生物礦化指生物體產(chǎn)生礦物質(zhì)的過(guò)程，是一種自然界極其普遍的現(xiàn)象。由珊瑚蟲(chóng)分泌的碳酸鈣構(gòu)建起的珊瑚，就是生物礦化(biomineralization)材料的一種。從微生物誘導(dǎo)的碳酸鈣沉積，硅藻中的硅酸鹽，到貝殼、珊瑚、鹿角、骨骼和牙齒等等，從微觀世界到宏觀世界，生物中存在各種各樣的生物礦化材料。

常見(jiàn)的生物礦物質(zhì)為大多無(wú)脊椎動(dòng)物中的碳酸鈣（如珊瑚，貝殼），和大多有脊椎動(dòng)物中的磷酸鈣（如骨骼，牙齒）。它們與膠原蛋白和幾丁質(zhì)等有機(jī)聚合物結(jié)合，構(gòu)成了生物礦化結(jié)構(gòu)的主要成分。

貝殼與珍珠，來(lái)源：https:///2016/11/ultimate-pearl-guide/

生物礦化過(guò)程將硬物質(zhì)與軟物質(zhì)，無(wú)機(jī)材料與有機(jī)材料組合在了一起。

雖然組成生物礦化材料的主要無(wú)機(jī)成分均廣泛存在于自然界中，甚至有的礦物質(zhì)從組成和結(jié)晶方式來(lái)看與巖石圈中相應(yīng)的礦物都是相同的。

但生物礦化材料具有常規(guī)礦物不可比擬的優(yōu)點(diǎn)：如高強(qiáng)度、高斷裂韌性、優(yōu)異的減震性能、很好的表面光潔度以及許多其他特殊的功能。

這些不同尋常的性能來(lái)源于在特定生物條件下，材料的巧妙生成過(guò)程及其所具有的精細(xì)的微觀結(jié)構(gòu)，這便是生物礦化的魅力所在。

以方解石形態(tài)存在的碳酸鈣，來(lái)源：https:///products

碳酸鈣沉淀形式的生物礦化可以追溯到前寒武紀(jì)。能引起碳酸鹽沉積的主要微生物群是光合微生物，如藍(lán)藻和微藻類(lèi)；硫酸鹽還原菌；以及一些參與氮循環(huán)的微生物。

微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀的幾種機(jī)制，包括尿素水解、反硝化作用、硫酸鹽生成和鐵還原。某些微生物可用于模擬自然界的這一礦化過(guò)程，產(chǎn)生具有膠結(jié)作用的碳酸鈣沉積。這一生物礦化過(guò)程也被稱(chēng)為Microbially Induced calcium Carbonate Precipitation(MICP)。

微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀微觀影像，來(lái)源：https:///technology

其中，由于尿素水解細(xì)菌（如芽孢桿菌）在自然界分布廣泛、水解機(jī)制簡(jiǎn)單、反應(yīng)過(guò)程容易控制、短時(shí)間內(nèi)可產(chǎn)生大量CO32-等原因?；谀蛩厮饧?xì)菌的微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉積技術(shù)的研究非常廣泛，在巖土工程和地質(zhì)工程領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景。

涉及的領(lǐng)域包括地基加固、裂縫修復(fù)和覆膜、土壤放射性核素和重金屬治理、改善基礎(chǔ)抗?jié)B性、提高土體抗液化能力、提高邊坡穩(wěn)定性、土體抗風(fēng)蝕處理、土石質(zhì)古跡的修復(fù)、濱海海岸侵蝕防護(hù)等等。

芽孢桿菌，來(lái)源：https://www./media/11155/view/bacillus-subtilis-bacterium-with-spore

微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀應(yīng)用于防波堤，來(lái)源：https:///technology

傳統(tǒng)水泥和混凝土生產(chǎn)目前占全球二氧化碳排放量的7%-8%。伴隨著我國(guó)的城市化進(jìn)程加快,建筑行業(yè)迅速發(fā)展?；炷脸蔀榱耸澜缟嫌猛咀顝V、用量最大的建筑材料，而其主要成分的水泥并不是一種可持續(xù)發(fā)展的膠結(jié)材料。

每生產(chǎn)1噸水泥就會(huì)排放近1噸CO?,嚴(yán)重影響了城市的生態(tài)環(huán)境。如果不進(jìn)行徹底變革，我們的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)將會(huì)破壞人類(lèi)充滿活力的未來(lái)生活。

鋼筋與混凝土，來(lái)源：https:///

生物水泥公司Biomason于2012年創(chuàng)立，是利用微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀技術(shù)生產(chǎn)混凝土的公司，總部位于美國(guó)北卡羅來(lái)納州三角研究園。

他們使用微生物在特定的環(huán)境和溫度下培育生物水泥，利用生物礦化的力量改造傳統(tǒng)水泥，提供對(duì)地球更友好的替代品。他們的目標(biāo)是在2030年，以生物水泥材料減少混凝土行業(yè)25%的碳排放量。

