真菌可以帮助混凝土自愈裂缝

以下文章经 The Conversation许可转载，The Conversation 是一家报道最新研究的在线出版物。

基础设施支撑和便利着我们的日常生活——想想我们行驶的道路、帮助运输人员和货物的桥梁和隧道、我们工作的办公楼以及提供我们饮用水的水坝。但美国的基础设施正在 老化并迫切需要修复，这已不是什么秘密。

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特别是混凝土结构，遭受着严重的退化。由于日常使用过程中发生的各种化学和物理现象，裂缝非常常见。混凝土在干燥时会收缩，这可能会导致裂缝。当下方发生移动或由于季节性冻融循环时，混凝土会开裂。简单地在其上施加过大的重量也会导致断裂。更糟糕的是，作为钢筋嵌入混凝土中的钢筋会随着时间的推移而腐蚀。

非常细小的裂缝可能非常有害，因为它们为液体和气体——以及它们可能含有的有害物质——提供了一条便捷的通道。例如，微裂缝可以让水和氧气渗入，然后腐蚀钢铁，导致结构失效。即使是像头发丝一样细的裂缝也可能允许足够的水进入，从而破坏混凝土的完整性。

但是，持续的维护和维修工作很困难，因为它通常需要大量的人力和投资。

因此，自 2013 年以来，我一直在尝试弄清楚如何让这些有害的裂缝在没有人工干预的情况下自行愈合。这个想法最初的灵感来自于人体令人惊叹的自我愈合能力，例如伤口、瘀伤和骨折。人摄入营养物质，身体利用这些营养物质产生新的替代物来治愈受损的组织。同样地，我们能否为混凝土提供必要的产品，以便在发生损坏时填补裂缝？

我的宾厄姆顿大学同事 周广文 和 大卫·戴维斯，罗格斯大学的 张宁 和我发现了一种 不寻常的候选者来帮助混凝土自愈：一种叫做 里氏木霉的真菌。

我们最初筛选了大约 20 种不同的真菌，以便找到一种可以承受混凝土中恶劣条件的真菌。我们从生长在贫瘠土壤中的植物根部中分离出一些真菌，包括来自新泽西州松林地带和艾伯塔省加拿大落基山脉的真菌。

我们发现，随着混凝土中的氢氧化钙溶解在水中，我们的真菌生长培养基的 pH 值从接近中性的原始值 6.5 增加到非常碱性的 13.0。在我们测试的所有真菌中，只有 里氏木霉 能够在这种环境中生存。尽管 pH 值急剧升高，但它的孢子仍然萌发成丝状菌丝体，并且在有或没有混凝土的情况下都能同样良好地生长。

我们建议在新混凝土结构的初始混合过程中加入真菌孢子以及营养物质。当不可避免的裂缝发生并且水渗入时，休眠的真菌孢子将萌发。

当它们生长时，它们将在混凝土富含钙质的条件下充当催化剂，促进碳酸钙晶体的沉淀。这些矿物质沉积物可以填补裂缝。当裂缝完全填塞并且不再有水可以进入时，真菌将再次形成孢子。如果裂缝再次形成并且环境条件变得有利，孢子可能会醒来并重复该过程。

里氏木霉 是环保且无致病性的，对人类健康没有已知的风险。尽管它广泛存在于热带土壤中，但没有关于其对水生或陆生植物或动物产生不利影响的报告。事实上， 里氏木霉 在 工业规模生产 碳水化合物酶（如纤维素酶）方面有着悠久的安全使用历史，纤维素酶在酿酒过程中的发酵过程中起着重要作用。当然，研究人员需要进行全面的评估，以调查其作为混凝土基础设施中的修复剂对环境和人类健康的任何可能的直接和长期影响，然后才能使用。

我们仍然没有完全理解这种非常年轻但很有前景的生物修复技术。混凝土对于真菌来说是一个恶劣的环境：非常高的 pH 值、相对较小的孔隙尺寸、严重的湿度不足、夏季高温和冬季低温、有限的营养物质供应以及可能暴露于阳光中的紫外线。所有这些因素都极大地影响了真菌的代谢活动，并使其容易死亡。

我们的研究仍处于初期阶段，要使自愈混凝土变得实用且具有成本效益还有很长的路要走。但是美国基础设施挑战的范围使得探索像这样的创新解决方案变得有价值。

本文最初发表于 The Conversation。阅读 原文。