建造會呼吸的「石屎森林」：生物水泥

By Roshni Printer

引言

在過去幾個世紀裡，我們一直依賴龐大的工廠製造水泥來建造城市 — 但你知道嗎？科學家正開發利用活生物製造水泥的嶄新方法！

甚麼是水泥？

水泥是混凝土（俗稱「石屎」）的關鍵成分。當水泥被送到施工現場並與水混合時，水泥漿便可作為黏合劑，將骨材（建築用的碎石）黏在一起形成混凝土 [1]。製造水泥需要消耗大量能量，過程中原料需被加熱至1,500°C，並產生數以噸計的二氧化碳。目前水泥工業佔全球二氧化碳排放量5–8% [2]。隨著城市發展持續推動對建築材料的需求，研究人員開始尋求更環保的方法生產水泥。

大自然的啟示：生物礦化

我們能向大自然學習嗎？事實上，自然界一些最耐用的結構材料都是生物礦化作用的產物 [3]。生物礦化可定義為「活生物產生礦物的過程」。生物礦物包括磷酸鹽、碳酸鹽和硫酸鹽，常見例子有珊瑚、貝殼、蟻丘、牙齒琺瑯質和鹿角 [3]。由於生物體內的反應都是在較溫和的條件下進行，能節省不必要的能量消耗，因此生物工程師渴望為生物礦化尋求現實世界的應用。

初探生物水泥

其中一種開發中的物料是活微生物透過「微生物誘導碳酸鈣沉澱作用」所產生的生物水泥 [4]，這個生物化學轉化過程由Sporosarcina pasteurii等土壤細菌主導 [5]。與傳統水泥不同，生物水泥是在室溫下 [6] 由細菌、尿素、鈣鹽，以及砂、碎石或礫石等結構基質的混合物轉化而成 [5, 7]。

S. pasteurii是一種在鹼性環境下生長良好，而且具高尿素酶活性的菌種 [5]。該細菌細胞質中的尿素酶會把經運輸或擴散進入細胞的尿素（CO(NH₂)₂）分解成氨（NH₃）和碳酸（H₂CO₃），碳酸在生理pH值下會以碳酸氫根離子（HCO₃⁻）的形態存在。由於氨是弱鹼，它會接受質子（H⁺）並提高周圍pH值，根據勒沙得利爾原理（Le Chatelier’s principle），這會進一步使碳酸鹽平衡偏向生成碳酸根離子（CO₃²⁻），該離子及後會被運輸至細胞外。由於最初添加的鈣鹽提供了鈣離子，使碳酸鈣（CaCO₃）晶體得以沉澱出來。

細菌的細胞壁是晶體核形成的地方，會長出大顆而堅硬的碳酸鈣晶體，形成用以黏合鬆散骨材的骨架，藉此模擬傳統水泥的特性 [7]。

生物水泥的驚人特性

生物水泥最令人驚嘆的特點之一，在於可以透過控制反應時間、溫度和骨材成分等參數調整其物理特性 [8]，使我們能精準製造具備理想密度、滲透性和結構性能的生物水泥，以滿足特定的工業需求。

此外，生物水泥還能具有自我修復功能 [9, 10]。某些細菌產生的孢子能在材料內部長期保持休眠狀態，一旦出現裂縫，水分和氧就會進入結構內「喚醒」孢子並啟動修復程序，由內而外合成新的碳酸鈣以填補裂縫。然而，由於未必每個菌種都能存活於極鹼的環境中，所以研究人員正尋找合適的保護載體，以提高細菌孢子在混凝土中的存活率。

以基因工程探索未來方向

為了提高碳酸鈣的產量，科學家正研究透過基因工程改造S. pasteurii。可能的方向包括將尿素運輸系統移植至細菌中，若該細菌本身已含有尿素運輸系統，就可以透過改善現有系統以增加細胞內的尿素濃度 [5]。科學家亦可以改良S. pasteurii尿素酶的結構，以提高該酶的效率 [5]；或是透過過量表達尿素酶基因（即增加該基因的轉錄和轉譯），從而提高這種生物催化劑的濃度 [9]。

生物水泥的潛在用途

生物水泥的自我修復特性使其有望成為未來基建的理想材料。透過將細菌注入橋樑和城市建築，我們就能利用細菌主動填補縫隙，防止水分進入並腐蝕內部的鋼筋結構 [9]。

因此，生物水泥亦是強大的結構修復工具。老舊的水壩和隧道等大型水底建築往往需承受來自周圍水體的巨大水壓 [4]，將生物水泥注入已發現的裂縫可以鞏固結構，所產生的不透水碳酸鈣可以有效減弱，甚至截斷建築內外的水流，防止結構性崩潰 [4, 11]。

