CC BY-ND) U početku smo pregledali oko 20 različitih vrsta gljiva da bismo pronašli onu koja bi mogla podnijeti teške uvjete betona. Neke smo izdvojili iz korijena biljaka koje su rasle na tlima siromašnim hranjivim tvarima, uključujući i iz stabala borova New Jersey i kanadske stjenovite planine u Alberti.
Otkrili smo da se kalcijev hidroksid iz betona otopljenog u vodi, pH našeg medija za rast gljiva povećavao od blizu neutralne izvorne vrijednosti 6, 5, sve do vrlo alkalnih 13, 0. Od svih gljiva koje smo testirali, samo je T. reesei mogao preživjeti ovo okruženje. Unatoč drastičnom povećanju pH, njegove su spore klijale u micelij nalik na navojni micelij i rasle su jednako dobro sa ili bez betona.
Jednom kada spore (lijevo) klijaju s dodatkom vode, prerastu u micelij hifalni micelij (desno). (Congrui Jin, CC BY-ND) Predlažemo da se gljive s sporovima, zajedno s hranjivim tvarima, uključe u početni postupak miješanja prilikom izgradnje nove betonske konstrukcije. Kad se dogodi neizbježno pucanje i voda nađe unutra, uspavane gljivične spore klijat će.
Kako rastu, oni će raditi kao katalizator u betonu bogatim kalcijem uvjetima promicanja taloženja kristala kalcijevog karbonata. Ove mineralne naslage mogu popuniti pukotine. Kada se pukotine potpuno začepe i više vode ne može ući, gljivice će opet formirati spore. Ako se pukotine ponovno formiraju i okolišni uvjeti postanu povoljni, spore bi se mogle probuditi i ponoviti postupak.
T. reesei je ekološki prihvatljiv i nepatogen, ne predstavlja poznati rizik za zdravlje ljudi. Unatoč širokoj prisutnosti u tropskim tlima, nema izvještaja o štetnim učincima na vodene ili kopnene biljke ili životinje. Zapravo, T. reesei ima dugu povijest sigurne uporabe u proizvodnji enzima ugljikohidrata u industriji, poput celulaze, koja igra važnu ulogu u fermentacijskim procesima tijekom proizvodnje vina. Naravno, istraživači će morati provesti temeljitu procjenu kako bi istražili sve moguće neposredne i dugoročne učinke na okoliš i ljudsko zdravlje prije upotrebe kao ljekovitog sredstva u betonskoj infrastrukturi.
Budući recepti za cement mogu uključivati gljivice. (Prijelaz srednjeg grada u Parku Turner, CC BY) Još uvijek u potpunosti ne razumijemo ovu vrlo mladu, ali obećavajuću tehniku biološkog popravljanja. Beton je gust okoliš za gljivice: vrlo visoke pH vrijednosti, relativno male veličine pora, jak deficit vlage, visoke temperature ljeti i niske temperature zimi, ograničena dostupnost hranjivih tvari i moguće izlaganje ultraljubičastim zrakama sunčevim svjetlom. Svi ovi čimbenici dramatično utječu na metaboličke aktivnosti gljiva i čine ih ranjivim na smrt.
Naše je istraživanje još uvijek u početnoj fazi, a predstoji dug put kako bi beton za samoizlječenje bio praktičan i isplativ. No, opseg izazova američke infrastrukture čini istraživanje kreativnih rješenja poput ovog vrijednim.
Ovaj je članak prvotno objavljen u časopisu The Conversation.
Congrui Jin, docentica strojarstva, Sveučilište Binghamton, Državno sveučilište u New Yorku
