瑞士科学家利用细菌将沙子变成建筑材料 有望降低建筑业碳排放

瑞士苏黎世联邦理工学院的研究人员开发出一种新型建筑材料制造技术，利用活体细菌将松散的沙粒结合成坚固的建筑构件。与传统水泥生产需要消耗大量能源、在高温条件下烧制不同，这种被称为生物水泥化的技术可以在常温下完成矿物固化，有望为建筑行业提供一种更加环保的材料制造方案。

水泥是现代建筑业最重要的基础材料之一，但传统波特兰水泥的生产需要将原料加热至高温，消耗大量能源，并产生可观的二氧化碳排放。因此，寻找能够减少能源消耗和碳排放的替代材料，一直是建筑材料研究领域的重要方向。此次研究的核心思路并不是重新设计传统水泥的烧制工艺，而是利用微生物自身的代谢活动，在沙粒之间形成天然矿物质，将原本松散的颗粒结合成具有一定强度的整体。

研究团队使用的细菌名为巴氏芽孢八叠球菌（Sporosarcina pasteurii）。在适当条件下，这种细菌能够促进碳酸钙的形成。碳酸钙广泛存在于石灰岩、白垩以及贝壳等天然物质中。当其在沙粒之间析出并形成微小晶体时，就能够充当矿物黏合剂，将沙粒连接起来，最终形成具有一定强度的固体材料。

这种工艺被称为微生物诱导碳酸钙沉淀，简称MICP，也被称为生物水泥化技术。此前，研究人员已经尝试将其用于土壤加固、地基稳定以及混凝土裂缝修复等领域。而苏黎世联邦理工学院此次研究的不同之处，在于尝试直接将沙子加工成独立的建筑材料，而不只是利用细菌改善现有材料的性能。

研究团队由Karen Antorveza Paez带领，提出了两种制造方法。第一种方法将生物水泥化技术与3D打印结合起来。研究人员开发了一种特殊的生物墨水，其中包含水、沙子、活体细菌及相关化学成分。这种混合物具有类似凝胶的稠度，可以通过3D打印设备塑造成预定形状，从而制造结构复杂的建筑构件。

完成打印后，构件需要浸入含有尿素和氯化钙的溶液中，持续约三天。在这一过程中，细菌促进矿物晶体生成，使沙粒逐渐结合。随后，构件在室温下干燥约两天，细菌不再保持活跃，最终形成固体结构。从打印到完成固化，整个流程最长约需五天，而且不需要使用传统高温烧制设备。

研究人员将这一过程比作烘焙蛋糕：最初成形的材料仍然柔软、容易变形，需要经过后续处理才能获得坚固结构。区别在于，传统烘焙依靠热量完成固化，而这项技术依靠细菌推动矿物质生成，在常温下完成类似的转变。

第二种方法则采用机器人喷涂技术。机械臂将沙子、细菌以及矿化所需的材料依次喷洒到目标表面，通过反复叠加形成多层结构。随着碳酸钙逐步生成，各层沙粒相互结合，最终形成坚固的表面或建筑构件。研究团队已经让这套系统连续运行六个月，证明其具备自动化工作的潜力，可以减少对人工持续干预的依赖。

两种方法各有适用场景。3D打印更适合制造形状复杂、具有特定几何结构的建筑部件，而机器人喷涂则更适合在表面逐层构建材料。研究团队已经利用这项技术制造出建筑立面构件，未来有望用于遮阳设施、隔断墙等建筑部件。

不过，这项技术距离大规模商业化应用仍有明显差距。其中一个重要问题是制造过程中的副产物。3D打印方法所使用的矿化溶液会产生铵类物质，如果处理不当，可能对环境造成危害。研究人员需要找到有效的回收或中和方法，才能进一步扩大生产规模，否则这种材料在环保方面的优势可能受到限制。

材料强度同样是需要解决的关键问题。目前，研究团队认为，这种生物水泥更接近砂浆，而不是能够直接替代承重混凝土的结构材料。砂浆主要用于黏结砖块和填充接缝，而混凝土则广泛用于楼板、柱体和地基等承重结构。要将生物水泥用于更广泛的建筑工程，还需要进一步验证其力学性能、长期耐久性以及在不同环境条件下的稳定性。

此外，沙粒的尺寸和颗粒之间的排列方式也会影响最终材料的性能。研究人员仍在探索如何通过调整原材料和制造参数，获得更稳定的强度与结构特性。这意味着，未来的研究不仅需要改进细菌诱导矿化的过程，还需要建立适用于不同建筑用途的材料设计和质量控制标准。

尽管存在这些限制，这项研究仍然展示了建筑材料制造的一种新方向：通过微生物引导矿物质在颗粒之间生长，将天然颗粒材料转化为具有特定形状和性能的建筑构件。若未来能够解决副产物处理、材料强度和规模化生产等问题，生物水泥化技术有望应用于部分传统砂浆和建筑构件的生产，减少对高能耗制造工艺的依赖。

与直接取代传统混凝土相比，这项技术更现实的近期目标，是先进入非主要承重部件和建筑表面材料等应用领域。研究团队的成果表明，细菌不仅能够参与土壤加固和建筑修复，还可能成为制造新型建筑材料的工具，为降低建筑业能源消耗和碳排放提供另一种技术路径。