استفاده از تکنولوژی در تولید بتن خود ترمیم شونده

بتن به دلیل خشک شدن، انقباض، چرخه یخزدگی – ذوب شدن، تاخیر در تشکیل اترینگیت، خوردگی آرماتور، خزش و خستگی، و غیره، مستعد ترک خوردگی است. اگر ترک های آسیبرسان در سازه های بتنی به خودی خود و بدون مداخله انسانی ترمیم شوند، می تواند کمک بسیار بزرگی باشد.

بتن خود ترمیم شونده


زیرساخت های پایدار و اهمیت ماندگاری بتن


زیرساخت های پایدار به دلیل تاثیر قآبل توجه آنها بر میزان مصرف انرژی، استفاده از زمین برای ساخت و ساز و اقتصاد جهانی، کلید ایجاد یک جامعه پایدار هستند. با این حال، بسیاری از کشورها با سقوط تدریجی زیرساخت های بتنی پیری که نیاز به بازسازی دارند، مواجه هستند. به طور خاص، زیرساخت های بتنی به دلیل تاثیر پدیده های مختلف فیزیکی و شیمیایی، مانند انقباض خشک شدن، چرخه های یخزدگی –ذوب شدن، خوردگی آرماتور، خزش و خستگی و تاخیر در تشکیل اترینگیت، از تخریب جدی رنج می برند که همگی می توانند منجر به ترک خوردن بتن و در نتیجه از بین رفتن بتن بشوند.
با اینکه ترک های بتن ممکن است در کوتاه مدت ظرفیت باربری بتن را به میزان قآبل توجهی کاهش ندهند، اما به طور قآبل توجهی دوام سازه های بتنی را تضعیف می کنند، زیرا به کانالی برای آب، اکسیژن و دی اکسید کربن بدل میشوند که به طور بالقوه می تواند باعث خوردگی آرماتور فولادی شود. علاوه بر این، ترک خوردن بتن ممکن است باعث کاهش شدید خواص غیرمکانیکی بتن بشود. امروزه، بتن ماده اصلی ساختمانی برای مهار راکتورهای هسته‌ای که در سراسر جهان برای تولید برق استفاده میشوند و همینطورساختارهای محافظ بیولوژیکی است. علاوه بر این، دوغاب‌های سیمانی، ملات‌ها و بتن نیز اغلب برای محافظت و محصور کردن مواد زائد رادیواکتیو مختلف، برخی از ایزوتوپ‌های ضایعاتی و همچنین محصولات فروپاشی آنها استفاده میشوند؛ بنابراین در صورت از بین رفتن خواص غیرمکانیکی بتن، تشعشع میتواند در راکتورها و دیگر زیرساخت های هسته ای ساخته شده از بتن، به خطر بسیار بزرگی تبدیل شود.
با توجه به اهمیت قآبل توجه زیرساخت های بتنی و خدمات استثنایی آنها، نگهداری و بازرسی سازه های بتنی مورد توجه محققان قرار گرفته است. با این حال، بازرسی و نگهداری مستمر سازه های بتنی معمولا نیازمند نیروی کارو سرمایه‌گذاری زیادی است که تبدیل به چالشی بزرگ و پرهزینه‌ شده است. خوشبختانه، محققان با الهام از توانایی شگفت‌انگیز بدن انسان برای تعمیر استخوانهای شکسته از طریق معدنی‌سازی، تحقیقات متعددی را برای تجهیز سازه‌های بتنی با خواص خود ترمیمی انجام داده‌اند و راه‌ حل‌های ابتکاری بسیاری را ارائه کرده‌اند.
تا کنون محققان دریافته اند که بتن می‌تواند ترک‌های خود را عمدتا از طریق سه مکانیسم زیر برطرف کند: ترمیم خودزا، جاسازی مواد پلیمری، و رسوب CaCO3 به واسطه ی باکتری. در این میان رویکرد بیوتکنولوژیکی با استفاده از میکروارگانیسم‌های مولد مواد معدنی، تاکنون مطلوب‌ترین راه بوده است.
 
