Làm thế nào vi khuẩn có thể làm cho cơ sở hạ tầng của chúng ta mạnh mẽ hơn
Vi khuẩn phân hủy canxi có thể giữ cho muối đường phá hủy ăn mòn cầu bê tông và các cơ sở hạ tầng quan trọng khác - vấn đề trị giá 276 tỷ đô la chỉ riêng ở Mỹ.
Làm thế nào vi khuẩn có thể làm cho cơ sở hạ tầng của chúng ta mạnh mẽ hơn
[Nguồn Hình ảnh: Ideas_Studio / iStock, junce / iStock]
BỞI YAGHOOB FARNAM5 PHÚT ĐỌC
Vi khuẩn, đã hoạt động trong hàng thiên niên kỷ như những người khai thác đá của tự nhiên, có thể sớm được tranh thủ để giúp vô hiệu hóa tác động tàn phá của muối đường.
Theo Ban Nghiên cứu Giao thông vận tải, cần khoảng 10 triệu tấn muối đường để giữ cho các con đường đi lại an toàn trong mùa đông. Và mặc dù đây chắc chắn là một phương pháp hiệu quả để ngăn chặn tuyết và băng, nhưng vào khoảng thời gian này trong năm, chúng ta bắt đầu thấy những thiệt hại mà nó phải gánh chịu đối với cơ sở hạ tầng của chúng ta dưới dạng các vết nứt, ổ gà và mấp mô.
Hóa ra, những va chạm đó không chỉ là những khó chịu không thể tránh khỏi mà đi kèm với sự hao mòn - chúng thực sự gây ra bởi một chất hóa học hình thành khi muối đường phản ứng với bề mặt đường, cầu và vỉa hè được làm từ màu xám trắng bê tông. Là một kỹ sư vật liệu dân dụng tại Đại học Drexel, tôi dành thời gian giảng dạy và phát triển các vật liệu tiên tiến mà chúng ta có thể sử dụng để xây dựng những con đường, cầu, tòa nhà và cơ sở hạ tầng vững chắc hơn.
KẺ GIẾT NGƯỜI BÊ TÔNG
Hóa chất gây ra sự tàn phá được gọi là canxi oxycholoride – CAOXY, trong hóa học viết tắt – và nó hình thành khi một loại muối đường phổ biến, canxi clorua, phản ứng với canxi hydroxit là một thành phần trong bê tông. CAOXY là một thành phần phá hoại. Khi hình thành bên trong bê tông, nó sẽ nở ra - tạo ra các vết nứt bên trong và các vết nứt sau đó được khuếch đại bởi hiệu ứng đục của chu trình đông lạnh-tan băng.
CAOXY hình thành khi canxi hydroxit, một thành phần trong bê tông, phản ứng với một loại muối đường chung gọi là canxi clorua. [Hình ảnh: lịch sự của tác giả]
Theo Cục Quản lý Đường cao tốc Liên bang Hoa Kỳ , bảo trì đường bộ mùa đông chiếm khoảng 20% ngân sách bảo trì giao thông vận tải của bộ bang, thông qua việc chi hơn 2,3 tỷ đô la Mỹ cho việc kiểm soát băng tuyết. Con số này không bao gồm hàng tỷ đô la cần thiết để sửa chữa các hư hỏng cơ sở hạ tầng do tuyết, băng và muối ăn mòn gây ra, sửa chữa các ổ gà, vá và gia cố đường và xử lý sự ăn mòn mà muối gây ra trên các bộ phận kim loại của xe. Tổn thất trực tiếp hàng năm do ăn mòn trên các cầu đường cao tốc của Hoa Kỳ ước tính khoảng 276 tỷ đô la , xấp xỉ 3,1% tổng sản phẩm quốc nội của quốc gia.
Trong khi nghiên cứu đang được tiến hành để phát triển các loại bê tông mới, chẳng hạn như bê tông tự nóng , có thể làm tan băng tuyết mà không cần muối đường, thì việc xử lý đường bằng một thứ gì đó vẫn cho phép muối làm được sẽ khả thi hơn. công việc trong khi chống lại các tác dụng phụ tiêu cực của nó bằng cách ngăn chặn sự hình thành CAOXY.
