能吸收二氧化碳，还能自我修复，生物混凝土掀起建筑新浪潮
你可能知道植物能吸收 CO2，但可曾想过建筑也同样可以做到？荷兰阿培尔顿前皇宫 Het Loo Palace 就采用了一种奇特 “建筑材料” 进行修建。这是一种可自我修复的生物混凝土，其中含有活菌，能够吸收空气中的 CO2 并可修复建筑里的任何裂缝。
从 2018 年开始，阿培尔顿前皇宫 Het Loo Palace 就闭馆进行了为期三年的大规模修改和扩建。修建工程采用的 “自我修复生物混凝土” 来自于荷兰代尔夫特的生物技术初创公司 Green Basilisk。
图 | 正在用自我修复混凝土修复的 Het Loo Palace
（来源：Danita Delimont）
水泥是不可或缺的建筑原材料，至今没有有效替代品。但在生产水泥过程中会产生大量 CO2 ，给环境带来很重的负担。相关数据显示，全世界每年生产水泥产生 CO2 约占世界 CO2 年排放量的 8％。而混凝土的抗压能力虽然强，但会经常出现细小的裂缝，水会沿着裂缝渗入内部并腐蚀钢材，增加灾难性的倒塌风险。世界各国每年需要花费数十亿美元来修复关键基础设施中的这些混凝土裂缝，如果无法修复，就会造成大量的建筑废物，而替换这些建筑废物会增加全球对混凝土的需求，进一步增加 CO2 的排放。
为了解决这些问题，Green Basilisk 在混凝土中加入细菌孢子和乳酸钙。孢子可以在脱水环境下休眠数年，而流入混凝土裂缝中的水会唤醒它们，复苏后的它们开始消化乳酸并产生 CO2 。在混凝土的高碱性环境中，产生的 CO2 与钙离子结合形成固态碳酸钙，可以在几周内封堵裂缝，封堵宽度可达 1 毫米，并进一步防止水造成的损害。该公司现在生产的三种产品，可以使未加工的混凝土具有自愈特性，也可以用于修复现有混凝土结构中的裂缝。
毕业于荷兰代尔夫特理工大学（Delft University of Technology）的 Henk Jonkers 和其他人在 2014 年共同建立了 Green Basilisk 公司。他的团队花了数年时间来寻找能在如此恶劣的环境下繁衍的野生型细菌。终于在西班牙北部的沙漠地区和俄罗斯的一个碱湖发现了三种合适的野生细菌，并证实它们可以在混凝土中生成新鲜的碳酸钙。“我们只想研究天然细菌，有很多立法会让你很难使用转基因细菌。”Henk Jonkers 说。
该公司现在的目标是为细菌开发比乳酸钙更便宜的营养素。目前，一立方米普通混凝土的价格为 68 至 91 美元，而添加细菌和营养素又增加了 46 美元，这个价格可能会使一些顾客失望。但 Henk Jonkers 解释说，在考虑到建筑物整个使用寿命期间的维护、修理和其他费用之后，添加自我修复成分的费用可能只占总成本的 1%。这样算来，使用自我修复混凝土是非常便宜的解决方案。
将生物学运用到建筑业，Green Basilisk 公司只是其中之一，还有很多公司也在进行研究。科罗拉多大学博尔德分校（University of Colorado Boulder）土木工程师 Wil Srubar III 介绍说：“这个领域很小众，但发展迅速。”
英国工程公司公司 Costain 目前正在参与英国一项耗资 600 万美元的研究项目 RM4L。该项目的主要目的是开发可自我修复的建筑材料和可识别损坏的嵌入式传感器。参与此项目的英国巴斯大学（University of Bath）的微生物学家 Susanne Gebhard 介绍说，“我们正在尝试使混凝土变得像生物系统，让它可以在检测到破坏后进行自我修复。”
Gebhard 正在研究细菌、养分和混凝土之间的相互作用，以期可以找到胜过现有自我修复系统的组合。她和她的团队正在了解细菌材料的工作原理以及在何处可以更好地工作。RM4L 研究人员还对生产芽孢的枯草芽孢杆菌进行了工程改造，以更好地了解制造碳酸钙的生化途径。尽管欧盟有关转基因生物的法规规定不得在建筑中使用这些转基因细菌，但 Gebhard 说，她们的研究可以为研究人员寻找更好的菌株提供基因和特性线索。
还有一些公司已经超越了研究混凝土的范围，他们利用细菌来制造全新的建筑材料。位于美国北卡罗来纳州达勒姆市的生物技术公司 bioMASON 使用了一种野生型芽孢杆菌菌株，该菌株可将岩石和沙子颗粒粘在一起形成坚固的瓷砖 bioLITH。细菌将环境中的尿素水解成 CO2 ，再与钙离子结合形成碳酸钙。这个过程将细菌周围的聚集颗粒结合到瓷砖模具内的固体基质中。三天后，这些 bioLITH 瓷砖就可以保持其形状，只需放在自然环境中干燥后，即可在用在墙壁或地板上。该公司的试点工厂已经可以每年生产约 10,000 平方米的 bioLITH 瓷砖。
