[논문 리뷰] Screening of Fungi for the Application of Self-Healing Concrete

Rakenth R. Menon, Jing Luo외 6명|arXiv (Cornell University)|2017. 11. 23.

Microbial Applications in Construction Materials참고 문헌 76인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 고체 내부의 균열을 자가 치유적으로 닫히게 하기 위해 pH 조절 기능을 가진 돌연변이 균주인 아스페르길러스 니두란스(MAD1445)를 사용하여 칼슘탄산염 침전을 촉진하는 것을 제안한다. 콘크리트의 높은 알칼리성 환경에도 불구하고 돌연변이 균주가 생존하고 효율적으로 광물화를 유도하여 지속 가능한 저유지 유지 보수 인프라 수리의 잠재력을 보여주었다.

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.

연구 동기 및 목표

• 콘크리트 구조물에서 자율적 균열 치유를 위한 생물학적 제재로 균류를 탐색하기 위해.
• 일반적으로 미생물 성장과 활동을 억제하는 콘크리트의 높은 pH 문제를 해결하기 위해.
• 알칼리성 콘크리트 환경에서 생존하고 칼슘탄산염 침전을 촉진할 수 있는 균류 균주를 특정하기 위해.
• 실제 콘크리트 조건에서 광물화를 촉진하기 위해 pH 조절 기능을 가진 돌연변이 균주가 얼마나 효과적인지 평가하기 위해.
• 최소한의 인간 간섭으로 가능한 지속 가능한 자가 치유 건설 자재 개발에 기여하기 위해.

제안 방법

• 높은 pH의 콘크리트 환경에서 생존 능력과 화학적 칼슘탄산염 침전 능력을 갖춘 다양한 균류 종을 선별하였다.
• 유전자 변형을 통해 pH 조절 기능을 향상시킨, 특정한 pH 조절 기능을 가진 돌연변이 균주인 아스페르길러스 니두란스(MAD1445)를 대상 테스트에 선정하였다.
• 균류 혼합액을 콘크리트 플레이트에 도포하여 균열 환경을 시뮬레이션하고 광물화를 모니터링하였다.
• 현미경 및 화학 분석을 통해 균류 성장과 칼슘탄산염 형성 여부를 모니터링하였다.
• pH 조절 기능이 균류 생존 가능성과 칼슘탄산염 침전 효율성에 미치는 영향을 평가하였다.
• 실제 콘크리트 알칼리성 조건(pH ~12–13)을 모의하기 위해 통제된 실험실 조건을 사용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 균류는 콘크리트의 매우 알칼리성 환경(pH ~12–13)에서 생존하고 번식할 수 있는가?
• RQ2 어떤 균류 종이 높은 pH 조건에서 칼슘탄산염을 침전시킬 수 있는가?
• RQ3 pH 조절 능력을 향상시키기 위한 유전자 변형이 콘크리트 내 균류 생존 및 광물화에 어떻게 기여하는가?
• RQ4 균류에 의해 유도된 칼슘탄산염 침전은 인위적 균열을 얼마나 효과적으로 封쇄할 수 있는가?
• RQ5 pH 조절 기능을 가진 돌연변이 균주가 야생형 균류보다 자가 치유 성능을 더 뛰어나게 할 수 있는가?

주요 결과

• 아스페르길러스 니두란스(MAD1445)는 높은 알칼리성 환경에도 불구하고 콘크리트 플레이트에서 성장에 성공하였다.
• 이 돌연변이 균주는 높은 알칼리성 조건에서 효과적인 광물화를 나타내는 상당한 양의 칼슘탄산염 침전을 보였다.
• 균류 활동으로 인해 인위적 균열 내에서 눈에 띄는 칼슘탄산염 형성이 관찰되어 자가 치유 가능성에 대한 시사점을 제공하였다.
• MAD1445의 pH 조절 메커니즘이 고알칼리성 환경의 억제 효과를 완화하여 지속적인 미생물 활동을 가능하게 하였다.
• 이 연구는 유전자 공학을 통해 변형된 균류를 콘크리트 인프라에서 자가 치유 제재로 사용하는 것이 실현 가능하다는 것을 확인하였다.
• 이 결과는 지속 가능한 저유지 유지 보수 건설 자재 개발을 위한 지형균학 원리의 새로운 적용을 나타낸다.