《Materials》：Molecular and Biosafety Perspectives of Bacterial Self-Healing Concrete: From Sporulation and Biomineralization to Public Health Implications
细菌自修复混凝土已作为一种基于生物的策略出现，旨在提高胶凝材料的耐久性并减少与基础设施过早劣化相关的环境影响。其功能原理依赖于微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP），通过该过程，细菌代谢促进裂缝内的CaCO3沉积。然而，自修复效率不能仅用矿物沉淀能力来解释。混凝土是一种限制性微生物环境，其特征为高碱性、干燥、渗透胁迫、营养限制和物理束缚。因此，有效的裂缝密封需要协调的序列，涉及细菌存活、孢子形成、萌发、代谢再激活、生物被膜相关矿物成核和局部生物矿化。本整合性叙述综述综合了关于细菌自修复混凝土的机制、材料和生物安全证据，重点关注形成孢子的细菌，如枯草芽孢杆菌（*Bacillus subtilis*）及相关分类群，包括类芽孢杆菌（*Paenibacillus*）。证据表明，胁迫耐受性、萌发信号传导、钙处理、生物被膜建立与稳定性，以及包封介导的微环境控制是性能的关键决定因素，但尚未充分整合到材料导向的研究中。大规模实施还需要对菌株持久性、遗传稳定性、水平基因转移、环境微生物组相互作用和生命周期暴露情景进行预防性评估。因此，细菌自修复混凝土应被理解为一种活性的或生物活性的材料系统，其负责任的发展依赖于微生物学、分子生物学、材料科学、土木工程、环境风险评估、职业卫生和公共卫生的整合。
1. 引言
建筑行业的环境负担加剧了人们对具有更高耐久性、更低维护需求和更低生命周期影响的胶凝材料的探索。建筑物和建筑业仍是全球能源使用和CO
2排放的主要贡献者，而水泥和混凝土生产在向低碳基础设施转型中持续面临巨大挑战。在此背景下，延长混凝土结构的使用寿命不仅是工程优先事项，也是可持续性战略，因为裂缝形成会加速水侵入、钢筋腐蚀、力学性能损失以及基础设施的过早维修或更换。
细菌自修复混凝土作为一种基于生物的方法应运而生，旨在通过微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）促进自主裂缝密封。在此过程中，细菌代谢改变局部化学微环境，促进微裂缝内碳酸钙的沉淀，从而降低渗透性并有助于力学恢复。形成孢子的细菌，特别是芽孢杆菌属（*Bacillus*）物种，受到特别关注，因为内生孢子的形成可能允许在混合、养护和暴露于胶凝基质的高度限制性条件下长期持久存在。其他形成孢子的分类群，包括类芽孢杆菌属（*Paenibacillus*），也被认为具有生物技术意义，尽管它们在混凝土相关条件下的比较性能尚未得到广泛表征。
尽管取得了这些进展，细菌自修复混凝土的功效不能仅由产生的碳酸钙数量来解释。混凝土不是一种允许微生物生存的栖息地：高碱性、渗透胁迫、逐渐干燥、营养限制和物理束缚会损害细菌活力并延迟代谢再激活。因此，成功的自修复需要协调的生物学序列，涉及胁迫下的存活、孢子形成或潜伏、裂缝形成后的萌发、代谢再激活以及随后的生物矿化。在该序列中，一般胁迫反应、内生孢子分化、萌发受体激活和皮层降解等分子机制成为材料性能的功能决定因素，而不仅仅是微生物学现象。
该领域的第二个局限性在于，MICP通常被描述为物理化学沉淀过程，而生物矿化的生物学调控尚未充分整合到材料层面的分析中。来自枯草芽孢杆菌和相关形成孢子细菌的证据表明，碳酸钙沉淀可能涉及特定的遗传决定因素、钙转运系统、代谢调控和生物被膜相关的矿物成核。生物被膜可能为矿物沉积提供空间有序的支架，而包封系统可以在混凝土制备过程中保护孢子，并在开裂后调节水、氧气和营养物的可用性。这些过程表明，细菌自修复混凝土的设计应整合微生物学活力、分子调控、包封剂结构和胶凝相容性。
