我家的房子是用细菌盖的

作者: 李辉

来源: 科学大院

发布日期: 2019-09-20

本文介绍了利用微生物制造建筑材料的构想,特别是生物混凝土的制造和应用。生物混凝土通过微生物诱导碳酸钙沉积,具有环保和坚固的优点,尽管目前还面临成本高、环境适应性差和氯元素腐蚀等挑战,但其未来在建筑领域的应用前景广阔。

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。

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。

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。

制造生物混凝土的“工匠”都有哪些?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。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。

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0.8毫米,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。

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。

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