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科普文章

看不见的"生物建筑师"

发布时间:2020年10月01日

  你愿意住在由细菌修筑起来的房屋吗?随着城市化水平不断提高,很多人都生活在由钢筋混凝土筑造的城市里,你有想过细菌也能修筑起参天楼阁吗?今天我们就来了解一下,这是一种什么样的细菌。

 

什么细菌这么牛?

  这位微米级"建筑师"的学名被称为巴氏芽孢杆菌,是一种从土壤中分离出的革兰氏阳性菌(但不具备致病性哦!)[1]。顾名思义,该细菌外形呈杆状,并且会在缺少营养物质时以芽孢的形式继续存活(类似于动物的冬眠)。

  巴氏芽孢杆菌能够在15~37℃下正常生长,是一种好氧菌,即在无氧环境下无法进行正常的生长代谢。能够形成芽孢的特性使其具有很强的生存能力,这一特性也是众多学者将其开发为自修复混凝土(水泥)的核心要素之一。

巴氏芽孢杆菌在扫描电子显微镜下的形态[2]

 

如何"变身为建筑师"?

  想让这位"师傅"干活,也得给它工具和酬劳啊。那么它是如何工作的呢?这就要依靠它在同行中无与伦比的矿化能力了。巴氏芽孢杆菌拥有足以傲视群雄的尿素酶活性(学名:脲酶),可以将环境中的尿素迅速分解为铵根和碳酸根,在环境中同时存在钙离子的情况下,便会以细菌为晶核产生矿化产物方解石(碳酸钙的一种晶型)。产尿素酶的微生物水解尿素而产生碳酸盐沉淀的矿化方式,是微生物矿化中最直接且最容易控制的,但并不是所有具备尿素酶的细菌都能做到如此高效的矿化。首先,巴氏芽孢杆菌的尿素酶活性是已知细菌当中最高的,提供了高效的"生产力";其次,有研究表明巴氏芽孢杆菌表面负电荷比其他的细菌要多,因此,其对钙离子具有更强的捕获能力。综合以上因素,巴氏芽孢杆菌成为微生物矿化研究和应用中最亮的那颗星!

产脲酶微生物诱导生成碳酸钙沉淀的过程示意图[3]

  说了半天,它倒是盖楼啊!不急不急,咱们来了解一下为什么它矿化出来的方解石就能修筑我心目中的象牙塔?因为,巴氏芽孢杆菌矿化产生的方解石,具有一定的胶结能力。这就是它又被称为"微生物水泥"的原因,叫水泥大家就都懂了嘛!可能有人会问,方解石有这能力?究其原因的话,该矿化产物的胶结能力也不能全归功于方解石。有研究表明,作为"水泥"将松散的砂粒粘合在一起,发挥作用的正是有机质、石英砂和生物方解石之间形成的氢键[4]。这下可以盖楼了!

 

让我们来看看它的杰作

  早在1996年,Ferris等[5]就利用巴氏芽孢杆菌诱导矿化的能力,对油田进行裂缝封堵,控制原油流动,提高了原油的开采率。2001年Ramachandran等[6]较早地利用微生物矿化技术,制备了常规水泥的替代品,并有效地提高了混凝土的抗压强度和刚度。Qian等[7-8]也利用巴氏芽孢杆菌诱导矿化技术对大理石文物表面进行防护,提高了文物的抗侵蚀能力。

  2007年荷兰科学家Jonkers发表文章提出了环境对传统水泥建筑长时间的侵蚀问题,并提出一种能够自我修复的生物水泥,其可通过自身的修复能力完成对裂缝的修补工作,环保且省力。首先,为实现水泥的自修复能力需要在水泥中添加可实现生物矿化的微生物,但是水泥内部属于高碱性的干燥环境,并不适合绝大多数微生物的生存,而且水泥的裂缝出现需要时间的累积,这样就要求水泥内的微生物能在该环境下存活数年,可以完成数年后的裂缝修补工作[9]。他们通过大量的实验研究,发现了巴氏芽孢杆菌,该菌可以适应碱性的干燥环境,并且其孢子能够以休眠的状态存活数十年,满足生物水泥对其内部微生物的特殊要求。该项技术在2016年被美国有线电视新闻网(CableNews Network,CNN)称为"史上最受欢迎的建筑材料"。