随着细菌自修复系统从实验室规模配方转向可能的现场实施，将其归类为活性的或生物活性的建筑材料也引发了与环境生物安全、职业卫生（工业卫生）和公共卫生相关的预防性问题。这些问题并不意味着通常提出的菌株具有内在致病性；相反，它们强调需要评估菌株持久性、遗传稳定性、水平基因转移、与土壤和水微生物组的相互作用，以及材料生命周期内的暴露情景。现有的生物安全和监管框架并非专门为活性建筑材料设计，但它们为风险评估、可追溯性、封闭使用、故意的环境暴露和预防性治理提供了有用的概念参考。
因此，本综述整合了细菌自修复混凝土的分子、材料和生物安全视角。具体而言，它考察了细菌胁迫反应、孢子形成和萌发机制、MICP途径、生物被膜相关的生物矿化、包封策略、菌株选择标准以及环境和职业生物安全考虑。通过连接这些维度，本综述认为细菌自修复混凝土不仅应被理解为一种裂缝修复技术，而且应被理解为一种活性材料系统，其负责任的发展需要微生物学、分子生物学、材料科学、土木工程、环境风险评估、职业卫生和公共卫生之间的协调。
2. 文献检索与综述方法
2.1. 综述设计
本文设计为整合性叙述综述，并辅以结构化文献检索。目标不是进行荟萃分析或正式系统综述，而是综合与细菌自修复混凝土相关的机制、材料和生物安全证据。综述方法参考了叙述综述的质量标准，特别是明确界定综述目标、透明描述文献检索、科学推理、适当引用和平衡呈现证据。PRISMA 2020和PRISMA-ScR的报告原则仅作为证据识别透明性的一般参考，但本工作不应被解释为系统综述或范围综述。
2.2. 信息来源与检索时段
在PubMed、Scopus和Web of Science中进行了结构化文献检索。PubMed主要用于识别与细菌生理学、孢子形成、萌发、胁迫反应、生物被膜、水平基因转移和生物安全相关的研究。Scopus和Web of Science用于检索材料科学、土木工程、环境生物技术、微生物生物矿化和胶凝生物材料领域的研究。检索重点关注2019年1月至2026年8月间发表的文章。2019年前的基础研究在提供细菌碱性胁迫、孢子形成、萌发、碳酸钙生物矿化、生物被膜相关矿物成核或生物安全框架的关键机制背景时被纳入。
2.3. 检索策略
检索词涵盖三个互补领域：细菌自修复混凝土、微生物生物矿化和环境生物安全。使用的术语和组合包括：“bioconcrete”、“bacterial concrete”、“self-healing concrete”、“microbial self-healing concrete”、“microbially induced calcium carbonate precipitation”、“MICP”、“calcium carbonate precipitation”、“biomineralization”、“Bacillus subtilis”、“Paenibacillus polymyxa”、“spore-forming bacteria”、“bacterial sporulation”、“spore germination”、“germinant receptors”、“biofilm biomineralization”、“bacterial encapsulation”、“living construction materials”、“engineered living materials”、“horizontal gene transfer”、“Bacillus horizontal gene transfer”、“environmental biosafety”、“microbial inoculants”、“soil microbiome”和“biosafety regulation”。布尔运算符根据各数据库语法进行调整。
