基于生物礦化過程的新型建筑材料技術

任毅

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基于生物礦化過程的新型建筑材料技術

任毅

（東北師范大學附屬中學，吉林 長春 130022）

生物礦化是指由生物體通過生物大分子的調控生成無機礦物的過程。近年來，人們關注這一過程在材料制備方面的潛在應用，但絕大多數研究局限于小批量、實驗室規模的材料制備。生物礦化過程為解決建筑材料生產的高能耗和高排放問題提供了一種可能的途徑。試圖探討將生物礦化過程用于大批量生產的建筑材料的可行性，在對已有的研究工作進行簡要總結的基礎上，對基于生物礦化過程的新型建筑材料技術的制約因素進行了初步分析，提出了需要解決的問題。

生物礦化；材料制備；建筑材料；環境友好技術

1 概述

生物礦化是通過生物大分子的調控將溶液中的離子轉變為無機固相礦物的過程，這一過程對于動物的骨骼、牙齒、貝殼等生物組織的形成發揮了至關重要的作用，也導致了一些具有奇特形態的自然奇觀，如珊瑚、珍珠等的形成。作為生命科學、化學與材料科學等多學科的交匯點，生物礦化過程近年來得到了研究者的廣泛關注。一方面，人們從生物大分子、基因和晶體生長層次上研究該過程的原理和機制；另一方面，將這一過程引入到了各種新型材料的制備，在生物醫用材料、仿生材料、納米半導體材料、有機-無機雜化材料等方面取得了一系列突破。然而，上述絕大多數材料局限于小批量、實驗室規模的材料制備，而對于建筑材料這樣需要形成一定規模的材料制備，目前的報道還不多。本文試圖在已有的初步研究工作基礎上，探討利用生物礦化過程實現大批量綠色建筑材料生產的可能性。

2 宏量生物礦化反應的分析

生物礦化可導致一些宏觀自然現象，珊瑚礁是一個典型的例子。珊瑚礁的形成是通過無脊椎動物的生物礦化實現的。在這一過程中，珊瑚蟲細胞內的囊泡中沉積著高度無序的礦物相，隨后被運輸到胞外最終的沉積形成堅固的固體，分泌出主要成分為碳酸鈣的外殼。珊瑚的鈣化成型作為全球重要的生物地球化學過程，其占地面積達到3.0×105km2[1]。

另一個例子是一類具有色素體的單細胞植物——硅藻。硅藻是一類最重要的浮游植物，分布極其廣泛。硅藻是真核藻類的一個主要類群，硅藻的一個主要特點是硅藻細胞外覆硅質（主要是二氧化硅）的細胞壁。硅質細胞壁紋理和形態各異，但多呈對稱排列。這類微生物常用一分為二的繁殖方法產生，硅藻死后，它們堅固多孔的外殼——細胞壁也不會分解，成為硅藻土。有人認為，地球上有機物質中的3/4是來自于硅藻和藻類的光合作用[2]。

上述兩個例子表明，生物礦化過程不僅適用于小批量的特殊材料合成，也有可能用來產生大批量、具有特殊形態的無機固體材料。同時，由于生物礦化是一種生物體參與的復雜物理化學過程，有機基質作為構造支持的惰性底質或礦物沉淀的局限空間和核化作用的表面，確定了礦物生長的形態、空間排列、結晶取向，所獲得的材料往往具有特殊的、高度一致的多層次結構和獨特的機械、力學和滲透等性質。由此可見，生物礦化過程可能提供一種高效、節能、環境友好的新型建筑材料制備技術。

3 多次研究嘗試

早在1992年，Kantzas等人就嘗試利用微生物礦化過程沉積的碳酸鈣材料作為凝膠材料，使得松散狀態的沙粒膠結，用于石油開采[3]。基于這一思路，很多研究者開展微生物誘導碳酸鈣礦膠結機制的研究。研究發現，這種沉積過程中微生物分泌的胞外聚合物及其雙電層的存在，使得微生物吸附在沙土表面。微生物一方面通過新陳代謝活動提供生物礦化所需要的堿性環境；另一方面，利用細胞壁表面帶有的官能基團（羥基、羧基等）吸附溶液中的鈣離子而形成結晶核，從而實現碳酸鈣在沙土粒表面的生長。而由于顆粒接觸點附近區域微生物濃度較高，導致了碳酸鈣主要在這些區域沉積，從而使顆粒之間形成膠結[4]。這樣一種基于純自然過程的膠結機制為建筑材料膠結過程的綠色化提供了途徑。

與此同時，一些研究者對基于上述機制實現膠結的復合體的固體力學性質、載荷性能、滲透性等性能開展了較為系統的研究，并試圖通過尋找、優選和培養新的微生物菌種、改進微生物、培養液及鈣離子與基體材料的復合方式、優化生物鈣化過程的溫度和化學環境等，提高生物礦化過程的進程，推動這一技術走向批量化[5]。

