真菌可以幫助混凝土自愈裂縫

以下文章經 The Conversation許可轉載，The Conversation 是一家報道最新研究的線上出版物。

基礎設施支撐和便利著我們的日常生活——想想我們行駛的道路、幫助運輸人員和貨物的橋樑和隧道、我們工作的辦公樓以及提供我們飲用水的水壩。但美國的基礎設施正在 老化並迫切需要修復，這已不是什麼秘密。

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特別是混凝土結構，遭受著嚴重的退化。由於日常使用過程中發生的各種化學和物理現象，裂縫非常常見。混凝土在乾燥時會收縮，這可能會導致裂縫。當下方發生移動或由於季節性凍融迴圈時，混凝土會開裂。簡單地在其上施加過大的重量也會導致斷裂。更糟糕的是，作為鋼筋嵌入混凝土中的鋼筋會隨著時間的推移而腐蝕。

非常細小的裂縫可能非常有害，因為它們為液體和氣體——以及它們可能含有的有害物質——提供了一條便捷的通道。例如，微裂縫可以讓水和氧氣滲入，然後腐蝕鋼鐵，導致結構失效。即使是像頭髮絲一樣細的裂縫也可能允許足夠的水進入，從而破壞混凝土的完整性。

但是，持續的維護和維修工作很困難，因為它通常需要大量的人力和投資。

因此，自 2013 年以來，我一直在嘗試弄清楚如何讓這些有害的裂縫在沒有人工干預的情況下自行癒合。這個想法最初的靈感來自於人體令人驚歎的自我癒合能力，例如傷口、瘀傷和骨折。人攝入營養物質，身體利用這些營養物質產生新的替代物來治癒受損的組織。同樣地，我們能否為混凝土提供必要的產品，以便在發生損壞時填補裂縫？

我的賓厄姆頓大學同事 周廣文 和 大衛·戴維斯，羅格斯大學的 張寧 和我發現了一種 不尋常的候選者來幫助混凝土自愈：一種叫做 里氏木黴的真菌。

我們最初篩選了大約 20 種不同的真菌，以便找到一種可以承受混凝土中惡劣條件的真菌。我們從生長在貧瘠土壤中的植物根部中分離出一些真菌，包括來自新澤西州松林地帶和艾伯塔省加拿大落基山脈的真菌。

我們發現，隨著混凝土中的氫氧化鈣溶解在水中，我們的真菌生長培養基的 pH 值從接近中性的原始值 6.5 增加到非常鹼性的 13.0。在我們測試的所有真菌中，只有 里氏木黴 能夠在這種環境中生存。儘管 pH 值急劇升高，但它的孢子仍然萌發成絲狀菌絲體，並且在有或沒有混凝土的情況下都能同樣良好地生長。

我們建議在新混凝土結構的初始混合過程中加入真菌孢子以及營養物質。當不可避免的裂縫發生並且水滲入時，休眠的真菌孢子將萌發。

當它們生長時，它們將在混凝土富含鈣質的條件下充當催化劑，促進碳酸鈣晶體的沉澱。這些礦物質沉積物可以填補裂縫。當裂縫完全填塞並且不再有水可以進入時，真菌將再次形成孢子。如果裂縫再次形成並且環境條件變得有利，孢子可能會醒來並重復該過程。

里氏木黴 是環保且無致病性的，對人類健康沒有已知的風險。儘管它廣泛存在於熱帶土壤中，但沒有關於其對水生或陸生植物或動物產生不利影響的報告。事實上， 里氏木黴 在 工業規模生產 碳水化合物酶（如纖維素酶）方面有著悠久的安全使用歷史，纖維素酶在釀酒過程中的發酵過程中起著重要作用。當然，研究人員需要進行全面的評估，以調查其作為混凝土基礎設施中的修復劑對環境和人類健康的任何可能的直接和長期影響，然後才能使用。

我們仍然沒有完全理解這種非常年輕但很有前景的生物修復技術。混凝土對於真菌來說是一個惡劣的環境：非常高的 pH 值、相對較小的孔隙尺寸、嚴重的溼度不足、夏季高溫和冬季低溫、有限的營養物質供應以及可能暴露於陽光中的紫外線。所有這些因素都極大地影響了真菌的代謝活動，並使其容易死亡。

我們的研究仍處於初期階段，要使自愈混凝土變得實用且具有成本效益還有很長的路要走。但是美國基礎設施挑戰的範圍使得探索像這樣的創新解決方案變得有價值。

本文最初發表於 The Conversation。閱讀 原文。