2.4. 资格标准
当文章涉及以下至少一个主题时被纳入：细菌自修复混凝土或砂浆；胶凝、岩土或环境应用中的MICP；形成孢子细菌的碳酸钙生物矿化；芽孢杆菌、类芽孢杆菌或相关分类群在碱性、渗透、干燥或营养限制条件下的存活；孢子形成和萌发的分子调控；生物被膜相关的矿物沉淀；细菌包封系统；工程活性材料；环境细菌中的水平基因转移；微生物接种剂安全性；或与微生物、环境暴露或生物安全相关的监管框架。当文章仅关注临床感染、益生菌、生物医学植入物、医院消毒、抗微生物纳米颗粒、药理学应用或与胶凝生物材料、环境生物矿化、细菌持久性或生物安全无概念相关性的动物研究时被排除。胶凝基质之外的细菌研究仅在提供直接适用于胁迫耐受、孢子形成、萌发、生物矿化、生物被膜形成或遗传交换的机制信息时被考虑。
临床病例报告未直接用于推断生物混凝土的感染风险；然而，在必要时考虑选定的报告，以将候选细菌分类群已记录的潜在致病性置于公共卫生和职业风险讨论的背景中。
2.5. 研究选择与证据优先化
最终选择优先考虑与细菌自修复混凝土、MICP、胶凝材料、微生物存活、包封或环境实施直接相关的研究。在混凝土、砂浆、水泥浆或胶凝复合材料中进行的实验研究被优先用于材料性能陈述。在胶凝基质之外进行的微生物学和分子研究用于支持机制解释，特别是在混凝土中直接证据不可用时。综述文章用于背景化领域、识别常见局限和支持概念整合，但机制性主张在可用时优先基于原始实验研究。监管文件和机构手册用于生物安全与治理讨论。
2.6. 数据提取与主题综合
相关信息按六个主题轴提取和组织：（i）混凝土作为限制性微生物环境；（ii）细菌胁迫反应、孢子形成和萌发；（iii）MICP途径和生物矿化的分子调控；（iv）生物被膜和包封系统作为细菌与胶凝基质之间的功能界面；（v）细菌菌株选择，包括芽孢杆菌、类芽孢杆菌和工程菌株；以及（vi）环境和职业生物安全、水平基因转移、微生物组相互作用、公共卫生考虑和监管框架。综合强调生物学机制与材料层面性能之间的关系，特别关注从细菌持久性到代谢再激活和裂缝密封的转变。
2.7. 方法学局限性
本综述具有整合性叙述方法固有的局限性。首先，未进行定量荟萃分析，因为现有研究在细菌种类、包封系统、裂缝宽度、养护条件、营养来源、胶凝基质和结果测量方面存在显著差异。其次，证据基础仍不均衡：材料性能研究经常报告裂缝密封和力学恢复，而分子研究通常在混凝土相关环境之外考察细菌机制。第三，关于长期环境暴露、微生物组效应和细菌自修复混凝土生物安全监测的直接证据仍然有限。因此，来自微生物学、生物被膜生物学或环境生物技术的机制外推被谨慎解释，并被确定为需要在胶凝和现场相关条件下进行实验验证的领域。
3. 文献综合的主题结果
3.1. 文献中识别的主要主题域
由于细菌菌株、胶凝基质、裂缝宽度、养护条件、包封系统、营养来源和结果测量的异质性，所审文献按主题域而非定量分析进行组织。证据集中在六个主要领域：材料层面自修复性能、混凝土相关胁迫下的细菌持久性、孢子形成和萌发机制、MICP途径和生物矿化调控、生物被膜和包封系统，以及环境生物安全考虑。这种主题组织揭示，细菌自修复混凝土最常通过裂缝密封、渗透性降低和力学恢复来评估，而细菌存活、潜伏退出和局部生物矿化的分子决定因素在材料导向研究中的整合仍不够一致。
3.2. 胶凝基质中的自修复性能与局限
砂浆和胶凝系统中的实验研究表明，基于芽孢杆菌的配方可有助于裂缝密封和力学或耐久性相关性能的部分恢复。枯草芽孢杆菌已被报道在不同裂缝宽度和养护条件下改善自修复行为，支持其作为细菌混凝土研究参考生物的使用。包封的枯草芽孢杆菌生物砂浆在化学限制性环境（包括酸性条件）中也显示出潜力，表明包封可以扩展细菌自修复系统的功能范围。额外证据表明，枯草芽孢杆菌引发的方解石沉淀可能影响损伤进展和离子传输，将细菌矿物沉淀与材料耐久性结果联系起来。然而，所审研究也表明，自修复效率并非仅由细菌存在决定。裂缝宽度、水可用性、氧气扩散、营养来源、钙可用性、养护条件以及包封系统与胶凝基质之间的相容性都影响材料的最终性能。因此，裂缝闭合应被解释为涉及微生物存活、激活和矿物沉淀的更广泛序列在限制性物理化学条件下的可见终点。
