Infrastruktur menyokong dan memudahkan kehidupan seharian kita - memikirkan jalan yang kita jalani, jambatan dan terowong yang membantu mengangkut orang dan pengangkutan, bangunan pejabat di mana kita bekerja dan empangan yang menyediakan air yang kita minum. Tetapi tidak rahsia lagi bahawa infrastruktur Amerika sudah tua dan sangat memerlukan pemulihan.
Struktur konkrit, khususnya, mengalami kemerosotan yang serius. Retak sangat umum kerana pelbagai fenomena kimia dan fizikal yang berlaku semasa penggunaan setiap hari. Konkrit mengecut apabila ia kering, yang boleh menyebabkan retakan. Ia boleh retak apabila ada pergerakan di bawah atau terima kasih kepada kitaran beku / cair sepanjang musim. Hanya meletakkan terlalu banyak berat di atasnya boleh menyebabkan fraktur. Lebih buruk lagi, bar keluli yang tertanam dalam konkrit sebagai tetulang boleh menghancurkan dari masa ke masa.
Retakan sangat kecil boleh menjadi sangat berbahaya kerana mereka menyediakan laluan mudah untuk cecair dan gas - dan bahan-bahan berbahaya yang mungkin mereka masukkan. Sebagai contoh, retakan mikro boleh membenarkan air dan oksigen menyusup dan kemudian menyerap keluli, yang membawa kepada kegagalan struktur. Walaupun pelanggaran langsing hanya lebar rambut boleh membenarkan air yang cukup untuk melemahkan integriti konkrit.
Tetapi kerja-kerja penyelenggaraan dan pembaikan yang berterusan adalah sukar kerana ia biasanya memerlukan sejumlah besar buruh dan pelaburan.
Jadi sejak tahun 2013, saya cuba untuk mengetahui bagaimana retakan yang berbahaya ini dapat menyembuhkan diri mereka tanpa campur tangan manusia. Idea ini pada asalnya diilhamkan oleh kemampuan luar biasa tubuh manusia untuk menyembuhkan diri dari luka, lebam dan patah tulang. Seseorang mengambil nutrien yang digunakan oleh tubuh untuk menghasilkan pengganti baru untuk menyembuhkan jaringan yang rosak. Dengan cara yang sama, bolehkah kita menyediakan produk yang diperlukan untuk konkrit untuk mengisi keretakan apabila kerosakan berlaku?
Rakan saya Binghamton University Guangwen Zhou dan David Davies, Ning Zhang dari Rutgers University dan saya telah menemui calon yang luar biasa untuk membantu menyembuhkan konkrit itu sendiri: kulat yang dipanggil Trichoderma reesei .
Para penyelidik menyaring sejumlah kulat mencari calon yang dapat membantu menghancurkan retakan konkrit. (Congrui Jin, CC BY-ND) Pada mulanya kita meneliti kira-kira 20 spesis kulat yang berlainan untuk mencari satu yang dapat menahan keadaan yang keras dalam konkrit. Ada yang mengasingkan kami dari akar tumbuhan yang tumbuh di tanah yang kurang nutrien, termasuk dari New Jersey Pine Barrens dan Canadian Rocky Mountains di Alberta.
Kami mendapati bahawa sebagai kalsium hidroksida dari konkrit yang larut dalam air, pH medium pertumbuhan kulat kami meningkat dari nilai asal yang hampir-neutral sebanyak 6.5 hingga ke sangat alkali 13.0. Daripada semua kulat yang kami uji, hanya T. reesei dapat bertahan hidup ini. Walaupun peningkatan pH yang drastik, sporanya berkecambah ke dalam mycelium hyphalic threadlike dan tumbuh sama baik dengan atau tanpa konkrit.
Sebaik sahaja spora (kiri) bercambah dengan penambahan air, mereka berkembang menjadi mycelium hyphalic threadlike (kanan). (Congrui Jin, CC BY-ND) Kami mencadangkan termasuk spora kulat, bersama-sama dengan nutrien, semasa proses pencampuran awal apabila membina struktur konkrit baru. Apabila retak yang tidak dapat dielakkan berlaku dan air mendapati jalannya, spora kulat yang tidak aktif akan berkecambah.
Apabila mereka berkembang, mereka akan berfungsi sebagai pemangkin dalam keadaan kaya dengan kalsium konkrit untuk mempromosikan pemendakan kristal kalsium karbonat. Ini deposit mineral boleh mengisi retak. Apabila retakannya benar-benar dibumbui dan tiada lagi air boleh masuk, kulat akan membentuk spora lagi. Sekiranya retakan bentuk semula dan keadaan persekitaran menjadi baik, spora boleh bangun dan ulangi proses tersebut.
T. reesei adalah mesra alam dan nonpathogenik, yang tidak menimbulkan risiko kesihatan manusia. Walaupun kehadirannya yang meluas di tanah tropika, tidak ada laporan kesan buruk dalam tumbuh-tumbuhan atau binatang ternakan atau terestrial. Malah, T. reesei mempunyai sejarah yang panjang penggunaan selamat dalam pengeluaran enzim karbohidrat berskala industri, seperti selulase, yang memainkan peranan penting dalam proses penapaian semasa winemaking. Sudah tentu, para penyelidik perlu melakukan penilaian yang teliti untuk menyiasat apa-apa kesan segera dan jangka panjang yang mungkin terhadap alam sekitar dan kesihatan manusia sebelum digunakan sebagai agen penyembuh dalam infrastruktur konkrit.
Resipi simen masa depan mungkin termasuk kulat. (Midtown Crossing di Turner Park, CC BY) Kami masih belum memahami teknik pembaikan biologi yang sangat muda tetapi menjanjikan. Konkrit adalah persekitaran yang keras untuk kulat: nilai pH yang sangat tinggi, saiz liang yang agak kecil, defisit kelembapan yang teruk, suhu tinggi pada musim panas dan suhu rendah pada musim sejuk, ketersediaan nutrien terhad dan kemungkinan pendedahan kepada sinaran ultraviolet dari cahaya matahari. Semua faktor ini secara mendadak mempengaruhi aktiviti metabolik kulat dan membuat mereka terdedah kepada kematian.
Penyelidikan kami masih dalam peringkat awal dan ada cara yang jauh untuk membuat penyembuhan diri praktikal dan kos efektif. Tetapi skop cabaran infrastruktur Amerika menjadikan meneroka penyelesaian kreatif seperti ini yang berbaloi.
Artikel ini pada asalnya diterbitkan di The Conversation.
Congrui Jin, Penolong Profesor Kejuruteraan Mekanikal, Universiti Binghamton, Universiti Negeri New York
