콘크리트 구조물의 열화에 영향을 미치는 박테리아 VIDEO: Concrete and the hard-core bacteria that stubbornly persist within
델라웨어 대
콘크리트 혼합물에 포함된 자갈과 모래 위에 붙어 있거나
균열 통해 스며든 박테리아 연구
이곳은 거의 가능성이 없는 서식지이고 추천할 만한 생물이 전혀 없다. 그러나 델라웨어 대학의 줄리 마레스카 연구원과 그녀의 연구실에 있는 학생들은 구체적이고 고집스럽게 지속되는 삶을 연구하고 있다.
콘크리트의 딱딱하고 건조하며 짠 환경에도 불구하고, 그리고 약 12.5의 일반적인 pH에도 불구하고, 생명체는 콘크리트 속에서 생존한다. 이는 표백제나 오븐 세정제 병으로 옮기기만큼이나 유혹적이다.
예를 들어, 남극 얼음에서 발견되는 일부 하드코어 박테리아(예: 사이크로박터)는 "아니오"라고 대답하지 않습니다.
또한 콘크리트는 전 세계에서 가장 흔한 건축 자재인 어디에서나 볼 수 있기 때문에 건물, 도로, 교량 및 기타 콘크리트 구조물의 건강을 염려하는 사람은 누구나 이러한 미생물 덩어리에 주목해야 한다.
미국 미생물학회가 발표한 새로운 연구에서 마레스카 토목 및 환경 공학 부교수와 그의 학생들은 혹독한 콘크리트 서식지에서도 박테리아 집단들이 살아남고, 번성하며, 모든 생물들이 하는 것, 즉 변화를 실천할 수 있다는 것을 입증했다. 이러한 변화는 콘크리트 구조물의 열화 및 잠재적 수리에 중요한 영향을 미칠 수 있다.
연구자들은 오래 전부터 미생물과 콘크리트가 애증관계를 맺고 있다는 것을 알고 있었다. 그러나 그들의 연구는 대부분 콘크리트를 붓고 난 후 유입되는 종류의 표면 박테리아에 관한 것이었다.
마레스카의 연구는 콘크리트 혼합물에 포함된 자갈과 모래 위에 붙어 있거나 균열을 통해 스며든 박테리아를 연구하기 시작했다. 그녀의 연구소의 이전 연구는 적은 수의 박테리아가 그곳에 있고 그들의 DNA를 추출할 수 있다는 것을 보여주었다.
이제 그녀와 그녀의 학생들은 시간과 날씨가 콘크리트에 사는 세균 군집에 어떤 영향을 미치는지 보여주었다.
Credit: University of Delaware
팀의 조사 결과:
세균의 다양성은 시간이 지남에 따라 감소했지만 일부는 계절적으로 변화했다.
콘크리트 내 세균군은 콘크리트를 분해하지만 검출하기 어려운 알칼리-실리카 반응에 대한 조기 경고를 제공할 수 있다. 일반적으로 이러한 반응은 콘크리트에 균열이 생길 때만 인식된다.
박테리아는 콘크리트의 "생물적 보수"를 제공할 수 있는 잠재력을 가지고 있다, 하지만 어떤 종류가 그 과제에 달려 있을까? 일부는 콘크리트의 균열과 모공을 메울 수 있는 물질인 탄산칼슘을 생산한다. 이 과정에 대한 이전의 연구는 많은 생물 수리가 가능한 박테리아가 콘크리트 속에서 한 두 달 동안만 생존할 수 있다는 것을 보여준다.
마레스카는 "콘크리트에는 생명체가 많지 않다"고 말했다. "그것은 바이오매스가 매우 낮다."
* 바이오매스(Biomass)
태양 에너지를 받아 유기물을 합성하는 식물체와 이들을 식량으로 하는 동물, 미생물 등의 생물유기체를 총칭한다.
하지만 만약 우리가 어떤 종류의 박테리아가 그곳에서 생존하고 번성하는지 알고 세계의 인프라를 개선하기 위해 어떤 박테리아를 모집할 수 있는지 안다면 어떨까?
콘크리트 유지 및 보수에 대한 새로운 접근법의 필요성은 분명하다.
연방도로청은 2020년 보고서에서 전국의 618,456개 교량 중 45,000개 이상의 교량의 상태를 "불량"으로 분류했다. 이러한 교량은 구조적으로 부족한 것으로 간주되며, 이는 "중대한 유지관리, 재활 또는 교체가 필요함"으로 정의된다.
특히 지난 6월 24일 플로리다 마이애미 인근 해변 콘도 일부가 파괴적으로 붕괴된 이후 다른 콘크리트 구조물들의 상태도 큰 관심사였다. 원인은 아직 밝혀지지 않았지만 3년 전 조사단은 파손된 콘크리트가 상당한 구조적 문제로 지적돼 주의가 필요한 것으로 파악했다.
박테리아가 그런 문제를 해결하는 데 도움이 될 것이라고 말하는 사람은 아직 아무도 없다. 언젠가는 그럴지도 모르지만 훨씬 더 많은 연구가 필요하다.
이러한 콘크리트에 기반을 둔 세균 집단을 연구하기 위해 마르스카의 학생들은 각각 1리터 크기의 콘크리트 샘플을 40개의 실린더에 부었다. 두 종류의 혼합물이 사용되었다. 일부 실린더에는 알칼리-실리카 반응으로 인해 분해되기 쉬운 표준 콘크리트 혼합물만 포함되었다. 어떤 사람들은 그러한 반응을 줄이기 위해 플라이애쉬와 섞었다. 대조 검체는 살균된 유리구슬로 만들어 연구진이 실험실에 얼마나 많은 오염 DNA가 유입됐는지 확인할 수 있게 했다.
