“我家的房子是用木頭蓋的。”
“我家的房子是用石頭建的。”
“我家的房子……是用細(xì)菌蓋的……”
未來(lái)，房屋說(shuō)不定會(huì)變得神奇起來(lái)，有藍(lán)藻蓋的房子，也有芽孢桿菌造的高樓 聽(tīng)起來(lái)像黑科技?其實(shí)，利用微生物制造建筑材料的構(gòu)想已經(jīng)在逐漸往現(xiàn)實(shí)靠攏。
微生物也是混凝土制造工
混凝土是世界上使用量最大的人工土木建筑材料，它主要是由水泥、 砂石和水按適當(dāng)比例配置，再經(jīng)過(guò)一定時(shí)間硬化而成的復(fù)合材料，水泥在混凝土的制作過(guò)程中起了非常重要的粘結(jié)作用。
現(xiàn)在，出現(xiàn)了一種叫生物混凝土的材料，它和傳統(tǒng)的混凝土有什么區(qū)別?名字前加了個(gè)生物，難道還能生長(zhǎng)不成?答案是肯定的，它確實(shí)能生長(zhǎng)，而且一接觸空氣就可以生長(zhǎng)。
生物混凝土就是在傳統(tǒng)的混凝土的基礎(chǔ)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(zhì)。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(huì)被“喚醒”，微生物生長(zhǎng)后將砂石固化，再接著鋪下一層，如此往復(fù)，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?yàn)樗鼈兊摹吧眢w”有粘性嗎?并不是。最直接將砂石固定起來(lái)的填縫物質(zhì)是碳酸鈣，碳酸鈣有方解石、霰石晶體和球霰石三種同質(zhì)異構(gòu)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(guò)程中微生物是功不可沒(méi)的，我們可以將這個(gè)過(guò)程稱之為微生物礦化即憑借微生物產(chǎn)生礦物的過(guò)程，該過(guò)程常常能夠使得微生物周圍的基質(zhì)變硬。
從左往右分別為方解石、霰石晶體和球霰石
下面我們來(lái)介紹一種微生物礦化過(guò)程——微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉積(MICP)，MICP可以利用微生物在土壤基質(zhì)中誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀， 是不同微生物群落代謝產(chǎn)物和環(huán)境中存在的有機(jī)或者無(wú)機(jī)化合物互相作用的結(jié)果，MICP一般分為三步，分別為
微生物誘導(dǎo)生成碳酸鈣沉淀的過(guò)程示意圖
第一步，帶負(fù)電的細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)富集了溶液中的鈣離子;第二步，局部環(huán)境中的CO32-離子會(huì)和鈣離子結(jié)合，形成碳酸鈣沉淀于細(xì)胞表面;第三步，碳酸鈣晶體不斷生長(zhǎng)，微生物逐漸被包裹，限制營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的傳輸，細(xì)胞死亡。
這個(gè)過(guò)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(nèi)部的一些小坑，這些小坑即為微生物曾經(jīng)存活的位置。一般而言，材料內(nèi)部生成碳酸鈣含量越多，其內(nèi)部孔隙減小越顯著，宏觀表現(xiàn)出來(lái)的力學(xué)性能(如強(qiáng)度、剛度、滲透性等)就越優(yōu)異 。
制造生物混凝土的“工匠”都有哪些?
