（原）材料视角 | 微生物的另类妙用——神奇的生物混凝土
原载于 工大材料汇 2019-11-07
01 众所周知
混凝土是世界实施城市化、现代化进程的基础之一，没有它，就不可能建成高大宏伟的摩天大楼，就没有那一座座令新世纪的人们自豪的城市。与欧洲国家开展工业化、城市化的时间相对应，混凝土在19世纪60年代映入人们的眼帘，由法国人约瑟夫·莫尼尔发明，其性能一直在优化，其制法也经过持续的改善而沿用至今。
传统意义上的混凝土由水泥、砂石和水按适当比例配制，是世界上使用量最大的土木建筑材料。三种原料充分混合后，还需经过一段时间的硬化才能正式投入使用，这其中水泥发挥了非常重要的粘合作用，是整个复合材料的灵魂。然而混凝土具有抗拉强度低、性质较脆的缺点，并且受温度、应力、荷载等因素的影响不可避免会产生裂缝，导致空气中的水分、氯离子、氧气等会侵入腐蚀钢筋、损坏混凝土，进而影响混凝土的耐久性和使用寿命。现有的修复方法有灌浆修补法、表面修补法等，但这些方法大多会对环境产生不利影响，或者使用后实际效果不理想，最终产生不必要的环境、经济损失。现在，针对传统混凝土的各种弊端，一种新型的混凝土出现了。
02 一种新型的混凝土出现了
是的，这篇文章的主角要闪亮登场啦！科学家发明了一种叫做生物混凝土的材料，旨在赋予传统混凝土更良好的性能和更广泛的应用领域。之所以加了“生物”二字，是因为它可以生长，而且是在接触了空气后就能开始生长。在加入三种原料的基础上，把部分或者全部的水泥换成微生物和供其生存的碳源、能源物质，生物混凝土就这么产生了。有了微生物的加入，工程师们不用再为混凝土的腐蚀、损坏而烦恼，只需向生物混凝土中鼓入空气，唤醒“混入”其中的微生物，指挥它们进行接下来的修复、加工步骤。它们经过短时间的生长后，能够将砂石固化，并且比传统混凝土的固化过程做得更加细致，能够最大程度甚至完美地达到工程要求。
微生物具有固定砂石的能力，不是因为其本身的粘性，而是依靠一种常见的物质：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，这三种晶体作为媒介，将建筑裂缝两边紧密地连接在一起。在碳酸钙的形成过程中，微生物起到了不可替代的作用，科学家把这个过程称为微生物矿化，即微生物能通过产生矿物使其周围的基质变硬的“工序”。微生物矿化的途径有很多种，其中最有研究进展的一种是微生物诱导碳酸钙沉积（MICP）。MICP之所以能够进行，是不同微生物群落之间通力合作，使代谢产物和环境中存在的有机、无机化合物互相作用的结果。一般地，诱导过程分为三步进行：
1. 带负电的细胞壁结构富集溶液的钙离子；
2. 部分环境中的碳酸根离子会和钙离子结合形成碳酸钙沉淀，附着在细胞的表面；
3. 碳酸钙沉淀不断累积，逐渐将微生物完全包裹，阻断营养物质运输进入微生物细胞内，导致微生物死亡。
大家需要注意的是，就像动植物死亡后肌肉、组织会腐烂一样，微生物死亡以后也会逐渐降解，所以在形成的巨大碳酸钙晶体内，会形成无数个微小的孔隙，类似于近年来发展迅猛的多孔材料。一般地，碳酸钙生成量越多，其内部孔隙减小越显著，宏观表现出来的力学性能就越优异。因此，微生物作为新一代的“工匠”，正越来越受到科学家的重视。 古人有言：“术业有专攻。”显然，并不是所有的微生物都有能力胜任“工匠”之职。在营自养的微生物中，部分藻类和蓝细菌能做到，它们能够将空气中的CO2转化为碳酸氢根离子；在营异养的微生物中，一些杆菌和球菌能够完成矿化的工作。
