ENGБактерии, которые тысячелетиями работали каменщиками природы, вскоре могут быть призваны на службу — помочь людям нейтрализовать разрушительное воздействие солевых реагентов.
По данным Совета по транспортным исследованиям США, для обеспечения безопасности движения в зимний период на дороги страны высыпают около 10 млн тонн соли. И хотя это, безусловно, эффективный метод предотвращения обледенения, к весне мы, как правило, обнаруживаем на дорогах неизбежные побочные эффекты в виде трещин, выбоин и ухабин. Как выясняется, эти неровности — не просто результат естественного износа дорожного покрытия. На самом деле их образование связано с химическим веществом, которое образуется при реакции соли с покрытием дорог, мостов и тротуаров из бело-серого бетона.
Убийца асфальта
Как инженер по строительным материалам я преподаю в Дрексельском университете и занимаюсь разработкой инновационных материалов для более надежных дорог, мостов, зданий и другой инфраструктуры.
Химическое вещество, которое так разрушительно действует на дороги и тротуары, называется оксихлорид кальция — в просторечии хлорная известь (CAOXY) — и образуется, когда хлорид кальция (чаще всего используемый в качестве антиобледенителя) вступает в реакцию с присутствующим в асфальтобетонной смеси гидроксидом кальция, приводя к образованию оксихлорида кальция. CAOXY и есть тот самый разрушитель. Эта довольно объёмная соль буквально разрывает бетон изнутри, приводя к образованию дыр и трещин, которые впоследствии еще более расширяются в процессе замораживания-оттаивания.
По данным Федерального управления автомобильных дорог США, расходы на техническое обслуживание в зимний период составляют примерно 20% бюджета Министерства транспорта, поскольку на борьбу со снегом и льдом тратится более $2,3 млрд — и это не считая ассигнований на восстановление инфраструктуры после повреждений от снега, льда и противогололедных реагентов, на заделывание выбоин и ям, укрепление дорог, а также устранение коррозии металлических частей транспортных средств, вызываемой солью. Эти расходы также исчисляются миллиардами долларов. Таким образом, прямые потери, вызванные коррозией на автомобильных дорогах США, оцениваются в $276 млрд в год, что составляет приблизительно 3,1% валового внутреннего продукта страны.
Учеными ведется разработка новых видов бетона, например: есть идея создать самонагревающийся бетон, который сможет растопить снег и лед без соли. Однако, возможно, легче просто обрабатывать дороги составом, который позволит соли делать свое дело, при этом устраняя негативные побочные эффекты — такие как образование CAOXY.
Бактериальные блокаторы мешают химической реакции
Моя междисциплинарная группа в Дрексельском университете, в которую входят инженеры-строители, экологи и технологи материалов, решила, что для предотвращения химической реакции, которая способствует разрушению, связанному с CAOXY, понадобится любой антидот. Но прекратить реакцию довольно сложно, потому что она может произойти при температуре выше нулевой: CAOXY начнет формироваться, как только соль попадет на дорогу.
Один из лучших способов заблокировать реакцию — сделать так, чтобы ингредиентов для нее было недостаточно. Поэтому мы хотели создать еще одну химическую реакцию, которая бы использовала весь кальций в дорожной соли до того, как из нее сформируется CAOXY. Природа предоставила нам идеальное решение в виде одной талантливой бактерии.
По другому направлению работы нашей лаборатории студенты изучали бактерию под названием Sporosarcina pasteurii, чтобы понять, как она творит свое волшебство. Бактерия, которую можно обнаружить в почве, имеет уникальную способность превращать питательные вещества и кальций в карбонат кальция или кальцит — также известный, как известняк, распространенный камень в коре Земли. Считается, что эта бактерия, S. pasteurii, создает известняк в качестве фиксирующего материала (клея) при образовании коралловых рифов, а также помогает фиксировать и стабилизировать почву. Но исследования касательно S. pasteurii, которые интересовали меня и моих коллег, были проведены около 15 лет назад в Европе. Данные исследования показали, как бактерии вроде S. pasteurii могут создавать собственный сорт бетона — биомортар, который можно использовать для ремонта поврежденных мраморных поверхностей (скульптур и исторических зданий).
В ходе метаболизма питательных веществ бактерия производит энзим, который выступает катализатором для формирования кальцита. Процесс также повышает щелочные свойства окружающей среды, что тоже способствует реакции. Наша группа надеялась заставить бактерию заделывать трещины в бетоне, который содержит известняк в качестве основной составляющей. Прорыв случился, когда мы заметили, что одним из основных ингредиентов, которые нужны были S. pasteurii для создания известняка, был кальций. Помогут ли маленькие бактерии-строители предотвратить образование CAOXY?
Воздействие S. pasteurii на дорожную поверхность
Мы подвергли нашу идею испытанию при помощи образцов обычного портландцемента, используемого для строительства дорог, мостов и тротуаров. В дополнение к контрольному образцу, который был сделан без применения бактерий, мы обработали один образец бактерией S. pasteurii и питательным раствором в лаборатории. Затем мы подвергли наши образцы воздействию раствора хлорида кальция при различных температурах, дабы воспроизвести зимние условия среды, в которых обычно происходит взаимодействие технической соли и бетона. В результате реакции гидроксида кальция в составе бетона с хлористым кальцием в составе дорожной соли с применением бактерий микробы производят известняк, который «латает» дорожное покрытие.
Путём измерения температурных изменений, указывающих на образование CAOXY, и количества CAOXY, а также акустического анализа образцов при помощи маленьких чувствительных микрофонов на предмет появляющихся трещин мы обнаружили, что образцы, подвергшиеся воздействию бактерий, остались неповреждёнными.
Бактерии S. pasteurii фактически преобразовали некоторую часть дорожной соли в кальцит, который помог заклеить микропоры, предшествующие трещинам и выбоинам. Так может ли использование бактерий предотвратить последствия применения разъедающей дорожное покрытие соли? Думаю, вполне.
S. pasteurii — особенно устойчивый тип безвредных бактерий, встречающихся в почве. Они могут образовывать споры, чтобы выжить в широком диапазоне температур и сред, имеющих высокую или низкую кислотность. Следовательно, они могут находиться в бездействующем состоянии в несезонное время и начинать свою активность при первом же использовании дорожной соли зимой. Что ещё более важно, образуемый ими карбонат кальция является безвредным для окружающей их экосистемы, в отличие от технической соли, которая, как известно, к концу сезона начинает воздействовать на близлежащую водную среду.
Безусловно, полное понимание механизма взаимодействия S. pasteurii и антиобледенительной соли и его влияние на качество бетона требует большего объёма работы. Нам с коллегами ещё предстоит выяснить, насколько быстро бактерии производят данную химическую реакцию, и мы работаем над тем, чтобы найти перспективные способы использования этих бактерий в реальных условиях. Но эта цель стоит усилий: похоже, наше увлечение дорожной солью — это надолго.
Автор: Ягуб Фарнам (Yaghoob Farnam), специалист в области инженерно-строительных наук, доцент Дрексельского университета, США
По материалам издания The Conversation