在應用方面，一些學者嘗試了利用生物礦化材料取代水泥作為復合建筑材料的膠結劑。將具有生物礦化功能的細菌溶液引入砂粒，細菌在砂粒表面的結合溶液完全潤濕后，沉淀方解石與相鄰的砂粒連接，實現固化。該方法曾在沙漠中被用于沙漠的固化，也被用于道路、堤壩、池塘的建設。一些研究還表明，生物礦化材料也可以用作水泥的添加劑，可提高材料耐久性。研究還嘗試將生物礦化材料作為保護層來改善建筑物表面，將細菌與相應的營養液及鈣離子噴在建筑表面，隨著時間的推移，會在最后沉淀出一層方解石對建筑起到保護作用。微生物礦化過程還被用于修復建筑。向建筑裂縫中引入生物礦化反應體系，會在裂縫中沉淀碳酸鈣，從而封閉裂縫間隙，使建筑得到加固[6]。

4 技術分析：機遇與挑戰

建筑材料使用中產生的大量資源、能源消耗和二氧化碳的不斷排放日益被全世界所關注，發展綠色化的建筑材料生產方式是人類面臨的重要難題，這為生物礦化技術向建材領域發展提供了前所未有的機會。然而，將這一技術從實驗室推向工業應用，尚需克服一系列問題，并開展大量深入系統的研究工作，具體如下。

4.1 生物礦化材料的堅固性和耐久性

在建筑材料中，生物礦化材料通常會作為輔助材料被廣泛應用，比如生物基水泥中作為凝膠材料，而材料的堅固性依然取決于基體材料。由于生物礦化過程屬于晶體生長過程，其晶體往往具有較高的密度和完整性，這一點決定了這類材料自身具有非常好的耐久性，而決定復合材料堅固性和耐久性的主要難點在于改善生物礦化材料與基體材料的界面結構，這方面尚需大量的基礎研究工作。

4.2 如何降低生物礦化過程的成本

在絕大多數生物礦化過程中，其主要成本來自于生物體培養的營養素。比如生物基水泥的發酵過程需要大量營養物質提供細菌，給細菌繁殖提供碳酸鈣沉淀養分的成本就會上升，這部分的成本占到了生產成本的60%左右。因此，尋找廉價的營養源勢在必行。目前的一個研究方向是利用含有高濃度蛋白質的工業廢水作為營養素，可望大幅度降低過程成本，同時解決工業廢水的處理問題。

4.3 生產效率問題

生物礦化過程作為一類生化反應，其反應速率既與反應自身動力學參數有關，也與一些環境參數（如溫度、pH值等）密切相關，如何尋找具有高反應速率的生物礦化過程，優化材料形成過程的工藝參數，是需要進一步研究的問題。

4.4 潛在的生態效應

就目前已有結果看，生物礦化制備建筑材料的制備是一類非常環保的過程，但大規模使用可能涉及菌種及培養液的大量使用，能否產生其他生態效應尚需進一步評估。

鑒于上述問題都是涉及生物學、化學、材料、建筑工程等多個領域的復雜的系統科學與工程問題，需要組織跨學科的研究隊伍進行研究開發。在應用方面，可以小規模的應用（如舊建筑的修復、工程加固等）為起點，在應用中進一步研發，逐漸推向對質量要求相對較低的應用領域（如沙漠固化、普通道路），再向量大面廣的建筑工程領域（如民用建筑、公路等）循序漸進地應用，并逐步建立相應的技術標準體系，發展成革命性的新一代綠色建筑材料技術。

5 結論

建筑材料的高能耗和高排放已成為全球關注的熱點問題。基于生物礦化過程的新型建筑材料技術為解決這一問題提供了一個有效的途徑，有望成為在生物學與材料科學技術交叉領域的新的科學和技術前沿。從已有的研究進展看，基于生物礦化過程的建筑材料制備技術具有綠色環保和低能耗的特點，所制備的新型材料在很多建筑領域都有廣闊的應用前景。然而，該技術的研發目前還處在初步階段，進一步發展涉及一系列跨學科的基礎科學問題和技術工程化問題，即如何尋找能夠產生高性能材料的生物系統和礦化機制、如何進一步提高生物礦化反應過程的效率、如何降低過程的成本等，需要投入力量進一步開展系統研究。

［1］Grizzle R. E，Ward K. M，AlShihi R.M.S，et al.Current status of coral reefs in the United Arab Emirates： Distribution，extent and community structure with implications for management［J］.Marine Pollution Bulletin，2016（4）：515-523.

［2］趙文.水生生物學［M］.北京：中國農業出版社，2005.

［3］Kantzas A，Stehmeier L，Marentette D.F，et al.A Novel Method of Sand Consolidation Through Bacteriogenic Mineral Plugging［J］.Proc.of CIM Annual Technical Meeting，1992（46）：1-15.

［4］DeJonga J.T，Mortensenb，B.M，et al.Bio-mediated soil improvement［J］.Ecological Engineering，2010（36）：197-210.

［5］錢春香，王欣，於孝牛.微生物水泥研究與應用進展［J］.材料工程，2015（08）：92-103.

［6］Varenyam A，Abhijit M，Deepika K.Biomineralization for sustainable construction-A review of processes and applications［J］.Earth-Science Reviews，2015（148）：1-17.

2095－6835（2018）24－0093－02

TU761.12

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.24.093

〔編輯：張思楠〕