你可能知道植物能吸收 CO2，但可曾想過建筑也同樣可以做到？荷蘭阿培爾頓前皇宮 Het Loo Palace 就采用了一種奇特 “建筑材料” 進(jìn)行修建。這是一種可自我修復(fù)的生物混凝土，其中含有活菌，能夠吸收空氣中的 CO2 并可修復(fù)建筑里的任何裂縫。
從 2018 年開始，阿培爾頓前皇宮 Het Loo Palace 就閉館進(jìn)行了為期三年的大規(guī)模修改和擴(kuò)建。修建工程采用的 “自我修復(fù)生物混凝土” 來自于荷蘭代爾夫特的生物技術(shù)初創(chuàng)公司 Green Basilisk。
圖 | 正在用自我修復(fù)混凝土修復(fù)的 Het Loo Palace
（來源：Danita Delimont）
水泥是不可或缺的建筑原材料，至今沒有有效替代品。但在生產(chǎn)水泥過程中會產(chǎn)生大量 CO2 ，給環(huán)境帶來很重的負(fù)擔(dān)。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，全世界每年生產(chǎn)水泥產(chǎn)生 CO2 約占世界 CO2 年排放量的 8％。而混凝土的抗壓能力雖然強(qiáng)，但會經(jīng)常出現(xiàn)細(xì)小的裂縫，水會沿著裂縫滲入內(nèi)部并腐蝕鋼材，增加災(zāi)難性的倒塌風(fēng)險(xiǎn)。世界各國每年需要花費(fèi)數(shù)十億美元來修復(fù)關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施中的這些混凝土裂縫，如果無法修復(fù)，就會造成大量的建筑廢物，而替換這些建筑廢物會增加全球?qū)炷恋男枨?，進(jìn)一步增加 CO2 的排放。
為了解決這些問題，Green Basilisk 在混凝土中加入細(xì)菌孢子和乳酸鈣。孢子可以在脫水環(huán)境下休眠數(shù)年，而流入混凝土裂縫中的水會喚醒它們，復(fù)蘇后的它們開始消化乳酸并產(chǎn)生 CO2 。在混凝土的高堿性環(huán)境中，產(chǎn)生的 CO2 與鈣離子結(jié)合形成固態(tài)碳酸鈣，可以在幾周內(nèi)封堵裂縫，封堵寬度可達(dá) 1 毫米，并進(jìn)一步防止水造成的損害。該公司現(xiàn)在生產(chǎn)的三種產(chǎn)品，可以使未加工的混凝土具有自愈特性，也可以用于修復(fù)現(xiàn)有混凝土結(jié)構(gòu)中的裂縫。
畢業(yè)于荷蘭代爾夫特理工大學(xué)（Delft University of Technology）的 Henk Jonkers 和其他人在 2014 年共同建立了 Green Basilisk 公司。他的團(tuán)隊(duì)花了數(shù)年時間來尋找能在如此惡劣的環(huán)境下繁衍的野生型細(xì)菌。終于在西班牙北部的沙漠地區(qū)和俄羅斯的一個堿湖發(fā)現(xiàn)了三種合適的野生細(xì)菌，并證實(shí)它們可以在混凝土中生成新鮮的碳酸鈣?！拔覀冎幌胙芯刻烊患?xì)菌，有很多立法會讓你很難使用轉(zhuǎn)基因細(xì)菌。”Henk Jonkers 說。
該公司現(xiàn)在的目標(biāo)是為細(xì)菌開發(fā)比乳酸鈣更便宜的營養(yǎng)素。目前，一立方米普通混凝土的價格為 68 至 91 美元，而添加細(xì)菌和營養(yǎng)素又增加了 46 美元，這個價格可能會使一些顧客失望。但 Henk Jonkers 解釋說，在考慮到建筑物整個使用壽命期間的維護(hù)、修理和其他費(fèi)用之后，添加自我修復(fù)成分的費(fèi)用可能只占總成本的 1%。這樣算來，使用自我修復(fù)混凝土是非常便宜的解決方案。
