[논문 리뷰] Interactions of Fungi with Concrete: Significant Importance for Bio-Based Self-Healing Concrete

Jing Luo, Xiaobo Chen외 6명|arXiv (Cornell University)|2017. 08. 04.

Microbial Applications in Construction Materials참고 문헌 85인용 수 14

한 줄 요약

이 연구는 석고균류 *Trichoderma reesei*를 콘크리트 내 생물 기반 자가 치유제로 사용하는 것을 제안하며, 높은 pH 환경에서 생존하고 하우스에 칼슘탄산염 결정을 침착시키는 능력을 활용한다. 칼슘하이드록사이드 용출로 인해 pH가 6.5에서 13.0으로 상승하더라도 *T. reesei* 포자가 효과적으로 발아하고 성장하였으며, XRD와 SEM 분석을 통해 칼슘탄산염 형성이 확인되어 콘크리트 구조물의 지속 가능한 균열 복구에 매우 큰 잠재력을 보였다.

ABSTRACT

The goal of this study is to explore a new self-healing concept in which fungi are used as a self-healing agent to promote calcium mineral precipitation to fill the cracks in concrete. An initial screening of different species of fungi has been conducted. Fungal growth medium was overlaid onto cured concrete plate. Mycelial discs were aseptically deposited at the plate center. The results showed that, due to the dissolving of Ca(OH)2 from concrete, the pH of the growth medium increased from its original value of 6.5 to 13.0. Despite the drastic pH increase, Trichoderma reesei (ATCC13631) spores germinated into hyphal mycelium and grew equally well with or without concrete. X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscope (SEM) confirmed that the crystals precipitated on the fungal hyphae were composed of calcite. These results indicate that T. reesei has great potential to be used in bio-based self-healing concrete for sustainable infrastructure.

연구 동기 및 목표

• 지속 가능한 인프라를 위한 콘크리트 내 균류를 자가 치유제로 활용할 수 있는지 조사하기.
• 경화된 콘크리트에서 일반적인 고염기 조건에서 균류의 생존 및 성장 능력 평가하기.
• 콘크리트 표면에서 균류의 광물 침착 능력 평가하기.
• 염기성 환경에서 칼슘탄산염을 침착시킬 수 있는 균류 종 식별하기.

제안 방법

• 다양한 균류의 균사판을 무균 상태로 경화된 콘크리트 플레이트에 접종하였다.
• 영양소 흡수 및 pH 변화를 평가하기 위해 생장 배지의 상부에 콘크리트 표면을 덮었다.
• 콘크리트에서 칼슘산화물(Ca(OH)2) 용출에 의해 알칼리도 변화를 추적하기 위해 시간 경과에 따라 생장 배지의 pH를 모니터링하였다.
• 침착된 광물의 결정상태를 확인하기 위해 X선 회절(XRD)을 사용하였다.
• 균사 및 광물 침전물의 구조를 시각화하기 위해 스캐닝 전자현미경(SEM)을 활용하였다.
• 초기 선별 결과를 바탕으로 *Trichoderma reesei* (ATCC13631)를 심층 분석 대상으로 선정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 콘크리트의 Ca(OH)2 용출로 인해 생성되는 고염기 환경에서 균류가 생존하고 성장할 수 있는가?
• RQ2 콘크리트에서 일반적인 염기성 조건에서 칼슘탄산염을 침착시키는 능력을 보이는 균류 종은 무엇인가?
• RQ3 균류 성장이 콘크리트 균열을 封쇄할 수 있는 칼슘탄산염 결정 형성에 기여하는가?
• RQ4 콘크리트 용출로 인해 생장 배지의 pH가 얼마나 상승하는가? 그리고 균류는 이러한 조건을 어떻게 내성하는가?
• RQ5 균류의 균사가 콘크리트 내 칼슘탄산염 침착의 핵형성 위치로 기능할 수 있는가?

주요 결과

• 콘크리트 기질에서 Ca(OH)2 용출로 인해 균류 생장 배지의 pH가 6.5에서 13.0으로 상승하였다.
• *Trichoderma reesei* 포자가 고pH 환경에서도 효과적으로 발아하여 균사로 발달하였다.
• X선 회절(XRD) 분석을 통해 균사에 침착된 결정이 칼슘탄산염으로 확인되었다.
• 스캐닝 전자현미경(SEM) 분석을 통해 칼슘탄산염 결정이 균사와 직접적으로 연관되어 있음을 확인하였으며, 이는 균사가 핵형성 위치로 기능하고 있음을 시사한다.
• *T. reesei*가 극한의 염기성 조건에서도 균사 성장과 칼슘탄산염 침착 능력을 보여, 생물 기반 자가 치유 콘크리트에 매우 높은 잠재력을 지닌다.
• 콘크리트 유무에 관계없이 균류 성장에 유의미한 차이가 없었으며, 이는 염기성 조건에 대한 내성 능력을 시사한다.