استفاده از سیانوباکتریهای فتوسنتز کننده


طبق گزارش منتشر شده در مجله Matter، مواد معدنی موجود در ترکیبات این نوع بتن توسط رسوبات حاصل از نوعی سیانوباکتری‌ها ساخته میشود. یک استاد دانشگاه کلرادو بولدر ، گفت: «ما قبلا از مواد معدنی بیولوژیکی مانند چوب در ساختمانهای خود استفاده کرده‌ایم. حالا سوال ما این است که چرا نمی‌توانیم آنها را همانگونه که هستند نگه داریم و پاسخ به این سوال در دستان زیست‌شناسان است. روزی سازه های بتنی ما که بر این اساس ساخته شده اند، می‌توانند ترک‌های خود را ترمیم کنند، سموم خطرناک را از هوا بمکند، یا حتی بر اساس دستورات ژنتیکی شان بدرخشند."
 
چه مشکلاتی در استفاده از سیانوباکتری ها وجود دارد؟


اگرچه تحقیقات روی بتن خود ترمیم شونده به واسطه باکتری در واقع به سطح معینی از موفقیت دست یافت، اما همچنان از محدودیت های جدی ای رنج می برد. تا کنون، مدت زمان زنده ماندن باکتری موجود در بتن به طور کلی کمتر از شش ماه بوده است. خواص محیطی بتن مانند pH بسیار بالا، منافذ ریز، کمبود شدید رطوبت، دماهای مختلف و در دسترسی محدود مواد مغذی، به طور چشمگیری بر فعالیت های متابولیک میکروبی در محیط بتن تاثیر میگذارد وموجب مرگ باکتری های داخل بتن میشود. علاوه بر این، با توجه به توانایی محدود باکتری ها برای تولید مقادیر زیاد CaCO3، باکتری ها تنها می توانند ترک های کوچک با عرض ترک کمتر از 0.8 میلی متر در قطعات بتنی را ترمیم کنند. برای رسیدگی به مشکلات ذکر شده درحوزه ی بتن های خود ترمیم شونده با استفاده از باکتری ها، بررسی بیشتری در مورد وجود پتانسیل موجود در سایر میکروارگانیسم ها به منظور جایگزینی درراستای خود ترمیم شوندگی بتن به طور بالقوه ای ضروری است.


 
استفاده از قارچ ها برای ساخت بتن خود ترمیم شونده:


در واقع، میکروارگانیسم‌ها بسیار متنوع هستند و علاوه بر باکتری‌ها، ارکیا، پروتیست‌ها و قارچ‌ها را نیز شامل می‌شوند. قارچ‌ها گروهی از ارگانیسم‌های یوکاریوتی را تشکیل می‌دهند که تنوع زیستی وسیعی را با بیش از 100 گونه ی شناخته ‌شده و تقریبا 1.5 میلیون گونه ناشناخته نشان می‌دهند. قارچ‌های رایج شامل مخمرها، قارچ‌های گلسنگ‌ساز، کپک‌ها وغیره هستند. مطالعات اخیر در زمین‌شناسی نشان داده است که گونه‌های خاصی از قارچ‌ها می‌توانند نقش اصلی در ساخت CaCO3 داشته باشند، اما این گونه‌ها هرگز در محیط بتن آزمایش نشده‌اند. در حال حاضر، بررسی قارچ‌ها بیشتر بر اهمیت آنها در تجزیه مواد آلی متمرکز شده است و ارتباط آنها با ترکیبات معدنی به کسب مواد معدنی توسط قارچ‌های میکوریز و همچنین هوازدگی معدنی گلسنگ‌ها و اکتومیکوریزا محدود می‌شود.