將生物學(xué)運(yùn)用到建筑業(yè)，Green Basilisk 公司只是其中之一，還有很多公司也在進(jìn)行研究?？屏_拉多大學(xué)博爾德分校（University of Colorado Boulder）土木工程師 Wil Srubar III 介紹說：“這個領(lǐng)域很小眾，但發(fā)展迅速。”
英國工程公司公司 Costain 目前正在參與英國一項(xiàng)耗資 600 萬美元的研究項(xiàng)目 RM4L。該項(xiàng)目的主要目的是開發(fā)可自我修復(fù)的建筑材料和可識別損壞的嵌入式傳感器。參與此項(xiàng)目的英國巴斯大學(xué)（University of Bath）的微生物學(xué)家 Susanne Gebhard 介紹說，“我們正在嘗試使混凝土變得像生物系統(tǒng)，讓它可以在檢測到破壞后進(jìn)行自我修復(fù)。”
Gebhard 正在研究細(xì)菌、養(yǎng)分和混凝土之間的相互作用，以期可以找到勝過現(xiàn)有自我修復(fù)系統(tǒng)的組合。她和她的團(tuán)隊(duì)正在了解細(xì)菌材料的工作原理以及在何處可以更好地工作。RM4L 研究人員還對生產(chǎn)芽孢的枯草芽孢桿菌進(jìn)行了工程改造，以更好地了解制造碳酸鈣的生化途徑。盡管歐盟有關(guān)轉(zhuǎn)基因生物的法規(guī)規(guī)定不得在建筑中使用這些轉(zhuǎn)基因細(xì)菌，但 Gebhard 說，她們的研究可以為研究人員尋找更好的菌株提供基因和特性線索。
還有一些公司已經(jīng)超越了研究混凝土的范圍，他們利用細(xì)菌來制造全新的建筑材料。位于美國北卡羅來納州達(dá)勒姆市的生物技術(shù)公司 bioMASON 使用了一種野生型芽孢桿菌菌株，該菌株可將巖石和沙子顆粒粘在一起形成堅(jiān)固的瓷磚 bioLITH。細(xì)菌將環(huán)境中的尿素水解成 CO2 ，再與鈣離子結(jié)合形成碳酸鈣。這個過程將細(xì)菌周圍的聚集顆粒結(jié)合到瓷磚模具內(nèi)的固體基質(zhì)中。三天后，這些 bioLITH 瓷磚就可以保持其形狀，只需放在自然環(huán)境中干燥后，即可在用在墻壁或地板上。該公司的試點(diǎn)工廠已經(jīng)可以每年生產(chǎn)約 10,000 平方米的 bioLITH 瓷磚。
bioMASON 公司的首席技術(shù)官 Michael Dosier 說，bioLITH 瓷磚中細(xì)菌將尿素轉(zhuǎn)化為碳酸鈣意味著“我們正在有效地吸收尿素中的碳”。生產(chǎn)這種瓷磚的碳排放量小于生產(chǎn)傳統(tǒng)水泥基材料的碳排放量。這種瓷磚看起來像天然石材，生產(chǎn)成本也與傳統(tǒng)石材和高端混凝土產(chǎn)品相似。該公司的第一個大訂單是在 2016 年為科技公司 Dropbox 的舊金山總部提供鋪路材料。
bioMASON 公司還參與了美國國防高級研究計(jì)劃局 (DARPA) 的工程生活材料 (ELM) 項(xiàng)目。作為這個項(xiàng)目的一部分，bioMASON 開發(fā)了一種海洋水泥，其中使用了不同野生類型的細(xì)菌群落來生產(chǎn)碳酸鈣，以實(shí)現(xiàn)長期維持水下混凝土的結(jié)構(gòu)。一些細(xì)菌產(chǎn)生尿素，而另一些細(xì)菌則以尿素為食，從海水中吸收鈣來產(chǎn)生碳酸鈣。在 DARPA 的另一項(xiàng)名為 “美杜莎項(xiàng)目” 的演示中，bioMASON 公司展示了他們的細(xì)菌產(chǎn)品可以利用當(dāng)?shù)赝寥澜ㄔ煲粋€ 230 平方米的直升機(jī)起落平臺。將建筑材料運(yùn)送到?jīng)_突地區(qū)很可能是危險(xiǎn)的、復(fù)雜的和昂貴的行為，所以該公司利用細(xì)菌來現(xiàn)場建造建筑材料，減少后勤負(fù)擔(dān)。
