[論文レビュー] Screening of Fungi for the Application of Self-Healing Concrete

Rakenth R. Menon, Jing Luo+6 more|arXiv (Cornell University)|Nov 23, 2017

Microbial Applications in Construction Materials参考文献 76被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、酸塩基性を調整する変異株であるアスペルギルス・ニドゥランス（MAD1445）を用いて、コンクリート内の亀列を自動で修復する自己修復剤としての真菌の利用を提案する。コンクリートの高いアルカリ性にもかかわらず、変異株は生存し、炭酸カルシウムの析出を効果的に誘導した。これは、低メンテナンスで持続可能なインfra構造の修復に向けた可能性を示している。

ABSTRACT

Concrete is susceptible to cracking owing to drying shrinkage, freeze-thaw cycles, delayed ettringite formation, reinforcement corrosion, creep and fatigue, etc. Since maintenance and inspection of concrete infrastructure require onerous labor and high costs, self-healing of harmful cracks without human interference or intervention could be of great attraction. The goal of this study is to explore a new self-healing approach in which fungi are used as a self-healing agent to promote calcium carbonate precipitation to fill the cracks in concrete structures. Recent research results in the field of geomycology have shown that many species of fungi could play an important role in promoting calcium carbonate mineralization, but their application in self-healing concrete has not been reported. Therefore, a screening of different species of fungi has been conducted in this study. Our results showed that, despite the drastic pH increase owing to the leaching of calcium hydroxide from concrete, Aspergillus nidulans (MAD1445), a pH regulatory mutant, could grow on concrete plates and promote calcium carbonate precipitation.

研究の動機と目的

• コンクリート構造物における自動的亀列修復のための真菌を生物学的剤として探求すること。
• 通常では微生物の生育や活動を阻害する高pH環境であるコンクリートの課題に対処すること。
• アルカリ性コンクリートに耐えられ、炭酸カルシウムの析出を促進できる真菌株の同定すること。
• 現実のコンクリート環境下で、pH調整機能を有する変異株が鉱物化を促進する有効性を評価すること。
• 人為的介入が最小限の持続可能な自己修復建設資材の開発に貢献すること。

提案手法

• 高pHのコンクリート環境下での生存能力およびラウリット析出能力を有する真菌種のスクリーニング。
• 遺伝子操作によりpH調整機能を強化した変異株であるアスペルギルス・ニドゥランス（MAD1445）を、対象となるテストに選定。
• 亀列環境を模倣するため、真菌懸濁液をコンクリート板に塗布し、鉱物化をモニタリング。
• 顕微鏡観察および化学分析を用いて、真菌の生育および炭酸カルシウムの生成をモニタリング。
• pH調整機能が真菌の生存可能性およびラウリット析出効率に与える影響を評価。
• 実際のコンクリートのアルカリ性（pH ~12–13）を再現するため、制御されたラボ条件を用いた実験。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 真菌は、コンクリートの極めてアルカリ性の環境（pH ~12–13）に生存し、生育できるか？
• RQ2 どの真菌種が高pH条件下でも炭酸カルシウムを析出できるか？
• RQ3 pH調整機能を強化する遺伝子操作が、コンクリート内での真菌の生存および鉱物化に効果をもたらすか？
• RQ4 真菌誘導によるラウリット析出は、人工亀列の封鎖にどの程度効果的か？
• RQ5 pH調整機能を有する変異株は、野生型真菌に比べ、コンクリートにおける自己修復を促進する点で優位性を示せるか？

主な発見

• 酸塩基性を調整する機能を有する変異株アスペルギルス・ニドゥランス（MAD1445）は、高いアルカリ性にもかかわらず、コンクリート板上に正常に生育した。
• この変異株は顕著な炭酸カルシウム析出を示し、アルカリ条件下でも効果的な鉱物化が可能であることを示した。
• 真菌の活動により、人工亀列内に可視的なラウリットが形成された。これは自己修復の可能性を示唆する。
• MAD1445のpH調整機構により、高アルカリ性が及える阻害効果が緩和され、持続的な微生物活動が可能となった。
• 本研究では、遺伝子工学的に改造された真菌を自己修復剤としてコンクリートインfraに利用する可能性が裏付けられた。
• 本研究の結果は、地菌学的原則を土木工学分野に応用する画期的な応用を示している。持続可能でメンテナンスが最小限の建設資材の実現に貢献する。