سلول‌های قارچ‌های رشته‌ای، به صورت ساختارهای نخ مانندی به نام هیف رشد می‌کنند که دارای هسته‌های متعدد هستند و با راس‌های جدیدی که از تشکیل شاخه‌های جانبی بیرون می‌ایند، رشد می‌کنند و شبکه‌ای سه بعدی در هم تنیده به نام میسلیوم را ایجاد می‌کنند. در واقع، قارچ‌های رشته‌ای دارای ویژگی‌های منحصربه‌فردی برای استفاده در کاربردهای مختلف فناوری‌های مبتنی بر بیومرینالیزاسیون مانند بتن هستند. به عنوان مثال، در مقایسه با سایر گروه‌های میکروبی، قارچ‌های رشته‌ای نسبت سطح به حجم بالاتری از خود نشان می‌دهند و بنآابراین دارای بخش بیشتری از بسترهای آلی موجود برای رسوب معدنی هستند. کلسیفیکاسیون رشته های قارچی یک فرایند پیچیده است و هنوز به طور کامل شناخته نشده است؛ با این حال، نتیجه گرفته شده است که دو عامل حیاتی در تعیین میزان تولید CaCO3 وجود دارد، یعنی قلیایی بودن کربنات و غلظت Ca2+24 . فعالیت‌های متابولیکی قارچ‌های رشته‌ای که می‌توانند قلیایی کربنات را افزایش دهند معمولا شامل مصرف آب، گاززدایی فیزیکوشیمیایی CO2 تنفسی قارچی، اکسیداسیون اسیدهای آلی، جذب نیترات و کانی‌سازی اوره می‌شود.

علاوه بر قلیایی بودن کربنات، فعالیت های متآبولیکی قارچ نیز می تواند بر غلظت کلسیم تاثیر بگذارد. غلظت Ca2+  در سلول های قارچی باید به شدت کنترل شود، یعنی بیشتر یون های کلسیم برای رشد اپیکال باید در راس جمع شوند و در نواحی زیر اپیکال به شدت کاهش یآبد. برای حفظ این گرادیان شدید، قارچ ها باید به طور موثر   Ca2+  را تنظیم کنند. Ca2+  در سیتوپلاسم با پمپاژ عمدی آن از سلول یا اتصال آن به پروتئین های سیتوپلاسمی در غلظت های کافی پایین نگه داشته می شود. علاوه بر این، قارچ ها همچنین می توانند بر غلظت کلسیم در راستای محافظت از خود تاثیر بگذارند. فلزاتی که برای رشد قارچ و متآبولیسم مورد نیاز هستند اگر غلظت آنها خیلی زیاد باشد ممکن است سمی شوند. با این حال، بر خلاف سایر گروه های میکروارگانیسمی، بسیاری از گونه های قارچ می توانند در مناطقی که به طور جدی توسط فلزات آلوده هستند مانند بتن، زنده بمانند و رشد کنند.

سازه های بتنی

رسوب کانی های فلزی بر روی هیف ها به عنوان یکی از مهم ترین مکانیسم های تبیین تحمل فلز، در قارچ ها در نظر گرفته شد. بتن یک محیط غنی از کلسیم است که به دلیل سمیت سلولی کلسیم و فشار اسمزی متعاقب ان، فشار زیادی بر سلول های قارچی وارد میکند. تولید اگزالات کلسیم به عنوان روشی برای کاهش غلظت Ca2+  داخلی آنها در نظر گرفته شده است. رسوب CaCO3 ممکن است به دلیل یک مکانیسم منفعل مشابه برای بی حرکت کردن بیش از حد  Ca2 + باشد. قلیایی بودن بیش از حد نیز می تواند منبع فشار باشد و تولید CaCO3 ممکن است به دلیل محافظت درون سلولی باشد. در حالی که باکتری‌ها رسوب مواد معدنی را تنها از طریق فرایندهای بیومرینالیزاسیون القایی ترویج می‌کنند، قارچ‌ها می‌توانند این کار را از طریق فرایندهای زیست کانی‌سازی القایی و کانی‌سازی الی انجام دهند. دیواره سلولی بسیاری از قارچ ها حاوی کیتین، پلیمر N-acetylglucosamine37 است.

