出品：科普中国

作者：Denovo团队

监制：中国科普博览

生物制造，这个名词听起来也许让你首先联想到生物制药或高级生物燃料。然而，该领域的应用已经远远超出了这些范畴。从乙醇到可降解塑料（如聚乳酸），生物制造正在悄无声息地改变我们的日常生活。最近，这一技术还涉足了一个看似不太可能的领域：房屋建造。

目前，生物制造在建筑领域的主要应用包括但不限于“自修复混凝土”“生物水泥”以及“菌丝材料”。这些创新性的应用不仅展示了生物制造在建筑工程中的巨大潜力，也为我们打开了一个全新的研究和应用维度。

在建筑中铺设水泥

（图片来源：veer图库）

芽孢杆菌用于修复墙面裂缝

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、高抗压强度和出色的耐久性而被广泛应用于土木工程项目之中。

尽管混凝土在理想环境下具有与天然石材相匹敌的长寿命，但由于长期受到风吹、日晒、雨淋以及冬夏季节交替导致的冻融循环影响，其实际寿命往往大打折扣。这不仅增加了房屋、桥梁和隧道的维护频率，而且会提高维修成本。

房屋裂缝

（图片来源：作者拍摄）

为了解决这一耐久性问题，科学家们开发了具有自我修复能力的混凝土。荷兰微生物学家Hendrik Jonkers受到人体骨细胞通过钙化自我修复的机制启发，研发出了一种名为“生物混凝土”（Bio-concrete）的材料，其突出特点便是具备自我修复能力。生物混凝土中含有一种名为芽孢杆菌的微生物，这种微生物能在石灰环境中生存，并能在缺乏食物和氧气的条件下以孢子形式存活近两百年。

当这种芽孢杆菌与乳酸钙混合用于生产混凝土时，一旦混凝土出现裂缝，渗透进来的雨水会唤醒休眠的孢子。这些复苏的孢子开始消耗乳酸钙，并释放钙离子，与水中的碳酸根离子反应生成碳酸钙（石灰石），从而自动修复裂缝。

完成修复后，由于雨水不再渗透进来，生长环境被破坏，孢子将重新进入休眠状态，待机应对未来的损伤。研究显示，这种生物混凝土能在约三周内自行修复宽度约0.5毫米的裂缝，极大地延长了建筑物的使用寿命。

这种自修复混凝土不仅能节省昂贵的维护成本，还能提高建筑物的安全性。然而，由于当前这一技术的成本相对较高，它尚未在大规模建设项目中得到广泛应用。

芽孢杆菌与自修复混凝土

（图片来源：参考文献[1]）

添加硅藻的“生物水泥”

上面谈到的混凝土，其主要成分是水泥，水泥在全球范围内的生产和使用量都相当庞大。然而，这一行业也是全球二氧化碳排放的主要“贡献”者。在这一背景下，生物制造技术为水泥产业带来了创新性的解决方案。

硅藻是一种单细胞自养微生物，以其在水体中的快速繁殖而闻名。硅藻的细胞壁含有多孔结构的二氧化硅，这一物质能有效增强材料的机械强度。

通过将硅藻纳入水泥制造过程，形成所谓的“生物水泥”，能够提升水泥的力学性能和流变特性，进而减少所需的水泥量。这不仅有助于降低碳排放，还能增加碳的生物捕获能力。然而，这一技术目前同样面临着成本效益等方面的挑战。

硅藻

（图片来源：维基百科）

除此之外，硅藻还有其他应用价值。例如在制造硅藻泥方面，硅藻泥由经历了亿万年演化的硅藻和其他浮游生物的沉积物构成，是一种新型环保材料。该材料可以用于替代乳胶漆和壁纸，作为别墅、酒店、公寓和医院等场所墙面装饰的理想选择。

硅藻泥不仅肌理丰富、色彩柔和，而且具有极强的物理吸附能力，能有效吸附室内空气中的有害物质，如游离甲醛、苯、氨等，以及消除由吸烟和垃圾产生的异味，从而净化室内空气。

蘑菇的菌丝也能盖楼？

尽管蘑菇通常被视为一种“蔬菜”，但它其实并不属于植物，而是一种真菌微生物。

更值得注意的是，我们日常食用的只是蘑菇的子实体部分。实际上，蘑菇下方（或在腐烂的木头内部）存在着由无数细胞组成的菌丝网络，也称为菌丝体。

菌丝体

（图片来源：veer图库）

这些菌丝是真菌用于吸收、传输和储存营养的主要结构单位，它们的细胞壁主要由几丁质、葡聚糖和蛋白质组成。

几丁质的抗拉伸强度与碳纤维相当，而且具有优异的热稳定性和阻燃性。这些特点使得菌丝成为材料科学家关注的焦点，并开始被用于建筑材料的开发和制造。

在纽约就有一座名为“Hy-Fi”的临时室外生物降解展馆。这座展馆是由菌丝体砖块搭建而成的，这些砖块仅需5天的时间即可完成生长。之后，这些砖块被堆叠成三个交织的圆柱体结构，其独特的造型非常引人注目。

菌丝材料用于建造室外展馆

（图片来源：参考文献[6]）

结语

生物制造技术为建筑行业带来了颠覆性的创新，从延长建筑物使用寿命的“自修复混凝土”，到减少碳排放的“生物水泥”，再到快速、高效的“菌丝材料”。相信在不远的未来，这些生物制造技术将被更广泛地应用于房屋建造，为我们的居住环境增添更多可能性和乐趣。

参考文献：

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

[2]于漧，包亚芳. 硅藻土作高性能混凝土掺合料的改性效果. 建筑石膏与胶凝材料, 2003, 12, 11-12.

[3]郭彬达, 方聪聪. 解析环保装饰材料硅藻泥. 江西建材, 2017(19):286-286.

[4]王静, 冀志江, 张琎珺等. 硅藻泥装饰壁材研发、评价及应用技术. 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.

来源: 中国科普博览

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