Label-free visualization and quantification of fungal-induced calcium carbonate precipitation for self-healing concrete applications
本研究引入了一种基于无标记自发荧光的成像策略，用于实时可视化并定量分析真菌诱导的碳酸钙沉淀，揭示了周期性底物输送通过同步成核爆发促进大量较小晶体的形成，从而为优化自修复混凝土提供了机制基础。
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混凝土是现代文明的支柱，是支撑起我们的桥梁、道路和建筑的材料。然而，它也是脆弱的。随着时间的推移，微小的裂缝会形成，让水分和有害化学物质渗入内部，腐蚀其中的钢筋。一旦这些裂缝出现，结构就会开始削弱，导致昂贵的维修甚至灾难性的失效。几十年来，科学家们一直向自然寻求解决方案，其灵感源于生物如何自我愈合伤口的方式。一种极具前景的方法涉及利用微生物在这些裂缝内部生长出一种天然水泥，从而从内向外有效地封堵裂缝。这一过程被称为微生物诱导的碳酸钙沉淀，它依靠微小的生命形式将溶解的化学物质转化为固体岩石。虽然细菌一直是这项研究的焦点，但真菌——那些我们经常在面包或土壤中看到的丝状生物——提供了一个独特的优势。它们长而分支的菌丝可以探索细菌难以轻易到达的复杂、狭窄的空间，这使得它们在修复现实世界基础设施中复杂的裂缝网络方面，具有成为更优候选者的潜力。
然而，挑战在于缺乏可见性。混凝土是不透明且黑暗的，其中的裂缝又是微观层面的。直到现在，科学家只能在愈合过程结束后看到最终结果，就像只能通过观察完建成的房屋来试图理解一座建筑是如何建造的一样。他们无法观察晶体的形成过程，也无法看到活体真菌如何与生长中的岩石进行实时互动。来自隆德大学研究人员的一项新研究通过引入一种无需使用任何可能干扰过程的染料或标记即可观察愈合发生过程的方法，改变了这一点。团队发现了一种令人惊讶的特性：当真菌在营养丰富的环境中生长时，它们产生的碳酸钙会发出微弱的自然光。这种“自发荧光”就像一个内置的聚光灯，允许研究人员在一个透明的混凝土裂缝模型中追踪每一个晶体的诞生与生长。
为了观察这一现象，研究人员在载玻片上构建了一个微型实验室，称之为“芯片上的裂缝”。这个深度仅为一百微米的微小通道，模拟了现实混凝土结构中难以触及的裂缝宽度。在通道内，他们引入了一种特定类型的真菌——Clonostachys rosea，然后喂给它一种旨在触发碳酸钙形成的营养物和化学物质混合物。通过使用配备有检测晶体自然光滤镜的特殊显微镜，他们能够拍摄整个过程长达五十小时。结果揭示了一个完全取决于食物输送方式的动态生长故事。当研究人员一次性加入所有营养物质时，真菌会产生一波早期的晶体形成，随后随着食物耗尽而迅速减慢。形成的晶体相对较大，但数量有限。
相比之下，当研究人员使用自动化系统定期向芯片中滴入新鲜营养物质时，结果截然不同。这种周期性喂养策略并没有产生单一的活动爆发，而是使真菌对每一次新的食物供应做出反应，产生新一波的晶体形成。这种周期性喂养策略导致有显著更高数量的晶体填满了空间。然而，与单次剂量实验中形成的晶体相比，这些新晶体的平均尺寸较小。数据表明，持续的营养供应鼓励真菌不断开始产生新晶体，而不是仅仅让现有晶体长得更大。这种区别对于自愈合混凝土至关重要，因为密集分布的许多小晶体可能比少数几个巨大的、孤立的晶体更有效地封堵裂缝。
为了了解这些发光的结构究竟是什么，研究人员在强大的电子显微镜下检查了实验后的干燥残留物，并使用了一种称为光学光热红外光谱的技术来分析其化学成分。图像显示了一个紧密的、三维的网状结构，其中真菌丝和矿物晶体紧密交织在一起，真菌充当了岩石生长的支架。化学分析证实，这些沉积物确实是碳酸钙，由包括方解石、文石和霰石在内的多种矿物形式组成。这种生物结构与矿物生长的结合，创造了一种既坚固又具有柔韧性的复合材料。该研究证实了真菌确实可以驱动这一愈合过程，并提供了一种清晰的、可视化的方法，让科学家能够优化这些生物材料的输送方式。通过理解周期性喂养真菌会导致更广泛的晶体覆盖，工程师可以更好地设计未来的自愈合混凝土，使其更高效地进行自我修复，从而延长基础设施的使用寿命并降低持续维修的环境成本。
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