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未來，用細房屋說不定會變得神奇起來，菌蓋有藍藻蓋的房想房子，也有芽孢桿菌造的用細高樓……聽起來像黑科技？

荷蘭科學家Henk Jonkers和他研制的“能自動修復裂縫的生物混凝土”。

撰文 | 李輝（中科院青島生物能源與過程研究所）

來源 | 科學大院（ID：kexuedayuan）

“我家的菌蓋房子是用木頭蓋的。”

“我家的房想房子是用石頭建的。”

“我家的用細房子……是用細菌蓋的……”

未來，房屋說不定會變得神奇起來，菌蓋有藍藻蓋的房想房子，也有芽孢桿菌造的用細高樓……聽起來像黑科技？其實，利用微生物制造建筑材料的菌蓋構想已經在逐漸往現實靠攏。

微生物也是房想混凝土制造工

混凝土是世界上使用量最大的人工土木建筑材料，它主要是用細由水泥、 砂石和水按適當比例配置，菌蓋再經過一定時間硬化而成的房想復合材料，水泥在混凝土的制作過程中起了非常重要的粘結作用。

現在，出現了一種叫生物混凝土的材料，它和傳統的混凝土有什么區別？名字前加了個生物，難道還能生長不成？答案是肯定的，它確實能生長，而且一接觸空氣就可以生長。

生物混凝土就是在傳統的混凝土的基礎上，把部分或全部的水泥換成微生物和它的碳源和能源物質。先將生物混凝土鋪成一層，一旦生物混凝土中的微生物能夠接觸到空氣，它們就會被“喚醒”，微生物生長后將砂石固化，再接著鋪下一層，如此往復，直到得到理想尺寸的建筑材料。   

微生物能夠固定住松散的砂石，這是因為它們的“身體”有粘性嗎？并不是。最直接將砂石固定起來的填縫物質是碳酸鈣，碳酸鈣有方解石、霰石晶體和球霰石三種同質異構體，也正是所形成的這三種晶體緊緊地將建筑裂縫兩邊又合在了一起。而碳酸鈣的形成過程中微生物是功不可沒的，我們可以將這個過程稱之為微生物礦化，即憑借微生物產生礦物的過程，該過程常常能夠使得微生物周圍的基質變硬。

從左往右分別為方解石、霰石晶體和球霰石（圖片來源：Wikipedia）

下面我們來介紹一種微生物礦化過程——微生物誘導碳酸鈣沉積（MICP），MICP可以利用微生物在土壤基質中誘導碳酸鈣沉淀， 是不同微生物群落代謝產物和環境中存在的有機或者無機化合物互相作用的結果，MICP一般分為三步，分別為：

第一步，帶負電的細胞壁結構富集了溶液中的鈣離子；第二步，局部環境中的CO32-離子會和鈣離子結合，形成碳酸鈣沉淀于細胞表面；第三步，碳酸鈣晶體不斷生長，微生物逐漸被包裹，限制營養物質的傳輸，細胞死亡。

這個過程完成后，表觀上所能看到的是比較大的碳酸鈣晶體，不容易用肉眼看到但存在的是晶體內部的一些小坑，這些小坑即為微生物曾經存活的位置。一般而言，材料內部生成碳酸鈣含量越多，其內部孔隙減小越顯著，宏觀表現出來的力學性能(如強度、剛度、滲透性等)就越優異。

制造生物混凝土的“工匠”

哪種微生物可以用來誘導碳酸鈣沉積，制造生物混凝土呢？主要分為兩類，分別為營異養的微生物和營自養的微生物。

自養的光合微生物，包括藍細菌和微藻。空氣中的CO2溶解在水中會形成HCO3-，HCO3-會被轉運進微生物細胞內轉化成CO2和OH-，CO2被光合系統所利用，剩下的OH-會被泵至細胞外，造成細胞外pH的上升，pH上升又會促進CO32-增加，碳酸鈣也就更容易沉淀。

