Az infrastruktúra támogatja és megkönnyíti mindennapi életünket - gondoljon az utakra, amelyeken haladunk, a hidakra és alagutakra, amelyek segítenek az emberek és az áruk szállításában, az irodaépületekre, ahol dolgozunk, és a duzzasztóművekről, amelyek az ivott vizet biztosítják. De nem titok, hogy az amerikai infrastruktúra elöreged és reménytelen rehabilitációra szorul.
Különösen a betonszerkezetek súlyos romlástól szenvednek. A repedések nagyon gyakoriak a mindennapi használat során bekövetkező különféle kémiai és fizikai jelenségek miatt. A beton zsugorodik, amíg kiszárad, ami repedéseket okozhat. Repedhet, amikor alatta van mozgás, vagy az évszakok során bekövetkező fagyás / olvadás ciklusoknak köszönhetően. Ha egyszerűen túl sok súlyt tesz rá, akkor törések következhetnek be. Még ennél is rosszabb, hogy a betonba ágyazott acélrudak a megerősítés idővel korrodálódhatnak.
A nagyon apró repedések nagyon károsak lehetnek, mivel könnyű utat biztosítanak folyadékokhoz és gázokhoz - és az esetleges káros anyagokhoz. Például a mikrorepedések lehetővé teszik, hogy a víz és az oxigén beszivárogjon, majd korrodálja az acélt, ami szerkezeti hibához vezet. Még egy, a haj szélességének megsértése is elegendő vizet engedhet be a beton integritásának aláásására.
A folyamatos karbantartási és javítási munkák azonban nehézek, mivel általában óriási munkaerőt és beruházást igényelnek.
Tehát 2013 óta próbálom kitalálni, hogy ezek a káros repedések hogyan tudnak gyógyulni emberi beavatkozás nélkül. Az ötlet eredetileg az emberi test lenyűgöző képességének ihlette, hogy meggyógyítsa a vágásokat, zúzódásokat és törött csontokat. Az ember olyan tápanyagokat vesz be, amelyeket a test új helyettesítők előállításához használ a sérült szövetek gyógyításához. Ugyanígy tudjuk-e biztosítani a betonhoz szükséges termékeket a repedések kitöltésére, ha sérülés történik?
A Binghamton Egyetem kollégáim, Guangwen Zhou és David Davies, Ning Zhang a Rutgers Egyetemen, és találtam egy szokatlan jelöltet a beton gyógyításához: a Trichoderma reesei nevű gomba.
A kutatók számos olyan gombát szkríneltek, amelyek olyan jelöltet kerestek, amely segíthet betonrepedések kitöltésében. (Congrui Jin, CC BY-ND) Kezdetben körülbelül 20 különféle gombafajt átvizsgáltunk, hogy megtaláljunk egyet, amely képes ellenállni a durva körülményeknek a betonban. Vannak, akiket tápanyagszegény talajban nőttünk fel, beleértve a New Jersey Pine Barrens és a kanadai Sziklás-hegység Albertából származó növényeket.
Megállapítottuk, hogy a vízben oldott betonból származó kalcium-hidroxid formájában a gombás növekedési tápközeg pH-ja egészen a semleges közeli eredeti értékről (6, 5) egészen nagyon lúgos 13, 0-ra emelkedett. A vizsgált gombák közül csak T. reesei tudta túlélni ezt a környezetet. A drasztikus pH-emelkedés ellenére spórái szálszerű hiphal micéliumba csíráztak és ugyanolyan jól növekedtek, akár betonnal, akár anélkül.
Miután a spórák (bal oldalon) víz hozzáadásával csíráznak, szálakhoz hasonló hiphal micéliummá nőnek (jobbra). (Congrui Jin, CC BY-ND) Javasoljuk, hogy az új betonszerkezet felépítésekor a gomba spórákat és a tápanyagokat együtt vegyék be a kezdeti keverési folyamat során. Amikor az elkerülhetetlen repedés megtörténik, és a víz megtalálja az utat, az alvó gombás spórák csíráznak.
A növekedés során katalizátorként fognak működni a beton kalciumban gazdag körülményei között, elősegítve a kalcium-karbonát kristályok kicsapódását. Ezek az ásványi lerakódások kitölthetik a repedéseket. Amikor a repedések teljesen le vannak tömődve, és több víz nem kerülhet be, a gombák ismét spórákat képeznek. Ha újra kialakulnak repedések és a környezeti feltételek kedvezőbbé válnak, a spórák felébredhetnek, és megismételhetik a folyamatot.
A T. reesei környezetbarát és nem patogenikus, nem jelent ismert veszélyt az emberi egészségre. Annak ellenére, hogy a trópusi talajokban széles körben elterjedt, a vízi vagy szárazföldi növényekre vagy állatokra nem jelentettek káros hatásokat. Valójában a T. reesei régóta biztonságos alkalmazásban van a szénhidráz enzimek, például a celluláz ipari méretekben történő előállításában, amely fontos szerepet játszik a borkészítés során az erjedési folyamatokban. A kutatóknak természetesen alapos értékelést kell végezniük a környezetre és az emberi egészségre gyakorolt esetleges azonnali és hosszú távú hatások kivizsgálása elõtt, mielõtt gyógyszerként használnák azokat a konkrét infrastruktúrában.
A jövőbeli cement receptek gombákat is tartalmazhatnak. (Midtown kereszteződés a Turner Parkban, CC BY) Még mindig nem értjük teljesen ezt a nagyon fiatal, de ígéretes biológiai javítási technikát. A beton a gomba számára súlyos környezetet jelent: nagyon magas pH-értékek, viszonylag kis pórusméretek, súlyos nedvességhiány, magas hőmérséklet nyáron és alacsony hőmérséklet télen, korlátozott tápanyag-hozzáférhetőség és a napfény ultraibolya sugarainak való kitettsége. Mindezek a tényezők drámai módon befolyásolják a gombák anyagcseréjét, és veszélyeztetik őket a halállal szemben.
Kutatásunk még mindig a kezdeti szakaszban van, és még hosszú utat kell megtenni annak érdekében, hogy az öngyógyító beton gyakorlati és költséghatékony legyen. Az amerikai infrastruktúra kihívásainak köszönhetően azonban érdemes feltárni az ilyen kreatív megoldásokat.
Ezt a cikket eredetileg a The Conversation kiadta.
Congrui Jin, gépészmérnöki asszisztens, Binghamton Egyetem, New York-i Állami Egyetem
