Infrastruktura podporuje a usnadňuje náš každodenní život - přemýšlejte o silnicích, po kterých jedeme, o mostech a tunelech, které pomáhají přepravovat lidi a náklad, o kancelářských budovách, kde pracujeme, a přehradách, které poskytují vodu, kterou pijeme. Není však tajemstvím, že americká infrastruktura stárne a zoufale potřebuje rehabilitaci.
Zejména betonové konstrukce trpí vážným poškozením. Trhliny jsou velmi časté kvůli různým chemickým a fyzikálním jevům, které se vyskytují při každodenním používání. Při zasychání se beton zmenšuje, což může způsobit praskliny. Může prasknout, když je pod ní pohyb nebo díky cyklům zmrazení / rozmrazení v průběhu ročních období. Jednoduše nadměrné zatěžování může způsobit zlomeniny. Ještě horší je, že ocelové tyče zabudované do betonu, protože výztuž může v průběhu času korodovat.
Velmi malé praskliny mohou být docela škodlivé, protože poskytují snadnou cestu pro kapaliny a plyny - a škodlivé látky, které mohou obsahovat. Například mikrotrhliny mohou umožnit pronikání vody a kyslíku a korozi oceli, což vede ke strukturálnímu selhání. I tenké porušení pouze šířky vlasů může umožnit dostatek vody, aby narušilo celistvost betonu.
Neustálá údržba a opravy jsou však obtížné, protože obvykle vyžadují obrovské množství práce a investic.
Od roku 2013 se tedy snažím přijít na to, jak by se tyto škodlivé trhliny mohly léčit bez lidského zásahu. Myšlenka byla původně inspirována úžasnou schopností lidského těla uzdravit se odřezků, modřin a zlomených kostí. Člověk přijímá živiny, které tělo používá k produkci nových náhrad za léčení poškozených tkání. Stejným způsobem můžeme poskytnout betonu potřebné výrobky k vyplnění trhlin, když dojde k poškození?
Moji kolegové z Binghamtonské univerzity, Guangwen Zhou a David Davies, Ning Zhang z univerzity Rutgers University a já jsme našli neobvyklého kandidáta, který by pomohl konkrétnímu uzdravení: houba zvaná Trichoderma reesei .
Vědci zkoumali řadu hub, kteří hledali kandidáta, který by mohl pomoci zaplnit konkrétní trhliny. (Congrui Jin, CC BY-ND) Původně jsme prověřili asi 20 různých druhů hub, abychom našli ten, který by v betonu vydržel drsné podmínky. Některé jsme izolovali od kořenů rostlin, které rostly v půdách chudých na živiny, včetně rostlin z New Jersey Pine Barrens a kanadských Skalistých hor v Albertě.
Zjistili jsme, že jak hydroxid vápenatý z betonu rozpuštěného ve vodě, pH našeho růstového média hub vzrostlo z téměř neutrální původní hodnoty 6, 5 až do velmi zásadité hodnoty 13, 0. Ze všech hub, které jsme testovali, mohl přežít toto prostředí pouze T. reesei . I přes drastické zvýšení pH, jeho spory klíčily na vláknité hyphal mycelium a rostly stejně dobře s nebo bez betonu.
Jakmile spory (vlevo) klíčí s přidáním vody, rostou do nitkovitého hyphal mycelia (vpravo). (Congrui Jin, CC BY-ND) Navrhujeme zahrnout plísňové spory spolu s živinami během počátečního procesu míchání při stavbě nové betonové konstrukce. Když dojde k nevyhnutelnému praskání a voda se dostane dovnitř, vyklíčí spící plísňové spory.
Jak rostou, budou pracovat jako katalyzátor v podmínkách bohatých na vápník betonu, aby podporovaly vysrážení krystalů uhličitanu vápenatého. Tato ložiska minerálů mohou zaplnit trhliny. Když jsou trhliny zcela utěsněny a do vody nemůže vstoupit žádná voda, houby znovu vytvoří spory. Pokud se znovu vytvoří trhliny a podmínky prostředí se stanou příznivými, spory se mohou probudit a proces opakovat.
T. reesei je ekologický a nepatogenní a nepředstavuje žádné známé riziko pro lidské zdraví. Navzdory jeho rozšířené přítomnosti v tropických půdách neexistují žádné zprávy o nepříznivých účincích na vodní nebo suchozemské rostliny nebo zvířata. Ve skutečnosti má T. reesei dlouhou historii bezpečného použití při výrobě karbohydrázových enzymů v průmyslovém měřítku, jako je celuláza, která hraje důležitou roli ve fermentačních procesech během výroby vína. Vědci budou samozřejmě muset před použitím jako léčivého činidla v konkrétní infrastruktuře důkladně posoudit případné bezprostřední a dlouhodobé účinky na životní prostředí a lidské zdraví.
Budoucí recepty na cement mohou zahrnovat houby. (Midtown Crossing at Turner Park, CC BY) Stále ještě plně nerozumíme této velmi mladé, ale slibné biologické opravné technice. Beton je pro houbu drsným prostředím: velmi vysoké hodnoty pH, relativně malé velikosti pórů, silný deficit vlhkosti, vysoké teploty v létě a nízké teploty v zimě, omezená dostupnost živin a možné vystavení ultrafialovým paprskům ze slunečního záření. Všechny tyto faktory dramaticky ovlivňují metabolické aktivity hub a činí je zranitelnými vůči smrti.
Náš výzkum je stále v počáteční fázi a existuje dlouhá cesta, aby se samoléčení stalo praktickým a nákladově efektivním. Ale rozsah výzev americké infrastruktury dělá zkoumání takových kreativních řešení, která stojí za to.
Tento článek byl původně publikován v The Conversation.
Congrui Jin, odborný asistent strojního inženýrství na Binghamtonově univerzitě, Státní univerzita v New Yorku