異養的微生物，包括一些芽孢桿菌，節桿菌以及紅球菌，它們能夠以有機酸鹽（像是乙酸，乳酸、檸檬酸、琥珀酸、草酸、蘋果酸和乙醛酸）為能源物質，在消耗這些有機物的過程中能夠促進CO32-的形成，進而和培養基中的鈣離子和鎂離子反應，分別形成沉淀，具體的化學反應如下圖。

雖然微生物可以誘導碳酸鈣沉積，但是并不是所有的微生物都有這個能力，碳酸鈣沉淀主要需要兩種離子，CO32-和Ca2+，Ca2+可以很容易以鈣鹽的形式溶解至水中，然后加入到混凝土。之后要形成碳酸鈣沉淀就需要解決如何利用微生物產生更多的CO32-這一問題，因此，更容易產生CO32-的微生物可能更適宜于誘導碳酸鈣沉積。

可自我修復的建筑

相對于傳統的混凝土，微生物混凝土主要有兩個優點。

一是環保，當前僅僅制造水泥所排放出的CO2就占人類活動碳排量的6%，如果未來能以光合微生物大規模制造生物混凝土，那么這個數字以及它所延伸的一系列問題都將會得到減低和緩解。

二是堅固，據美國交通部估算，每年僅美國基礎設施的修復工作產生的費用高達5000多億美金，這些問題中就包括建筑的裂縫。而據微生物混凝土的制造商宣稱，目前的生物混凝土修復裂縫的上限是0.8mm，盡管還比較小，但是從實際效果來看，裂縫繼續擴大的可能性是被降低了。

荷蘭代夫特理工大學的Henk Jonkers教授從事海洋生物學研究很多年，在生物混凝土領域發表了很多比較有影響力的科學論文，同時還是一家生物混凝土公司的科學顧問。他曾開發出一種能夠自動修復裂縫的生物混凝土，還因此被提名歐洲發明家獎，該混凝土的成分之一是乳酸鈣，利用這種材料建的建筑，一旦出現了裂縫，混凝土中的微生物和空氣就會接觸，進行增殖，促進CaCO3晶體的形成，從而補上裂縫。

生物混凝土除了可在民用領域應用，其在軍事領域也可以大顯身手。

據美國《大眾機械》雜志介紹，美國空軍正在尋找能夠使飛機跑道變平坦，堅硬的新材料，一個智囊團給出的“美杜莎”方案正是借助微生物的力量來修建。另外，航空母艦可以增加軍隊的作戰半徑，如果能在海洋中人工造出一個島嶼來，再在島嶼上部署相應的配套裝備，基本就相當于擁有了一個不沉的“航空母艦”了。在海上獲取大石塊比沿海地區難度更大，但是海沙相對比較容易獲取，微生物也相對比較容易繁殖，在制作生物混凝土的主要成分都具備的情況下，建造一個不沉的“航空母艦”是可實現的。

何時才能用上生物混凝土

盡管目前生物混凝土已經研制出了一些產品，有一定程度的應用，但是還沒有被大規模的使用，主要是因為還存在以下幾點挑戰：

1）培養細菌所用的營養物質過于昂貴，這些營養物質的成本占到了整個運行過程的60%。

2）MICP過程高度取決于脲酶和碳酸鈣的產率，但是水泥混凝土中環境惡劣，尤其是其pH值高達10左右，使得微生物很難存活或者目標產物的產率難以提高。

3）氯元素的有害效應，在生物混凝土中添加Ca2+時， Ca2+的來源往往是高可溶性的氯化鈣，但是氯元素會對混凝土中的其它組分有腐蝕作用。

挑戰尚且存在，但我們依舊可以對未來保持期待，不管是軍用還是民用，找尋突破口和解決方案，進行細致的核算和綜合的考量，相信不久我們就可以看到用細菌修建成的鐵路，用藍藻修理好的房屋。