インフラストラクチャは、私たちの日常生活を支え、促進します。私たちが運転する道路、人と貨物の輸送を助ける橋とトンネル、私たちが働くオフィスビル、私たちが飲む水を供給するダムを考えてください。 しかし、アメリカのインフラが老朽化しており、リハビリが切実に必要であることは秘密ではありません。
特に、コンクリート構造物は深刻な劣化に悩まされています。 日常の使用中に発生するさまざまな化学的および物理的現象のため、亀裂は非常に一般的です。 コンクリートは乾燥すると収縮し、ひび割れを引き起こす可能性があります。 下に動きがあるとき、または季節の経過に伴う凍結/解凍サイクルのおかげで割れることがあります。 単純に重量をかけすぎると、骨折の原因になります。 さらに悪いことに、補強材としてコンクリートに埋め込まれた鉄筋は、時間の経過とともに腐食する可能性があります。
非常に小さなひび割れは、液体や気体、およびそれらに含まれる可能性のある有害物質の侵入経路を容易にするため、非常に有害です。 例えば、マイクロクラックは水と酸素が浸透し、鋼を腐食させ、構造的な破損を引き起こす可能性があります。 髪の幅だけの細い裂け目でも、コンクリートの完全性を損なうのに十分な水を入れることができます。
しかし、通常は莫大な労力と投資が必要になるため、継続的なメンテナンスと修理作業は困難です。
だから2013年以来、私はこれらの有害な亀裂が人間の介入なしにどのように自分自身を癒すことができるかを理解しようと試みてきました。 このアイデアはもともと、切り傷、打撲傷、骨折を癒す人体の驚くべき能力に触発されました。 人は、損傷した組織を癒すための新しい代用品を生産するために身体が使用する栄養素を摂取します。 同様に、損傷が発生したときに亀裂を埋めるために必要な製品をコンクリートに提供できますか？
私のビンガムトン大学の同僚であるラングガース大学のGuangwen ZhouとDavid Davies、Ning Zhangと私は、コンクリートの治癒を助ける異常な候補を発見しました： Trichoderma reeseiと呼ばれる菌です。
研究者は、コンクリートの亀裂を埋めるのに役立つ候補を探して、いくつかの菌類を選別しました。 （Congrui Jin、CC BY-ND） コンクリートの過酷な条件に耐えられる菌を見つけるために、最初に約20種類の菌類を選別しました。 ニュージャージーのパイン・バレンズやアルバータ州のカナディアン・ロッキー山脈など、栄養の乏しい土壌で育った植物の根から分離したものもあります。
コンクリートからの水酸化カルシウムが水に溶解すると、真菌増殖培地のpHが中性に近い元の値6.5から非常にアルカリ性の13.0まで増加することがわかりました。 テストしたすべての菌類のうち、 T。reeseiのみがこの環境で生き残ることができました。 急激なpH上昇にもかかわらず、その胞子は糸状の菌糸菌糸に発芽し、コンクリートの有無にかかわらず同様に成長しました。
胞子（左）が水を加えて発芽すると、糸状の菌糸菌糸（右）に成長します。 （Congrui Jin、CC BY-ND） 新しいコンクリート構造を構築する際の初期混合プロセス中に、栄養素とともに真菌胞子を含めることを提案します。 避けられない割れが発生し、水が入り込むと、休眠中の真菌胞子が発芽します。
それらが成長するにつれて、それらは炭酸カルシウム結晶の沈殿を促進するために、コンクリートのカルシウムが豊富な条件内で触媒として働きます。 これらの鉱物堆積物は亀裂を埋めることができます。 亀裂が完全にかしめられ、水が入らなくなると、菌類は再び胞子を形成します。 亀裂が再び形成され、環境条件が良好になると、胞子が目を覚ましてプロセスを繰り返す可能性があります。
T. reeseiは環境に優しく、非病原性であり、人間の健康に対するリスクは知られていない。 熱帯土壌に広く分布しているにもかかわらず、水生または陸生の植物や動物に悪影響があったという報告はありません。 実際、 T。reeseiには、セルラーゼなどのカルボヒドラーゼ酵素の工業規模生産での安全な使用の長い歴史があり、これはワイン製造中の発酵プロセスで重要な役割を果たします。 もちろん、研究者は、具体的なインフラストラクチャで治療薬として使用する前に、環境と人間の健康に及ぼす可能性のある即時および長期の影響を調査するために徹底的な評価を行う必要があります。
将来のセメントのレシピには菌類が含まれる場合があります。 （ターナーパークでのミッドタウンクロッシング、CC BY） この非常に若いが有望な生物学的修復技術については、まだ完全には理解されていません。 コンクリートは菌類にとって厳しい環境です。非常に高いpH値、比較的小さな孔径、厳しい水分不足、夏の高温と冬の低温、栄養の利用可能性の制限、日光からの紫外線への暴露の可能性があります。 これらの要因はすべて、菌類の代謝活性に劇的に影響し、菌類を死に弱くします。
私たちの研究はまだ初期段階にあり、自己修復コンクリートを実用的で費用対効果の高いものにするための長い道のりがあります。 しかし、アメリカのインフラストラクチャの課題の範囲により、このような創造的なソリューションを検討する価値があります。
この記事はもともとThe Conversationで公開されました。
Congrui Jin、ニューヨーク州立大学ビンガムトン大学機械工学助教授