THUỐC CHẶN VI KHUẨN LÀM TRẬT BÁNH PHẢN ỨNG HÓA HỌC
Nhóm đa ngành của tôi tại Đại học Drexel, bao gồm các kỹ sư dân dụng, môi trường và vật liệu, đã quyết định rằng bất kỳ loại thuốc giải độc nào cho thiệt hại liên quan đến CAOXY sẽ cần phải ngăn chặn phản ứng hóa học hình thành nó. Nhưng phản ứng này rất phức tạp vì nó có thể xảy ra ở nhiệt độ trên mức đóng băng. Điều này có nghĩa là CAOXY có thể bắt đầu hình thành gần như ngay khi muối tiếp xúc với đường.
Một trong những cách tốt nhất để ngăn phản ứng xảy ra là đảm bảo rằng không có đủ thành phần cho nó. Vì vậy, chúng tôi muốn tạo ra một phản ứng hóa học khác có thể sử dụng hết canxi trong muối đường trước khi phản ứng tạo thành CAOXY.
Thiên nhiên đã cung cấp giải pháp hoàn hảo dưới dạng một số vi khuẩn tài năng.
Ở phía bên kia phòng thí nghiệm của chúng tôi, các sinh viên đang kiểm tra vi khuẩn gọi là Sporosarcina pasteurii để hiểu cách chúng thực hiện phép thuật của mình. Vi khuẩn, thường được tìm thấy trong đất, có khả năng độc đáo là chuyển đổi chất dinh dưỡng và canxi thành canxi cacbonat hoặc canxit - còn được gọi là đá vôi, một loại đá phổ biến trong vỏ Trái đất. Loại vi khuẩn này, S. pasteurii , được cho là đã lắng đọng đá vôi như một chất kết dính (hoặc keo), hỗ trợ sự hình thành các rạn san hô và giúp kết dính và ổn định đất.
Nhưng những phát hiện về S. pasteurii mà các đồng nghiệp của tôi và tôi quan tâm đã được phát hiện khoảng 15 năm trước ở Châu Âu . Nghiên cứu này đã chỉ ra cách vi khuẩn như S. pasteurii có thể tạo ra loại bê tông của riêng chúng, một loại vữa sinh học, có thể được sử dụng để sửa chữa các bề mặt đá cẩm thạch bị hư hỏng, chẳng hạn như các tác phẩm điêu khắc hoặc các tòa nhà lịch sử.
Thông qua quá trình chuyển hóa các chất dinh dưỡng, vi khuẩn sản sinh ra một loại enzym hoạt động như một chất xúc tác cho sự hình thành canxit. Quá trình này cũng làm tăng tính chất kiềm của môi trường xung quanh, điều này cũng cho phép phản ứng.
Nhóm của chúng tôi hy vọng có thể đưa vi khuẩn vào công việc sửa chữa các vết nứt trên bê tông, hầu hết trong số đó có đá vôi là thành phần chính. Bước đột phá xuất hiện khi chúng tôi nhận thấy một trong những thành phần chính mà S. pasteurii cần để tạo ra đá vôi là canxi.
Liệu những người thợ xây vi khuẩn nhỏ có thể giúp chúng ta ngăn chặn CAOXY không?
NƠI S. PASTEURII GẶP TRÊN ĐƯỜNG
Chúng tôi thử nghiệm ý tưởng của mình bằng cách sử dụng các mẫu xi măng poóc lăng thông thường, loại được sử dụng để xây dựng đường, cầu và vỉa hè. Ngoài một mẫu đối chứng không có vi khuẩn, chúng tôi đã xử lý một mẫu trong phòng thí nghiệm bằng S. pasteurii và dung dịch dinh dưỡng.
