基于生物礦化過(guò)程的新型建筑材料技術(shù)

任毅

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基于生物礦化過(guò)程的新型建筑材料技術(shù)

任毅

（東北師范大學(xué)附屬中學(xué)，吉林 長(zhǎng)春 130022）

生物礦化是指由生物體通過(guò)生物大分子的調(diào)控生成無(wú)機(jī)礦物的過(guò)程。近年來(lái)，人們關(guān)注這一過(guò)程在材料制備方面的潛在應(yīng)用，但絕大多數(shù)研究局限于小批量、實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的材料制備。生物礦化過(guò)程為解決建筑材料生產(chǎn)的高能耗和高排放問(wèn)題提供了一種可能的途徑。試圖探討將生物礦化過(guò)程用于大批量生產(chǎn)的建筑材料的可行性，在對(duì)已有的研究工作進(jìn)行簡(jiǎn)要總結(jié)的基礎(chǔ)上，對(duì)基于生物礦化過(guò)程的新型建筑材料技術(shù)的制約因素進(jìn)行了初步分析，提出了需要解決的問(wèn)題。

生物礦化；材料制備；建筑材料；環(huán)境友好技術(shù)

1 概述

生物礦化是通過(guò)生物大分子的調(diào)控將溶液中的離子轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)機(jī)固相礦物的過(guò)程，這一過(guò)程對(duì)于動(dòng)物的骨骼、牙齒、貝殼等生物組織的形成發(fā)揮了至關(guān)重要的作用，也導(dǎo)致了一些具有奇特形態(tài)的自然奇觀，如珊瑚、珍珠等的形成。作為生命科學(xué)、化學(xué)與材料科學(xué)等多學(xué)科的交匯點(diǎn)，生物礦化過(guò)程近年來(lái)得到了研究者的廣泛關(guān)注。一方面，人們從生物大分子、基因和晶體生長(zhǎng)層次上研究該過(guò)程的原理和機(jī)制；另一方面，將這一過(guò)程引入到了各種新型材料的制備，在生物醫(yī)用材料、仿生材料、納米半導(dǎo)體材料、有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化材料等方面取得了一系列突破。然而，上述絕大多數(shù)材料局限于小批量、實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的材料制備，而對(duì)于建筑材料這樣需要形成一定規(guī)模的材料制備，目前的報(bào)道還不多。本文試圖在已有的初步研究工作基礎(chǔ)上，探討利用生物礦化過(guò)程實(shí)現(xiàn)大批量綠色建筑材料生產(chǎn)的可能性。

2 宏量生物礦化反應(yīng)的分析

生物礦化可導(dǎo)致一些宏觀自然現(xiàn)象，珊瑚礁是一個(gè)典型的例子。珊瑚礁的形成是通過(guò)無(wú)脊椎動(dòng)物的生物礦化實(shí)現(xiàn)的。在這一過(guò)程中，珊瑚蟲(chóng)細(xì)胞內(nèi)的囊泡中沉積著高度無(wú)序的礦物相，隨后被運(yùn)輸?shù)桨庾罱K的沉積形成堅(jiān)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(xué)過(guò)程，其占地面積達(dá)到3.0×105km2[1]。

另一個(gè)例子是一類具有色素體的單細(xì)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(gè)主要類群，硅藻的一個(gè)主要特點(diǎn)是硅藻細(xì)胞外覆硅質(zhì)（主要是二氧化硅）的細(xì)胞壁。硅質(zhì)細(xì)胞壁紋理和形態(tài)各異，但多呈對(duì)稱排列。這類微生物常用一分為二的繁殖方法產(chǎn)生，硅藻死后，它們堅(jiān)固多孔的外殼——細(xì)胞壁也不會(huì)分解，成為硅藻土。有人認(rèn)為，地球上有機(jī)物質(zhì)中的3/4是來(lái)自于硅藻和藻類的光合作用[2]。

