Infrastructuur ondersteunt en vergemakkelijkt ons dagelijks leven - denk aan de wegen waarop we rijden, de bruggen en tunnels die mensen en vracht helpen vervoeren, de kantoorgebouwen waar we werken en de dammen die het water leveren dat we drinken. Maar het is geen geheim dat de Amerikaanse infrastructuur veroudert en dringend behoefte heeft aan revalidatie.
Vooral betonconstructies lijden aan ernstige achteruitgang. Scheuren komen veel voor als gevolg van verschillende chemische en fysische fenomenen die optreden tijdens dagelijks gebruik. Beton krimpt tijdens het drogen, wat barsten kan veroorzaken. Het kan kraken wanneer er beweging is onder of dankzij cycli van bevriezen / ontdooien in de loop van de seizoenen. Als u er gewoon te veel gewicht op legt, kan dit fracturen veroorzaken. Erger nog, de stalen staven ingebed in beton als wapening kunnen na verloop van tijd corroderen.
Zeer kleine scheurtjes kunnen behoorlijk schadelijk zijn omdat ze een gemakkelijke route bieden voor vloeistoffen en gassen - en de schadelijke stoffen die ze kunnen bevatten. Microscheuren kunnen bijvoorbeeld water en zuurstof laten infiltreren en vervolgens het staal corroderen, wat leidt tot structureel falen. Zelfs een slanke breuk alleen de breedte van een haar kan voldoende water toelaten om de integriteit van het beton te ondermijnen.
Maar continu onderhoud en reparatiewerk is moeilijk omdat het meestal een enorme hoeveelheid arbeid en investeringen vereist.
Dus sinds 2013 probeer ik erachter te komen hoe deze schadelijke scheuren zichzelf kunnen genezen zonder menselijke tussenkomst. Het idee was oorspronkelijk geïnspireerd door het verbazingwekkende vermogen van het menselijk lichaam om zichzelf te genezen van snijwonden, kneuzingen en gebroken botten. Een persoon neemt voedingsstoffen op die het lichaam gebruikt om nieuwe vervangers te produceren om beschadigde weefsels te genezen. Kunnen we op dezelfde manier de benodigde producten voor beton leveren om scheuren op te vullen als er schade optreedt?
Mijn Binghamton University-collega's Guangwen Zhou en David Davies, Ning Zhang van Rutgers University en ik hebben een ongebruikelijke kandidaat gevonden om zichzelf te helpen genezen: een schimmel genaamd Trichoderma reesei .
Onderzoekers hebben een aantal schimmels gescreend op zoek naar een kandidaat die kon helpen bij het opvullen van betonnen scheuren. (Congrui Jin, CC BY-ND) We hebben aanvankelijk ongeveer 20 verschillende soorten schimmels gescreend om er een te vinden die de zware omstandigheden in beton kan weerstaan. Sommigen isoleerden we van de wortels van planten die groeiden in voedselarme bodems, waaronder de New Jersey Pine Barrens en de Canadese Rocky Mountains in Alberta.
We vonden dat als calciumhydroxide uit beton opgelost in water, de pH van ons schimmelgroeimedium steeg van een bijna-neutrale oorspronkelijke waarde van 6, 5 tot een zeer basische 13, 0. Van alle schimmels die we hebben getest, kon alleen T. reesei deze omgeving overleven. Ondanks de drastische pH-verhoging, ontkiemden de sporen ervan tot draadachtig hyfen mycelium en groeiden even goed met of zonder beton.
Zodra de sporen (links) ontkiemen door toevoeging van water, groeien ze uit tot draadachtig hyfen mycelium (rechts). (Congrui Jin, CC BY-ND) We stellen voor om schimmelsporen, samen met voedingsstoffen, op te nemen tijdens het eerste mengproces bij het bouwen van een nieuwe betonnen structuur. Wanneer het onvermijdelijke kraken optreedt en water zijn weg vindt, zullen de slapende schimmelsporen ontkiemen.
Terwijl ze groeien, werken ze als katalysator in de calciumrijke omstandigheden van het beton om neerslag van calciumcarbonaatkristallen te bevorderen. Deze minerale afzettingen kunnen de scheuren opvullen. Wanneer de scheuren volledig dicht zijn en er geen water meer kan binnendringen, zullen de schimmels opnieuw sporen vormen. Als zich opnieuw scheuren vormen en de omgevingscondities gunstig worden, kunnen de sporen ontwaken en het proces herhalen.
T. reesei is milieuvriendelijk en niet-pathogeen en vormt geen bekend risico voor de menselijke gezondheid. Ondanks de wijdverbreide aanwezigheid in tropische bodems, zijn er geen meldingen van schadelijke effecten in water- of landplanten of dieren. T. reesei heeft zelfs een lange geschiedenis van veilig gebruik bij de productie op industriële schaal van koolhydrasenzymen, zoals cellulase, die een belangrijke rol spelen in fermentatieprocessen tijdens de wijnbereiding. Natuurlijk moeten onderzoekers een grondige beoordeling uitvoeren om mogelijke onmiddellijke en langetermijneffecten op het milieu en de gezondheid van de mens te onderzoeken voordat het wordt gebruikt als genezend middel in betonnen infrastructuur.
Toekomstige cementrecepten kunnen schimmels bevatten. (Midtown Crossing in Turner Park, CC BY) We begrijpen deze zeer jonge maar veelbelovende biologische reparatietechniek nog steeds niet volledig. Beton is een barre omgeving voor de schimmel: zeer hoge pH-waarden, relatief kleine poriegroottes, ernstig vochttekort, hoge temperaturen in de zomer en lage temperaturen in de winter, beperkte beschikbaarheid van voedingsstoffen en mogelijke blootstelling aan ultraviolette stralen van zonlicht. Al deze factoren beïnvloeden de metabolische activiteiten van de schimmel dramatisch en maken ze kwetsbaar voor de dood.
Ons onderzoek bevindt zich nog in de beginfase en er is nog een lange weg te gaan om zelfherstel concreet en praktisch te maken. Maar de omvang van de uitdagingen van de Amerikaanse infrastructuur maakt het verkennen van creatieve oplossingen zoals deze de moeite waard.
Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation.
Congrui Jin, universitair docent werktuigbouwkunde, Binghamton University, State University van New York