Sau đó, chúng tôi cho mẫu của mình tiếp xúc với dung dịch clorua canxi ở các nhiệt độ khác nhau, để mô phỏng môi trường mùa đông, trong đó xảy ra tương tác bê tông muối đường điển hình. Bằng cách đo sự thay đổi nhiệt độ cho thấy sự hình thành CAOXY, đo lượng CAOXY và theo dõi âm học của các mẫu bằng micrô nhạy cảm nhỏ để tìm tiếng nứt, chúng tôi thấy rằng các mẫu được xử lý vi khuẩn không bị tổn thương. Và S. pasteurii thực sự đã chuyển đổi một số muối đường thành canxit giúp bịt kín các lỗ nhỏ tiền thân của các vết nứt và ổ gà.
Khi canxi hydroxit (từ bê tông) trộn với muối canxi clorua trên đường với sự hiện diện của vi khuẩn, vi khuẩn tạo ra đá vôi bám trên đường. [Hình ảnh: lịch sự của tác giả]
Vì vậy, liệu sử dụng vi khuẩn trước khi muối tấn công thực sự có thể cứu chúng ta khỏi thiệt hại trên đường? Tôi nghĩ vậy.
S. pasteurii là một loại vi khuẩn vô hại đặc biệt cứng rắn có thể tìm thấy trong đất. Chúng có thể hình thành bào tử để tồn tại trong nhiều nhiệt độ và môi trường có độ axit cao hoặc thấp. Điều này có nghĩa là chúng có thể nằm im trong trái vụ và mùa xuân bắt đầu hoạt động với đường muối đầu tiên của mùa đông. Và quan trọng hơn, canxi cacbonat mà chúng tạo thành dường như vô hại đối với hệ sinh thái ngay lập tức của chúng - không giống như muối đường, được biết là ảnh hưởng đến môi trường nước gần đó vào cuối mùa .
Tất nhiên, cần phải nghiên cứu thêm để hiểu đầy đủ về tương tác của S. pasteurii với muối deicing và ảnh hưởng của nó đến hiệu suất bê tông. Các đồng nghiệp của tôi và tôi vẫn chưa biết vi khuẩn thực hiện phản ứng hóa học này nhanh như thế nào, và chúng tôi đang nghiên cứu những cách đầy hứa hẹn để đưa vi khuẩn vào đường trong tình huống thực tế. Nhưng đây là một con đường đáng để theo đuổi, vì không chắc chúng ta sẽ sớm bỏ được cơn nghiện muối đường.
Làm thế nào vi khuẩn có thể làm cho cơ sở hạ tầng của chúng ta mạnh mẽ hơn
[Nguồn Hình ảnh: Ideas_Studio / iStock, junce / iStock]
BỞI YAGHOOB FARNAM5 PHÚT ĐỌC
Vi khuẩn, đã hoạt động trong hàng thiên niên kỷ như những người khai thác đá của tự nhiên, có thể sớm được tranh thủ để giúp vô hiệu hóa tác động tàn phá của muối đường.
Theo Ban Nghiên cứu Giao thông vận tải, cần khoảng 10 triệu tấn muối đường để giữ cho các con đường đi lại an toàn trong mùa đông. Và mặc dù đây chắc chắn là một phương pháp hiệu quả để ngăn chặn tuyết và băng, nhưng vào khoảng thời gian này trong năm, chúng ta bắt đầu thấy những thiệt hại mà nó phải gánh chịu đối với cơ sở hạ tầng của chúng ta dưới dạng các vết nứt, ổ gà và mấp mô.
Hóa ra, những va chạm đó không chỉ là những khó chịu không thể tránh khỏi mà đi kèm với sự hao mòn - chúng thực sự gây ra bởi một chất hóa học hình thành khi muối đường phản ứng với bề mặt đường, cầu và vỉa hè được làm từ màu xám trắng bê tông. Là một kỹ sư vật liệu dân dụng tại Đại học Drexel, tôi dành thời gian giảng dạy và phát triển các vật liệu tiên tiến mà chúng ta có thể sử dụng để xây dựng những con đường, cầu, tòa nhà và cơ sở hạ tầng vững chắc hơn.
