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作者 ∣裴 迪 責(zé)編 ∣霍 麟 吉 佳 你愿意住在由細(xì)菌修筑起來的房屋嗎？ 隨著城市化水平不斷提高， 很多人都生活在由鋼筋混凝土筑造的城市里， 你有想過細(xì)菌也能修筑起參天樓閣嗎？ 今天我們就來了解一下，這是一種什么樣的細(xì)菌。  什么細(xì)菌這么牛？ 這位微米級(jí)“建筑師”的學(xué)名被稱為巴氏芽孢桿菌，是一種從土壤中分離出的革蘭氏陽性菌（但不具備致病性哦?。1]。顧名思義，該細(xì)菌外形呈桿狀，并且會(huì)在缺少營養(yǎng)物質(zhì)時(shí)以芽孢的形式繼續(xù)存活（類似于動(dòng)物的冬眠）。 巴氏芽孢桿菌能夠在15～37℃下正常生長，是一種好氧菌，即在無氧環(huán)境下無法進(jìn)行正常的生長代謝。能夠形成芽孢的特性使其具有很強(qiáng)的生存能力，這一特性也是眾多學(xué)者將其開發(fā)為自修復(fù)混凝土（水泥）的核心要素之一。  巴氏芽孢桿菌在掃描電子顯微鏡下的形態(tài) [2] 如何“變身為建筑師”? 想讓這位“師傅”干活，也得給它工具和酬勞啊。那么它是如何工作的呢？這就要依靠它在同行中無與倫比的礦化能力了。巴氏芽孢桿菌擁有足以傲視群雄的尿素酶活性（學(xué)名：脲酶），可以將環(huán)境中的尿素迅速分解為銨根和碳酸根，在環(huán)境中同時(shí)存在鈣離子的情況下，便會(huì)以細(xì)菌為晶核產(chǎn)生礦化產(chǎn)物方解石（碳酸鈣的一種晶型）。 產(chǎn)尿素酶的微生物水解尿素而產(chǎn)生碳酸鹽沉淀的礦化方式，是微生物礦化中最直接且最容易控制的，但并不是所有具備尿素酶的細(xì)菌都能做到如此高效的礦化。首先，巴氏芽孢桿菌的尿素酶活性是已知細(xì)菌當(dāng)中最高的，提供了高效的“生產(chǎn)力”；其次，有研究表明巴氏芽孢桿菌表面負(fù)電荷比其他的細(xì)菌要多，因此，其對(duì)鈣離子具有更強(qiáng)的捕獲能力。綜合以上因素，巴氏芽孢桿菌成為微生物礦化研究和應(yīng)用中最亮的那顆星!  產(chǎn)脲酶微生物誘導(dǎo)生成碳酸鈣沉淀的過程示意圖 [3] 說了半天，它倒是蓋樓??！不急不急，咱們來了解一下為什么它礦化出來的方解石就能修筑我心目中的象牙塔？因?yàn)椋褪涎挎邨U菌礦化產(chǎn)生的方解石，具有一定的膠結(jié)能力。這就是它又被稱為“微生物水泥”的原因，叫水泥大家就都懂了嘛！可能有人會(huì)問，方解石有這能力？究其原因的話，該礦化產(chǎn)物的膠結(jié)能力也不能全歸功于方解石。有研究表明，作為“水泥”將松散的砂粒粘合在一起，發(fā)揮作用的正是有機(jī)質(zhì)、石英砂和生物方解石之間形成的氫鍵[4]。這下可以蓋樓了! 讓我們來看看它的杰作 早在1996年，F(xiàn)erris等[5]就利用巴氏芽孢桿菌誘導(dǎo)礦化的能力，對(duì)油田進(jìn)行裂縫封堵，控制原油流動(dòng)，提高了原油的開采率。2001年Ramachandran等[6]較早地利用微生物礦化技術(shù)，制備了常規(guī)水泥的替代品，并有效地提高了混凝土的抗壓強(qiáng)度和剛度。Qian等[7-8]也利用巴氏芽孢桿菌誘導(dǎo)礦化技術(shù)對(duì)大理石文物表面進(jìn)行防護(hù)，提高了文物的抗侵蝕能力。 2007年荷蘭科學(xué)家Jonkers發(fā)表文章提出了環(huán)境對(duì)傳統(tǒng)水泥建筑長時(shí)間的侵蝕問題，并提出一種能夠自我修復(fù)的生物水泥，其可通過自身的修復(fù)能力完成對(duì)裂縫的修補(bǔ)工作，環(huán)保且省力。