- 科學家利用細菌和沙子製造建築材料，無需高溫。
- 嗜熱芽孢桿菌能產生礦物粘合劑，促進沙子結合。
- 生物水泥目前強度接近砂漿，適合非承重結構。
- 化學副產品氨需安全處理，影響可持續性。
為了建設可持續城市，蘇黎世聯邦理工學院的科學家們正將目光投向地球上一些最微小的生物。建築師及研究員卡倫·安託維薇莎·帕茲（Karen Antorveza Paez）將生物學與數碼製造結合，利用活細菌、沙子及機器人技術，製造堅固的建築組件，而不需燒燭任何化石燃料。這項發展針對全球最大的環境罪魁之一。水泥生產約佔全球碳排放的 8%，主要因為關鍵成分必須在極高溫度的巨大窯爐中燒製。
安託維薇莎·帕茲無需熱處理，便招募了能夠產生“礦物膠”的土壤細菌——嗜熱芽孢桿菌（Sporosarcina pasteurii）。她指出：“我們利用細菌生產一種礦物粘合劑。”一個機器手臂反覆將細菌、結晶所需的物質及沙子施加到表面，使其逐層生長。
細菌如何促進建材生產
不需要窯爐的微生物誘導碳酸鈣沉澱使得活細菌能夠在無需高熱處理的情況下，將沙子和鬆散顆粒結合成堅固的結構組件。雖然這個想法並不新鮮，但專家們早前已考慮過這種方法在火星上建造結構的可能性。細菌通過一種天然酶對尿素的分解產生混合物中的碳酸根離子。當這些離子與氯化鈣互動時，會形成微觀的石灰岩晶體，這些晶體在室溫下機械性地交織沙粒，從而使材料固化。安託維薇莎·帕茲解釋道：“這有點像烤蛋糕，你擁有的麵團仍然非常可塑且脆弱，只有烤箱可以將其變成堅固的物質。
”在她的工作中，細菌就扮演了烤箱的角色。
生物水泥的挑戰與應用
團隊開發了兩種數字製造方法來創造生物水泥建築元素。研究人員使用自定義的生物墨水，這種墨水由水、天然樹膠、沙子和活細菌組成，開發出一種 3D 生物打印工藝。打印成型後，結構會經歷一個為期兩到五天的礦化浴，每日更新以提供必要的營養。像烤箱一樣，細菌在室溫下固化材料，經乾燥後留下完全固化的無活性礦物組件。
然而強度挑戰仍然存在。第二種方法是使用機器手臂將沙子、細菌和礦化劑交替噴灑到表面，靈感來自於自然微生物岩石結構，如層狀石（stromatolites）。她表示：“作為建築師，通常不會準確知道材料中包含什麼——它是在其他地方製造的。”她對自然找到生產高度複雜材料的方法感到著迷，並希望利用這一點來解決當前的問題。這是一個前景光明的方法，但生物水泥尚未準備好取代結構混凝土。
目前，其強度更接近於砂漿，更適合用於非承重元素，如隔牆或外立面面板。此外，化學反應釋放出的氨是一種污染副產品，必須安全處理或回收。安託維薇莎·帕茲補充道：“除非我們考慮到這種化學副產品的處理，否則使用生物水泥建造不幸地並不具可持續性。”
在 2025 年威尼斯建築雙年展上，進行了一項為期六個月的安裝，展示了一個生物水泥結構在參觀者面前實時生長，顯示了自動化建設的潛力。科學家們已經證明細菌可以生長建築材料。現在，競賽在於使這些材料足夠強大，以支撐我們的城市。
生物水泥技術的發展與挑戰
這項研究展示了利用細菌和沙子製造建築材料的潛力，尤其是在減少碳排放方面的貢獻。雖然生物水泥在強度上尚未達到結構混凝土的水平，但其在非承重元素中的應用仍具吸引力。此外，化學副產品的處理問題也突顯了可持續建築材料發展中的複雜性。隨著技術的進步，未來可能會有更多創新解決方案出現，推動建築行業向更環保的方向發展。