用細菌和真菌蓋房子，你敢相信嗎？

出品：科普中國

作者：Denovo團隊

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，該領域的應用已經遠遠超出了這些范疇。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，這一技術還涉足了一個看似不太可能的領域：房屋建造。

目前，生物制造在建筑領域的主要應用包括但不限于“自修復混凝土”“生物水泥”以及“菌絲材料”。這些創(chuàng)新性的應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用維度。

在建筑中鋪設水泥

（圖片來源：veer圖庫）

芽孢桿菌用于修復墻面裂縫

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、高抗壓強度和出色的耐久性而被廣泛應用于土木工程項目之中。

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，但由于長期受到風吹、日曬、雨淋以及冬夏季節(jié)交替導致的凍融循環(huán)影響，其實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，科學家們開發(fā)了具有自我修復能力的混凝土。荷蘭微生物學家Hendrik Jonkers受到人體骨細胞通過鈣化自我修復的機制啟發(fā)，研發(fā)出了一種名為“生物混凝土”（Bio-concrete）的材料，其突出特點便是具備自我修復能力。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。

當這種芽孢桿菌與乳酸鈣混合用于生產混凝土時，一旦混凝土出現(xiàn)裂縫，滲透進來的雨水會喚醒休眠的孢子。這些復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生成碳酸鈣（石灰石），從而自動修復裂縫。

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

這種自修復混凝土不僅能節(jié)省昂貴的維護成本，還能提高建筑物的安全性。然而，由于當前這一技術的成本相對較高，它尚未在大規(guī)模建設項目中得到廣泛應用。

芽孢桿菌與自修復混凝土

（圖片來源：參考文獻[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，水泥在全球范圍內的生產和使用量都相當龐大。然而，這一行業(yè)也是全球二氧化碳排放的主要“貢獻”者。在這一背景下，生物制造技術為水泥產業(yè)帶來了創(chuàng)新性的解決方案。

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

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性能和流變特性，進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，硅藻還有其他應用價值。例如在制造硅藻泥方面，硅藻泥由經歷了億萬年演化的硅藻和其他浮游生物的沉積物構成，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，而且具有極強的物理吸附能力，能有效吸附室內空氣中的有害物質，如游離甲醛、苯、氨等，以及消除由吸煙和垃圾產生的異味，從而凈化室內空氣。

蘑菇的菌絲也能蓋樓？

盡管蘑菇通常被視為一種“蔬菜”，但它其實并不屬于植物，而是一種真菌微生物。

更值得注意的是，我們日常食用的只是蘑菇的子實體部分。實際上，蘑菇下方（或在腐爛的木頭內部）存在著由無數細胞組成的菌絲網絡，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)的主要結構單位，它們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碳纖維相當，而且具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和阻燃性。這些特點使得菌絲成為材料科學家關注的焦點，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構，其獨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[6]）

結語

生物制造技術為建筑行業(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”。相信在不遠的未來，這些生物制造技術將被更廣泛地應用于房屋建造，為我們的居住環(huán)境增添更多可能性和樂趣。

參考文獻：

[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, 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)、評價及應用技術. 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.