生物增强胶凝复合材料在可持续建筑材料中的应用：减排与碳封存路径

《Systems Microbiology and Biomanufacturing》：Applications of bio-enhanced cementitious composites for sustainable building materials: emission-reduction and carbon-sequestration pathways

　　

摘要专业翻译 本文采用知识挖掘方法，审视了胶凝复合材料中的微生物强化机制。知识图谱和大语言模型（LLMs）被用于支持文献收集与整理，以将已有研究成果与生物水泥领域的最新进展联系起来。本综述涵盖了微生物诱导方解石沉淀（MICP）的代谢途径、微生物种类、强化/递送策略、胶凝环境下的微生物代谢以及功能特性（即自修复和碳封存）。本文讨论了在高碱度、受限传质和生物矿化条件下，胶凝基体内部的微生物生理学特征。文章审视了工程局限性，包括多阶段且相对缓慢的生产过程、对水分和营养物的依赖、处理副产物、不均匀沉淀以及不确定的长期存活能力。优先事项包括标准化现场测试、保护性递送系统、基于组学的微生物在水泥中响应分析以及适用于机器学习的数据库。将转录组学、代谢组学、代谢通量分析和基因组尺度模型与人工智能/机器学习（AI/ML）或数字孪生相结合，可能有助于菌株筛选以及矿化和自修复过程的预测。然而，这些方法需要可互操作的数据集和现场验证。论文详细阐述了生物增强胶凝复合材料能够支持减排和持久碳封存。然而，净负碳排放性能必须通过完整的生命周期分析来证明，该分析需考虑温室气体排放以及微生物在胶凝环境中的存活能力。

论文主体内容总结

MICP途径

方解石通过二氧化碳水解的化学反应沉淀。大气中的气态二氧化碳溶解于液态水中直至达到平衡。通过二氧化碳水解，CO₂与水反应生成碳酸（H₂CO₃）。H₂CO₃是二元酸，向水提供一个质子形成碳酸氢根（HCO₃^-）和水合氢离子（H₃O⁺）。碳酸氢根可再提供一个质子形成碳酸根（CO₃^2-）和另一个水合氢离子。在有钙离子（Ca²⁺）存在且处于碱性条件下时，会按所述方程式形成方解石。MICP作为纯化学途径的替代方案，其原理在于微生物有能力提高pH值和溶解无机碳（DIC），从而在有钙离子存在时创造过饱和条件，促使CaCO₃沉淀。细菌细胞表面通常带有净负电荷，能吸引Ca²⁺离子，形成高钙浓度区域，方解石在此处沉淀。沉淀的碳酸钙形成不同的多晶型物，主要是方解石，因其稳定性强和颗粒间键合力大而受到青睐。

微生物在介导碳酸盐沉淀方面表现出生化多样性。脲解途径效率最高，但因产生氨副产物而引发环境担忧。因此，研究正聚焦于非脲解替代途径，特别是利用有机盐或涉及通过碳酸酐酶进行CO₂封存的途径，以期在效率和环境可持续性之间取得平衡。另一种正在探索的策略是胞外聚合物（EPS）介导的沉淀。EPS作为高分子量模板，通过特定官能团螯合Ca²⁺并利用静电细胞表面吸引力，驱动被动生物矿化，造成局部过饱和。

脲解途径

脲解途径是研究最广泛、应用最多的诱导方解石沉淀机制，原因在于其简单、易于控制、反应速率快以及能迅速产生大量方解石。微生物菌株通过细胞质内的脲酶水解尿素，产生碳酸和氨。氨溶解后形成铵离子并释放氢氧根离子。氢氧根离子提高pH值，使平衡向生成碳酸根离子的方向移动。细胞内碳酸根离子与结合的钙离子反应，导致碳酸钙沉淀。值得注意的是，氨的释放会导致氢氧化钙浸出、钢筋腐蚀并营造不利于微生物存活的环境，从而降低胶凝复合材料的耐久性并限制方解石沉淀。在实践中，脲解MICP更易于现场实施，因为它主要利用像S. pasteurii和Bacillus spp.这类能形成内生孢子的细菌，其孢子可以干粉形式储存和运输，保质期长且对环境耐受性高。