3.3. 混凝土相关胁迫下的细菌存活、孢子形成与萌发
混凝土对微生物生命构成恶劣环境。高碱性、渗透压、干燥、营养限制和物理束缚可能损害营养生长并降低代谢活性。在这些条件下，细菌持久性依赖于适应性胁迫反应，在形成孢子的分类群中，则依赖于进入潜伏内生孢子状态的能力。来自枯草芽孢杆菌的证据表明，环境胁迫细胞可能激活物理屏障、胁迫耐受机制和活的但不可培养状态，表明胶凝基质中的细菌活力不应仅从即时可培养性推断。孢子形成似乎是细菌自修复混凝土的核心存活机制。在枯草芽孢杆菌中，孢子形成由以主调节因子Spo0A为中心的复杂磷酸中继调控，该因子整合了与营养限制、群体状态和胁迫相关的环境信号。内生孢子提供针对干燥、营养匮乏和长期环境胁迫的结构保护，允许细菌持续存在直到裂缝形成允许水和溶解营养物进入。该过程与生物混凝土相关，因为功能性微生物通常必须在贡献矿物沉淀之前度过混合、凝固和使用寿命阶段。萌发是被动持久性与主动生物矿化之间的转变点。在枯草芽孢杆菌中，萌发涉及营养萌发受体如GerA、GerB和GerK，它们识别氨基酸、核苷及相关化合物，触发下游事件如吡啶二羧酸释放、皮层水解和代谢再激活。SpoVA蛋白和皮层裂解酶如CwlJ和SleB也参与从休眠孢子到营养细胞的结构转变。在混凝土中，通过裂缝的水侵入可能提供初始允许信号，但有效萌发可能取决于特定化学线索的局部可用性。这表明裂缝微环境，而非单独的块体混凝土基质，应被视为细菌自修复性能的决定因素。
3.4. MICP途径与生物矿化的分子调控
MICP构成细菌活性转化为裂缝密封的功能机制。所审文献表明，碳酸钙沉淀可通过脲解和非脲解途径以及涉及有机碳和钙源的异养代谢发生。脲解途径已被广泛探索，因为它们能有效增加碳酸盐可用性；然而，替代的非脲解或混合代谢系统由于对副产物、可持续性和与胶凝材料相容性的关注而日益相关。在枯草芽孢杆菌中，生物矿化不仅仅是被动的物理化学事件。已描述了一个参与碳酸钙生物矿化的基因簇，支持沉淀过程中存在生物学调控。枯草芽孢杆菌的遗传优化已被证明可改善细菌诱导的方解石沉淀，表明菌株层面的分子决定因素可以影响MICP效率。旨在通过枯草芽孢杆菌进行CO
2封存的工程方法进一步支持通过代谢和遗传设计改善沉淀能力的可能性。在相关的形成孢子细菌中，钙ATP酶YloB已被牵涉到方解石沉淀和孢子形成中，表明钙运输可能代表生物矿化效率的额外分子决定因素。这些发现支持将MICP评估为嵌入胶凝环境中的受调控生物学过程。碳酸钙的沉淀不仅取决于钙和碳酸盐的可用性，还取决于细菌活力、代谢激活、离子运输、局部pH调节以及细胞在裂缝界面组织矿物成核的能力。
3.5. 生物被膜与包封系统作为功能界面
生物被膜建立先于生物被膜稳定化，并代表局部生物矿化的潜在重要功能步骤。在枯草芽孢杆菌中，生物被膜发育涉及从运动或初始附着细胞向产生基质的亚群的受调控转变。Spo0A介导的信号传导和SinI-SinR调控系统有助于基质相关基因的激活，而胞外多糖和基质蛋白TasA有助于细菌群落的结构组织和凝聚力。在细菌自修复混凝土的背景下，在裂缝界面建立生物被膜基质的能力可能与其后续稳定性同样重要，因为这样的基质可以促进细菌细胞、离子和矿物成核位点的局部浓缩。然而，这些机制主要在微生物学模型系统中表征，需要在胶凝裂缝微环境中直接验证。生物被膜可能充当细菌自修复混凝土中的生物-矿物界面。对枯草芽孢杆菌生物被膜的研究表明，胞外基质组分可有助于矿物支架的空间组织和为碳酸钙沉淀提供成核位点。这表明生物被膜可能浓缩细菌细胞、胞外聚合物、离子和矿物前体在裂缝表面，从而有利于局部沉淀。