i-Weekends | 你见过能盖大楼的细菌么？

01 生物水泥

传统水泥和混凝土生产目前占全球二氧化碳排放量的7%-8%。伴随着我国的城市化进程加快,建筑行业迅速发展。混凝土成为了世界上用途最广、用量最大的建筑材料，而其主要成分的水泥并不是一种可持续发展的胶结材料。

每生产1吨水泥就会排放近1吨CO₂,严重影响了城市的生态环境。如果不进行彻底变革，我们的基础设施建设将会破坏人类充满活力的未来生活。

钢筋与混凝土，来源：https://biomason.com/

生物水泥公司Biomason于2012年创立，是利用微生物诱导碳酸钙沉淀技术生产混凝土的公司，总部位于美国北卡罗来纳州三角研究园。

他们使用微生物在特定的环境和温度下培育生物水泥，利用生物矿化的力量改造传统水泥，提供对地球更友好的替代品。他们的目标是在2030年，以生物水泥材料减少混凝土行业25%的碳排放量。

正在生产的生物水泥，来源：https://biomason.com/

生物水泥生产车间，来源：https://biomason.com/

02 生物矿化

生物矿化指生物体产生矿物质的过程，是一种自然界极其普遍的现象。由珊瑚虫分泌的碳酸钙构建起的珊瑚，就是生物矿化(biomineralization)材料的一种。从微生物诱导的碳酸钙沉积，硅藻中的硅酸盐，到贝壳、珊瑚、鹿角、骨骼和牙齿等等，从微观世界到宏观世界，生物中存在各种各样的生物矿化材料。

常见的生物矿物质为大多无脊椎动物中的碳酸钙（如珊瑚，贝壳），和大多有脊椎动物中的磷酸钙（如骨骼，牙齿）。它们与胶原蛋白和几丁质等有机聚合物结合，构成了生物矿化结构的主要成分。

生物矿化过程将硬物质与软物质，无机与有机材料组合在了一起。

虽然组成生物矿化材料的主要无机成分均广泛存在于自然界中，甚至有的矿物质从组成和结晶方式来看与岩石圈中相应的矿物都是相同的。

但生物矿化材料具有常规矿物不可比拟的优点：如高强度、高断裂韧性、优异的减震性能、很好的表面光洁度以及许多其他特殊的功能。

这些不同寻常的性能来源于在特定生物条件下，材料的巧妙生成过程及其所具有的精细的微观结构，这便是生物矿化的魅力所在。

以方解石形态存在的碳酸钙，来源：https://septembermoonlight.com/products/copy-of-rough-yellow-calcite?variant=39574370680968

03 微生物诱导碳酸钙沉积

碳酸钙沉淀形式的生物矿化可以追溯到前寒武纪。能引起碳酸盐沉积的主要微生物群是光合微生物，如蓝藻和微藻类；硫酸盐还原菌；以及一些参与氮循环的微生物。

微生物诱导碳酸钙沉淀的几种机制，包括尿素水解、反硝化作用、硫酸盐生成和铁还原。某些微生物可用于模拟自然界的这一矿化过程，产生具有胶结作用的碳酸钙沉积。这一生物矿化过程也被称为Microbially Induced calcium Carbonate Precipitation(MICP)。

微生物诱导碳酸钙沉淀微观影像，来源：https://biomason.com/technology

其中，由于尿素水解细菌（如芽孢杆菌）在自然界分布广泛、水解机制简单、反应过程容易控制、短时间内可产生大量 CO32-等原因。基于尿素水解细菌的微生物诱导碳酸钙沉积技术的研究非常广泛，在岩土工程和地质工程领域具有巨大的应用前景。

涉及的领域包括地基加固、裂缝修复和覆膜、土壤放射性核素和重金属治理、改善基础抗渗性、提高土体抗液化能力、提高边坡稳定性、土体抗风蚀处理、土石质古迹的修复、滨海海岸侵蚀防护等等。

