出品：科普中國

作者：Denovo團(tuán)隊(duì)

監(jiān)制：中國科普博覽

生物制造，這個名詞聽起來也許讓你首先聯(lián)想到生物制藥或高級生物燃料。然而，該領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了這些范疇。從乙醇到可降解塑料（如聚乳酸），生物制造正在悄無聲息地改變我們的日常生活。最近，這一技術(shù)還涉足了一個看似不太可能的領(lǐng)域：房屋建造。

目前，生物制造在建筑領(lǐng)域的主要應(yīng)用包括但不限于“自修復(fù)混凝土”“生物水泥”以及“菌絲材料”。這些創(chuàng)新性的應(yīng)用不僅展示了生物制造在建筑工程中的巨大潛力，也為我們打開了一個全新的研究和應(yīng)用維度。

在建筑中鋪設(shè)水泥

（圖片來源：veer圖庫）

芽孢桿菌用于修復(fù)墻面裂縫

混凝土是由水泥、沙石和水按照特定比例混合而成的建筑材料，以其低成本、高抗壓強(qiáng)度和出色的耐久性而被廣泛應(yīng)用于土木工程項(xiàng)目之中。

盡管混凝土在理想環(huán)境下具有與天然石材相匹敵的長壽命，但由于長期受到風(fēng)吹、日曬、雨淋以及冬夏季節(jié)交替導(dǎo)致的凍融循環(huán)影響，其實(shí)際壽命往往大打折扣。這不僅增加了房屋、橋梁和隧道的維護(hù)頻率，而且會提高維修成本。

房屋裂縫

（圖片來源：作者拍攝）

為了解決這一耐久性問題，科學(xué)家們開發(fā)了具有自我修復(fù)能力的混凝土。荷蘭微生物學(xué)家Hendrik Jonkers受到人體骨細(xì)胞通過鈣化自我修復(fù)的機(jī)制啟發(fā)，研發(fā)出了一種名為“生物混凝土”（Bio-concrete）的材料，其突出特點(diǎn)便是具備自我修復(fù)能力。生物混凝土中含有一種名為芽孢桿菌的微生物，這種微生物能在石灰環(huán)境中生存，并能在缺乏食物和氧氣的條件下以孢子形式存活近兩百年。

當(dāng)這種芽孢桿菌與乳酸鈣混合用于生產(chǎn)混凝土?xí)r，一旦混凝土出現(xiàn)裂縫，滲透進(jìn)來的雨水會喚醒休眠的孢子。這些復(fù)蘇的孢子開始消耗乳酸鈣，并釋放鈣離子，與水中的碳酸根離子反應(yīng)生成碳酸鈣（石灰石），從而自動修復(fù)裂縫。

完成修復(fù)后，由于雨水不再滲透進(jìn)來，生長環(huán)境被破壞，孢子將重新進(jìn)入休眠狀態(tài)，待機(jī)應(yīng)對未來的損傷。研究顯示，這種生物混凝土能在約三周內(nèi)自行修復(fù)寬度約0.5毫米的裂縫，極大地延長了建筑物的使用壽命。

這種自修復(fù)混凝土不僅能節(jié)省昂貴的維護(hù)成本，還能提高建筑物的安全性。然而，由于當(dāng)前這一技術(shù)的成本相對較高，它尚未在大規(guī)模建設(shè)項(xiàng)目中得到廣泛應(yīng)用。

芽孢桿菌與自修復(fù)混凝土

（圖片來源：參考文獻(xiàn)[1]）

添加硅藻的“生物水泥”

上面談到的混凝土，其主要成分是水泥，水泥在全球范圍內(nèi)的生產(chǎn)和使用量都相當(dāng)龐大。然而，這一行業(yè)也是全球二氧化碳排放的主要“貢獻(xiàn)”者。在這一背景下，生物制造技術(shù)為水泥產(chǎn)業(yè)帶來了創(chuàng)新性的解決方案。

硅藻是一種單細(xì)胞自養(yǎng)微生物，以其在水體中的快速繁殖而聞名。硅藻的細(xì)胞壁含有多孔結(jié)構(gòu)的二氧化硅，這一物質(zhì)能有效增強(qiáng)材料的機(jī)械強(qiáng)度。

