《Biogeotechnics》：Investigation of Space Biocementation under Microgravity via Enzyme-Induced Carbonate Precipitation
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为解决地外建造中材料运输成本高昂的问题，研究人员开展了微重力条件下粗酶诱导碳酸盐沉淀(EICP)生物胶结研究。结果表明，尽管微重力会减弱反应程度并形成更分散的微观结构，但碳酸钙桥仍能有效形成并固化样品。该研究为未来月球和火星基地的原地资源利用(ISRU)建造策略提供了重要理论依据和实践指导。
随着人类太空探索步伐的加快，建立地外人类定居点已成为重要研究课题。然而，从地球向太空运输建筑材料成本极其昂贵，每公斤材料送入地球轨道乃至月球或火星都需要耗费巨大的财力和能源。频繁的火箭发射不仅增加成本，还会带来燃料消耗和环境污染等问题。因此，如何降低这些建设和维护成本成为科学家面临的关键挑战。
高昂的材料运输成本促使科学家探索原地资源利用(ISRU)技术。ISRU的核心思想是利用目的地星球上可获得的资源进行建设，减少对从地球运输材料的依赖。在众多ISRU技术中，生物胶结作为一种突出的可持续空间岩土方法受到广泛关注。其中，酶诱导碳酸盐沉淀(EICP)和微生物诱导碳酸盐沉淀(MICP)是研究最广泛的方法，两者都依赖于尿素在微观尺度上的酶水解，产生碳酸根离子，随后与钙离子结合沉淀碳酸钙。
尽管EICP技术在地球上的有效性和可行性已得到证实，但其在微重力条件下的性能仍 largely unexplored（尚未充分探索）。微重力环境中重力驱动对流的缺失可能会影响反应过程和固化效果，这对于未来地外建造应用至关重要。
为了回答这些问题，研究人员在《Biogeotechnics》上发表了最新研究成果，系统研究了微重力条件下粗酶诱导碳酸盐沉淀用于生物胶结的可行性。研究团队通过对比微重力和正常重力条件下的反应过程、固化效果和微观结构特征，为EICP作为ISRU建造策略的未来应用提供了重要见解。
研究采用的主要技术方法包括：粗酶提取与胶结溶液制备、微重力模拟实验、液相反应监测、砂基质固化实验、材料表征分析等。研究人员使用三维运动微重力回转仪模拟10-3倍地球重力的微重力环境，通过监测钙离子浓度、pH值和氨/铵浓度来追踪反应进程，并利用扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射(XRD)分析沉淀物形态和晶体结构。
3.1. 反应过程的监测与分析
通过监测液相反应系统中氨/铵浓度的变化，研究人员发现随着处理时间的增加，氨/铵浓度也相应增加，表明尿素水解程度逐渐增强。在较高底物浓度(1M)条件下，微重力样品中氨/铵浓度的增加明显低于正常重力样品，说明微重力可能在这些底物条件下抑制反应。
钙离子消耗的监测结果进一步证实了这一趋势。随着处理时间的增加，钙离子消耗量增加，表明反应程度逐渐增强。然而，微重力样品中钙离子的消耗速率低于正常重力样品。这一现象可能归因于正常重力条件下发生的重力驱动对流，其中沉淀物因重力作用而形成和沉降，这一过程促进了液相环境中酶与底物的充分相互作用。相比之下，微重力条件下缺乏重力驱动对流导致反应程度较低。
pH监测结果与这一趋势相符。微重力下缺乏重力驱动对流导致反应程度降低，因此与正常重力条件相比，尿素水解引起的pH值增加较小。值得注意的是，即使在反应程度最高的NL1样品中，pH值仍接近中性。这一方面是由于自动酸化作用，即较高反应程度下，大量碳酸钙沉淀的形成消耗溶液中的碳酸根离子，驱动碳酸和碳酸氢盐的解离，从而释放更多H?，降低系统碱度；另一方面与粗酶中丰富的植物蛋白存在的可电离侧链产生的缓冲效应密切相关。