首先，為實(shí)現(xiàn)水泥的自修復(fù)能力需要在水泥中添加可實(shí)現(xiàn)生物礦化的微生物，但是水泥內(nèi)部屬于高堿性的干燥環(huán)境，并不適合絕大多數(shù)微生物的生存，而且水泥的裂縫出現(xiàn)需要時(shí)間的累積，這樣就要求水泥內(nèi)的微生物能在該環(huán)境下存活數(shù)年，可以完成數(shù)年后的裂縫修補(bǔ)工作[9]。他們通過大量的實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)了巴氏芽孢桿菌，該菌可以適應(yīng)堿性的干燥環(huán)境，并且其孢子能夠以休眠的狀態(tài)存活數(shù)十年，滿足生物水泥對(duì)其內(nèi)部微生物的特殊要求。該項(xiàng)技術(shù)在2016年被美國有線電視新聞網(wǎng)（CableNews Network，CNN）稱為“史上最受歡迎的建筑材料”。 2012年，美國bio-MASON公司推出了“培養(yǎng)”生物磚的業(yè)務(wù)。他們首次采用微生物誘導(dǎo)礦化技術(shù)來生產(chǎn)磚塊，以替代傳統(tǒng)的磚窯生產(chǎn)。該過程主要分為3步：先是在磚塊模具中放入沙土；然后，將巴氏芽孢桿菌菌液接種在沙土中；最后，每隔一段時(shí)間將促進(jìn)生物礦化的混合溶液澆灌在沙土上，通過多次礦化膠結(jié)，生產(chǎn)出足夠強(qiáng)度的生物磚。  bioMASON公司生產(chǎn)的生物磚 [10] 2018年，南非開普敦大學(xué)（UCT）也報(bào)道了關(guān)于生物磚的研究成果：該校學(xué)生SuzanneLambert等利用巴氏芽孢桿菌和人尿成功研制出“生物磚”[11]。據(jù)報(bào)道，這是首次利用人類尿液制備生物磚。他們通過特別設(shè)計(jì)的便池收集人的尿液，尿液中大部分成分可以變成固體肥料，剩余液體通過滅菌等一系列處理后，與沙子和細(xì)菌進(jìn)行混合，制成生物磚。據(jù)開普敦大學(xué)介紹，這種生物磚的強(qiáng)度和形狀可以根據(jù)需要進(jìn)行改變。如果想要更高強(qiáng)度的磚體，只需要讓制作時(shí)間加長，即可達(dá)到效果。  南非開普敦大學(xué)研制的生物磚 這位“建筑師”的優(yōu)勢在哪里？ 以生物磚為例，生物磚的生產(chǎn)比傳統(tǒng)磚窯生產(chǎn)具有很大的優(yōu)勢。首先，生物礦化節(jié)約能源，不需要燒火高溫，因此也減少了碳排放量。其次，生物礦化磚可以實(shí)現(xiàn)多種外觀形狀，通過對(duì)模具和沙土固化模型的設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)礦化膠結(jié)物外觀形狀的特殊定制，以滿足特殊條件下的使用要求[10]。據(jù)bio-MASON公司官方數(shù)據(jù)表明，到2016年為止，該公司已經(jīng)生產(chǎn)了1.23萬億塊生物磚，在二氧化碳排放上，為全球減少了8億噸的排放量。 另外，生物礦化需要的原材料主要是尿素，這種物質(zhì)在各種生物的排泄物中比比皆是，將其利用起來，簡直是變廢為寶，點(diǎn)石成金，這樣的優(yōu)勢夠明顯了吧！ 講到這里，大家是不是對(duì)這個(gè)既環(huán)境友好又具有經(jīng)濟(jì)效益的微生物建筑大師產(chǎn)生了興趣？國防科技大學(xué)仿生生物學(xué)課題組系統(tǒng)地綜述了巴氏芽孢桿菌礦化作用的生物機(jī)制。（詳情請點(diǎn)擊下方閱讀原文） 據(jù)《環(huán)球軍事雜事》報(bào)道，美空軍希望利用細(xì)菌和微生物在荒涼地帶生出一條跑道來，并將該項(xiàng)目命名為“美杜莎”工程。其利用的細(xì)菌即為巴氏芽孢桿菌，美軍已考慮將巴氏芽孢桿菌礦化技術(shù)用于修筑飛機(jī)跑道了。  