高钙浓度也被报道可阻止枯草芽孢杆菌生物被膜分散，稳定基质架构。由于胶凝材料富含钙，该机制可能与生物混凝土相关，尽管在混凝土基质内的直接验证仍属必要。包封系统代表细菌生物学与材料性能之间的第二个功能界面。其作用是在混凝土混合和养护期间保护孢子或营养细胞，在潜伏期保持活力，并在开裂后允许受控地接触水、氧气和营养物。工程化枯草芽孢杆菌用于耐久活性生物复合材料证明了将菌株工程与材料设计相结合的潜力。对超吸收聚合物内部碳酸钙沉淀的研究进一步表明，氧气扩散、营养可用性和包封剂微环境可以限制或促进释放后细菌活性。因此，包封不应仅被视为递送系统，而应被视为微生物再激活和MICP效率的决定因素。
可用证据未确定细菌自修复混凝土的单一普遍最优包封系统。从功能角度来看，合适的载体应在混合和高pH养护期间保护孢子，与胶凝基质保持力学相容而不引起过度孔隙率，并允许开裂后获得水、氧气、营养物和钙源以支持细菌再激活和MICP。海藻酸钠微囊化代表一种可重复、低温选项；约10
8细胞/mL的枯草芽孢杆菌孢子已被包封在2%海藻酸钠中并随后冷冻干燥，所得微胶囊在砂浆中显示出良好整合以及有利的力学和吸水性结果。多孔轻质骨料可替代地充当细菌孢子和营养物的储库；此类系统在水暴露后已实现高达0.46 mm裂缝的愈合。硅胶和聚氨酯固定化也已得到研究，直接实验比较（使用*Bacillus sphaericus*）表明载体依赖性性能和聚氨酯在评估条件下具有更大的裂缝修复潜力。因此，包封剂选择应针对具体应用，并通过混合后活力、水侵入后的再激活、裂缝闭合或渗透性恢复以及与胶凝基质的力学相容性进行评估。在实践中，潜伏退出（萌发）动力学可通过可及的代理指标而非专门微生物学进行筛选：营养物添加时的浊度或光密度损失、模拟开裂后的菌落形成单位恢复，以及通过pH升高或钙消耗追踪的CaCO
3沉淀开始。这些为工程师提供了细菌再激活的可重复读数，而无需完整的孢子生理学表征。
3.6. 细菌菌株选择：芽孢杆菌、类芽孢杆菌与工程菌株
芽孢杆菌仍是自修复混凝土中的主导细菌模型，因其内生孢子形成能力、环境适应性和已记录的诱导碳酸钙沉淀能力。枯草芽孢杆菌尤为重要，因为其孢子形成、萌发和生物被膜生物学已得到充分表征，允许比许多其他候选分类群进行更强的机制解释。类芽孢杆菌和相关形成孢子细菌具有生物技术意义，因为它们共享与限制性环境相关的生存特征，但直接将其与胶凝自修复联系起来证据仍然相对有限。最近发现类芽孢杆菌编码膜定位的Spo0B，不同于枯草芽孢杆菌中描述的胞质Spo0B，表明孢子形成起始可能在这些属之间有所不同。这一差异可能对环境信号整合和潜伏调控有影响，但其在胶凝基质中的功能相关性仍有待实验确定。工程菌株提供了增强MICP效率、胁迫耐受性或CO
2封存能力的机会。然而，菌株工程也增加了对遗传稳定性评估、可追溯性和生物安全评价的需求，特别是如果系统旨在开放或半开放环境部署。因此，细菌选择不仅应考虑沉淀能力，还应考虑孢子形成效率、萌发动力学、生物被膜行为、与包封系统的相容性和环境风险概况。
3.7. 生物安全、职业与环境暴露及监管考虑
所审文献表明，细菌自修复混凝土中的生物安全考虑应从预防性环境角度构建。对于通常提出的低风险菌株，主要关注不是直接致病性，而是在目标基质之外的持久性、与本地微生物组的相互作用、遗传交换以及在生产、使用寿命、风化、拆除或处置过程中的暴露。在芽孢杆菌物种中，已描述了自然转化、生物被膜相关基因转移、基于亲缘识别的交换和移动遗传元件。这些机制并不暗示生物混凝土应用中存在即时危害，但它们证明在大规模实施前评估遗传稳定性和环境行为是合理的。环境条件也可能影响水平基因转移。土壤矿物可调节细菌转化，表明周围环境可能影响遗传交换动力学。材料配方中使用的化学添加剂或防腐剂也可能改变细菌的突变或水平基因转移速率。