上述兩個(gè)例子表明，生物礦化過(guò)程不僅適用于小批量的特殊材料合成，也有可能用來(lái)產(chǎn)生大批量、具有特殊形態(tài)的無(wú)機(jī)固體材料。同時(shí)，由于生物礦化是一種生物體參與的復(fù)雜物理化學(xué)過(guò)程，有機(jī)基質(zhì)作為構(gòu)造支持的惰性底質(zhì)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(zhǎng)的形態(tài)、空間排列、結(jié)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(jié)構(gòu)和獨(dú)特的機(jī)械、力學(xué)和滲透等性質(zhì)。由此可見(jiàn)，生物礦化過(guò)程可能提供一種高效、節(jié)能、環(huán)境友好的新型建筑材料制備技術(shù)。

3 多次研究嘗試

早在1992年，Kantzas等人就嘗試?yán)梦⑸锏V化過(guò)程沉積的碳酸鈣材料作為凝膠材料，使得松散狀態(tài)的沙粒膠結(jié)，用于石油開(kāi)采[3]。基于這一思路，很多研究者開(kāi)展微生物誘導(dǎo)碳酸鈣礦膠結(jié)機(jī)制的研究。研究發(fā)現(xiàn)，這種沉積過(guò)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(guò)新陳代謝活動(dòng)提供生物礦化所需要的堿性環(huán)境；另一方面，利用細(xì)胞壁表面帶有的官能基團(tuán)（羥基、羧基等）吸附溶液中的鈣離子而形成結(jié)晶核，從而實(shí)現(xiàn)碳酸鈣在沙土粒表面的生長(zhǎng)。而由于顆粒接觸點(diǎn)附近區(qū)域微生物濃度較高，導(dǎo)致了碳酸鈣主要在這些區(qū)域沉積，從而使顆粒之間形成膠結(jié)[4]。這樣一種基于純自然過(guò)程的膠結(jié)機(jī)制為建筑材料膠結(jié)過(guò)程的綠色化提供了途徑。

與此同時(shí)，一些研究者對(duì)基于上述機(jī)制實(shí)現(xiàn)膠結(jié)的復(fù)合體的固體力學(xué)性質(zhì)、載荷性能、滲透性等性能開(kāi)展了較為系統(tǒng)的研究，并試圖通過(guò)尋找、優(yōu)選和培養(yǎng)新的微生物菌種、改進(jìn)微生物、培養(yǎng)液及鈣離子與基體材料的復(fù)合方式、優(yōu)化生物鈣化過(guò)程的溫度和化學(xué)環(huán)境等，提高生物礦化過(guò)程的進(jìn)程，推動(dòng)這一技術(shù)走向批量化[5]。

在應(yīng)用方面，一些學(xué)者嘗試了利用生物礦化材料取代水泥作為復(fù)合建筑材料的膠結(jié)劑。將具有生物礦化功能的細(xì)菌溶液引入砂粒，細(xì)菌在砂粒表面的結(jié)合溶液完全潤(rùn)濕后，沉淀方解石與相鄰的砂粒連接，實(shí)現(xiàn)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(shè)。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(hù)層來(lái)改善建筑物表面，將細(xì)菌與相應(yīng)的營(yíng)養(yǎng)液及鈣離子噴在建筑表面，隨著時(shí)間的推移，會(huì)在最后沉淀出一層方解石對(duì)建筑起到保護(hù)作用。微生物礦化過(guò)程還被用于修復(fù)建筑。向建筑裂縫中引入生物礦化反應(yīng)體系，會(huì)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(shù)分析：機(jī)遇與挑戰(zhàn)

建筑材料使用中產(chǎn)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(guān)注，發(fā)展綠色化的建筑材料生產(chǎn)方式是人類面臨的重要難題，這為生物礦化技術(shù)向建材領(lǐng)域發(fā)展提供了前所未有的機(jī)會(huì)。然而，將這一技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室推向工業(yè)應(yīng)用，尚需克服一系列問(wèn)題，并開(kāi)展大量深入系統(tǒng)的研究工作，具體如下。