  2012年,美国bio-MASON公司推出了"培养"生物砖的业务。他们首次采用微生物诱导矿化技术来生产砖块,以替代传统的砖窑生产。该过程主要分为3步:先是在砖块模具中放入沙土;然后,将巴氏芽孢杆菌菌液接种在沙土中;最后,每隔一段时间将促进生物矿化的混合溶液浇灌在沙土上,通过多次矿化胶结,生产出足够强度的生物砖。

bioMASON公司生产的生物砖[10]

  2018年,南非开普敦大学(UCT)也报道了关于生物砖的研究成果:该校学生SuzanneLambert等利用巴氏芽孢杆菌和人尿成功研制出"生物砖"[11]。据报道,这是首次利用人类尿液制备生物砖。他们通过特别设计的便池收集人的尿液,尿液中大部分成分可以变成固体肥料,剩余液体通过灭菌等一系列处理后,与沙子和细菌进行混合,制成生物砖。据开普敦大学介绍,这种生物砖的强度和形状可以根据需要进行改变。如果想要更高强度的砖体,只需要让制作时间加长,即可达到效果。

南非开普敦大学研制的生物砖

 

这位"建筑师"的优势在哪里?

  以生物砖为例,生物砖的生产比传统砖窑生产具有很大的优势。首先,生物矿化节约能源,不需要烧火高温,因此也减少了碳排放量。其次,生物矿化砖可以实现多种外观形状,通过对模具和沙土固化模型的设计,可以实现矿化胶结物外观形状的特殊定制,以满足特殊条件下的使用要求[10]。据bio-MASON公司官方数据表明,到2016年为止,该公司已经生产了1.23万亿块生物砖,在二氧化碳排放上,为全球减少了8亿吨的排放量。

  另外,生物矿化需要的原材料主要是尿素,这种物质在各种生物的排泄物中比比皆是,将其利用起来,简直是变废为宝,点石成金,这样的优势够明显了吧!讲到这里,大家是不是对这个既环境友好又具有经济效益的微生物建筑大师产生了兴趣?国防科技大学仿生生物学课题组系统地综述了巴氏芽孢杆菌矿化作用的生物机制。(详情请点击阅读原文

  据《环球军事杂事》报道,美空军希望利用细菌和微生物在荒凉地带生出一条跑道来,并将该项目命名为"美杜莎"工程。其利用的细菌即为巴氏芽孢杆菌,美军已考虑将巴氏芽孢杆菌矿化技术用于修筑飞机跑道了。

用微生物矿化技术修筑飞机跑道

  随着巴氏芽孢杆菌矿化技术的广泛研究,其对环境友好且社会经济价值高等优良特性,在许多领域都展现出巨大的应用前景。着眼微生物矿化技术的发展情况,目前还存在某些亟待解决的问题。期待在不久的将来,随着巴氏芽孢杆菌基因组的全面测序,巴氏芽孢杆菌的矿化作用能得到更大的拓展。

  参考文献:

  【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】王瑞兴, 钱春香,王剑云,等. 水泥石表面微生物沉积碳酸钙覆膜的不同工艺. 硅酸盐学报, 2008, 36(10):1378-1384

  【8】王瑞兴, 钱春香. 微生物沉积碳酸钙修复水泥基材料表面缺陷. 硅酸盐学报, 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 speculative engagements 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

 

  作者简介:裴迪,博士研究生。本科专业为应用数学,研究生和博士阶段专业为生物医学工程,均就读于国防科技大学。现阶段主要从事微生物矿化机理及应用拓展研究。

 

(作者:裴迪)

(本文来源于公众号:生物化学与生物物理进展)

 

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