【前沿科普】看不見的「生物建築師」

作者 ∣裴 迪

責編 ∣霍 麟 吉 佳

你願意住在由細菌修築起來的房屋嗎？

隨著城市化水平不斷提高，

很多人都生活在由鋼筋混凝土築造的城市裡，

你有想過細菌也能修築起參天樓閣嗎？

今天我們就來了解一下，這是一種什麼樣的細菌。

什麼細菌這麼牛？

這位微米級「建築師」的學名被稱為巴氏芽孢桿菌，是一種從土壤中分離出的革蘭氏陽性菌（但不具備致病性哦！）[1]。顧名思義，該細菌外形呈杆狀，並且會在缺少營養物質時以芽孢的形式繼續存活（類似於動物的冬眠）。

巴氏芽孢桿菌能夠在15～37℃下正常生長，是一種好氧菌，即在無氧環境下無法進行正常的生長代謝。能夠形成芽孢的特性使其具有很強的生存能力，這一特性也是眾多學者將其開發為自修復混凝土（水泥）的核心要素之一。

巴氏芽孢桿菌在掃描電子顯微鏡下的形態 [2]

如何「變身為建築師」?

想讓這位「師傅」幹活，也得給它工具和酬勞啊。那麼它是如何工作的呢？這就要依靠它在同行中無與倫比的礦化能力了。巴氏芽孢桿菌擁有足以傲視群雄的尿素酶活性（學名：脲酶），可以將環境中的尿素迅速分解為銨根和碳酸根，在環境中同時存在鈣離子的情況下，便會以細菌為晶核產生礦化產物方解石（碳酸鈣的一種晶型）。

產尿素酶的微生物水解尿素而產生碳酸鹽沉澱的礦化方式，是微生物礦化中最直接且最容易控制的，但並不是所有具備尿素酶的細菌都能做到如此高效的礦化。首先，巴氏芽孢桿菌的尿素酶活性是已知細菌當中最高的，提供了高效的「生產力」；其次，有研究表明巴氏芽孢桿菌表面負電荷比其他的細菌要多，因此，其對鈣離子具有更強的捕獲能力。綜合以上因素，巴氏芽孢桿菌成為微生物礦化研究和應用中最亮的那顆星!

產脲酶微生物誘導生成碳酸鈣沉澱的過程示意圖 [3]

說了半天，它倒是蓋樓啊！不急不急，咱們來了解一下為什麼它礦化出來的方解石就能修築我心目中的象牙塔？因為，巴氏芽孢桿菌礦化產生的方解石，具有一定的膠結能力。這就是它又被稱為「微生物水泥」的原因，叫水泥大家就都懂了嘛！可能有人會問，方解石有這能力？究其原因的話，該礦化產物的膠結能力也不能全歸功於方解石。有研究表明，作為「水泥」將鬆散的砂粒粘合在一起，發揮作用的正是有機質、石英砂和生物方解石之間形成的氫鍵[4]。這下可以蓋樓了!

讓我們來看看它的傑作

早在1996年，Ferris等[5]就利用巴氏芽孢桿菌誘導礦化的能力，對油田進行裂縫封堵，控制原油流動，提高了原油的開採率。2001年Ramachandran等[6]較早地利用微生物礦化技術，製備了常規水泥的替代品，並有效地提高了混凝土的抗壓強度和剛度。Qian等[7-8]也利用巴氏芽孢桿菌誘導礦化技術對大理石文物表面進行防護，提高了文物的抗侵蝕能力。

2007年荷蘭科學家Jonkers發表文章提出了環境對傳統水泥建築長時間的侵蝕問題，並提出一種能夠自我修復的生物水泥，其可通過自身的修復能力完成對裂縫的修補工作，環保且省力。首先，為實現水泥的自修復能力需要在水泥中添加可實現生物礦化的微生物，但是水泥內部屬於高鹼性的乾燥環境，並不適合絕大多數微生物的生存，而且水泥的裂縫出現需要時間的累積，這樣就要求水泥內的微生物能在該環境下存活數年，可以完成數年後的裂縫修補工作[9]。他們通過大量的實驗研究，發現了巴氏芽孢桿菌，該菌可以適應鹼性的乾燥環境，並且其孢子能夠以休眠的狀態存活數十年，滿足生物水泥對其內部微生物的特殊要求。該項技術在2016年被美國有線電視新聞網（CableNews Network，CNN）稱為「史上最受歡迎的建築材料」。

2012年，美國bio-MASON公司推出了「培養」生物磚的業務。他們首次採用微生物誘導礦化技術來生產磚塊，以替代傳統的磚窯生產。該過程主要分為3步：先是在磚塊模具中放入沙土；然後，將巴氏芽孢桿菌菌液接種在沙土中；最後，每隔一段時間將促進生物礦化的混合溶液澆灌在沙土上，通過多次礦化膠結，生產出足夠強度的生物磚。

bioMASON公司生產的生物磚 [10]

