Infrastruktuur toetab ja hõlbustab meie igapäevast elu - mõelge teedele, millel mööda sõidame, sildadest ja tunnelitest, mis aitavad inimesi ja kaupa vedada, büroohoonetest, kus töötame, ja tammidest, mis pakuvad vett, mida me joome. Kuid pole saladus, et Ameerika infrastruktuur vananeb ja vajab hädasti taastusravi.
Eriti betoonkonstruktsioonid kannatavad tõsise halvenemise all. Praod on väga levinud mitmesuguste keemiliste ja füüsikaliste nähtuste tõttu, mis ilmnevad igapäevasel kasutamisel. Betoon kahaneb kuivades, mis võib põhjustada pragusid. See võib praguneda, kui all toimub liikumine või tänu külmumis- / sulamistsüklitele aastaaegade jooksul. Lihtsalt sellele liiga suure raskuse panemine võib põhjustada luumurde. Veelgi hullem, kui betooni varjatud terasvardad võivad aja jooksul roostetada.
Väga pisikesed praod võivad olla üsna kahjulikud, kuna need pakuvad vedelike ja gaaside - ja kahjulike ainete - hõlpsat sissepääsu. Näiteks võivad mikropraod võimaldada vee ja hapniku imbumist ja seejärel söövitada terast, mis võib põhjustada konstruktsiooni purunemise. Isegi õhuke juuksekarva rikkumine võib lubada piisavalt vett, et kahjustada betooni terviklikkust.
Kuid pidevad hooldus- ja remonditööd on rasked, kuna see nõuab tavaliselt tohutult tööd ja investeeringuid.
Nii et olen alates 2013. aastast üritanud välja mõelda, kuidas need kahjulikud lõhed võiksid inimese sekkumiseta iseenesest paraneda. Idee oli algselt inspireeritud inimkeha hämmastavast võimest ennast paraneda lõigetest, verevalumitest ja murtud luudest. Inimene võtab toitaineid, mida keha kasutab kahjustatud kudede paranemiseks uute asendajate tootmiseks. Samamoodi, kas saame pakkuda betooniks vajalikke tooteid pragude täitmiseks kahjustuste korral?
Minu Binghamtoni ülikooli kolleegid Guangwen Zhou ja David Davies, Ning Zhang Rutgersi ülikoolist ja mina leidsime ebatavalise kandidaadi, kes aitaks betoonil ennast ravida: seen nimega Trichoderma reesei .
Teadlased sõelusid läbi mitmeid seeni, kes otsisid kandidaati, mis aitaks betooni pragusid täita. (Congrui Jin, CC BY-ND) Algselt sõelusime umbes 20 erinevat seeneliiki, et leida üks, mis betoonis karmidele tingimustele vastu peaks. Mõni isoleerisime taimede juurtest, mis kasvasid toitainevaestes muldades, sealhulgas New Jersey Pine Barrensist ja Kanada Alberta kaljumäestikust.
Leidsime, et vees lahustunud betooni kaltsiumhüdroksiidina tõusis meie seene kasvukeskkonna pH neutraalilähedaselt algväärtuselt 6, 5 kuni väga leeliselise 13, 0-ni. Kõigist seentest, mida me katsetasime, suutis selle keskkonna üle elada ainult T. reesei . Vaatamata järsule pH tõusule idanesid selle spoorid niiditaoliseks hüpomaalseks mütseeliks ja kasvasid võrdselt hästi ka betooniga või ilma.
Kui eosed (vasakul) idanevad vee lisamisega, kasvavad nad niiditaoliseks hüpotaalseks mütseeliks (paremal). (Congrui Jin, CC BY-ND) Uue betoonkonstruktsiooni ehitamisel soovitame esmases segamisprotsessis lisada seente spoorid koos toitainetega. Kui paratamatu pragunemine toimub ja vesi leiab tee sisse, idanevad uinuvad seente eosed.
Kasvades toimivad nad katalüsaatorina betooni kaltsiumirikastes tingimustes, et soodustada kaltsiumkarbonaadi kristallide sadestumist. Need mineraalmaardlad võivad pragusid täita. Kui praod on täielikult tihenenud ja enam vett ei pääse, moodustavad seened taas eoseid. Kui praod tekivad uuesti ja keskkonnatingimused muutuvad soodsateks, võivad eosed ärgata ja protsessi korrata.
T. reesei on keskkonnasõbralik ja mittepatogeenne ega põhjusta teadaolevat ohtu inimeste tervisele. Vaatamata laialdasele esinemisele troopilises pinnases, ei ole teateid kahjulike mõjude kohta vee- või maismaataimedele ega loomadele. Tegelikult on T. reesei pikaajalist ohutut kasutamist süsivesikute ensüümide, näiteks tsellulaasi tööstuslikul tootmisel, millel on veinivalmistamise ajal oluline roll kääritamisprotsessides. Muidugi peavad teadlased läbi viima põhjaliku hindamise, et uurida võimalikku vahetut ja pikaajalist mõju keskkonnale ja inimeste tervisele enne selle kasutamist raviainena konkreetses infrastruktuuris.
Tulevased tsemendi retseptid võivad sisaldada seeni. (Keskuse ristumine Turneri pargis, CC BY) Me ei mõista endiselt seda väga noort, kuid paljulubavat bioloogilise parandamise tehnikat täielikult. Betoon on seene jaoks karm keskkond: väga kõrged pH-väärtused, suhteliselt väikesed poorisuurused, tugev niiskuse defitsiit, kõrge temperatuur suvel ja madal temperatuur talvel, toitainete piiratud kättesaadavus ja võimalik päikesevalguse käes kokkupuude ultraviolettkiirtega. Kõik need tegurid mõjutavad dramaatiliselt seente metaboolset aktiivsust ja muudavad nad surma suhtes haavatavaks.
Meie uurimistöö on alles algfaasis ja selleks, et muuta iseparanevat betooni praktiliseks ja kulutõhusaks, on veel pikk tee minna. Kuid Ameerika infrastruktuuri väljakutsete ulatus väärib selliste loominguliste lahenduste uurimist.
See artikkel avaldati algselt lehel The Conversation.
New Yorgi osariigi ülikooli Binghamtoni ülikooli masinaehituse abiprofessor Congrui Jin
