Brug af bakterier til at beskytte veje mod forringelse af afisning

Små bakterier kan snart snige sig ind for at forhindre, at vejene fliser væk om vinteren, ifølge Drexel University-forskere, der leder efter nye måder at gøre vores infrastruktur mere robust.

Kemikalier, ligesom calciumchlorid - almindeligvis kaldet "vejsalte - bruges til at forhindre isdannelse og sneophobning, der kan føre til farlige rejseforhold. Men de er også kendte syndere bag huller og vejoverfladeforringelse. Denne nedbrydning er forårsaget af, at kemikalierne reagerer med betonen og vandet i is og sne for at danne en ekspansiv forbindelse, der kan nedbryde beton ved at generere interne udvidelser og belastninger. Den skadelige forbindelse, kaldet CAOXY – en forkortelse for calciumoxychlorid – kan også kile stykker af beton ud, da det infiltrerer vejoverfladen før frysning og optøning.

I deres forskning, for nylig offentliggjort i tidsskriftet Bygge- og byggematerialer , Yahoo Farnam, Ph.D., Christopher Salg, Ph.D., og Caroline Schauer, Ph.D., forskere ved Drexel's College of Engineering, vise, hvordan blanding af en smule bakterier i beton kan begrænse dannelsen af ​​CAOXY.

Parret nåede frem til deres teori, mens de studerede en bakteriestamme kaldet Sporosarcina pasteurii . S. pasteurii er ret usædvanligt, fordi det er i stand til at fremkalde den kemiske reaktion, der skaber calciumcarbonat, et stof, der ofte omtales som "naturens cement". Kun få typer bakterier er i stand til at udnytte dette trick, kaldet mikrobielt induceret calciumcarbonatudfældning, eller "biomineralisering, " men du kan se deres arbejde i mineralaflejringer, der danner kalksten og marmor.

I løbet af det sidste årti kan bakterier lide S. pasteurii er blevet undersøgt som en måde at reparere revner i statuer og betoninfrastruktur, og, for nylig, som en miljømæssigt bæredygtig mulighed for at lave mursten. Men Drexel-forskerne indså, at en af ​​bakteriens andre talenter også kan være ganske nyttig til at forhindre, at disse revner dannes i første omgang.

"Vi kiggede faktisk på slutproduktet af en kemisk reaktion, der involverede disse bakterier - calcit - men vi fandt ud af, at den måde, de producerer det på, kunne være ganske nyttig, når det kommer til at aflede reaktionen, der gør vejsalt til en vej, der forringes. sammensat, " sagde Farnam. "Vi vidste, at bakterierne kræver calciumchlorid for at producere calcit, som er en harmløs forbindelse. Så hvis vi kunne finde på en måde at få bakterierne til stede, når calciumchlorid-vejsaltet rammer betonen, kunne det interagere med bakterierne og begrænse den reaktion, der forårsager vejnedbrydning."

For at teste deres teori, Sales og Farnam lavede en række betonprøver ved hjælp af den type cement, der almindeligvis bruges på veje og tilføjede en blanding af S. pasteurii og de næringsstoffer, de har brug for for at overleve til nogle af prøverne. Efter 28 dages eksponering for en opløsning af calciumchlorid - simulering af en måneds vejbehandling om vinteren - udførte de en række tests på prøverne for at bestemme deres strukturelle integritet og måle mængden af ​​tilstedeværende CAOXY.

Ser man på både de akustiske vibrationer og udviklingen af ​​mikroporer i mørtelprøven, som er begge måder at kvantificere prøvens styrke på, forskerne fandt, at betonen fremstillet med bakterieblandingen næsten ikke oplevede nogen forringelse efter eksponering for calciumchloridet.

Ud over, niveauerne af CAOXY var meget lavere i de bakteriefyldte prøver, som et resultat af den mikrobielt inducerede calciumcarbonatudfældning. Og tilstedeværelsen af ​​calciumcarbonat tyder på, at bakteriernes interaktion også kan bruges til at styrke vejoverfladen, selvom denne applikation ville kræve mere forskning, ifølge holdet.

"Bakterierne er i stand til at ændre mikromiljøet omkring dem, "Salg sagde. "Specielt, de skaber et miljø med høj pH ved at omdanne kemikalierne i næringsopslæmningen til en svag base, ammoniak. Dette miljø fremmer udfældningen af ​​calciumioner og carbonationer til calciumcarbonat - snarere end dannelsen af ​​CAOXY."

Fordi bakterierne forekommer i naturen og er ikke-patogene, de ville være en miljømæssig sikker løsning på problemet med vejforringelse. Salg og Farnam håber at skubbe dette arbejde til næste niveau ved at samarbejde med lokale og nationale transportafdelinger for yderligere test og udvikling.