4.1 生物礦化材料的堅(jiān)固性和耐久性

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

4.2 如何降低生物礦化過(guò)程的成本

在絕大多數(shù)生物礦化過(guò)程中，其主要成本來(lái)自于生物體培養(yǎng)的營(yíng)養(yǎng)素。比如生物基水泥的發(fā)酵過(guò)程需要大量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)提供細(xì)菌，給細(xì)菌繁殖提供碳酸鈣沉淀養(yǎng)分的成本就會(huì)上升，這部分的成本占到了生產(chǎn)成本的60%左右。因此，尋找廉價(jià)的營(yíng)養(yǎng)源勢(shì)在必行。目前的一個(gè)研究方向是利用含有高濃度蛋白質(zhì)的工業(yè)廢水作為營(yíng)養(yǎng)素，可望大幅度降低過(guò)程成本，同時(shí)解決工業(yè)廢水的處理問(wèn)題。

4.3 生產(chǎn)效率問(wèn)題

生物礦化過(guò)程作為一類生化反應(yīng)，其反應(yīng)速率既與反應(yīng)自身動(dòng)力學(xué)參數(shù)有關(guān)，也與一些環(huán)境參數(shù)（如溫度、pH值等）密切相關(guān)，如何尋找具有高反應(yīng)速率的生物礦化過(guò)程，優(yōu)化材料形成過(guò)程的工藝參數(shù)，是需要進(jìn)一步研究的問(wèn)題。

4.4 潛在的生態(tài)效應(yīng)

就目前已有結(jié)果看，生物礦化制備建筑材料的制備是一類非常環(huán)保的過(guò)程，但大規(guī)模使用可能涉及菌種及培養(yǎng)液的大量使用，能否產(chǎn)生其他生態(tài)效應(yīng)尚需進(jìn)一步評(píng)估。

鑒于上述問(wèn)題都是涉及生物學(xué)、化學(xué)、材料、建筑工程等多個(gè)領(lǐng)域的復(fù)雜的系統(tǒng)科學(xué)與工程問(wèn)題，需要組織跨學(xué)科的研究隊(duì)伍進(jìn)行研究開(kāi)發(fā)。在應(yīng)用方面，可以小規(guī)模的應(yīng)用（如舊建筑的修復(fù)、工程加固等）為起點(diǎn)，在應(yīng)用中進(jìn)一步研發(fā)，逐漸推向?qū)|(zhì)量要求相對(duì)較低的應(yīng)用領(lǐng)域（如沙漠固化、普通道路），再向量大面廣的建筑工程領(lǐng)域（如民用建筑、公路等）循序漸進(jìn)地應(yīng)用，并逐步建立相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，發(fā)展成革命性的新一代綠色建筑材料技術(shù)。

5 結(jié)論

建筑材料的高能耗和高排放已成為全球關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題?；谏锏V化過(guò)程的新型建筑材料技術(shù)為解決這一問(wèn)題提供了一個(gè)有效的途徑，有望成為在生物學(xué)與材料科學(xué)技術(shù)交叉領(lǐng)域的新的科學(xué)和技術(shù)前沿。從已有的研究進(jìn)展看，基于生物礦化過(guò)程的建筑材料制備技術(shù)具有綠色環(huán)保和低能耗的特點(diǎn)，所制備的新型材料在很多建筑領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用前景。然而，該技術(shù)的研發(fā)目前還處在初步階段，進(jìn)一步發(fā)展涉及一系列跨學(xué)科的基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題和技術(shù)工程化問(wèn)題，即如何尋找能夠產(chǎn)生高性能材料的生物系統(tǒng)和礦化機(jī)制、如何進(jìn)一步提高生物礦化反應(yīng)過(guò)程的效率、如何降低過(guò)程的成本等，需要投入力量進(jìn)一步開(kāi)展系統(tǒng)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(xué)［M］.北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)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(yīng)用進(jìn)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〕