Могут ли бактерии помочь предотвратить повреждение солью бетонных дорог и мостов?
Бактерии, которые тысячелетиями работали в природе как каменщики, могут быть привлечены для нейтрализации разрушительного воздействия дорожной соли.
По данным Совета по транспортным исследованиям, для безопасной зимней эксплуатации дорог требуется около 10 миллионов тонн противогололёдной соли. Хотя это эффективный метод борьбы со снегом и льдом, к весне становится виден ущерб инфраструктуре в виде трещин, выбоин и неровностей.
Эти неровности — не просто результат износа. Их вызывает химическое соединение, которое образуется при реакции дорожной соли с поверхностью дорог, мостов и тротуаров из серо-белого бетона.
Убийца бетона
Разрушающее химическое соединение называется оксихлоридом кальция (CAOXY). Оно образуется, когда распространённый тип дорожной соли — хлорид кальция — реагирует с гидроксидом кальция, входящим в состав бетона.
CAOXY — разрушительный компонент. При образовании внутри бетона он расширяется, создавая внутренние напряжения и трещины, которые усиливаются циклами замерзания-оттаивания.
По данным Федерального управления шоссейных дорог США, зимнее содержание дорог составляет около 20% бюджетов на техническое обслуживание департаментов транспорта штатов, с затратами более $2,3 млрд на борьбу со снегом и льдом. Это не включает миллиарды на ремонт повреждений инфраструктуры от соли: заделку выбоин, усиление дорог и борьбу с коррозией металлических частей транспортных средств. Ежегодные прямые потери от коррозии мостов в США оцениваются в $276 млрд, что составляет примерно 3,1% ВВП страны.
Хотя ведутся разработки новых типов бетона (например, самонагревающегося), которые могут плавить снег без соли, более реалистичным может быть обработка дорог чем-то, что позволит соли работать, но предотвратит образование CAOXY.
Бактериальные блокировщики, останавливающие химическую реакцию
Лучший способ заблокировать реакцию — убедиться, что для неё недостаточно ингредиентов. Поэтому мы решили создать другую химическую реакцию, которая бы использовала кальций из дорожной соли до того, как он прореагирует с образованием CAOXY.
Природа предоставила идеальное решение в виде талантливых бактерий.
Бактерия Sporosarcina pasteurii, часто встречающаяся в почве, обладает уникальной способностью преобразовывать питательные вещества и кальций в карбонат кальция (кальцит) — известняк. Этот процесс известен как микробно-индуцированное осаждение карбоната кальция (MICP).
Исследования около 15 лет назад показали, что подобные бактерии можно использовать для создания биораствора для ремонта повреждённых мраморных поверхностей исторических зданий.
Через метаболизм питательных веществ бактерии производят фермент, катализирующий образование кальцита. Процесс также повышает щелочность окружающей среды, что также способствует реакции.
Наш прорыв произошёл, когда мы заметили, что одним из основных ингредиентов, необходимых S. pasteurii для производства известняка, является кальций. Могут ли эти маленькие каменщики помочь нам предотвратить образование CAOXY?
Где S. pasteurii встречается с дорогой
Мы протестировали идею на образцах обычного портландцемента. Помимо контрольного образца, мы обработали один образец в лаборатории S. pasteurii и питательным раствором.
Затем мы подвергли образцы воздействию раствора хлорида кальция при различных температурах, имитируя зимние условия взаимодействия соли с бетоном.
Измеряя изменения температуры, указывающие на образование CAOXY, количество CAOXY и отслеживая акустику образцов с помощью чувствительных микрофонов на звуки растрескивания, мы увидели, что обработанные бактериями образцы остались невредимыми.
Более того, S. pasteurii фактически преобразовала часть дорожной соли в кальцит, который помог запечатать микропоры — предшественники трещин и выбоин.
S. pasteurii — особенно выносливый тип безвредных почвенных бактерий. Они могут образовывать споры, чтобы выживать в широком диапазоне температур и кислотности. Это означает, что они могут оставаться в спящем состоянии в межсезонье и активироваться с первой зимней посыпкой дорог солью. Важно, что образуемый ими карбонат кальция, по-видимому, безвреден для экосистемы, в отличие от дорожной соли, которая к концу сезона влияет на водную среду.
Конечно, необходима дальнейшая работа, чтобы полностью понять взаимодействие S. pasteurii с противогололёдной солью и её влияние на характеристики бетона. Мы ещё не знаем, насколько быстро бактерии выполняют эту реакцию, и работаем над способами внесения бактерий на дороги в реальных условиях. Но это направление стоит pursuing, поскольку вряд ли мы сможем отказаться от дорожной соли в ближайшее время.