کیتین به دلیل توانایی خود در اتصال Ca2+  شناخته شده است، زیرا زیرلایه ای را تشکیل می دهد که می تواند انرژی های فعال سازی مورد نیاز برای تشکیل هسته را به طور قابل توجهی کاهش دهد به طوری که انرژی سطحی بین قارچ و کریستال معدنی به طور قآبل توجهی کمتر از انرژی بین کریستال معدنی و کریستال معدنی می شود. بنابراین، زیست توده قارچی زنده و مرده می‌تواند یون‌ها را به دیواره‌های سلولی خود متصل کند و در نتیجه فازهای معدنی را تشکیل دهد و رسوب کند. سپس Ca2 + محدود می تواند با کربنات محلول برهمکنش کند و منجر به رسوب CaCO3 روی هیف های قارچی شود. بنابراین، به لطف توانایی آنها در ترویج مستقیم و غیرمستقیم تولید CaCO3، قارچ ها می توانند به عنوان عوامل خود ترمیمی در بتن مورد استفاده قرار گیرند. هدف از این تحقیق کشف مناسب ترین گونه قارچ برای کاربرد ترمیم ترک های بیوژنیک (مثل ترک های موجود در سازه های بتنی) می باشد. برای ساخت بتن خود ترمیم شونده با واسطه قارچ، هاگ های قارچ در کنار مواد مغذی خود، قبل از شروع فرایند پخت با بتن مخلوط می شوند. هنگامی که ترک‌ها در بتن ظاهر می‌شوند و آب به داخل بتن می‌ریزد، هاگ‌های قارچی خفته در بتن بیدار می‌شوند، در بتن رشد می‌کنند، سوپ مواد مغذی را مصرف می‌کنند و رسوبات CaCO3 را ببه منظور رفع ترک‌ها در محل شکافهای بتن شروع میکنند. پس از بهبود نهایی ترک‌های بتن، قارچ‌ها اسپور می‌سازند و یک بار دیگر در بتن به حالت خفته می‌روند تا اماده ی شروع چرخه جدیدی از خود ترمیمی با تشکیل دوباره ترک‌های بتن باشند. برای زیرساخت های موجود بتنی که ترک خورده اند، هاگ های قارچ و مواد مغذی آنها را می توان به داخل ترک بتن تزریق یا اسپری کرد.
علاوه بر گونه های قارچی نوع وحشی، قارچ های دستکاری شده ژنتیکی نیز کاندیدهای مهمی برای بتن خود ترمیم شونده هستند. از انجایی که PH بسیار بالای محیط بتن تنها توسط چند قارچ قابل کنترل است، جهش‌های تنظیم کننده pH در این بخش از آزمایش مورد تمرکز قرار داشتند. بسیاری از میکروارگانیسم هایی که قادر به رشد در محدوده pH نسبتا وسیع هستند، می توانند بیان ژن خود را با توجه به سطوح pH محیط 43،44 تنظیم کنند. قارچ‌ها با فعال‌سازی یک فاکتور رونویسی اختصاصی PacC45،46،47،48،49،50، به pH خارج سلولی پاسخ می‌دهند. جهش یافته ها در ژن تنظیم کننده pacC در فنوتیپ 43 بسیار ناهمگن هستند. دسته عمده ای از جهش ها pacCc با عملکرد افزایشی هستند که با کوتاه کردن ناحیه C ترمینال ایجاد می شوند. جهش‌های pacCc که نیاز به سیگنال pH خارج سلولی را دور می‌زنند، منجر به فعال شدن دائمی ژن‌های قلیایی و سرکوب فوق‌العاده ژن‌های اسیدی می‌شود که منجر به تقلید قلیایی می‌شود. صرف نظر از pH محیط، قارچ‌هایی که جهش‌های تقلید قلیایی را نشان می‌دهند معتقدند که همیشه در pH قلیایی هستند و الگوی بیان ژنی شبیه به نوع وحشی که در مقادیر pH بالا رشد می‌کنند، ایجاد می‌کنند، که دقیقا همان چیزی است که برای بتن خود ترمیم‌شونده مورد نیاز است.
 


سخن آخر


با وجود همه ی تحقیقات صورت گرفته در حوزه ی استفاده از بیوتکنولوژی به منظورساخت بتن های خود ترمیم شونده، هنوز راه درازی به منظور دستیابی به بتن خودترمیم شونده وجود دارد. حال آنکه پس از رسیدن به مقصود نهایی، آیا تولیدکنندگان صنعت بتن تمایلی به استفاده از نتایج این تحقیقات درروند تولید بتن خود داشته باشند یا خیر، سوالی است که فقط با گذر زمان پاسخ آن مشخص خواهد شد. با اینحال در حال حاضرنتایج این تحقیقات از نظر صاحب نظران، میتواند موجب انقلآبی بزرگ در صنعت بتن و ساختمان بشود.
 