KẺ GIẾT NGƯỜI BÊ TÔNG
Hóa chất gây ra sự tàn phá được gọi là canxi oxycholoride – CAOXY, trong hóa học viết tắt – và nó hình thành khi một loại muối đường phổ biến, canxi clorua, phản ứng với canxi hydroxit là một thành phần trong bê tông. CAOXY là một thành phần phá hoại. Khi hình thành bên trong bê tông, nó sẽ nở ra - tạo ra các vết nứt bên trong và các vết nứt sau đó được khuếch đại bởi hiệu ứng đục của chu trình đông lạnh-tan băng.
CAOXY hình thành khi canxi hydroxit, một thành phần trong bê tông, phản ứng với một loại muối đường chung gọi là canxi clorua. [Hình ảnh: lịch sự của tác giả]
Theo Cục Quản lý Đường cao tốc Liên bang Hoa Kỳ , bảo trì đường bộ mùa đông chiếm khoảng 20% ngân sách bảo trì giao thông vận tải của bộ bang, thông qua việc chi hơn 2,3 tỷ đô la Mỹ cho việc kiểm soát băng tuyết. Con số này không bao gồm hàng tỷ đô la cần thiết để sửa chữa các hư hỏng cơ sở hạ tầng do tuyết, băng và muối ăn mòn gây ra, sửa chữa các ổ gà, vá và gia cố đường và xử lý sự ăn mòn mà muối gây ra trên các bộ phận kim loại của xe. Tổn thất trực tiếp hàng năm do ăn mòn trên các cầu đường cao tốc của Hoa Kỳ ước tính khoảng 276 tỷ đô la , xấp xỉ 3,1% tổng sản phẩm quốc nội của quốc gia.
Trong khi nghiên cứu đang được tiến hành để phát triển các loại bê tông mới, chẳng hạn như bê tông tự nóng , có thể làm tan băng tuyết mà không cần muối đường, thì việc xử lý đường bằng một thứ gì đó vẫn cho phép muối làm được sẽ khả thi hơn. công việc trong khi chống lại các tác dụng phụ tiêu cực của nó bằng cách ngăn chặn sự hình thành CAOXY.
THUỐC CHẶN VI KHUẨN LÀM TRẬT BÁNH PHẢN ỨNG HÓA HỌC
Nhóm đa ngành của tôi tại Đại học Drexel, bao gồm các kỹ sư dân dụng, môi trường và vật liệu, đã quyết định rằng bất kỳ loại thuốc giải độc nào cho thiệt hại liên quan đến CAOXY sẽ cần phải ngăn chặn phản ứng hóa học hình thành nó. Nhưng phản ứng này rất phức tạp vì nó có thể xảy ra ở nhiệt độ trên mức đóng băng. Điều này có nghĩa là CAOXY có thể bắt đầu hình thành gần như ngay khi muối tiếp xúc với đường.
Một trong những cách tốt nhất để ngăn phản ứng xảy ra là đảm bảo rằng không có đủ thành phần cho nó. Vì vậy, chúng tôi muốn tạo ra một phản ứng hóa học khác có thể sử dụng hết canxi trong muối đường trước khi phản ứng tạo thành CAOXY.
Thiên nhiên đã cung cấp giải pháp hoàn hảo dưới dạng một số vi khuẩn tài năng.
Ở phía bên kia phòng thí nghiệm của chúng tôi, các sinh viên đang kiểm tra vi khuẩn gọi là Sporosarcina pasteurii để hiểu cách chúng thực hiện phép thuật của mình. Vi khuẩn, thường được tìm thấy trong đất, có khả năng độc đáo là chuyển đổi chất dinh dưỡng và canxi thành canxi cacbonat hoặc canxit - còn được gọi là đá vôi, một loại đá phổ biến trong vỏ Trái đất. Loại vi khuẩn này, S. pasteurii , được cho là đã lắng đọng đá vôi như một chất kết dính (hoặc keo), hỗ trợ sự hình thành các rạn san hô và giúp kết dính và ổn định đất.
Nhưng những phát hiện về S. pasteurii mà các đồng nghiệp của tôi và tôi quan tâm đã được phát hiện khoảng 15 năm trước ở Châu Âu . Nghiên cứu này đã chỉ ra cách vi khuẩn như S. pasteurii có thể tạo ra loại bê tông của riêng chúng, một loại vữa sinh học, có thể được sử dụng để sửa chữa các bề mặt đá cẩm thạch bị hư hỏng, chẳng hạn như các tác phẩm điêu khắc hoặc các tòa nhà lịch sử.