2018年，南非開普敦大學（UCT）也報導了關於生物磚的研究成果：該校學生SuzanneLambert等利用巴氏芽孢桿菌和人尿成功研製出「生物磚」[11]。據報導，這是首次利用人類尿液製備生物磚。他們通過特別設計的便池收集人的尿液，尿液中大部分成分可以變成固體肥料，剩餘液體通過滅菌等一系列處理後，與沙子和細菌進行混合，製成生物磚。據開普敦大學介紹，這種生物磚的強度和形狀可以根據需要進行改變。如果想要更高強度的磚體，只需要讓製作時間加長，即可達到效果。

南非開普敦大學研製的生物磚

這位「建築師」的優勢在哪裡？

以生物磚為例，生物磚的生產比傳統磚窯生產具有很大的優勢。首先，生物礦化節約能源，不需要燒火高溫，因此也減少了碳排放量。其次，生物礦化磚可以實現多種外觀形狀，通過對模具和沙土固化模型的設計，可以實現礦化膠結物外觀形狀的特殊定製，以滿足特殊條件下的使用要求[10]。據bio-MASON公司官方數據表明，到2016年為止，該公司已經生產了1.23萬億塊生物磚，在二氧化碳排放上，為全球減少了8億噸的排放量。

另外，生物礦化需要的原材料主要是尿素，這種物質在各種生物的排洩物中比比皆是，將其利用起來，簡直是變廢為寶，點石成金，這樣的優勢夠明顯了吧！

講到這裡，大家是不是對這個既環境友好又具有經濟效益的微生物建築大師產生了興趣？國防科技大學仿生生物學課題組系統地綜述了巴氏芽孢桿菌礦化作用的生物機制。（詳情請點擊下方閱讀原文）

據《環球軍事雜事》報導，美空軍希望利用細菌和微生物在荒涼地帶生出一條跑道來，並將該項目命名為「美杜莎」工程。其利用的細菌即為巴氏芽孢桿菌，美軍已考慮將巴氏芽孢桿菌礦化技術用於修築飛機跑道了。

用微生物礦化技術修築飛機跑道

隨著巴氏芽孢桿菌礦化技術的廣泛研究，其對環境友好且社會經濟價值高等優良特性，在許多領域都展現出巨大的應用前景。著眼微生物礦化技術的發展情況，目前還存在某些亟待解決的問題。

期待在不久的將來

隨著巴氏芽孢桿菌基因組的全面測序

巴氏芽孢桿菌的礦化作用能得到更大的拓展

參考文獻

[1] Dejong J T , Fritzges M B , Nüsslein, Klaus. Microbially induced cementation to control sand response to undrained shear.Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2006,132(11): 1381-1392

[2] Zhang W, Ju Y, Zong Y,et al. In situ real-time study on dynamics of microbially induced calcium carbonate precipitationat a single-cell level. Environmental Science & Technology, 2018,52: 9266-9276

[3] Muynck W D , Belie N D , Verstraete W . Microbial carbonate precipitation inconstruction materials: a review. Ecological Engineering, 2010, 36(2):118-136

[4] Qian C X , Yu X N . A study on the cementation interface of bio-cement. MaterialsCharacterization, 2018, 136:122-127

[5] Ferris F G , Stehmeier L G , Kantzas A , et al. Bacteriogenic mineral plugging. Can Petr Technol, 1996, 35(8)：56-61

[6] RamachandranS K , Ramakrishnan V , Bang S S . Remediation of concrete using microorganisms. ACI Materials， 2001, 98: 3-9

[7] 王瑞興, 錢春香,王劍雲，等. 水泥石表面微生物沉積碳酸鈣覆膜的不同工藝. 矽酸鹽學報, 2008, 36(10):1378-1384

[8] 王瑞興, 錢春香. 微生物沉積碳酸鈣修復水泥基材料表面缺陷. 矽酸鹽學報, 2008, 36(4):37-44

[9] Jonkers H M. Self healing concrete: a biological approach. Self Healing Materials, 2007, 100: 195-204

[10] Ednie-Brown P, Burry M, Burrow A. BioMASON and the speculativeengagements of biotechnical architecture. Architectural Design, 2013, 83(1): 84-91

[11] Randall D G, Naidoo V. Urine: The liquid gold of wastewater. Journal of Environmental Chemical Engineering. 2018, 6(2): 2627-2635

★作者介紹★

裴迪，博士研究生。本科專業為應用數學，研究生和博士階段專業為生物醫學工程，均就讀於國防科技大學。現階段主要從事微生物礦化機理及應用拓展研究。

本文轉載自公眾號「生物化學與生物物理進展」

由中國生物物理學會主辦的

「第十八次中國暨國際生物物理大會」

將於2020年11月15-18日

在廣東省廣州市召開

歡迎全國各研究機構、高等院校

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原標題：《【前沿科普】看不見的「生物建築師」》

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