 

استفاده از تکنولوژی در تولید بتن خود ترمیم شونده

بتن به دلیل خشک شدن، انقباض، چرخه یخزدگی – ذوب شدن، تاخیر در تشکیل اترینگیت، خوردگی آرماتور، خزش و خستگی، و غیره، مستعد ترک خوردگی است. اگر ترک های آسیبرسان در سازه های بتنی به خودی خود و بدون مداخله انسانی ترمیم شوند، می تواند کمک بسیار بزرگی باشد.

بتن خود ترمیم شونده


زیرساخت های پایدار و اهمیت ماندگاری بتن


زیرساخت های پایدار به دلیل تاثیر قآبل توجه آنها بر میزان مصرف انرژی، استفاده از زمین برای ساخت و ساز و اقتصاد جهانی، کلید ایجاد یک جامعه پایدار هستند. با این حال، بسیاری از کشورها با سقوط تدریجی زیرساخت های بتنی پیری که نیاز به بازسازی دارند، مواجه هستند. به طور خاص، زیرساخت های بتنی به دلیل تاثیر پدیده های مختلف فیزیکی و شیمیایی، مانند انقباض خشک شدن، چرخه های یخزدگی –ذوب شدن، خوردگی آرماتور، خزش و خستگی و تاخیر در تشکیل اترینگیت، از تخریب جدی رنج می برند که همگی می توانند منجر به ترک خوردن بتن و در نتیجه از بین رفتن بتن بشوند.
با اینکه ترک های بتن ممکن است در کوتاه مدت ظرفیت باربری بتن را به میزان قآبل توجهی کاهش ندهند، اما به طور قآبل توجهی دوام سازه های بتنی را تضعیف می کنند، زیرا به کانالی برای آب، اکسیژن و دی اکسید کربن بدل میشوند که به طور بالقوه می تواند باعث خوردگی آرماتور فولادی شود. علاوه بر این، ترک خوردن بتن ممکن است باعث کاهش شدید خواص غیرمکانیکی بتن بشود. امروزه، بتن ماده اصلی ساختمانی برای مهار راکتورهای هسته‌ای که در سراسر جهان برای تولید برق استفاده میشوند و همینطورساختارهای محافظ بیولوژیکی است. علاوه بر این، دوغاب‌های سیمانی، ملات‌ها و بتن نیز اغلب برای محافظت و محصور کردن مواد زائد رادیواکتیو مختلف، برخی از ایزوتوپ‌های ضایعاتی و همچنین محصولات فروپاشی آنها استفاده میشوند؛ بنابراین در صورت از بین رفتن خواص غیرمکانیکی بتن، تشعشع میتواند در راکتورها و دیگر زیرساخت های هسته ای ساخته شده از بتن، به خطر بسیار بزرگی تبدیل شود.
با توجه به اهمیت قآبل توجه زیرساخت های بتنی و خدمات استثنایی آنها، نگهداری و بازرسی سازه های بتنی مورد توجه محققان قرار گرفته است. با این حال، بازرسی و نگهداری مستمر سازه های بتنی معمولا نیازمند نیروی کارو سرمایه‌گذاری زیادی است که تبدیل به چالشی بزرگ و پرهزینه‌ شده است. خوشبختانه، محققان با الهام از توانایی شگفت‌انگیز بدن انسان برای تعمیر استخوانهای شکسته از طریق معدنی‌سازی، تحقیقات متعددی را برای تجهیز سازه‌های بتنی با خواص خود ترمیمی انجام داده‌اند و راه‌ حل‌های ابتکاری بسیاری را ارائه کرده‌اند.
تا کنون محققان دریافته اند که بتن می‌تواند ترک‌های خود را عمدتا از طریق سه مکانیسم زیر برطرف کند: ترمیم خودزا، جاسازی مواد پلیمری، و رسوب CaCO3 به واسطه ی باکتری. در این میان رویکرد بیوتکنولوژیکی با استفاده از میکروارگانیسم‌های مولد مواد معدنی، تاکنون مطلوب‌ترین راه بوده است.
 