실린더는 UD의 스펜서 연구소의 옥상에 배치되었다. DNA 샘플은 약 6주마다 2년 동안 수집되었다. 그리고 DNA를 염기서열 분석했다
자연환경과 공학환경에서 박테리아를 연구하는 미생물학자 마레스카는 2011년 UD 교수진에 합류하면서 연구할 잠재적 자연환경 목록에 구체적인 내용이 없었다.
하지만 그녀가 도착하자마자 또 다른 새로운 교직원이-현재 포틀랜드 주에서 토목 엔지니어로 일하고 있는 토마스 슈마허가 사무실에 나타났다. 그는 교량을 연구했고 박테리아에 대한 생체 보수 실험에 대해 알고 있었다. 그들은 협력해야 한다고 그는 그녀에게 말했다.
그가 서류를 보냈고 그녀는 궁금해졌다. 그래서 어떻게 연구가 시작되는지.
"콘크리트 안에 있는 미생물에 대해서는 알려진 것이 전혀 없었다."라고 그녀는 말했다. "세계에서 가장 많이 사용되는 건축 자재이지만, 우리는 그 안에 무엇이 살고 있는지 전혀 모른다. 습윤 환경, 하수 시스템, 교량 기둥 등이다. 지표면의 미생물이 이를 분해할 수 있다는 것을 알고 있다.
하지만 저 안에 뭐가 있는데 그게 뭘 하는 거야? 뭔가 말해줄 수 있나?"
그렇다
그러나 유용한 정보를 얻으려면 연구원들은 오염물질로부터 외부 데이터를 걸러내고 분석된 박테리아가 콘크리트와 관련된 것인지 확인해야 한다. 여기에는 오염물질 탐지 및 제외가 포함되었다.
"DNA는 매우 다양한 곳에서 나올 수 있다,"라고 마레스카 연구소의 박사과정 학생이자 논문의 첫 번째 저자인 안데르스 킬레달은 말했다. "동물, 사람, 환경이 특정 유형의 오염 물질을 유입할 수 있지만 실제 사용하는 시약에서도 오염이 발생한다. 우리는 최대한 순수한 샘플을 얻기 위해 노력하고 있다."
마레스카는 "각자는 자신만의 마이크로바이옴을 가지고 있다"고 말했다. "콘크리트 안에 있는 대부분의 박테리아가 대형 골재와 시멘트 가루와 함께 유입되고 있다."
박테리아가 어떻게 그런 지역에서 생존할 수 있을지는 뜨거운 관심의 문제이다.
"그들은 무엇을 먹고 있나? 마레스카 교수가 말했다. "그들이 다른 미생물의 시체를 먹고 있을 가능성이 있다. 먹을 것이 없으면 포자를 형성하거나 휴면세포 타입을 형성해 비가 올 때까지 아무 것도 하지 않고 있다가 먹을 수 있는 만큼 먹고 다시 휴면한다."
이러한 세균 집단과 그들의 생존 방법을 연구하는 것은 토목 기술자들과 다른 사람들에게 많은 구조물의 상태에 대한 중요한 정보를 줄 수 있다. 마레스카는 어떤 박테리아가 정상적인 콘크리트 환경을 나타내는지, 어떤 박테리아가 어떤 방식으로 콘크리트가 손상됐는지를 파악하는 것이 목표라고 말했다.
이런 조기경보시스템으로 교통 시설물 관계자들은 보수와 교체를 우선시하고 그에 따라 예산을 편성할 수 있다.
"문제를 더 빨리 발견할수록, 진짜 문제가 되기 전에 더 많은 시간을 해결해야 한다,"라고 그녀는 말했다. "그리고 이 모든 도로와 다리가 위험에 처해 있기 때문에 우선 순위를 정할 방법이 필요하다. 어떤 것이 절실히 필요한지 그렇지 않은지?"
진단이 이뤄지기 전에 특정 종류의 세균과 콘크리트 손상의 상관관계를 규명하는 작업이 더 필요한데, 이는 세균이 피해를 초래하기 때문이 아니라 그 존재가 손상이 발생하고 있음을 나타내기 때문이다.
마레스카는 "우리가 아는 한 미생물이 콘크리트를 손상시키지 않고 있다"고 말했다. "미생물들은 토대를 먹지 않고 있다. 우리는 그것들을 정보에 사용하고 잠재적으로 수리에 도움이 되기를 희망한다."
(콘크리트 공시체에서 떨어져 나온 덩어리는 내부 조건에 대한 추가 분석을 가능하게 했다)
Kiledal은 델라웨어 교통부(DelDOT) 및 뉴저지 교통부(NJDOT)와 협력하여 현장 샘플을 수집했다. 연구의 다음 단계에서 Kiledal과 Maresca는 델라웨어와 뉴저지의 다리, 도로, 기초에서 추출된 DNA를 분석하고 있다.
"이제 우리의 정보는 더 완벽해졌다."라고 마레스카 교수는 말했다. 그는 "도로와 다리에서 채취한 현장 샘플을 확보했으며 모든 DNA의 염기서열도 확보했다"고 말했다. 이 미생물들은 짠 환경에서 살아남을까요? 건조한 환경? 그들은 어떤 종류의 탄소를 사용하나?"
이 작업은 델라웨어 교통부와 델라웨어 환경 연구소의 자금 지원을 받았다.
비슷한 연구를 위한 다른 많은 잠재적 경계선들이 있다. 석재 기념물, 사막 토양, 심지어 화성의 붉은 바위들까지도
황기철 콘페이퍼 에디터
Ki Chul Hwang Conpaper editor
(Source: https://phys.org/news/2021-08-concrete-hard-core-bacteria-stubbornly-persist.html)
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