有的小伙伴可能会有担忧，觉得用微生物来参与混凝土制造和修复可能会产生安全问题，或者因为生物的加入而造成一些不可控的不利因素。的确，就目前的发展进程来看，生物混凝土还远未达到大规模应用的阶段，还有不少的难题需要科学家们来完成。但是，其展现出来的远大前景无疑是令人动容的。它展现出来的优点主要有以下几个：
1.环境友好。
既然我们使用的是大自然的天然资源，那么在制造生物混凝土的过程中产生的污染源和温室气体也会减少，尤其在制造水泥的过程中会产生大量的CO2，微生物的加入会让CO2的排放显著减少，对减弱温室效应产生积极影响。
2.灵活性强。
微生物仿佛无数个在混凝土内部工作的工人，相比于在宏观上控制的人类而言，它们能够了解材料内部的微小细节，从而能够更加细致地解决腐蚀、磨损等问题。
3.增强耐用性。
实验证明，微生物修复能够显著降低混凝土裂缝扩大的可能性，使建筑物的使用寿命增加。无论将微生物应用于民用还是军事领域，都将收到良好的效果。在未来，不沉的船、不倒的楼极有可能成为现实。
03 当今
在科学技术飞速发展的现在，我们已经见证了或者正在见证着许多发明创新的降临，生物混凝土无疑是令人无比振奋的其中之一。无论我们在前进的路上遇到了多少困难，我们要坚信人类社会一直在变得越来越好。我们逐渐学会了如何与大自然和谐相处，学会将自己的爱传播给世界。社会就像混凝土，而我们就像里面的微生物，在逐渐学习进化，修复、完善这个曾被我们破坏得满目疮痍的世界。
本期问题：
1.目前生物混凝土还存在什么缺点？
答案：微生物所需营养物质过于昂贵；水泥混凝土中环境恶劣，微生物难以存活。向生物混凝土中加钙时，其来源往往是氯化钙，但氯元素会对混凝土中的其他成分有腐蚀作用
2.你还知道哪些环境友好的建筑材料？
精选留言1：
自洁式透水砖：自洁式透水砖将光触媒技术应用在混凝土透水地砖中，光触媒在光的照射下，会产生类似光合作用的光催化反应，产生出氧化能力极强的自由氢氧基和活性氧，具有很强的光氧化还原功能，可氧化分解各种有机化合物和部分无机物，把有机污染物分解成无污染的水和二氧化碳，因而具有极强的防污自洁、净化空气与水的功能，有效的解决了透水地砖的孔隙容易堵塞和对城市土壤污染的问题。如口香糖粘在地砖上一般很难清除，而自洁式透水地砖在两周后口香糖自然脱落。
自洁式透水砖可以改善城市水环境，能有效地缓解城市排水系统的泄洪压力。由于城市中的不透水路面不能及时地将雨水渗入地下，因此，城市中常常出现雨水蓄积和漫流现象。而自洁式透水砖凭借自身良好的透水性能，可以保护地面通透雨水的功能，避免了因排水不畅引起的大面积积水、交通堵塞等问题。与普通铺装相比，自洁式透水砖兼有良好的渗水保湿及透气功能。
自洁式透水砖高度重视对各类地面的非硬化铺设方式，比如：马路、步行道、广场、停车场和其它类型的地面。它采用台模共振成型技术，并在原材料中加入生物添加剂，抗压强度较高，比国内目前的透水砖抗压强度高出一倍以上。
自洁式透水砖既兼顾了人类活动对硬化地面的使用要求，又能在充分满足其功能的条件下，通过自身性能接近天然草坪和土壤地面的生态优势，减轻城市非透水性路面对地表生态的破坏程度，可以很好地发挥对城市地下水的保持作用，也可以使砖铺面系统以下的动植物及微生物的生存空间得到有效的保护。
---------凳子
精彩留言2：
钛合金，镁合金，可降解泡沫等性能优异的材料
---------路，一直都在
参考资料：
中国知网《基于微生物矿化沉积的再生骨料强化试验研究》
中国知网《载体包裹材料对微生物矿化修复混凝土裂缝效果的影响》
科学大院公众号李辉《我家的房子……是用细菌盖的……》
图片源于网络
本文作者：陈曾允
时任审阅：于世龙 刘孟茜
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总编辑：李晓萌