哪種微生物可以用來(lái)誘導(dǎo)碳酸鈣沉積，制造生物混凝土呢?主要分為兩類，分別為營(yíng)異養(yǎng)的微生物和營(yíng)自養(yǎng)的微生物。
自養(yǎng)的光合微生物，包括藍(lán)細(xì)菌和微藻。空氣中的CO2溶解在水中會(huì)形成HCO3-，HCO3-會(huì)被轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)微生物細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)化成CO2和OH-，CO2被光合系統(tǒng)所利用，剩下的OH-會(huì)被泵至細(xì)胞外，造成細(xì)胞外pH的上升，pH上升又會(huì)促進(jìn)CO32-增加，碳酸鈣也就更容易沉淀。
Varenyam Achal et. al., Earth-Science Reviews,2015;藍(lán)細(xì)菌
異養(yǎng)的微生物，包括一些芽孢桿菌，節(jié)桿菌以及紅球菌，它們能夠以有機(jī)酸鹽(像是乙酸，乳酸、檸檬酸、琥珀酸、草酸、蘋(píng)果酸和乙醛酸)為能源物質(zhì)，在消耗這些有機(jī)物的過(guò)程中能夠促進(jìn)CO32-的形成，進(jìn)而和培養(yǎng)基中的鈣離子和鎂離子反應(yīng)，分別形成沉淀，具體的化學(xué)反應(yīng)如下圖。
雖然微生物可以誘導(dǎo)碳酸鈣沉積，但是并不是所有的微生物都有這個(gè)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(chǎn)生更多的CO32-這一問(wèn)題，因此，更容易產(chǎn)生CO32-的微生物可能更適宜于誘導(dǎo)碳酸鈣沉積。
可自我修復(fù)的建筑&不沉的“航空母艦”
相對(duì)于傳統(tǒng)的混凝土，微生物混凝土主要有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)，
一是環(huán)保，當(dāng)前僅僅制造水泥所排放出的CO2就占人類活動(dòng)碳排量的6%，如果未來(lái)能以光合微生物大規(guī)模制造生物混凝土，那么這個(gè)數(shù)字以及它所延伸的一系列問(wèn)題都將會(huì)得到減低和緩解。
二是堅(jiān)固，據(jù)美國(guó)交通部估算，每年僅美國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施的修復(fù)工作產(chǎn)生的費(fèi)用高達(dá)5000多億美金，這些問(wèn)題中就包括建筑的裂縫。而據(jù)微生物混凝土的制造商宣稱，目前的生物混凝土修復(fù)裂縫的上限是0.8mm，盡管還比較小，但是從實(shí)際效果來(lái)看，裂縫繼續(xù)擴(kuò)大的可能性是被降低了。
荷蘭代夫特理工大學(xué)的Henk Jonkers教授從事海洋生物學(xué)研究很多年，在生物混凝土領(lǐng)域發(fā)表了很多比較有影響力的科學(xué)論文，同時(shí)還是一家生物混凝土公司的科學(xué)顧問(wèn)。他曾開(kāi)發(fā)出一種能夠自動(dòng)修復(fù)裂縫的生物混凝土，還因此被提名歐洲發(fā)明家獎(jiǎng)，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(xiàn)了裂縫，混凝土中的微生物和空氣就會(huì)接觸，進(jìn)行增殖，促進(jìn)CaCO3晶體的形成，從而補(bǔ)上裂縫。
Henk Jonkers 教授和他的生物混凝土
生物混凝土除了可在民用領(lǐng)域應(yīng)用，其在軍事領(lǐng)域也可以大顯身手。
據(jù)美國(guó)《大眾機(jī)械》雜志介紹，美國(guó)空軍正在尋找能夠使飛機(jī)跑道變平坦，堅(jiān)硬的新材料，一個(gè)智囊團(tuán)給出的“美杜莎”方案正是借助微生物的力量來(lái)修建。另外，航空母艦可以增加軍隊(duì)的作戰(zhàn)半徑，如果能在海洋中人工造出一個(gè)島嶼來(lái)，再在島嶼上部署相應(yīng)的配套裝備，基本就相當(dāng)于擁有了一個(gè)不沉的“航空母艦”了。在海上獲取大石塊比沿海地區(qū)難度更大，但是海沙相對(duì)比較容易獲取，微生物也相對(duì)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(gè)不沉的“航空母艦”是可實(shí)現(xiàn)的。
何時(shí)才能大規(guī)模使用生物混凝土
盡管目前生物混凝土已經(jīng)研制出了一些產(chǎn)品，有一定程度的應(yīng)用，但是還沒(méi)有被大規(guī)模的使用，主要是因?yàn)檫€存在以下幾點(diǎn)挑戰(zhàn)：
挑戰(zhàn)尚且存在，但我們依舊可以對(duì)未來(lái)保持期待，不管是軍用還是民用，找尋突破口和解決方案，進(jìn)行細(xì)致的核算和綜合的考量，相信不久我們就可以看到用細(xì)菌修建成的鐵路，用藍(lán)藻修理好的房屋。
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(文章來(lái)源：科學(xué)大院 ，作者李輝)