好氧氧化

异养细菌可利用有机碳的好氧氧化途径来沉淀方解石。在该途径中，乳酸钙、乙酸钙和甲酸钙等有机酸盐被用作钙源。这些有机酸盐溶解后释放出钙离子和相应的有机酸根阴离子。微生物对这些有机酸根阴离子的好氧氧化产生二氧化碳。二氧化碳的溶解和水合作用生成碳酸氢根。在碱性条件下，碳酸氢根平衡转化为CO₃^2-离子，随后在有Ca²⁺存在时沉淀为CaCO₃。由于消除了氨的产生，好氧氧化途径是一种更清洁的替代方案，目前正处于积极研究中。

氨基酸氨化作用

微生物降解氨基酸并释放NH₃和CO₂。微生物如Myxococcus xanthus水解NH₃，提高pH值和碳酸根离子浓度。这为方解石的沉淀创造了有利条件。值得注意的是，在海洋环境中，碳酸酐酶（CA）能进一步加速方解石沉淀，因为氨化作用同时消耗了氢离子。

有机碳的无氧氧化

在缺氧条件下，一些微生物菌株可使用替代电子受体，包括硝酸盐还原、硫酸盐还原、铁还原和产甲烷作用。首先，硝酸盐还原因其高标准自由能而特别有利，可作为缺氧条件下的主要MICP途径。反硝化过程因消耗质子并产生碳酸氢根而提高碱度，导致方解石沉淀速率较高。此外，反硝化作用不产生有毒氨和难闻气味，是脲解的一种有前景的替代方案。其次，硫酸盐还原菌利用硫酸盐作为电子受体产生HCO₃^-和H₂S。碳酸氢根增加碱度，在有钙离子存在时沉淀碳酸钙。硫酸盐还原MICP通过消除尿素水解提供了一种低碳替代方案，但受限于严格的厌氧条件和硫化氢的产生，后者可能与铁等金属反应，降低钢筋混凝土材料的耐久性。第三，甲烷氧化菌（MOB）通过与电子受体反应消耗甲烷，产生碳酸氢根或二氧化碳。总体而言，硫酸盐作为电子受体因产生强碳酸氢根而导致最大的方解石沉淀，硝酸盐途径产生中等程度的沉淀，而铁和锰产生的沉淀最少。第四，微生物可通过细胞外电子传递机制利用乳酸等碳源还原铁，该反应产生碳酸氢根，可在有钙离子存在时沉淀方解石。然而，此过程效率较低，因为会产生质子，降低碱度和碳酸盐饱和度。此外，还原产生的亚铁离子可与钙离子竞争，与碳酸根反应形成菱铁矿矿物。

光合作用

光合微生物（蓝细菌和微藻）消耗二氧化碳。在微生物内部，CO₂浓缩机制泵入HCO₃^-，在羧酶体中通过碳酸酐酶将其转化为CO₂，并由RuBisCO固定。二氧化碳的去除释放氢氧根并提高pH值。升高的pH值驱动反应向释放碳酸根的方向进行，并增加方解石沉淀。由于需要光照和CO₂，其在建筑材料中的应用受到限制。地衣诱导碳酸盐沉淀（LICP）是一个生物矿化过程，其中地衣共生体通过协调的代谢活动促进CaCO₃的形成。然而，其工程应用目前受限于生长缓慢、强烈的环境依赖性、有限的过程控制以及缺乏胶凝材料力学性能显著改善的证据。

真菌诱导碳酸盐沉淀（FICP）

最近的研究强调了真菌通过脲酶活性、呼吸作用、有机酸代谢和菌丝介导成核促进CaCO₃形成的潜力。真菌菌丝为晶体生长提供了丰富的成核位点，并能穿透微裂纹和孔隙，增强矿物沉积。与细菌MICP相比，FICP的优势包括对碱性环境更强的耐受性、利用多样化碳源的能力以及非脲解碳酸盐沉淀的潜力，从而减少铵的产生。然而，其应用受限于较慢的矿化速率、较少充分表征的真菌菌株以及在胶凝材料中长期性能的不确定性。

酶诱导碳酸盐沉淀（EICP）

这是一种无细胞方法，将纯化的植物脲酶与尿素和Ca²⁺结合以促进CaCO₃沉淀。由于酶比细胞小得多，EICP能有效渗透细粒土壤，并避免与微生物存活或污染相关的问题。然而，纯脲酶的高成本以及缺乏对成核的生物控制是其缺点。另一种EICP涉及利用工程化的纯化碳酸酐酶捕获大气CO₂并将其转化为生物可利用的碳酸盐物种，为碳封存和移除提供了一条有效且环保的酶促途径。