生物矿化新型建筑材料研究

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摘要：生物矿化是指由生物体通过生物大分子的调控生成无机矿物的过程。近年来，人们关注这一过程在材料制备方面的潜在应用，但绝大多数研究局限于小批量、实验室规模的材料制备。生物矿化过程为解决建筑材料生产的高能耗和高排放问题提供了一种可能的途径。试图探讨将生物矿化过程用于大批量生产的建筑材料的可行性，在对已有的研究工作进行简要总结的基础上，对基于生物矿化过程的新型建筑材料技术的制约因素进行了初步分析，提出了需要解决的问题。

关键词：生物矿化；材料制备；建筑材料；环境友好技术

1概述

生物矿化是通过生物大分子的调控将溶液中的离子转变为无机固相矿物的过程，这一过程对于动物的骨骼、牙齿、贝壳等生物组织的形成发挥了至关重要的作用，也导致了一些具有奇特形态的自然奇观，如珊瑚、珍珠等的形成。作为生命科学、化学与材料科学等多学科的交汇点，生物矿化过程近年来得到了研究者的广泛关注。一方面，人们从生物大分子、基因和晶体生长层次上研究该过程的原理和机制；另一方面，将这一过程引入到了各种新型材料的制备，在生物医用材料、仿生材料、纳米半导体材料、有机-无机杂化材料等方面取得了一系列突破。然而，上述绝大多数材料局限于小批量、实验室规模的材料制备，而对于建筑材料这样需要形成一定规模的材料制备，目前的报道还不多。本文试图在已有的初步研究工作基础上，探讨利用生物矿化过程实现大批量绿色建筑材料生产的可能性。

2宏量生物矿化反应的分析

生物矿化可导致一些宏观自然现象，珊瑚礁是一个典型的例子。珊瑚礁的形成是通过无脊椎动物的生物矿化实现的。在这一过程中，珊瑚虫细胞内的囊泡中沉积着高度无序的矿物相，随后被运输到胞外最终的沉积形成坚固的固体，分泌出主要成分为碳酸钙的外壳。珊瑚的钙化成型作为全球重要的生物地球化学过程，其占地面积达到3.0×105km2[1]。另一个例子是一类具有色素体的单细胞植物——硅藻。硅藻是一类最重要的浮游植物，分布极其广泛。硅藻是真核藻类的一个主要类群，硅藻的一个主要特点是硅藻细胞外覆硅质（主要是二氧化硅）的细胞壁。硅质细胞壁纹理和形态各异，但多呈对称排列。这类微生物常用一分为二的繁殖方法产生，硅藻死后，它们坚固多孔的外壳——细胞壁也不会分解，成为硅藻土。有人认为，地球上有机物质中的3/4是来自于硅藻和藻类的光合作用[2]。上述两个例子表明，生物矿化过程不仅适用于小批量的特殊材料合成，也有可能用来产生大批量、具有特殊形态的无机固体材料。同时，由于生物矿化是一种生物体参与的复杂物理化学过程，有机基质作为构造支持的惰性底质或矿物沉淀的局限空间和核化作用的表面，确定了矿物生长的形态、空间排列、结晶取向，所获得的材料往往具有特殊的、高度一致的多层次结构和独特的机械、力学和渗透等性质。由此可见，生物矿化过程可能提供一种高效、节能、环境友好的新型建筑材料制备技术。