استفاده از سیانوباکتریهای فتوسنتز کننده


طبق گزارش منتشر شده در مجله Matter، مواد معدنی موجود در ترکیبات این نوع بتن توسط رسوبات حاصل از نوعی سیانوباکتری‌ها ساخته میشود. یک استاد دانشگاه کلرادو بولدر ، گفت: «ما قبلا از مواد معدنی بیولوژیکی مانند چوب در ساختمانهای خود استفاده کرده‌ایم. حالا سوال ما این است که چرا نمی‌توانیم آنها را همانگونه که هستند نگه داریم و پاسخ به این سوال در دستان زیست‌شناسان است. روزی سازه های بتنی ما که بر این اساس ساخته شده اند، می‌توانند ترک‌های خود را ترمیم کنند، سموم خطرناک را از هوا بمکند، یا حتی بر اساس دستورات ژنتیکی شان بدرخشند."
 
چه مشکلاتی در استفاده از سیانوباکتری ها وجود دارد؟


اگرچه تحقیقات روی بتن خود ترمیم شونده به واسطه باکتری در واقع به سطح معینی از موفقیت دست یافت، اما همچنان از محدودیت های جدی ای رنج می برد. تا کنون، مدت زمان زنده ماندن باکتری موجود در بتن به طور کلی کمتر از شش ماه بوده است. خواص محیطی بتن مانند pH بسیار بالا، منافذ ریز، کمبود شدید رطوبت، دماهای مختلف و در دسترسی محدود مواد مغذی، به طور چشمگیری بر فعالیت های متابولیک میکروبی در محیط بتن تاثیر میگذارد وموجب مرگ باکتری های داخل بتن میشود. علاوه بر این، با توجه به توانایی محدود باکتری ها برای تولید مقادیر زیاد CaCO3، باکتری ها تنها می توانند ترک های کوچک با عرض ترک کمتر از 0.8 میلی متر در قطعات بتنی را ترمیم کنند. برای رسیدگی به مشکلات ذکر شده درحوزه ی بتن های خود ترمیم شونده با استفاده از باکتری ها، بررسی بیشتری در مورد وجود پتانسیل موجود در سایر میکروارگانیسم ها به منظور جایگزینی درراستای خود ترمیم شوندگی بتن به طور بالقوه ای ضروری است.


 
استفاده از قارچ ها برای ساخت بتن خود ترمیم شونده:


در واقع، میکروارگانیسم‌ها بسیار متنوع هستند و علاوه بر باکتری‌ها، ارکیا، پروتیست‌ها و قارچ‌ها را نیز شامل می‌شوند. قارچ‌ها گروهی از ارگانیسم‌های یوکاریوتی را تشکیل می‌دهند که تنوع زیستی وسیعی را با بیش از 100 گونه ی شناخته ‌شده و تقریبا 1.5 میلیون گونه ناشناخته نشان می‌دهند. قارچ‌های رایج شامل مخمرها، قارچ‌های گلسنگ‌ساز، کپک‌ها وغیره هستند. مطالعات اخیر در زمین‌شناسی نشان داده است که گونه‌های خاصی از قارچ‌ها می‌توانند نقش اصلی در ساخت CaCO3 داشته باشند، اما این گونه‌ها هرگز در محیط بتن آزمایش نشده‌اند. در حال حاضر، بررسی قارچ‌ها بیشتر بر اهمیت آنها در تجزیه مواد آلی متمرکز شده است و ارتباط آنها با ترکیبات معدنی به کسب مواد معدنی توسط قارچ‌های میکوریز و همچنین هوازدگی معدنی گلسنگ‌ها و اکتومیکوریزا محدود می‌شود.