微生物诱导碳酸钙沉淀应用于防波堤，来源：https://biomason.com/technology

04 混凝土修复胶囊

无论如何混合和加固混凝土，最终它们都会产生开裂的问题。这些裂缝如果不加以修复，会导致建筑的坍塌。据估计，仅在美国，每年因混凝土腐蚀开裂而导致的公路桥梁维护和维修成本就达40亿美元。

微生物学家琼克斯于2006年开始研究利用细菌制造的自修复混凝土，他选择芽孢杆菌来完成这项工作，因为它们可以很好地适应碱性环境并产生可以在没有食物或氧气的情况下存活数十年的孢子。

琼克斯与自修复混凝土

为了诱导碳酸钙沉淀，芽孢杆菌需要食物来源。糖是一种选择，但在混合物中加入糖会导致混凝土变得柔软而脆弱。最后，琼克斯选择了乳酸钙，将细菌和乳酸钙放入由可生物降解塑料制成的胶囊中，并将胶囊添加到湿混凝土混合物中。

当混凝土中有裂缝产生时，水会进入其中并打开胶囊。然后细菌发芽、繁殖并以乳酸盐为食，在这个过程中，它们将钙与碳酸根离子结合形成方解石和石灰石，从而修复裂缝。

琼克斯希望生物混凝土可以成为生物建筑新时代的开端。他说。“大自然免费为我们提供了很多功能，例如这种能够产生石灰石的细菌。人类可以在材料领域应用它并从中获益。我认为这是将自然和建筑结合，形成新概念的一个很好的例子。”

利用细菌修复的混凝土裂缝

5.生物矿化与产品

除了建筑，微生物诱导碳酸钙沉积在产品领域似乎也有极具潜力的发展前景。中央圣马丁艺术与设计学院的辛齐亚·法拉利于2021年6月利用蓝藻的生物矿化能力提出了新的产品制造方案。

蓝藻生物矿化框架

蓝藻是进行光合作用的单细胞生物，它们在地球上五次大规模灭绝中幸存下来，几乎所有环境都可以成为它们的栖息地。

层叠石是在蓝藻参与的生物矿化过程中生成的生物岩（生物沉积构造），是世界上已知最古老的化石。

38亿年前，地球一片荒芜，没有生命迹象。空气中几乎没有氧气，而且还充满着各种有毒的气体。形成叠层石的蓝藻依靠光合作用维持生命并不断生长，在此过程中释放出氧气，大量的氧气不断破水而出，进入大气中。

可以说，是叠层石产生的氧使地球适宜孕育更多的高等生命，它为此后的生物进化扫清了大气无氧的障碍，为生命史的下一章铺平了道路，地球逐渐演化成宜居的生命摇篮。

层叠石，来源：https://fineartamerica.com/

在辛齐亚·法拉利的设计中，蓝藻对于产品的形成与外观呈现发挥了重要的作用。使用蓝藻诱导的碳酸钙沉淀材料进行产品制造，因其原料获取可持续，生产过程无碳排而显示出未来发展的潜力。

细菌可以在产品中保持生长，并且进行光合作用，在使用寿命结束时，这些太阳镜可以被销毁并用作新产品的基材。

蓝藻生物矿化框架

http://www.wenqujingdian.com/Public/editor/attached/file/20180619/20180619163439_89145.pdf

https://cdmd.cnki.com.cn/article/cdmd-10269-1018710902.htm

https://www.researchgate.net/profile/Yonggui-Chen/publication/360014860_Advances_in_soil_cementation_by_biologically_induced_calcium_carbonate_precipitation/links/625d215c1c096a380d0d18be/Advances-in-soil-cementation-by-biologically-induced-calcium-carbonate-precipitation.pdf

https://en.wikipedia.org/wiki/Microbiologically_induced_calcite_precipitation

https://biomason.com/

https://edition.cnn.com/2015/05/14/tech/bioconcrete-delft-jonkers/#utm_sguid=147104,0ccedadb-ef9f-ac87-4dee-bfbb99ca858b

https://cinziaferrari.com/CyanoFabbrica.html

https://www.cug.edu.cn/info/10506/95560.htm