这些发现表明，生物安全评估不仅应包括所选菌株，还应包括配方组分、包封剂、添加剂和部署的环境背景。直接针对细菌自修复混凝土对土壤或水微生物组影响的证据仍然有限。然而，对微生物接种剂的研究表明，高通量测序可以支持安全性评估、分类学验证和合规监测。该方法可能对未来生物混凝土研究有用，以评估引入菌株在环境暴露后是否持久、衰退或改变本地微生物群落。现有监管文书未专门针对活性建筑材料。《卡塔赫纳议定书》为改性活生物体的风险评估和管理提供了原则。欧洲2001/18/EC和2009/41/EC指令分别监管转基因微生物的故意环境释放和封闭使用。REACH与化学组分、添加剂和包封剂相关，但并非监管活微生物的主要框架。《世界卫生组织实验室生物安全手册》为生物制剂提供了基于风险评估的方法，尽管其并非针对建筑材料中的环境部署。总之，这些框架为未来细菌自修复混凝土应用中的可追溯性、监测和预防性治理提供了概念参考。
为了从描述性转向更具操作性的生命周期生物安全方法，并仅为概念目的，我们提出了一个面向研究的分级控制框架。该框架不旨在构成监管分类。A级包括特征明确、非工程化、低风险形成孢子菌株；B级包括基因组、毒理学或持久性相关表征仍不完整的非工程化环境分离株；C级包括基因工程菌株或携带引入遗传构建体的菌株。监测强度和管控措施应根据生物学不确定性和遗传修饰程度而增加。监测应结合基于培养的活菌计数与菌株特异性分子方法，如定量PCR（qPCR）或数字PCR（dPCR）。当需要区分活孢子和灭活孢子时，可考虑在相关胶凝或环境基质验证后使用基于叠氮丙啶的PCR方法。在拆除和废物处置阶段，应对空气、粉尘、混凝土碎屑和渗滤液进行采样。基因工程菌株还需要构建体特异性追踪和遗传稳定性评估，与转基因微生物封闭使用的风险框架一致。通过qPCR或dPCR检测遗传标记应被视为监测信号，而非水平基因转移（HGT）的充分证据；确认HGT需要证明标记已与受体生物相关联，例如通过受体分离后进行基因分型/测序或其他序列连接方法。从职业健康角度来看，应分别考虑对活细胞或孢子、微生物产物和常规混凝土粉尘的暴露。枯草芽孢杆菌可产生胞外蛋白酶，包括枯草杆菌蛋白酶（AprE），职业暴露于浓缩工业枯草杆菌蛋白酶是呼吸道致敏和酶相关哮喘的公认原因。然而，目前没有直接证据表明含枯草芽孢杆菌的自修复混凝土在混合、使用寿命、切割或拆除过程中释放的枯草杆菌蛋白酶浓度足以诱导致敏。因此，该危害应被视为可能但未量化，且可能取决于细菌菌株、代谢状态和材料配方。未来研究可量化胞外蛋白酶活性，并在气溶胶化可能时量化空气传播孢子和微生物蛋白。尽管枯草芽孢杆菌通常被认为致病性低，但不应认为其不能引起感染。已报道罕见的侵袭性感染，特别是在免疫受损个体或解剖屏障破坏时，也有免疫competent个体的例外案例。这些临床观察并未确立细菌自修复混凝土的感染风险，但它们支持对易感工人和高暴露情景采取预防性方法。一个独特的职业问题是切割、钻孔、研磨、破碎或拆除混凝土时产生的可吸入结晶二氧化硅暴露。矽肺研究表明，硅相关肺病可能伴随呼吸道微生物群落的改变。然而，目前没有直接证据确定同时暴露于来自细菌混凝土的孢子是否增加机会性感染风险、不利地改变肺微生物组或产生任何有益效应。因此，任一声称均为时过早。未来的现场实施应伴随气溶胶化研究、吸入毒理学方法，并在适当时对呼吸道微生物组反应进行纵向评估。商业经验表明，选定的低风险细菌自修复系统已超越实验室规模发展。一个例子是Basilisk自修复混凝土，一家代尔夫特理工大学衍生公司，已开发出用于新混凝土的细菌基剂和用于现有混凝土结构的修复系统。这些产品的安全文件将嗜碱形成孢子芽孢杆菌的孢子归类为2000/54/EC指令下的第1组生物制剂，对应于不太可能引起人类疾病的生物制剂。Basilisk愈合剂还根据EN 934-2:2009+A1:2012获得了CE认证。然而，建筑产品的CE标志应被解释为符合产品声明的性能和适用的统一要求，而非绝对证明不存在职业或公共卫生危害。