سلول‌های قارچ‌های رشته‌ای، به صورت ساختارهای نخ مانندی به نام هیف رشد می‌کنند که دارای هسته‌های متعدد هستند و با راس‌های جدیدی که از تشکیل شاخه‌های جانبی بیرون می‌ایند، رشد می‌کنند و شبکه‌ای سه بعدی در هم تنیده به نام میسلیوم را ایجاد می‌کنند. در واقع، قارچ‌های رشته‌ای دارای ویژگی‌های منحصربه‌فردی برای استفاده در کاربردهای مختلف فناوری‌های مبتنی بر بیومرینالیزاسیون مانند بتن هستند. به عنوان مثال، در مقایسه با سایر گروه‌های میکروبی، قارچ‌های رشته‌ای نسبت سطح به حجم بالاتری از خود نشان می‌دهند و بنآابراین دارای بخش بیشتری از بسترهای آلی موجود برای رسوب معدنی هستند. کلسیفیکاسیون رشته های قارچی یک فرایند پیچیده است و هنوز به طور کامل شناخته نشده است؛ با این حال، نتیجه گرفته شده است که دو عامل حیاتی در تعیین میزان تولید CaCO3 وجود دارد، یعنی قلیایی بودن کربنات و غلظت Ca2+24 . فعالیت‌های متابولیکی قارچ‌های رشته‌ای که می‌توانند قلیایی کربنات را افزایش دهند معمولا شامل مصرف آب، گاززدایی فیزیکوشیمیایی CO2 تنفسی قارچی، اکسیداسیون اسیدهای آلی، جذب نیترات و کانی‌سازی اوره می‌شود.

علاوه بر قلیایی بودن کربنات، فعالیت های متآبولیکی قارچ نیز می تواند بر غلظت کلسیم تاثیر بگذارد. غلظت Ca2+  در سلول های قارچی باید به شدت کنترل شود، یعنی بیشتر یون های کلسیم برای رشد اپیکال باید در راس جمع شوند و در نواحی زیر اپیکال به شدت کاهش یآبد. برای حفظ این گرادیان شدید، قارچ ها باید به طور موثر   Ca2+  را تنظیم کنند. Ca2+  در سیتوپلاسم با پمپاژ عمدی آن از سلول یا اتصال آن به پروتئین های سیتوپلاسمی در غلظت های کافی پایین نگه داشته می شود. علاوه بر این، قارچ ها همچنین می توانند بر غلظت کلسیم در راستای محافظت از خود تاثیر بگذارند. فلزاتی که برای رشد قارچ و متآبولیسم مورد نیاز هستند اگر غلظت آنها خیلی زیاد باشد ممکن است سمی شوند. با این حال، بر خلاف سایر گروه های میکروارگانیسمی، بسیاری از گونه های قارچ می توانند در مناطقی که به طور جدی توسط فلزات آلوده هستند مانند بتن، زنده بمانند و رشد کنند.

سازه های بتنی

رسوب کانی های فلزی بر روی هیف ها به عنوان یکی از مهم ترین مکانیسم های تبیین تحمل فلز، در قارچ ها در نظر گرفته شد. بتن یک محیط غنی از کلسیم است که به دلیل سمیت سلولی کلسیم و فشار اسمزی متعاقب ان، فشار زیادی بر سلول های قارچی وارد میکند. تولید اگزالات کلسیم به عنوان روشی برای کاهش غلظت Ca2+  داخلی آنها در نظر گرفته شده است. رسوب CaCO3 ممکن است به دلیل یک مکانیسم منفعل مشابه برای بی حرکت کردن بیش از حد  Ca2 + باشد. قلیایی بودن بیش از حد نیز می تواند منبع فشار باشد و تولید CaCO3 ممکن است به دلیل محافظت درون سلولی باشد. در حالی که باکتری‌ها رسوب مواد معدنی را تنها از طریق فرایندهای بیومرینالیزاسیون القایی ترویج می‌کنند، قارچ‌ها می‌توانند این کار را از طریق فرایندهای زیست کانی‌سازی القایی و کانی‌سازی الی انجام دهند. دیواره سلولی بسیاری از قارچ ها حاوی کیتین، پلیمر N-acetylglucosamine37 است.

