出品：科普中國

作者：Denovo團隊

監製：中國科普博覽

生物製造，這個(ge) 名詞聽起來也許讓你首先聯想到生物製藥或高級生物燃料。然而，該領域的應用已經遠遠超出了這些範疇。從(cong) 乙醇到可降解塑料（如聚乳酸），生物製造正在悄無聲息地改變我們(men) 的日常生活。最近，這一技術還涉足了一個(ge) 看似不太可能的領域：房屋建造。

目前，生物製造在建築領域的主要應用包括但不限於(yu) “自修複混凝土”“生物水泥”以及“菌絲(si) 材料”。這些創新性的應用不僅(jin) 展示了生物製造在建築工程中的巨大潛力，也為(wei) 我們(men) 打開了一個(ge) 全新的研究和應用維度。

在建築中鋪設水泥

（圖片來源：veer圖庫）

芽孢杆菌用於(yu) 修複牆麵裂縫

混凝土是由水泥、沙石和水按照特定比例混合而成的建築材料，以其低成本、高抗壓強度和出色的耐久性而被廣泛應用於(yu) 土木工程項目之中。

盡管混凝土在理想環境下具有與(yu) 天然石材相匹敵的長壽命，但由於(yu) 長期受到風吹、日曬、雨淋以及冬夏季節交替導致的凍融循環影響，其實際壽命往往大打折扣。這不僅(jin) 增加了房屋、橋梁和隧道的維護頻率，而且會(hui) 提高維修成本。

房屋裂縫

（圖片來源：作者拍攝）

為(wei) 了解決(jue) 這一耐久性問題，科學家們(men) 開發了具有自我修複能力的混凝土。荷蘭(lan) 微生物學家Hendrik Jonkers受到人體(ti) 骨細胞通過鈣化自我修複的機製啟發，研發出了一種名為(wei) “生物混凝土”（Bio-concrete）的材料，其突出特點便是具備自我修複能力。生物混凝土中含有一種名為(wei) 芽孢杆菌的微生物，這種微生物能在石灰環境中生存，並能在缺乏食物和氧氣的條件下以孢子形式存活近兩(liang) 百年。

當這種芽孢杆菌與(yu) 乳酸鈣混合用於(yu) 生產(chan) 混凝土時，一旦混凝土出現裂縫，滲透進來的雨水會(hui) 喚醒休眠的孢子。這些複蘇的孢子開始消耗乳酸鈣，並釋放鈣離子，與(yu) 水中的碳酸根離子反應生成碳酸鈣（石灰石），從(cong) 而自動修複裂縫。

完成修複後，由於(yu) 雨水不再滲透進來，生長環境被破壞，孢子將重新進入休眠狀態，待機應對未來的損傷(shang) 。研究顯示，這種生物混凝土能在約三周內(nei) 自行修複寬度約0.5毫米的裂縫，極大地延長了建築物的使用壽命。

這種自修複混凝土不僅(jin) 能節省昂貴的維護成本，還能提高建築物的安全性。然而，由於(yu) 當前這一技術的成本相對較高，它尚未在大規模建設項目中得到廣泛應用。

芽孢杆菌與(yu) 自修複混凝土

（圖片來源：參考文獻[1]）

添加矽藻的“生物水泥”

上麵談到的混凝土，其主要成分是水泥，水泥在全球範圍內(nei) 的生產(chan) 和使用量都相當龐大。然而，這一行業(ye) 也是全球二氧化碳排放的主要“貢獻”者。在這一背景下，生物製造技術為(wei) 水泥產(chan) 業(ye) 帶來了創新性的解決(jue) 方案。

矽藻是一種單細胞自養(yang) 微生物，以其在水體(ti) 中的快速繁殖而聞名。矽藻的細胞壁含有多孔結構的二氧化矽，這一物質能有效增強材料的機械強度。

通過將矽藻納入水泥製造過程，形成所謂的“生物水泥”，能夠提升水泥的力學性能和流變特性，進而減少所需的水泥量。這不僅(jin) 有助於(yu) 降低碳排放，還能增加碳的生物捕獲能力。然而，這一技術目前同樣麵臨(lin) 著成本效益等方麵的挑戰。

矽藻

（圖片來源：維基百科）

除此之外，矽藻還有其他應用價(jia) 值。例如在製造矽藻泥方麵，矽藻泥由經曆了億(yi) 萬(wan) 年演化的矽藻和其他浮遊生物的沉積物構成，是一種新型環保材料。該材料可以用於(yu) 替代乳膠漆和壁紙，作為(wei) 別墅、酒店、公寓和醫院等場所牆麵裝飾的理想選擇。

矽藻泥不僅(jin) 肌理豐(feng) 富、色彩柔和，而且具有極強的物理吸附能力，能有效吸附室內(nei) 空氣中的有害物質，如遊離甲醛、苯、氨等，以及消除由吸煙和垃圾產(chan) 生的異味，從(cong) 而淨化室內(nei) 空氣。

蘑菇的菌絲(si) 也能蓋樓？

盡管蘑菇通常被視為(wei) 一種“蔬菜”，但它其實並不屬於(yu) 植物，而是一種真菌微生物。

更值得注意的是，我們(men) 日常食用的隻是蘑菇的子實體(ti) 部分。實際上，蘑菇下方（或在腐爛的木頭內(nei) 部）存在著由無數細胞組成的菌絲(si) 網絡，也稱為(wei) 菌絲(si) 體(ti) 。

菌絲(si) 體(ti)

（圖片來源：veer圖庫）

這些菌絲(si) 是真菌用於(yu) 吸收、傳(chuan) 輸和儲(chu) 存營養(yang) 的主要結構單位，它們(men) 的細胞壁主要由幾丁質、葡聚糖和蛋白質組成。

幾丁質的抗拉伸強度與(yu) 碳纖維相當，而且具有優(you) 異的熱穩定性和阻燃性。這些特點使得菌絲(si) 成為(wei) 材料科學家關(guan) 注的焦點，並開始被用於(yu) 建築材料的開發和製造。

在紐約就有一座名為(wei) “Hy-Fi”的臨(lin) 時室外生物降解展館。這座展館是由菌絲(si) 體(ti) 磚塊搭建而成的，這些磚塊僅(jin) 需5天的時間即可完成生長。之後，這些磚塊被堆疊成三個(ge) 交織的圓柱體(ti) 結構，其獨特的造型非常引人注目。

菌絲(si) 材料用於(yu) 建造室外展館

（圖片來源：參考文獻[6]）

結語

生物製造技術為(wei) 建築行業(ye) 帶來了顛覆性的創新，從(cong) 延長建築物使用壽命的“自修複混凝土”，到減少碳排放的“生物水泥”，再到快速、高效的“菌絲(si) 材料”。相信在不遠的未來，這些生物製造技術將被更廣泛地應用於(yu) 房屋建造，為(wei) 我們(men) 的居住環境增添更多可能性和樂(le) 趣。

參考文獻：

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

[2]於(yu) 漧，包亞(ya) 芳. 矽藻土作高性能混凝土摻合料的改性效果. 建築石膏與(yu) 膠凝材料, 2003, 12, 11-12.

[3]郭彬達, 方聰聰. 解析環保裝飾材料矽藻泥. 江西建材, 2017(19):286-286.

[4]王靜, 冀誌江, 張璡珺等. 矽藻泥裝飾壁材研發、評價(jia) 及應用技術. 建築科技, 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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