Infrastruktuuri tukee ja helpottaa jokapäiväistä elämäämme - ajattele meitä kulkiessamme teistä, siltoista ja tunneleista, jotka auttavat kuljettamaan ihmisiä ja rahtia, toimistorakennuksista, joissa työskentelemme, ja patoista, jotka tarjoavat juomaamme vettä. Mutta ei ole mikään salaisuus, että Yhdysvaltain infrastruktuuri ikääntyy ja tarvitsee kipeästi kuntoutusta.
Varsinkin betonirakenteet kärsivät vakavasta huonontumisesta. Halkeamat ovat hyvin yleisiä päivittäisessä käytössä esiintyvien kemiallisten ja fysikaalisten ilmiöiden takia. Betoni kutistuu kuivuessaan, mikä voi aiheuttaa halkeamia. Se voi halkeilla, kun siellä tapahtuu liikettä tai sen ansiosta jäätymis- / sulamisjaksot vuodenaikojen aikana. Pelkkä liiallisen painon asettaminen siihen voi aiheuttaa murtumia. Vielä pahempaa, betoniin upotetut teräspalkit, koska raudoitus voi syöpyä ajan myötä.
Hyvin pienet halkeamat voivat olla varsin haitallisia, koska ne tarjoavat helpon reitin nesteille ja kaasuille - ja niistä mahdollisesti aiheutuville haitallisille aineille. Esimerkiksi mikrohalkeamat voivat antaa veden ja hapen tunkeutua ja syövyttää sitten terästä, mikä johtaa rakennehäiriöihin. Jopa hoikka, vain hiuksen leveys, voi antaa tarpeeksi vettä heikentääksesi betonin eheyttä.
Mutta jatkuva huolto ja korjaus ovat vaikeaa, koska se vaatii yleensä valtavan määrän työvoimaa ja investointeja.
Joten vuodesta 2013 lähtien olen yrittänyt selvittää, kuinka nämä haitalliset halkeamat voisivat parantaa itsensä ilman ihmisen puuttumista. Idean innoitti alun perin ihmisen kehon hämmästyttävä kyky parantaa itse leikkauksia, mustelmia ja murtuneita luita. Henkilö ottaa ravintoaineita, joita elin käyttää uusien korvikkeiden tuottamiseen vaurioituneiden kudosten parantamiseksi. Voimmeko samalla tavalla toimittaa betoniin tarvittavia tuotteita halkeamien täyttämiseksi vaurioiden tapahtuessa?
Binghamtonin yliopiston kollegani Guangwen Zhou ja David Davies, Ning Zhang Rutgersin yliopistosta ja olen löytänyt epätavallisen ehdokkaan auttamaan konkreettista paranemista: sieni nimeltään Trichoderma reesei .
Tutkijat seulomasivat joukon sieniä, jotka etsivät ehdokasta, joka voisi auttaa betonin halkeamien täyttämisessä. (Congrui Jin, CC BY-ND) Alun perin seulottiin noin 20 erilaista sienilajia löytääksemme sellaisen, joka kestäisi ankarat olosuhteet betonissa. Jotkut eristimme kasvien juurista, jotka kasvoivat ravintoainevajeissa maaperäissä, mukaan lukien New Jerseyn Pine Barrensista ja Kanadan kalliovuorista Albertasta.
Havaitsimme, että veteen liuenneen betonin kalsiumhydroksidina sienen kasvualustan pH kasvoi lähes neutraalista alkuperäisestä arvosta 6, 5 aina erittäin emäksiseen 13, 0: seen. Kaikista testaamista sienistä vain T. reesei pystyi selviämään tästä ympäristöstä. Äärimmäisestä pH-arvonnoususta huolimatta sen itiöt itävät langanmuotoiseksi hyphaliseksi myseeliksi ja kasvoivat yhtä hyvin betonilla tai ilman.
Heti kun itiöt (vasen) itävät lisäämällä vettä, ne kasvavat säiemäisiksi hyphal myseeliksi (oikealla). (Congrui Jin, CC BY-ND) Ehdotamme, että sieni-itiöt sisällytetään yhdessä ravintoaineiden kanssa alkuperäisen sekoitusprosessin aikana uuden betonirakenteen rakentamisessa. Kun väistämätön halkeilu tapahtuu ja vesi löytää tiensä, lepotilassa olevat sieni-itiöt itävät.
Kasvaessaan ne toimivat katalysaattorina betonin kalsiumirikkaissa olosuhteissa edistääkseen kalsiumkarbonaattikiteiden saostumista. Nämä mineraaliesiintymät voivat täyttää halkeamia. Kun halkeamat on suljettu kokonaan eikä vettä pääse enää, sienet muodostavat taas itiöitä. Jos halkeamia muodostuu uudelleen ja ympäristöolosuhteet muuttuvat suotuisiksi, itiöt voivat herätä ja toistaa prosessin.
T. reesei on ympäristöystävällinen ja ei-patogeeninen, eikä siitä ole tiedossa vaaraa ihmisten terveydelle. Huolimatta sen laajalle levinneestä trooppisessa maaperässä, haitallisista vaikutuksista vesi- tai maan kasveihin tai eläimiin ei ole ilmoitettu. Itse asiassa T. reeseillä on pitkä historia turvallisesta käytöstä hiilihydraasientsyymien, kuten sellulaasin, teollisen mittakaavan tuotannossa, jolla on tärkeä rooli käymisprosesseissa viininvalmistuksen aikana. Tietenkin tutkijoiden on suoritettava perusteellinen arviointi mahdollisten välittömien ja pitkäaikaisten ympäristövaikutusten ja ihmisten terveyden selvittämiseksi ennen niiden käyttöä parantavana aineena konkreettisessa infrastruktuurissa.
Tulevat sementtireseptit voivat sisältää sieniä. (Keskikaupungin ylitys Turner Parkissa, CC BY) Emme vieläkään ymmärrä täysin tätä hyvin nuorta, mutta lupaavaa biologista korjaustekniikkaa. Betoni on sienen ankara ympäristö: erittäin korkeat pH-arvot, suhteellisen pienet huokoskoot, vaikea kosteusvaje, korkeat lämpötilat kesällä ja matalat lämpötilat talvella, ravinteiden saatavuus rajoitettu ja mahdollinen altistuminen auringonvalon ultraviolettisille säteille. Kaikki nämä tekijät vaikuttavat dramaattisesti sienten aineenvaihduntaan ja tekevät niistä alttiita kuolemaan.
Tutkimuksemme on vielä alkuvaiheessa, ja tiellä on vielä pitkä tie tehdä itseparanemisesta konkreettisesta käytännöllisestä ja kustannustehokkaasta. Mutta Amerikan infrastruktuurin haasteiden laajuus tekee tämänkaltaisten luovien ratkaisujen tutkimisesta kannattavaa.
Tämä artikkeli on alun perin julkaistu keskustelussa.
Kongrui Jin, koneenrakennuksen apulaisprofessori, Binghamton University, New Yorkin osavaltion yliopisto