扫描电子显微镜图像进一步支持了这些发现。在微重力条件下，由于缺乏重力驱动对流，沉淀物显得明显更加分散。相比之下，正常重力下的沉淀物在底部沉降和积累，形成更紧密的聚集。
3.2. 固化效果分析
通过对固化样品的分析，研究人员发现样品中的碳酸钙含量相对较低。这可能是由于样品制备过程中通过振动使土壤密实，减少了土壤中的孔隙空间，从而限制了胶结溶液的保留量，导致碳酸钙含量相对较低。
无侧限抗压强度(UCS)值表明，所有样品，包括微重力条件下的样品，都实现了充分的固化。密实的砂基质结构确保了即使碳酸钙含量较低也能获得足够的强度。X射线衍射分析证实所有样品中的碳酸钙都以最热力学稳定的方解石形式存在。
扫描电子显微镜图像显示，正常重力下形成的碳酸钙颗粒表现出聚集趋势，而微重力下形成的颗粒更加分散。然而，在这两种情况下，碳酸钙沉淀都形成了有利于固化的桥接结构。
3.3. 未来应用分析
由于月球和火星环境的恶劣条件，人类基地对稳定结构的依赖使得EICP相对于MICP具有更高的生物安全性显得尤为重要。此外，用于粗酶提取的植物（如大豆）在生长过程中不仅能提供宝贵的氧气，还可作为食物来源。即使经过酶提取，大豆残渣仍富含蛋白质。
反应系统的中性pH值有助于抑制氨排放，并促进铵离子的回收，从而支持植物生长。EICP的另一个主要优势是能够承受大的温度变化，且所涉及的地球生物化学过程不需要氧气供应，这使其在应对极端环境方面比依赖微生物培养的MICP更具优势。
EICP有潜力利用风化层进行后续基地建设和相关地外岩土工程应用。在月球和火星表面，灰尘和沙尘经常积聚、粘附和侵蚀表面，逐渐损害太阳能电池板、热控制系统、光学成像设备、宇航服和机械设备的功能，甚至对宇航员构成风险，尤其是在风暴多发的火星环境中。此外，EICP胶结的风化层可以进一步加工成生物砖或墙体模块。通过构建适当设计的结构，这种方法不仅能满足地外环境的承载要求，还能在缺乏磁场保护的情况下有效减少宇宙辐射通量，从而为宇航员和关键设备提供屏蔽。
然而，为了推进EICP在太空任务中的实际应用，需要进一步研究月球和火星土壤的物理化学性质，包括颗粒大小分布和可能抑制酶活性的有害成分（如高氯酸盐），及其对EICP过程的整体影响。需要注意的是，虽然回转仪可以在地球上模拟微重力条件并为EICP的空间应用可行性提供有价值的见解，但它具有固有的局限性。例如，这种方法无法完全复制真实的失重状态，因为样品仍然受到残余重力和旋转引起的剪切力的影响，这可能会影响沉淀效率和晶体结构。此外，在未来的研究中必须考虑真空、高辐射和极端温度波动等关键空间条件，以全面评估EICP在实际地外环境中的适用性和工程潜力。
该研究证实了在微重力条件下应用粗酶诱导碳酸盐沉淀进行生物胶结的可行性。主要发现包括：生物胶结可以在微重力下成功实现，为其实际应用提供了实证证据；虽然缺乏重力驱动对流会降低反应程度并产生比正常重力更分散的微观结构，但有效的碳酸钙桥仍然形成，确保砂基质固化；EICP成为未来月球和火星基础设施的一种有前景的ISRU建造策略，为可持续、自给自足的地外栖息地提供了理论见解和实践指导。
这项工作有助于理解空间生物胶结机制，并强调了其在未来地外基础设施发展中的潜力。通过将EICP与ISRU相结合，为地外建设出现了一个有前景且可行的解决方案，有助于未来地球外殖民地的长期可持续性和自给自足。随着持续的技术创新和跨学科合作，人类有望逐步实现稳定持久的地外居住，在浩瀚宇宙中为人类文明建立新的家园。
