综述：低碳混凝土中工程化的微生物自修复策略：综述

《New Biotechnology》：Engineered microbial self-healing strategies in low-carbon concrete: A critical review

低碳混凝土的微生物自修复技术：原理、挑战与未来方向

　　### 低碳混凝土与微生物诱导碳酸钙沉淀的协同潜力

在应对全球气候变化和可持续发展挑战的背景下，建筑行业面临着减少其环境足迹的迫切需求。水泥生产是全球二氧化碳排放的重要来源，占全球排放量的约8%。为了减少这种排放，低碳混凝土（LCC）成为研究热点，通过使用替代性结合剂（如粉煤灰、矿渣和煅烧石灰石）或引入碳捕集技术，将普通波特兰水泥（OPC）的碳足迹降低了20%-50%。然而，这些低碳材料往往伴随着结构脆性和裂缝易发性等性能权衡，这使得其在长期耐久性方面存在缺陷。为了解决这一问题，微生物诱导碳酸钙沉淀（MICCP）作为一种自修复机制，展现出巨大的潜力，它通过引入自主的修复过程，显著增强了混凝土的耐久性和使用寿命。

MICCP利用微生物的代谢活动，在裂缝中形成碳酸钙（CaCO?）沉积物，从而填补裂缝并恢复混凝土的结构完整性。这一过程不仅提高了材料的机械性能，还通过减少维修需求和延长服务寿命，实现了碳排放的降低。研究表明，在实验室条件下，MICCP能够实现80%-90%的裂缝闭合率，并恢复高达95%的抗压强度。然而，在实际应用中，由于环境因素（如温度波动、湿度变化和裂缝的复杂形态），其修复效率通常降低至50%-60%。因此，需要进一步优化微生物活性、营养供给和封装策略，以确保其在低碳混凝土中的有效性。

### 微生物选择与优化

在MICCP中，微生物的选择和优化是关键因素之一。传统的尿素分解菌（如Sporosarcina pasteurii和Bacillus subtilis）已被广泛研究，它们能够有效提高碳酸钙的沉淀效率。然而，为了应对低碳混凝土中极端的pH环境和有限的钙源，研究者正在探索非尿素分解途径，如碳化酶（CA）介导的碳源利用或通过呼吸作用产生的碳酸盐。这些新型微生物可能在不产生氨的情况下实现更环保的修复过程。此外，基因工程技术的引入，如CRISPR修饰的菌株，能够提高微生物的耐碱性，增强其在高pH环境中的存活率，从而提高修复效率。

### 封装策略与材料选择

为了保护微生物在混凝土环境中的活性，封装技术被广泛应用于MICCP系统中。常见的封装材料包括生物炭、水凝胶、硅胶等，它们能够维持微生物的活性，同时控制营养释放的速率。例如，生物炭不仅作为微生物载体，还能作为碳汇，提高材料的可持续性。硅胶封装能够提供化学和机械稳定性，但其合成过程可能带来较高的能量消耗和碳排放。因此，需要在封装材料的选择上进行权衡，既要确保微生物的存活率，又要减少对混凝土性能的影响。水凝胶由于其生物相容性和可控释放特性，成为一种有前景的封装材料，但其在高pH环境中的机械强度可能不足。

### 低碳混凝土中的微生物自修复

将MICCP集成到低碳混凝土（LCC）系统中，需要考虑材料本身的化学和微观结构特性。例如，在使用矿渣或地质聚合物作为结合剂的LCC中，高pH环境可能对微生物的存活产生不利影响。因此，需要开发适应性强的微生物菌株，或者采用更有效的封装策略，以确保其在这些极端条件下的活性。此外，LCC中的钙源可能有限，这要求优化营养供给策略，如在混凝土中添加钙乳酸等物质，以促进微生物代谢和碳酸钙的形成。

### 环境与经济挑战

尽管MICCP在实验室中展现出良好的修复效果，但在实际应用中，其性能可能受到环境因素的限制。例如，冻融循环和干旱等自然条件可能影响微生物的活性，降低修复效率。此外，封装材料的成本和可持续性也是需要考虑的问题。生物炭的生产可能带来额外的碳排放，而合成水凝胶的高成本可能阻碍其大规模应用。因此，需要在材料选择、封装技术优化和经济性之间找到平衡，以确保MICCP在低碳混凝土中的实际应用效果。

### 未来研究方向

为了推动MICCP在低碳混凝土中的广泛应用，未来的研究应关注以下几个方面：首先，标准化测试协议的制定，以确保不同研究结果的可比性；其次，开发先进的实时监测技术，如高分辨率X射线计算机断层扫描（micro-CT）和光纤传感器，以跟踪裂缝修复过程；第三，探索基因工程菌株的潜力，以提高其在高pH环境中的适应性；最后，需要进行长期性能评估和生命周期分析（LCA），以全面衡量MICCP对环境的影响。通过解决这些挑战，MICCP有望成为实现碳中和基础设施的重要技术。

### 结论

微生物诱导碳酸钙沉淀（MICCP）在低碳混凝土（LCC）中的应用，为建筑行业的可持续发展提供了新的解决方案。通过优化微生物活性、封装策略和营养供给，MICCP能够有效提高LCC的耐久性和长期性能，同时减少碳排放。尽管在实际应用中仍面临诸多挑战，但随着技术的不断进步和研究的深入，MICCP有望成为未来绿色建筑的关键技术之一。