DARPA 還資助了科羅拉多大學(xué)斯魯巴爾分校（University of Colorado Srubar）的藍(lán)藻細(xì)菌研究，藍(lán)藻細(xì)菌可以形成有生命的建筑磚。研究團(tuán)隊(duì)將藍(lán)藻細(xì)菌加入到水凝膠基質(zhì)中，細(xì)菌通過光合作用吸收 CO2 ，從而增加細(xì)胞表面的 pH 值。酸堿度的改變會引發(fā)碳酸鈣沉淀，將水凝膠凝結(jié)成和砂漿一樣堅(jiān)固的固體塊。最重要的是，每一塊磚內(nèi)仍然含有活的藍(lán)細(xì)菌，它可以作為一個培養(yǎng)起始點(diǎn)來生產(chǎn)更多更大的磚。該團(tuán)隊(duì)希望制造出更強(qiáng)的屏障，并且正在測試不同種類的藍(lán)藻細(xì)菌，以期它們不需要水凝膠也能完成同樣的壯舉。該團(tuán)隊(duì)計(jì)劃明年成立一家新公司將這項(xiàng)技術(shù)商業(yè)化。
除了細(xì)菌，真菌也正在被用于生產(chǎn)一系列紡織品、包裝和建筑材料等產(chǎn)品。位于美國紐約綠島的生物技術(shù)公司 Ecovative Design 率先開展了使用真菌菌絲材料的生產(chǎn)。Ecovative 將玉米殼或大麻纖維等農(nóng)副產(chǎn)品裝到一個模子里，并在里面播種菌絲。菌絲在孵育室中生長 7 到 10 天，以植物廢料為食，并分解纖維素等長鏈碳水化合物分子。最終菌絲體和殘留的植物物質(zhì)形成一種堅(jiān)固的復(fù)合材料?！霸谧匀唤缰校z本身就是一個循環(huán)系統(tǒng)?！盓covative 公司的市場總監(jiān) Andy Bass 說。2014 年，該公司與工程公司 Arup 和設(shè)計(jì)工作室 The Living 合作創(chuàng)建了一個 13 米高的由菌絲磚搭建的高塔，這個高塔被放在在紐約現(xiàn)代藝術(shù)博物館中展覽。這種菌絲磚的強(qiáng)度與聚苯乙烯泡沫塑料類似，在使用壽命結(jié)束后，它們被堆肥并添加到當(dāng)?shù)厣鐓^(qū)花園的土壤中。
Ecovative 公司現(xiàn)在將這項(xiàng)技術(shù)授權(quán)給其他公司，包括佛蒙特州伯靈頓的 New Frameworks 公司，該公司使用菌絲制作門芯；還有意大利伊納佐的 Mogu 公司，這家公司為辦公室和會議場所生產(chǎn)預(yù)制菌絲隔音板。目前該領(lǐng)域面臨的主要挑戰(zhàn)是生產(chǎn)規(guī)模和成本。傳統(tǒng)的建筑材料被大規(guī)模使用，而且往往非常便宜，因此，新興的生物建筑材料公司仍在努力打入市場。另一個挑戰(zhàn)是先入之見，即認(rèn)為建筑環(huán)境應(yīng)該是無菌的，完全無機(jī)物的?！凹?xì)菌”這個詞一度是帶有負(fù)面含義的，人們認(rèn)為細(xì)菌在某種程度上就是壞的。
一些業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，隨著對可回收利用和碳排放日益嚴(yán)格的法規(guī)的實(shí)施，建筑公司將轉(zhuǎn)向使用生物材料。“我認(rèn)為這些生物材料將成為更主流的選擇，”跨國工程公司 Arup 的歐洲研究與創(chuàng)新主管 Jan Wurm 說，“它們擁有巨大的潛力。”
參考文獻(xiàn)：
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
責(zé)任編輯：余小飛
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