用微生物礦化技術(shù)修筑飛機(jī)跑道 隨著巴氏芽孢桿菌礦化技術(shù)的廣泛研究，其對(duì)環(huán)境友好且社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值高等優(yōu)良特性，在許多領(lǐng)域都展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景。著眼微生物礦化技術(shù)的發(fā)展情況，目前還存在某些亟待解決的問題。 期待在不久的將來 隨著巴氏芽孢桿菌基因組的全面測序 巴氏芽孢桿菌的礦化作用能得到更大的拓展 參考文獻(xiàn) [1] Dejong J T , Fritzges M B , Nüsslein, Klaus. Microbially induced cementation to control sand response to undrained shear.Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2006,132(11): 1381-1392 [2] Zhang W, Ju Y, Zong Y,et al. In situ real-time study on dynamics of microbially induced calcium carbonate precipitationat a single-cell level. Environmental Science & Technology, 2018,52: 9266-9276 [3] Muynck W D , Belie N D , Verstraete W . Microbial carbonate precipitation inconstruction materials: a review. Ecological Engineering, 2010, 36(2):118-136 [4] Qian C X , Yu X N . A study on the cementation interface of bio-cement. MaterialsCharacterization, 2018, 136:122-127 [5] Ferris F G , Stehmeier L G , Kantzas A , et al. Bacteriogenic mineral plugging. Can Petr Technol, 1996, 35(8)：56-61 [6] RamachandranS K , Ramakrishnan V , Bang S S . Remediation of concrete using microorganisms. 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Journal of Environmental Chemical Engineering. 2018, 6(2): 2627-2635 ★作者介紹★  裴迪，博士研究生。本科專業(yè)為應(yīng)用數(shù)學(xué)，研究生和博士階段專業(yè)為生物醫(yī)學(xué)工程，均就讀于國防科技大學(xué)?，F(xiàn)階段主要從事微生物礦化機(jī)理及應(yīng)用拓展研究。 本文轉(zhuǎn)載自公眾號(hào)“生物化學(xué)與生物物理進(jìn)展” 由中國生物物理學(xué)會(huì)主辦的 “第十八次中國暨國際生物物理大會(huì)” 將于2020年11月15-18日 在廣東省廣州市召開 歡迎全國各研究機(jī)構(gòu)、高等院校 和企業(yè)的科技工作者參加 中國生物物理學(xué)會(huì)官方訂閱號(hào)，為BSC會(huì)員及生物物理領(lǐng)域?qū)I(yè)人士服務(wù)。 投稿及授權(quán)請聯(lián)系：bscoffice@bsc.org.cn。 微信號(hào)：BSC-1979 原標(biāo)題：《【前沿科普】看不見的“生物建筑師”》 |
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