bioMASON 公司的首席技术官 Michael Dosier 说，bioLITH 瓷砖中细菌将尿素转化为碳酸钙意味着“我们正在有效地吸收尿素中的碳”。生产这种瓷砖的碳排放量小于生产传统水泥基材料的碳排放量。这种瓷砖看起来像天然石材，生产成本也与传统石材和高端混凝土产品相似。该公司的第一个大订单是在 2016 年为科技公司 Dropbox 的旧金山总部提供铺路材料。
bioMASON 公司还参与了美国国防高级研究计划局 (DARPA) 的工程生活材料 (ELM) 项目。作为这个项目的一部分，bioMASON 开发了一种海洋水泥，其中使用了不同野生类型的细菌群落来生产碳酸钙，以实现长期维持水下混凝土的结构。一些细菌产生尿素，而另一些细菌则以尿素为食，从海水中吸收钙来产生碳酸钙。在 DARPA 的另一项名为 “美杜莎项目” 的演示中，bioMASON 公司展示了他们的细菌产品可以利用当地土壤建造一个 230 平方米的直升机起落平台。将建筑材料运送到冲突地区很可能是危险的、复杂的和昂贵的行为，所以该公司利用细菌来现场建造建筑材料，减少后勤负担。
DARPA 还资助了科罗拉多大学斯鲁巴尔分校（University of Colorado Srubar）的蓝藻细菌研究，蓝藻细菌可以形成有生命的建筑砖。研究团队将蓝藻细菌加入到水凝胶基质中，细菌通过光合作用吸收 CO2 ，从而增加细胞表面的 pH 值。酸碱度的改变会引发碳酸钙沉淀，将水凝胶凝结成和砂浆一样坚固的固体块。最重要的是，每一块砖内仍然含有活的蓝细菌，它可以作为一个培养起始点来生产更多更大的砖。该团队希望制造出更强的屏障，并且正在测试不同种类的蓝藻细菌，以期它们不需要水凝胶也能完成同样的壮举。该团队计划明年成立一家新公司将这项技术商业化。
除了细菌，真菌也正在被用于生产一系列纺织品、包装和建筑材料等产品。位于美国纽约绿岛的生物技术公司 Ecovative Design 率先开展了使用真菌菌丝材料的生产。Ecovative 将玉米壳或大麻纤维等农副产品装到一个模子里，并在里面播种菌丝。菌丝在孵育室中生长 7 到 10 天，以植物废料为食，并分解纤维素等长链碳水化合物分子。最终菌丝体和残留的植物物质形成一种坚固的复合材料。“在自然界中，菌丝本身就是一个循环系统。”Ecovative 公司的市场总监 Andy Bass 说。2014 年，该公司与工程公司 Arup 和设计工作室 The Living 合作创建了一个 13 米高的由菌丝砖搭建的高塔，这个高塔被放在在纽约现代艺术博物馆中展览。这种菌丝砖的强度与聚苯乙烯泡沫塑料类似，在使用寿命结束后，它们被堆肥并添加到当地社区花园的土壤中。
Ecovative 公司现在将这项技术授权给其他公司，包括佛蒙特州伯灵顿的 New Frameworks 公司，该公司使用菌丝制作门芯；还有意大利伊纳佐的 Mogu 公司，这家公司为办公室和会议场所生产预制菌丝隔音板。目前该领域面临的主要挑战是生产规模和成本。传统的建筑材料被大规模使用，而且往往非常便宜，因此，新兴的生物建筑材料公司仍在努力打入市场。另一个挑战是先入之见，即认为建筑环境应该是无菌的，完全无机物的。“细菌”这个词一度是带有负面含义的，人们认为细菌在某种程度上就是坏的。
一些业内人士认为，随着对可回收利用和碳排放日益严格的法规的实施，建筑公司将转向使用生物材料。“我认为这些生物材料将成为更主流的选择，”跨国工程公司 Arup 的欧洲研究与创新主管 Jan Wurm 说，“它们拥有巨大的潜力。”
参考文献：
https://www.nature.com/articles/s41587-020-0595-z
https://e360.yale.edu/digest/the-cement-industry-one-of-the-worlds-largest-co2-emitters-pledges-to-cut-greenhouse-gases
责任编辑：余小飞
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