کیتین به دلیل توانایی خود در اتصال Ca2+  شناخته شده است، زیرا زیرلایه ای را تشکیل می دهد که می تواند انرژی های فعال سازی مورد نیاز برای تشکیل هسته را به طور قابل توجهی کاهش دهد به طوری که انرژی سطحی بین قارچ و کریستال معدنی به طور قآبل توجهی کمتر از انرژی بین کریستال معدنی و کریستال معدنی می شود. بنابراین، زیست توده قارچی زنده و مرده می‌تواند یون‌ها را به دیواره‌های سلولی خود متصل کند و در نتیجه فازهای معدنی را تشکیل دهد و رسوب کند. سپس Ca2 + محدود می تواند با کربنات محلول برهمکنش کند و منجر به رسوب CaCO3 روی هیف های قارچی شود. بنابراین، به لطف توانایی آنها در ترویج مستقیم و غیرمستقیم تولید CaCO3، قارچ ها می توانند به عنوان عوامل خود ترمیمی در بتن مورد استفاده قرار گیرند. هدف از این تحقیق کشف مناسب ترین گونه قارچ برای کاربرد ترمیم ترک های بیوژنیک (مثل ترک های موجود در سازه های بتنی) می باشد. برای ساخت بتن خود ترمیم شونده با واسطه قارچ، هاگ های قارچ در کنار مواد مغذی خود، قبل از شروع فرایند پخت با بتن مخلوط می شوند. هنگامی که ترک‌ها در بتن ظاهر می‌شوند و آب به داخل بتن می‌ریزد، هاگ‌های قارچی خفته در بتن بیدار می‌شوند، در بتن رشد می‌کنند، سوپ مواد مغذی را مصرف می‌کنند و رسوبات CaCO3 را ببه منظور رفع ترک‌ها در محل شکافهای بتن شروع میکنند. پس از بهبود نهایی ترک‌های بتن، قارچ‌ها اسپور می‌سازند و یک بار دیگر در بتن به حالت خفته می‌روند تا اماده ی شروع چرخه جدیدی از خود ترمیمی با تشکیل دوباره ترک‌های بتن باشند. برای زیرساخت های موجود بتنی که ترک خورده اند، هاگ های قارچ و مواد مغذی آنها را می توان به داخل ترک بتن تزریق یا اسپری کرد.
علاوه بر گونه های قارچی نوع وحشی، قارچ های دستکاری شده ژنتیکی نیز کاندیدهای مهمی برای بتن خود ترمیم شونده هستند. از انجایی که PH بسیار بالای محیط بتن تنها توسط چند قارچ قابل کنترل است، جهش‌های تنظیم کننده pH در این بخش از آزمایش مورد تمرکز قرار داشتند. بسیاری از میکروارگانیسم هایی که قادر به رشد در محدوده pH نسبتا وسیع هستند، می توانند بیان ژن خود را با توجه به سطوح pH محیط 43،44 تنظیم کنند. قارچ‌ها با فعال‌سازی یک فاکتور رونویسی اختصاصی PacC45،46،47،48،49،50، به pH خارج سلولی پاسخ می‌دهند. جهش یافته ها در ژن تنظیم کننده pacC در فنوتیپ 43 بسیار ناهمگن هستند. دسته عمده ای از جهش ها pacCc با عملکرد افزایشی هستند که با کوتاه کردن ناحیه C ترمینال ایجاد می شوند. جهش‌های pacCc که نیاز به سیگنال pH خارج سلولی را دور می‌زنند، منجر به فعال شدن دائمی ژن‌های قلیایی و سرکوب فوق‌العاده ژن‌های اسیدی می‌شود که منجر به تقلید قلیایی می‌شود. صرف نظر از pH محیط، قارچ‌هایی که جهش‌های تقلید قلیایی را نشان می‌دهند معتقدند که همیشه در pH قلیایی هستند و الگوی بیان ژنی شبیه به نوع وحشی که در مقادیر pH بالا رشد می‌کنند، ایجاد می‌کنند، که دقیقا همان چیزی است که برای بتن خود ترمیم‌شونده مورد نیاز است.
 


سخن آخر


با وجود همه ی تحقیقات صورت گرفته در حوزه ی استفاده از بیوتکنولوژی به منظورساخت بتن های خود ترمیم شونده، هنوز راه درازی به منظور دستیابی به بتن خودترمیم شونده وجود دارد. حال آنکه پس از رسیدن به مقصود نهایی، آیا تولیدکنندگان صنعت بتن تمایلی به استفاده از نتایج این تحقیقات درروند تولید بتن خود داشته باشند یا خیر، سوالی است که فقط با گذر زمان پاسخ آن مشخص خواهد شد. با اینحال در حال حاضرنتایج این تحقیقات از نظر صاحب نظران، میتواند موجب انقلآبی بزرگ در صنعت بتن و ساختمان بشود.