我家的房子是用细菌盖的
2019-09-19 15:19

我家的房子是用细菌盖的

本文来自微信公众号:科学大院(ID: kexuedayuan),作者:李辉,题图来自:东方IC


“我家的房子是用木头盖的。”


“我家的房子是用石头建的。”


“我家的房子……是用细菌盖的……”


未来,房屋说不定会变得神奇起来,有蓝藻盖的房子,也有芽孢杆菌造的高楼……听起来像黑科技?其实,利用微生物制造建筑材料的构想已经在逐渐往现实靠拢。


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、 砂石和水按适当比例配置,再经过一定时间硬化而成的复合材料,水泥在混凝土的制作过程中起了非常重要的粘结作用。

现在,出现了一种叫生物混凝土的材料,它和传统的混凝土有什么区别?名字前加了个生物,难道还能生长不成?答案是肯定的,它确实能生长,而且一接触空气就可以生长。


生物混凝土就是在传统的混凝土的基础上,把部分或全部的水泥换成微生物和它的碳源和能源物质。先将生物混凝土铺成一层,一旦生物混凝土中的微生物能够接触到空气,它们就会被“唤醒”,微生物生长后将砂石固化,再接着铺下一层,如此往复,直到得到理想尺寸的建筑材料。   


微生物能够固定住松散的砂石,这是因为它们的“身体”有粘性吗?并不是。最直接将砂石固定起来的填缝物质是碳酸钙,碳酸钙有方解石、霰石晶体和球霰石三种同质异构体,也正是所形成的这三种晶体紧紧地将建筑裂缝两边又合在了一起。而碳酸钙的形成过程中微生物是功不可没的,我们可以将这个过程称之为微生物矿化即凭借微生物产生矿物的过程,该过程常常能够使得微生物周围的基质变硬。


从左往右分别为方解石、霰石晶体和球霰石(图片来源:Wikipedia)


下面我们来介绍一种微生物矿化过程——微生物诱导碳酸钙沉积(MICP),MICP可以利用微生物在土壤基质中诱导碳酸钙沉淀, 是不同微生物群落代谢产物和环境中存在的有机或者无机化合物互相作用的结果,MICP一般分为三步,分别为:


微生物诱导生成碳酸钙沉淀的过程示意图(图片来源:De Muynck W et al., 2010)


第一步,带负电的细胞壁结构富集了溶液中的钙离子;第二步,局部环境中的CO32-离子会和钙离子结合,形成碳酸钙沉淀于细胞表面;第三步,碳酸钙晶体不断生长,微生物逐渐被包裹,限制营养物质的传输,细胞死亡。


这个过程完成后,表观上所能看到的是比较大的碳酸钙晶体,不容易用肉眼看到但存在的是晶体内部的一些小坑,这些小坑即为微生物曾经存活的位置。一般而言,材料内部生成碳酸钙含量越多,其内部孔隙减小越显著,宏观表现出来的力学性能(如强度、刚度、渗透性等)就越优异 。   


制造生物混凝土的“工匠”都有哪些? 


哪种微生物可以用来诱导碳酸钙沉积,制造生物混凝土呢?主要分为两类,分别为营异养的微生物和营自养的微生物。


自养的光合微生物,包括蓝细菌和微藻。空气中的CO2溶解在水中会形成HCO3-,HCO3-会被转运进微生物细胞内转化成CO2和OH-,CO2被光合系统所利用,剩下的OH-会被泵至细胞外,造成细胞外pH的上升,pH上升又会促进CO32-增加,碳酸钙也就更容易沉淀。


Varenyam Achal et. al., Earth-Science Reviews,2015;蓝细菌(图片来自青岛能源所MME )   


异养的微生物,包括一些芽孢杆菌,节杆菌以及红球菌,它们能够以有机酸盐(像是乙酸,乳酸、柠檬酸、琥珀酸、草酸、苹果酸和乙醛酸)为能源物质,在消耗这些有机物的过程中能够促进CO32-的形成,进而和培养基中的钙离子和镁离子反应,分别形成沉淀,具体的化学反应如下图。


(图片来源:Mostafa Seifan et al., Appl Microbiol Biotechnol, 2016)


虽然微生物可以诱导碳酸钙沉积,但是并不是所有的微生物都有这个能力,碳酸钙沉淀主要需要两种离子,CO32-和Ca2+,Ca2+可以很容易以钙盐的形式溶解至水中,然后加入到混凝土。之后要形成碳酸钙沉淀就需要解决如何利用微生物产生更多的CO32-这一问题,因此,更容易产生CO32-的微生物可能更适宜于诱导碳酸钙沉积。