另一個可能用途是土壤穩定（soil stabilization）。鬆散的土壤容易導致侵蝕和山泥傾瀉，微生物誘導碳酸鈣沉澱作用透過將鬆散的砂粒黏在一起，展現了其預防土壤侵蝕和山泥傾瀉的潛力，儘管成效亦取決於土壤類型和斜坡形狀 [4, 7, 12]。

結語

畢竟大自然也花了數百萬年雕琢其獨特工藝，透過改派細菌上場，我們也許就能建造具自我修復能力的智慧城市，同時減少消耗稀缺資源。這不是正為「石屎森林」一詞賦予全新意義嗎？

參考資料

[1] Logan, A. (2020, April 3). Explained: Cement vs. concrete — their differences, and opportunities for sustainability. MIT News. https://news.mit.edu/2020/explained-cement-vs-concrete-understanding-differences-and-sustainability-opportunities-0403

[2] Khaiyum, M. Z., Sarker, S., & Kabir, G. (2023). Evaluation of Carbon Emission Factors in the Cement Industry: An Emerging Economy Context. Sustainability, 15(21), 15407. https://doi.org/10.3390/su152115407

[3] Dhami, N. K., Reddy, M. S., & Mukherjee, A. (2013). Biomineralization of calcium carbonates and their engineered applications: a review. Frontiers in microbiology, 4, 314. https://doi.org/10.3389/fmicb.2013.00314

[4] Konstantinou, C., & Wang, Y. (2023). Unlocking the Potential of Microbially Induced Calcium Carbonate Precipitation (MICP) for Hydrological Applications: A Review of Opportunities, Challenges, and Environmental Considerations. Hydrology, 10(9), 178. https://doi.org/10.3390/hydrology10090178

[5] Carter, M. S., Tuttle, M. J., Mancini, J. A., Martineau, R., Hung, C., & Gupta, M. K. (2023). Microbially Induced Calcium Carbonate Precipitation by Sporosarcina pasteurii: a Case Study in Optimizing Biological CaCO₃ Precipitation. Applied and Environmental Microbiology, 89(8). https://doi.org/10.1128/aem.01794-22

[6] Nanyang Technological University. (2022, May 13). Urine, bacteria, and calcium: A green and simple recipe for biocement. https://www.ntu.edu.sg/news/detail/urine-bacteria-and-calcium-a-green-and-simple-recipe-for-biocement

[7] Xie, J., Yang, Y., Yang, L., & Sun, Y. (2024). Effect of Calcium Carbonate Deposition Induced by Microorganisms and Plant Urease on Sand Reinforcement. Polish Journal of Environmental Studies, 33(3), 2877-2889. https://doi.org/10.15244/pjoes/173166

[8] Melton, L. (2022). How to grow cement. Nature Biotechnology, 40, 286. https://doi.org/10.1038/s41587-022-01264-8

[9] Elgendy, I. M., Elkaliny, N. E., Saleh, H. M., Darwish, G. O., Almostafa, M. M., Metwally, K., Yahya, G., & Mahmoud, Y. A. (2024). Bacteria-powered self-healing concrete: Breakthroughs, challenges, and future prospects. Journal of Industrial Microbiology and Biotechnology, 52. https://doi.org/10.1093/jimb/kuae051

[10] Fahimizadeh, M., Abeyratne, A. D., Lee, S. M., Singh, R. K. R., & Pasbakhsh, P. (2020). Biological Self-Healing of Cement Paste and Mortar by Non-Ureolytic Bacteria Encapsulated in Alginate Hydrogel Capsules. Materials, 13(17), 3711. https://doi.org/10.3390/ma13173711

[11] Anbu, P., Kang, C., Shin, Y., & So, J. (2016). Formations of calcium carbonate minerals by bacteria and its multiple applications. SpringerPlus, 5, 250. https://doi.org/10.1186/s40064-016-1869-2

[12] Gupta, S., Roy, S., Datta, S., & Datta, S. (2024). Feasibility of Bio-Cementation as a Potential Method for Mitigation of Landslides. Geo-Congress 2024. https://doi.org/10.1061/9780784485316.065