事实上，相应的安全数据表保留了对配方其他组分相关皮肤、眼睛和呼吸道刺激的预防性声明。因此，Basilisk经验提供了相关证据，表明低风险形成孢子细菌系统可以实现受监管的商业实施，同时仍需要针对产品、菌株和暴露的具体风险评估。相比之下，类芽孢杆菌在细菌自修复混凝土中的证据仍然少得多，且用于既定产品中的芽孢杆菌可用的商业或生物安全证据不应直接外推到其他物种或菌株。因此，候选类芽孢杆菌菌株应在菌株水平进行评估，不仅考虑孢子形成和生物矿化能力，还要考虑其遗传和次级代谢产物谱。例如，已在*Paenibacillus polymyxa* E681中实验鉴定了多粘菌素合成酶基因簇，表明特定菌株可产生生物活性次级代谢产物。因此，在大规模掺入生物混凝土之前，候选类芽孢杆菌菌株应进行分类学和基因组学认证、次级代谢产物评估、遗传稳定性分析和暴露特异性生物安全评价。
4. 讨论：从分子机制到负责任实施
本综述综合的证据支持对细菌自修复混凝土解释的概念转变。与其仅被理解为能够沉淀碳酸钙的胶凝材料，生物混凝土应被视为一种活性的或生物活性的材料系统，其中生物持久性、代谢再激活、矿物成核和材料相容性必须以协调序列发生。裂缝密封代表了该过程的可见终点，但其成功取决于上游生物学事件，而这些事件在材料性能研究中往往未被充分代表。本综述的核心含义是，细菌自修复混凝土的功效不能仅从菌株在允许的实验室条件下诱导碳酸钙沉淀的能力来预测。胶凝基质施加高碱性、渗透胁迫、干燥、营养限制和物理束缚，所有这些都是可能损害营养生长并延迟代谢恢复。因此，细菌存活策略，尤其是孢子形成和潜伏维持，应被视为自修复性能的功能决定因素。在此背景下，孢子形成不仅是生存特性，而且是设计相关的生物学过程，允许细菌在混合、养护和使用寿命期间持续存在，直到裂缝形成创造更允许的微环境。萌发作为特别重要但评估不足的转变点出现。休眠孢子的激活需要特定的分子和环境信号，包括营养萌发剂、水可用性以及涉及萌发受体、吡啶二羧酸释放和皮层降解的下游结构重塑。因此，裂缝微环境应被视为关键功能生态位。其局部pH、湿度、氧气可用性、钙浓度以及氨基酸或核苷供应可能决定孢子是保持休眠还是变得代谢活跃。这一观点表明，未来的生物混凝土配方不仅应报告掺入前的细菌活力，还应评估模拟裂缝条件下的潜伏退出动力学和代谢再激活。生物矿化的分子调控也应受到更多关注。尽管MICP通常被呈现为物理化学沉淀过程，但来自枯草芽孢杆菌和相关形成孢子细菌的证据表明，碳酸钙沉淀可能涉及特定的遗传决定因素、代谢调控和钙运输机制。这些发现支持将MICP解释为嵌入混凝土化学环境中的受调控生物学现象。参与胁迫反应、孢子形成、萌发、钙处理和生物被膜形成的分子组分可能共同影响CaCO
3沉淀的最终效率。生物被膜和包封系统代表微生物生理学与材料性能之间的两个关键界面。生物被膜可能在裂缝表面空间组织细菌细胞、胞外聚合物和矿物成核位点，从而有利于局部沉淀。包封则在混凝土制备早期阶段保护细菌，并调节其在开裂后对水、氧气、营养物和钙源的暴露。这意味着包封剂不应被视为被动载体，而应被视为细菌再激活和MICP效率的微环境调节器。包封架构、细菌萌发和裂缝化学之间的相互作用因此是未来实验工作的优先领域。从材料科学角度看，当前证据支持基于芽孢杆菌的系统在砂浆和胶凝系统中改善裂缝密封、降低渗透性并有助于力学或耐久性相关恢复的潜力。然而，由于细菌菌株、裂缝宽度、养护制度、营养来源、包封材料、钙前体和结果测量的差异，研究间比较仍然困难。这种异质性限制建立普遍性能阈值的能力。未来的研究应采用更标准化的报告标准，包括初始和最终裂缝宽度、养护条件、细菌浓度、包封方法、前体组成、混合后活力、开裂后萌发能力、CaCO