可自我修复的建筑&不沉的“航空母舰”


相对于传统的混凝土,微生物混凝土主要有两个优点,


一是环保,当前仅仅制造水泥所排放出的CO2就占人类活动碳排量的6%,如果未来能以光合微生物大规模制造生物混凝土,那么这个数字以及它所延伸的一系列问题都将会得到减低和缓解。


二是坚固,据美国交通部估算,每年仅美国基础设施的修复工作产生的费用高达5000多亿美金,这些问题中就包括建筑的裂缝。而据微生物混凝土的制造商宣称,目前的生物混凝土修复裂缝的上限是0.8mm,尽管还比较小,但是从实际效果来看,裂缝继续扩大的可能性是被降低了。


荷兰代夫特理工大学的Henk Jonkers教授从事海洋生物学研究很多年,在生物混凝土领域发表了很多比较有影响力的科学论文,同时还是一家生物混凝土公司的科学顾问。他曾开发出一种能够自动修复裂缝的生物混凝土,还因此被提名欧洲发明家奖,该混凝土的成分之一是乳酸钙,利用这种材料建的建筑,一旦出现了裂缝,混凝土中的微生物和空气就会接触,进行增殖,促进CaCO3晶体的形成,从而补上裂缝。


Henk Jonkers 教授和他的生物混凝土(图片来源:Basilisk)


生物混凝土除了可在民用领域应用,其在军事领域也可以大显身手。


据美国《大众机械》杂志介绍,美国空军正在寻找能够使飞机跑道变平坦,坚硬的新材料,一个智囊团给出的“美杜莎”方案正是借助微生物的力量来修建。另外,航空母舰可以增加军队的作战半径,如果能在海洋中人工造出一个岛屿来,再在岛屿上部署相应的配套装备,基本就相当于拥有了一个不沉的“航空母舰”了。在海上获取大石块比沿海地区难度更大,但是海沙相对比较容易获取,微生物也相对比较容易繁殖,在制作生物混凝土的主要成分都具备的情况下,建造一个不沉的“航空母舰”是可实现的。


何时才能大规模使用生物混凝土


尽管目前生物混凝土已经研制出了一些产品,有一定程度的应用,但是还没有被大规模的使用,主要是因为还存在以下几点挑战:


1)培养细菌所用的营养物质过于昂贵,这些营养物质的成本占到了整个运行过程的60%。


2)MICP过程高度取决于脲酶和碳酸钙的产率,但是水泥混凝土中环境恶劣,尤其是其pH值高达10左右,使得微生物很难存活或者目标产物的产率难以提高。


3)氯元素的有害效应,在生物混凝土中添加Ca2+时, Ca2+的来源往往是高可溶性的氯化钙,但是氯元素会对混凝土中的其它组分有腐蚀作用。


挑战尚且存在,但我们依旧可以对未来保持期待,不管是军用还是民用,找寻突破口和解决方案,进行细致的核算和综合的考量,相信不久我们就可以看到用细菌修建成的铁路,用蓝藻修理好的房屋。


参考文献:

1. M. J. Castro-Alonso et al., Microbially Induced Calcium Carbonate Precipitation (MICP) and Its Potential in Bioconcrete: Microbiological and Molecular Concepts. Frontiers in Materials 6,  (2019).

2. M. Seifan, A. K. Samani, A. Berenjian, Bioconcrete: next generation of self-healing concrete. Applied Microbiology and Biotechnology 100, 2591-2602 (2016).

3. 钱春香, 王欣, 於孝牛, 微生物水泥研究与应用进展. 材料工程 43, 92-103 (2015).

4. 董志良, 刘嘉, 朱幸科, 张波云, 高铭新, 大面积围海造陆围堰工程关键技术研究及应用. 水运工程, 168-175 (2015).

5. V. Achal, A. Mukherjee, D. Kumari, Q. Zhang, Biomineralization for sustainable construction – A review of processes and applications. Earth-Science Reviews 148, 1-17 (2015).

6. Kyle Mizokami, The U.S. Air Force Plants to ‘Grow’ Runways with Bacteria . POPULAR MECHANICS,2019


本文来自微信公众号:科学大院(ID: kexuedayuan),作者:李辉,作者单位:中国科学院青岛生物能源与过程研究所 

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