Крошечные бактерии вскоре могут появиться, чтобы предотвратить разрушение дорог зимой, считают исследователи из Университета Дрекселя, которые ищут новые способы сделать нашу инфраструктуру более устойчивой.
Химические вещества, такие как хлорид кальция, который обычно называют «дорожной солью», используются для предотвращения образования льда и накопления снега, которые могут привести к опасным условиям движения. Но они также являются известными виновниками выбоин и ухудшения дорожного покрытия. Эта деградация вызвана химическими веществами, реагирующими с бетоном и водой во льду и снегу с образованием расширяющегося соединения, которое может разрушить бетон, вызывая внутренние расширения и повреждения. Вредное соединение под названием CAOXY (сокращение от оксихлорида кальция) также может выклинивать куски бетона, когда оно проникает в дорожное покрытие перед замерзанием и оттаиванием.
В своем исследовании, недавно опубликованном в журнале Construction and Building Materials, Ягхуб Фарнам, доктор философии, Кристофер Сейлз, доктор философии, и Кэролайн Шауэр, доктор философии, исследователи из Инженерного колледжа Дрекселя, показывают, как смешивание небольшого количества бактерий в бетон может сократить образование CAOXY.
Пара пришла к своей теории, изучая штамм бактерий под названием Sporosarcina pasteurii. S. pasteurii довольно необычен, потому что он способен вызывать химическую реакцию, в результате которой образуется карбонат кальция, вещество, которое часто называют «природным цементом».«Только несколько видов бактерий способны провернуть этот трюк, называемый индуцированным микроорганизмами осаждением карбоната кальция или «биоминерализацией», но вы можете увидеть их работу в отложениях минералов, которые образуют известняк и мрамор.
За последнее десятилетие бактерии, такие как S. pasteurii, изучались как способ ремонта трещин в статуях и бетонной инфраструктуре, а в последнее время - как экологически устойчивый вариант производства кирпича. Но исследователи Drexel поняли, что один из других талантов бактерий также может быть весьма полезен для предотвращения образования этих трещин в первую очередь.
На самом деле мы смотрели на конечный продукт химической реакции с участием этих бактерий - кальцит - но мы пришли к выводу, что способ, которым они его производят, может быть весьма полезным, когда дело доходит до отклонения реакции, которая превращает дорожную соль в разрушенную дорогу», - сказал Фарнам. «Мы знали, что бактериям требуется хлорид кальция для производства кальцита, который является безвредным соединением. Так что, если бы мы могли найти способ обеспечить присутствие бактерий, когда дорожная соль с хлоридом кальция попадает на бетон, они могли бы взаимодействовать с бактериями и сдерживать реакцию, вызывающую разрушение дороги».
Чтобы проверить свою теорию, Сейлз и Фарнам изготовили серию образцов бетона, используя тот тип цемента, который обычно используется на дорогах, и добавили в некоторые образцы смесь S. pasteurii и питательных веществ, необходимых им для выживания. После 28 дней воздействия раствора хлорида кальция, что имитирует месячную обработку дорог зимой, они провели серию тестов на образцах, чтобы определить их структурную целостность и измерить количество присутствующего CAOXY.
Глядя как на акустические вибрации, так и на развитие микропор в образце строительного раствора, которые являются двумя способами количественной оценки прочности образца, исследователи обнаружили, что бетон, изготовленный из смеси бактерий, почти не подвергался разрушению после воздействия. к хлористому кальцию.
Кроме того, уровни CAOXY были намного ниже в образцах, насыщенных бактериями, в результате индуцированного микроорганизмами осаждения карбоната кальция. А присутствие карбоната кальция предполагает, что взаимодействие бактерий также может быть использовано для укрепления дорожного покрытия, хотя, по словам команды, это применение потребует дополнительных исследований..
«Бактерии способны изменять микросреду вокруг себя», - сказал Сейлз. «В частности, они создают среду с высоким pH, превращая химические вещества в питательной суспензии в слабое основание, аммиак. Эта среда способствует осаждению ионов кальция и ионов карбоната в карбонат кальция, а не образованию CAOXY».
Поскольку бактерии встречаются в природе и не являются патогенными, они могут стать экологически безопасным решением проблемы износа дорог. Продажи и Farnam надеются вывести эту работу на новый уровень, сотрудничая с местными и национальными отделами транспорта для дополнительного тестирования и разработки.