Infrastruktur understøtter og letter vores daglige liv - tænk på de veje, vi kører på, broer og tunneler, der hjælper med at transportere mennesker og fragt, kontorbygningerne, hvor vi arbejder, og de dæmninger, der giver det vand, vi drikker. Men det er ingen hemmelighed, at amerikansk infrastruktur bliver aldrende og har et desperat behov for rehabilitering.
Især betonstrukturer lider under alvorlig forringelse. Revner er meget almindelige på grund af forskellige kemiske og fysiske fænomener, der opstår under daglig brug. Beton krymper, mens den tørrer, hvilket kan forårsage revner. Det kan revne, når der er bevægelse nedenunder eller takket være fryse- / optøningscyklusser i løbet af årstiderne. Hvis du blot lægger for meget vægt på det, kan det forårsage brud. Endnu værre er, at stålstængerne er indlejret i beton som armering kan korrodere over tid.
Meget små revner kan være ret skadelige, fordi de giver en nem vej til væsker og gasser - og de skadelige stoffer, de muligvis indeholder. For eksempel kan mikroskrakker give vand og ilt mulighed for at infiltrere og derefter korrodere stålet, hvilket fører til konstruktionsfejl. Selv et smalt brud lige bredden på et hår kan give nok vand ind til at undergrave betonens integritet.
Men kontinuerligt vedligeholdelses- og reparationsarbejde er vanskeligt, fordi det normalt kræver en enorm mængde arbejdskraft og investeringer.
Så siden 2013 har jeg forsøgt at finde ud af, hvordan disse skadelige revner kunne heles selv uden menneskelig indblanding. Idéen blev oprindeligt inspireret af den menneskelige legems fantastiske evne til at helbrede sig af nedskæringer, blå mærker og knækkede knogler. En person indtager næringsstoffer, som kroppen bruger til at producere nye erstatninger til at helbrede beskadigede væv. Kan vi på samme måde levere nødvendige produkter til beton for at udfylde revner, når der sker skade?
Mine kolleger fra Binghamton University, Guangwen Zhou og David Davies, Ning Zhang fra Rutgers University og jeg har fundet en usædvanlig kandidat til at hjælpe konkret med at helbrede sig selv: en svamp kaldet Trichoderma reesei .
Forskere screenede et antal svampe på udkig efter en kandidat, der kunne hjælpe med at udfylde konkrete revner. (Congrui Jin, CC BY-ND) Vi screenede oprindeligt ca. 20 forskellige svampearter for at finde en der kunne modstå de hårde forhold i beton. Nogle isolerede vi fra rødderne af planter, der voksede i næringsfattig jord, herunder fra New Jersey Pine Barrens og de canadiske Rocky Mountains i Alberta.
Vi fandt, at som calciumhydroxid fra beton opløst i vand steg pH i vores svampe-vækstmedium fra en tæt på neutral neutral værdi på 6, 5 helt til en meget alkalisk 13, 0. Af alle de svampe, vi testede, var det kun T. reesei, der kunne overleve dette miljø. På trods af den drastiske pH-stigning spirede dens sporer ind i trådlignende hyfalt mycelium og voksede lige så godt med eller uden beton.
Når sporerne (til venstre) spirer ved tilsætning af vand, vokser de til trådlignende hyfalt mycel (til højre). (Congrui Jin, CC BY-ND) Vi foreslår at indbefatte svampesporer sammen med næringsstoffer under den indledende blandingsproces, når man bygger en ny betonstruktur. Når den uundgåelige krakning opstår, og vand finder vej ind, vil de sovende svampesporer spire.
Når de vokser, fungerer de som en katalysator inden for de calciumrige betingelser i betonen for at fremme udfældning af calciumcarbonatkrystaller. Disse mineralaflejringer kan udfylde revnerne. Når revnerne er fuldstændigt brændt og ikke mere vand kan komme ind, vil svampene igen danne sporer. Hvis revner dannes igen, og miljøforholdene bliver gunstige, kan sporer vågne op og gentage processen.
T. reesei er miljøvenlig og ikke-patogen og udgør ingen kendt risiko for menneskers sundhed. På trods af dens udbredte tilstedeværelse i tropiske jordarter er der ingen rapporter om bivirkninger i akvatiske eller landlige planter eller dyr. Faktisk har T. reesei en lang historie med sikker anvendelse i industriel skala produktion af kulhydratenzymer, såsom cellulase, som spiller en vigtig rolle i fermenteringsprocesser under vinfremstilling. Naturligvis skal forskere foretage en grundig vurdering for at undersøge eventuelle øjeblikkelige og langsigtede virkninger på miljøet og menneskers sundhed, inden de bruges som helingsmiddel i konkret infrastruktur.
Fremtidige cementopskrifter kan omfatte svampe. (Midtown Crossing at Turner Park, CC BY) Vi forstår stadig ikke helt denne meget unge, men lovende biologiske reparationsteknik. Beton er et hårdt miljø for svampen: meget høje pH-værdier, relativt små porestørrelser, svær fugtighedsunderskud, høje temperaturer om sommeren og lave temperaturer om vinteren, begrænset næringsstoftilgængelighed og mulig udsættelse for ultraviolette stråler fra sollys. Alle disse faktorer påvirker svampens metaboliske aktiviteter dramatisk og gør dem sårbare over for død.
Vores forskning er stadig i den indledende fase, og der er en lang vej at gå for at gøre selvhelbredende konkret praktisk og omkostningseffektivt. Men omfanget af den amerikanske infrastrukturs udfordringer gør det muligt at udforske kreative løsninger som denne.
Denne artikel blev oprindeligt offentliggjort på The Conversation.
Congrui Jin, lektor i maskinteknik, Binghamton University, State University of New York