正在生產(chǎn)的生物水泥，來(lái)源：https:///

Biomason的生物水泥，來(lái)源：https:///

生物水泥生產(chǎn)車(chē)間，來(lái)源：https:///

無(wú)論如何混合和加固混凝土，最終它們都會(huì)產(chǎn)生開(kāi)裂的問(wèn)題。這些裂縫如果不加以修復(fù)，會(huì)導(dǎo)致建筑的坍塌。據(jù)估計(jì)，僅在美國(guó)，每年因混凝土腐蝕開(kāi)裂而導(dǎo)致的公路橋梁維護(hù)和維修成本就達(dá)40億美元。

微生物學(xué)家瓊克斯于2006年開(kāi)始研究利用細(xì)菌制造的自修復(fù)混凝土，他選擇芽孢桿菌來(lái)完成這項(xiàng)工作，因?yàn)樗鼈兛梢院芎玫剡m應(yīng)堿性環(huán)境并產(chǎn)生可以在沒(méi)有食物或氧氣的情況下存活數(shù)十年的孢子。

瓊克斯與自修復(fù)混凝土，來(lái)源：https://edition./2015/05/14/tech/bioconcrete-delft-jonkers/

為了誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀，芽孢桿菌需要食物來(lái)源。糖是一種選擇，但在混合物中加入糖會(huì)導(dǎo)致混凝土變得柔軟而脆弱。最后，瓊克斯選擇了乳酸鈣，將細(xì)菌和乳酸鈣放入由可生物降解塑料制成的膠囊中，并將膠囊添加到濕混凝土混合物中。

瓊克斯與自修復(fù)混凝土，來(lái)源：https://edition./2015/05/14/tech/bioconcrete-delft-jonkers/

當(dāng)混凝土中有裂縫產(chǎn)生時(shí)，水會(huì)進(jìn)入其中并打開(kāi)膠囊。然后細(xì)菌發(fā)芽、繁殖并以乳酸鹽為食，在這個(gè)過(guò)程中過(guò)程中，它們將鈣與碳酸根離子結(jié)合形成方解石和石灰石，從而修復(fù)裂縫。

瓊克斯希望生物混凝土可以成為生物建筑新時(shí)代的開(kāi)端。他說(shuō)?！按笞匀幻赓M(fèi)為我們提供了很多功能，例如這種能夠產(chǎn)生石灰石的細(xì)菌。人類(lèi)可以在材料領(lǐng)域應(yīng)用它并從中獲益。我認(rèn)為這是將自然和建筑結(jié)合，形成新概念的一個(gè)很好的例子?！?/span>

利用細(xì)菌修復(fù)的混凝土裂縫，來(lái)源：https://edition./2015/05/14/tech/bioconcrete-delft-jonkers/

除了建筑，微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉積在產(chǎn)品領(lǐng)域似乎也有極具潛力的發(fā)展前景。中央圣馬丁藝術(shù)與設(shè)計(jì)學(xué)院的辛齊亞·法拉利于2021年6月利用藍(lán)藻的生物礦化能力提出了新的產(chǎn)品制造方案。

藍(lán)藻生物礦化框架，來(lái)源：https:///CyanoFabbrica.html

藍(lán)藻生物礦化框架，來(lái)源：https:///CyanoFabbrica.html

藍(lán)藻是進(jìn)行光合作用的單細(xì)胞生物，它們?cè)诘厍蛏衔宕未笠?guī)模滅絕中幸存下來(lái)，幾乎所有環(huán)境都可以成為它們的棲息地。

層疊石是在藍(lán)藻參與的生物礦化過(guò)程中生成的生物巖（生物沉積構(gòu)造），是世界上已知最古老的化石。

38億年前，地球一片荒蕪，沒(méi)有生命跡象?？諝庵袔缀鯖](méi)有氧氣，而且還充滿著各種有毒的氣體。形成疊層石的藍(lán)藻依靠光合作用維持生命并不斷生長(zhǎng)，在此過(guò)程中釋放出氧氣，大量的氧氣不斷破水而出，進(jìn)入大氣中。

可以說(shuō)，是疊層石產(chǎn)生的氧使地球適宜孕育更多的高等生命，它為此后的生物進(jìn)化掃清了大氣無(wú)氧的障礙，為生命史的下一章鋪平了道路，地球逐漸演化成宜居的生命搖籃。

層疊石，來(lái)源：https:///

在辛齊亞·法拉利的設(shè)計(jì)中，藍(lán)藻對(duì)于產(chǎn)品的形成與外觀呈現(xiàn)發(fā)揮了重要的作用。使用藍(lán)藻誘導(dǎo)的碳酸鈣沉淀材料進(jìn)行產(chǎn)品制造，因其原料獲取可持續(xù)，生產(chǎn)過(guò)程無(wú)碳排而顯示出未來(lái)發(fā)展的潛力。

細(xì)菌可以在產(chǎn)品中保持生長(zhǎng)，并且進(jìn)行光合作用，在使用壽命結(jié)束時(shí)，這些太陽(yáng)鏡可以被銷(xiāo)毀并用作新產(chǎn)品的基材。

設(shè)計(jì)圖，來(lái)源：https:///CyanoFabbrica.html

藍(lán)藻生物礦化框架，來(lái)源：https:///CyanoFabbrica.html

藍(lán)藻生物礦化框架，來(lái)源：https:///CyanoFabbrica.html

辛齊亞·法拉利與其作品，來(lái)源：https:///CyanoFabbrica.html