通過將硅藻納入水泥制造過程，形成所謂的“生物水泥”，能夠提升水泥的力學(xué)性能和流變特性，進(jìn)而減少所需的水泥量。這不僅有助于降低碳排放，還能增加碳的生物捕獲能力。然而，這一技術(shù)目前同樣面臨著成本效益等方面的挑戰(zhàn)。

硅藻

（圖片來源：維基百科）

除此之外，硅藻還有其他應(yīng)用價值。例如在制造硅藻泥方面，硅藻泥由經(jīng)歷了億萬年演化的硅藻和其他浮游生物的沉積物構(gòu)成，是一種新型環(huán)保材料。該材料可以用于替代乳膠漆和壁紙，作為別墅、酒店、公寓和醫(yī)院等場所墻面裝飾的理想選擇。

硅藻泥不僅肌理豐富、色彩柔和，而且具有極強(qiáng)的物理吸附能力，能有效吸附室內(nèi)空氣中的有害物質(zhì)，如游離甲醛、苯、氨等，以及消除由吸煙和垃圾產(chǎn)生的異味，從而凈化室內(nèi)空氣。

蘑菇的菌絲也能蓋樓？

盡管蘑菇通常被視為一種“蔬菜”，但它其實(shí)并不屬于植物，而是一種真菌微生物。

更值得注意的是，我們?nèi)粘Ｊ秤玫闹皇悄⒐降淖訉?shí)體部分。實(shí)際上，蘑菇下方（或在腐爛的木頭內(nèi)部）存在著由無數(shù)細(xì)胞組成的菌絲網(wǎng)絡(luò)，也稱為菌絲體。

菌絲體

（圖片來源：veer圖庫）

這些菌絲是真菌用于吸收、傳輸和儲存營養(yǎng)的主要結(jié)構(gòu)單位，它們的細(xì)胞壁主要由幾丁質(zhì)、葡聚糖和蛋白質(zhì)組成。

幾丁質(zhì)的抗拉伸強(qiáng)度與碳纖維相當(dāng)，而且具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和阻燃性。這些特點(diǎn)使得菌絲成為材料科學(xué)家關(guān)注的焦點(diǎn)，并開始被用于建筑材料的開發(fā)和制造。

在紐約就有一座名為“Hy-Fi”的臨時室外生物降解展館。這座展館是由菌絲體磚塊搭建而成的，這些磚塊僅需5天的時間即可完成生長。之后，這些磚塊被堆疊成三個交織的圓柱體結(jié)構(gòu)，其獨(dú)特的造型非常引人注目。

菌絲材料用于建造室外展館

（圖片來源：參考文獻(xiàn)[6]）

結(jié)語

生物制造技術(shù)為建筑行業(yè)帶來了顛覆性的創(chuàng)新，從延長建筑物使用壽命的“自修復(fù)混凝土”，到減少碳排放的“生物水泥”，再到快速、高效的“菌絲材料”。相信在不遠(yuǎn)的未來，這些生物制造技術(shù)將被更廣泛地應(yīng)用于房屋建造，為我們的居住環(huán)境增添更多可能性和樂趣。

參考文獻(xiàn)：

[1]Henk M. Jonkers. Self healing concrete: a biological approach. Springer Series in Materials Science, 2007, 100, 195-204.

[2]于漧，包亞芳. 硅藻土作高性能混凝土摻合料的改性效果. 建筑石膏與膠凝材料, 2003, 12, 11-12.

[3]郭彬達(dá), 方聰聰. 解析環(huán)保裝飾材料硅藻泥. 江西建材, 2017(19):286-286.

[4]王靜, 冀志江, 張琎珺等. 硅藻泥裝飾壁材研發(fā)、評價及應(yīng)用技術(shù). 建筑科技, 2018, 366, 30-33.

[5]Ekaraj Paudel, Remko M. Boom, Els van Haaren, et al. Effects of cellular structure and cell wall components on water holding capacity of mushrooms. Journal of Food Engineering, 2016, 187: 106-113.

[6]Avinash Rajagopal. Behind the living’s "100% Organic" pavilion for MoMA PS1Metropolis, 2014-2-10.

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