3多次研究尝试

早在1992年，Kantzas等人就尝试利用微生物矿化过程沉积的碳酸钙材料作为凝胶材料，使得松散状态的沙粒胶结，用于石油开采[3]。基于这一思路，很多研究者开展微生物诱导碳酸钙矿胶结机制的研究。研究发现，这种沉积过程中微生物分泌的胞外聚合物及其双电层的存在，使得微生物吸附在沙土表面。微生物一方面通过新陈代谢活动提供生物矿化所需要的碱性环境；另一方面，利用细胞壁表面带有的官能基团（羟基、羧基等）吸附溶液中的钙离子而形成结晶核，从而实现碳酸钙在沙土粒表面的生长。而由于颗粒接触点附近区域微生物浓度较高，导致了碳酸钙主要在这些区域沉积，从而使颗粒之间形成胶结[4]。这样一种基于纯自然过程的胶结机制为建筑材料胶结过程的绿色化提供了途径。与此同时，一些研究者对基于上述机制实现胶结的复合体的固体力学性质、载荷性能、渗透性等性能开展了较为系统的研究，并试图通过寻找、优选和培养新的微生物菌种、改进微生物、培养液及钙离子与基体材料的复合方式、优化生物钙化过程的温度和化学环境等，提高生物矿化过程的进程，推动这一技术走向批量化[5]。在应用方面，一些学者尝试了利用生物矿化材料取代水泥作为复合建筑材料的胶结剂。将具有生物矿化功能的细菌溶液引入砂粒，细菌在砂粒表面的结合溶液完全润湿后，沉淀方解石与相邻的砂粒连接，实现固化。该方法曾在沙漠中被用于沙漠的固化，也被用于道路、堤坝、池塘的建设。一些研究还表明，生物矿化材料也可以用作水泥的添加剂，可提高材料耐久性。研究还尝试将生物矿化材料作为保护层来改善建筑物表面，将细菌与相应的营养液及钙离子喷在建筑表面，随着时间的推移，会在最后沉淀出一层方解石对建筑起到保护作用。微生物矿化过程还被用于修复建筑。向建筑裂缝中引入生物矿化反应体系，会在裂缝中沉淀碳酸钙，从而封闭裂缝间隙，使建筑得到加固[6]。

4技术分析：机遇与挑战

建筑材料使用中产生的大量资源、能源消耗和二氧化碳的不断排放日益被全世界所关注，发展绿色化的建筑材料生产方式是人类面临的重要难题，这为生物矿化技术向建材领域发展提供了前所未有的机会。然而，将这一技术从实验室推向工业应用，尚需克服一系列问题，并开展大量深入系统的研究工作，具体如下。4.1生物矿化材料的坚固性和耐久性。在建筑材料中，生物矿化材料通常会作为辅助材料被广泛应用，比如生物基水泥中作为凝胶材料，而材料的坚固性依然取决于基体材料。由于生物矿化过程属于晶体生长过程，其晶体往往具有较高的密度和完整性，这一点决定了这类材料自身具有非常好的耐久性，而决定复合材料坚固性和耐久性的主要难点在于改善生物矿化材料与基体材料的界面结构，这方面尚需大量的基础研究工作。4.2如何降低生物矿化过程的成本。在绝大多数生物矿化过程中，其主要成本来自于生物体培养的营养素。比如生物基水泥的发酵过程需要大量营养物质提供细菌，给细菌繁殖提供碳酸钙沉淀养分的成本就会上升，这部分的成本占到了生产成本的60%左右。因此，寻找廉价的营养源势在必行。目前的一个研究方向是利用含有高浓度蛋白质的工业废水作为营养素，可望大幅度降低过程成本，同时解决工业废水的处理问题。4.3生产效率问题。生物矿化过程作为一类生化反应，其反应速率既与反应自身动力学参数有关，也与一些环境参数（如温度、pH值等）密切相关，如何寻找具有高反应速率的生物矿化过程，优化材料形成过程的工艺参数，是需要进一步研究的问题。4.4潜在的生态效应。就目前已有结果看，生物矿化制备建筑材料的制备是一类非常环保的过程，但大规模使用可能涉及菌种及培养液的大量使用，能否产生其他生态效应尚需进一步评估。鉴于上述问题都是涉及生物学、化学、材料、建筑工程等多个领域的复杂的系统科学与工程问题，需要组织跨学科的研究队伍进行研究开发。在应用方面，可以小规模的应用（如旧建筑的修复、工程加固等）为起点，在应用中进一步研发，逐渐推向对质量要求相对较低的应用领域（如沙漠固化、普通道路），再向量大面广的建筑工程领域（如民用建筑、公路等）循序渐进地应用，并逐步建立相应的技术标准体系，发展成革命性的新一代绿色建筑材料技术。

5结论

建筑材料的高能耗和高排放已成为全球关注的热点问题。基于生物矿化过程的新型建筑材料技术为解决这一问题提供了一个有效的途径，有望成为在生物学与材料科学技术交叉领域的新的科学和技术前沿。从已有的研究进展看，基于生物矿化过程的建筑材料制备技术具有绿色环保和低能耗的特点，所制备的新型材料在很多建筑领域都有广阔的应用前景。然而，该技术的研发目前还处在初步阶段，进一步发展涉及一系列跨学科的基础科学问题和技术工程化问题，即如何寻找能够产生高性能材料的生物系统和矿化机制、如何进一步提高生物矿化反应过程的效率、如何降低过程的成本等，需要投入力量进一步开展系统研究。

作者:任毅 单位:东北师范大学附属中学