Thông qua quá trình chuyển hóa các chất dinh dưỡng, vi khuẩn sản sinh ra một loại enzym hoạt động như một chất xúc tác cho sự hình thành canxit. Quá trình này cũng làm tăng tính chất kiềm của môi trường xung quanh, điều này cũng cho phép phản ứng.
Nhóm của chúng tôi hy vọng có thể đưa vi khuẩn vào công việc sửa chữa các vết nứt trên bê tông, hầu hết trong số đó có đá vôi là thành phần chính. Bước đột phá xuất hiện khi chúng tôi nhận thấy một trong những thành phần chính mà S. pasteurii cần để tạo ra đá vôi là canxi.
Liệu những người thợ xây vi khuẩn nhỏ có thể giúp chúng ta ngăn chặn CAOXY không?
NƠI S. PASTEURII GẶP TRÊN ĐƯỜNG
Chúng tôi thử nghiệm ý tưởng của mình bằng cách sử dụng các mẫu xi măng poóc lăng thông thường, loại được sử dụng để xây dựng đường, cầu và vỉa hè. Ngoài một mẫu đối chứng không có vi khuẩn, chúng tôi đã xử lý một mẫu trong phòng thí nghiệm bằng S. pasteurii và dung dịch dinh dưỡng.
Sau đó, chúng tôi cho mẫu của mình tiếp xúc với dung dịch clorua canxi ở các nhiệt độ khác nhau, để mô phỏng môi trường mùa đông, trong đó xảy ra tương tác bê tông muối đường điển hình. Bằng cách đo sự thay đổi nhiệt độ cho thấy sự hình thành CAOXY, đo lượng CAOXY và theo dõi âm học của các mẫu bằng micrô nhạy cảm nhỏ để tìm tiếng nứt, chúng tôi thấy rằng các mẫu được xử lý vi khuẩn không bị tổn thương. Và S. pasteurii thực sự đã chuyển đổi một số muối đường thành canxit giúp bịt kín các lỗ nhỏ tiền thân của các vết nứt và ổ gà.
Khi canxi hydroxit (từ bê tông) trộn với muối canxi clorua trên đường với sự hiện diện của vi khuẩn, vi khuẩn tạo ra đá vôi bám trên đường. [Hình ảnh: lịch sự của tác giả]
Vì vậy, liệu sử dụng vi khuẩn trước khi muối tấn công thực sự có thể cứu chúng ta khỏi thiệt hại trên đường? Tôi nghĩ vậy.
S. pasteurii là một loại vi khuẩn vô hại đặc biệt cứng rắn có thể tìm thấy trong đất. Chúng có thể hình thành bào tử để tồn tại trong nhiều nhiệt độ và môi trường có độ axit cao hoặc thấp. Điều này có nghĩa là chúng có thể nằm im trong trái vụ và mùa xuân bắt đầu hoạt động với đường muối đầu tiên của mùa đông. Và quan trọng hơn, canxi cacbonat mà chúng tạo thành dường như vô hại đối với hệ sinh thái ngay lập tức của chúng - không giống như muối đường, được biết là ảnh hưởng đến môi trường nước gần đó vào cuối mùa .
Tất nhiên, cần phải nghiên cứu thêm để hiểu đầy đủ về tương tác của S. pasteurii với muối deicing và ảnh hưởng của nó đến hiệu suất bê tông. Các đồng nghiệp của tôi và tôi vẫn chưa biết vi khuẩn thực hiện phản ứng hóa học này nhanh như thế nào, và chúng tôi đang nghiên cứu những cách đầy hứa hẹn để đưa vi khuẩn vào đường trong tình huống thực tế. Nhưng đây là một con đường đáng để theo đuổi, vì không chắc chúng ta sẽ sớm bỏ được cơn nghiện muối đường.
Nhận xét
Đăng nhận xét