基于细菌固定化技术的碳中和砂浆可行性研究——微生物CO2捕获性能评估

《Journal of CO2 Utilization》：Feasibility study for developing bacteria-based carbon-neutral mortar-Evaluation of bacterial CO 2 capture performance

本研究针对混凝土行业碳排放高、现有碳捕获技术存在早期强度发展延迟和性能不一致等问题，开发了一种基于细菌固定化技术的碳中和砂浆。研究人员通过负压法将三种分离菌株（Rhodopseudomonas palustris、Sphingobacterium multivorum和Lysinibacillus sphaericus）固定于多孔蛭石载体，系统评估了其在5-35°C、60-99%湿度及光暗循环条件下的CO2捕获性能。结果表明固定化细菌在5°C仍保持42%以上捕获效率，且细菌数量增长2.3-3.3倍，为构建材料主动碳捕获提供了新路径。

　　

随着全球混凝土年消耗量超过250亿吨，其生产过程中产生的碳排放已占全球总排放量的8-10%，其中水泥生产环节贡献了7-8%的CO₂排放。传统减排技术如胺溶液碳捕获会延缓水泥水化导致早期强度不足，碳酸化水技术则因质量波动大易造成混凝土内部孔隙增多。生物炭添加虽能部分固碳，但会显著劣化混凝土工作性和强度发展。面对这些技术瓶颈，韩国京畿大学研究团队在《Journal of CO2 Utilization》发表论文，开创性地将微生物固碳技术引入建筑材料领域。

研究团队采用负压固定化、环境模拟测试和活菌计数三大关键技术，通过16S rDNA测序筛选出三种特性互补的菌株：具备卡尔文循环（Calvin cycle）活性的Rhodopseudomonas palustris（RP）、以异养方式参与碳循环的Sphingobacterium multivorum（SM）以及能形成耐候芽孢的Lysinibacillus sphaericus（LS）。利用膨胀蛭石的高孔隙率（60-90%）和阳离子交换容量（100-150 meq/100g）特性，在10-20 torr负压下将菌液与营养介质同步植入载体内部。

2. 细菌选择与固定化

通过透射电镜（TEM）确认菌株形态特征，系统评估菌株在pH 5-12、5-35°C及光暗/好氧厌氧条件下的生长曲线。结果显示RP菌在极端环境下仍保持稳定生长，SM和LS菌在pH 7-12范围表现良好。采用含琥珀酸盐的27S培养基进行7天扩增培养，使菌液浓度达1×10⁸ CFU/mL以上。

3. 固定化细菌的CO₂捕获性能

参照ISO 22197-1标准构建密封测试系统，在9000 ppm初始浓度下监测6小时碳通量。RP菌在20°C、60%湿度条件下展现最高捕获效率（1271 ppm/h），较生物炭材料提高3倍以上。固定化载体（RPE）在5°C低温环境仍保持749 ppm/h捕获速率，且高湿度条件（99% RH）使效率提升17%。活菌计数证实暴露后菌群数量增长2.3-3.3倍，扫描电镜（SEM）图像显示蛭石孔隙内形成活跃菌落。

4. 未来研究方向

团队正开发生物砂浆涂层材料，重点评估其力学性能、干燥收缩、抗硫酸盐侵蚀等耐久性指标，同时进行环境安全性与全生命周期成本分析。

该研究首次验证了细菌在建筑材料内部长期固碳的可行性，突破传统碳捕获技术对辅助设施的依赖。通过微生物 Calvin循环将CO₂转化为生物质，不仅为混凝土碳中和技术提供新范式，更开创了"活体建筑材料"研究先河。后续研究需重点解决菌群在水泥高碱环境中的长期存活机制，以及大规模应用时的生态安全性问题。