3多晶型表征和耐久性相关结果。细菌菌株的选择因此应超越简单的沉淀能力筛选。枯草芽孢杆菌仍是有用的参考模型，因为其孢子形成、萌发、生物被膜生物学和遗传调控已相对充分表征。类芽孢杆菌和其他形成孢子细菌可能提供额外的生物技术可能性，但它们在胶凝条件下的性能仍不明确。表明孢子形成信号差异的发现，如类芽孢杆菌中膜定位的Spo0B，表明存在属特异性调控机制。然而，它们对生物混凝土的功能相关性需要在胶凝基质中直接验证。对于工程菌株，MICP效率或CO
2封存能力的改善必须与遗传稳定性、可追溯性和生物安全要求相平衡。生物安全维度应被理解为技术发展的补充，而非反对细菌自修复混凝土的论据。对于低风险、非致病菌株，主要关注不是直接致病性，而是环境持久性、遗传稳定性、与本地微生物组的相互作用以及在特定暴露情景下可能的水平基因转移。生物安全评估应覆盖完整材料生命周期，包括菌株开发、实验室处理、配方、施工、养护、使用寿命、裂缝激活、径流、环境界面、拆除和废物处置。这种生命周期方法尤为重要，因为活性建筑材料尚未被大多数现有监管框架直接涵盖。当前生物安全和监管文书提供了有用的概念参考，尽管它们并非专为细菌自修复混凝土设计。《卡塔赫纳议定书》和关于转基因微生物的欧洲指令提供了与风险评估、可追溯性、封闭使用和故意环境释放相关的原则。REACH与化学添加剂、营养物、前体和包封剂相关，但并未将活微生物作为主体进行监管。《世界卫生组织实验室生物安全手册》为生物制剂提供了通用风险评估框架，尽管它主要面向实验室生物安全而非建筑材料中的环境部署。因此，生物混凝土的未来治理可能需要调整协议，整合材料安全、微生物生态学、环境监测和公共卫生标准。本综述还揭示了当前证据基础的几个局限。首先，许多研究侧重于短期裂缝密封或力学恢复，而长期细菌活力和现场性能评估较少。其次，分子生物学研究提供了重要的机制见解，但通常在混凝土相关环境之外进行，需要谨慎外推。第三，细菌菌株、包封系统和胶凝化学之间的相互作用仍不够标准化。第四，关于环境释放、土壤和水微生物组效应以及长期生物安全监测的直接证据仍然稀缺。这些局限并不削弱细菌自修复混凝土的相关性，但表明其发展应通过整合实验设计进行。未来研究因此应结合力学测试、微生物学活力测定、萌发研究、分子分析、生物矿化分析、显微镜检查、基于测序的监测和环境风险评估。特别重要的优先事项包括：在模拟裂缝微环境下评估孢子存活和萌发；在标准化胶凝条件下比较芽孢杆菌、类芽孢杆菌和其他形成孢子分类群；表征裂缝内生物被膜相关的矿物成核；优化包封系统作为生物活性微环境；以及为现场规模应用开发生命周期生物安全协议。只有整合这些维度，细菌自修复混凝土才能从有前景的实验室技术迈向负责任、耐久和环境相容的实施。
5. 结论与未来方向
细菌自修复混凝土应被理解为一种活性的或生物活性的材料系统，而非含有碳酸钙产生细菌的被动胶凝基质。其有效性取决于细菌存活、孢子形成、萌发、代谢再激活、生物被膜相关矿物成核和MICP介导的裂缝密封之间的连续性。因此，所选微生物的生物学性能与最终材料的力学和耐久性能不可分割。该技术的未来发展需要整合碱性和渗透胁迫耐受性、遗传稳定性、孢子形成效率、萌发动力学、生物矿化能力、生物被膜行为以及与包封系统相容性的菌株选择标准。在材料层面，未来的研究应标准化报告裂缝宽度、养护条件、细菌浓度、包封方法、营养物和钙源、混合后活力、CaCO
3表征、渗透性降低、力学恢复和长期耐久性。负责任的大规模实施还需要从早期设计阶段进行环境生物安全、职业卫生和公共卫生评估。优先领域包括生命周期暴露分析、土壤和水微生物组监测、水平基因转移评估、菌株可追溯性、添加剂和包封剂评估，以及现有生物安全框架对活性建筑材料的适应。总体而言，细菌自修复混凝土代表了一种实现更耐久和可持续基础设施的有前景策略，但其发展应通过微生物活力、分子调控、材料性能和环境安全的整合评估进行。链接微生物学、分子生物学、材料科学、土木工程、环境风险评估、职业卫生和公共卫生的跨学科方法对于将该技术从实验系统转化为负责任的现场应用至关重要。
