产碳酸酐酶细菌介导的 C3S2 碳化增强：性能、微观结构与机理

《Environmental Research》：Carbonation Enhancement of C 3S 2 by Carbonic Anhydrase-Producing Bacteria: Performance, Microstructure, and Mechanism

　　

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  产碳酸酐酶（CA）的细菌促进了C₃S₂的碳化，克服了缓慢的反应动力学问题。
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  2.0% CA：7天强度达51.7 MPa（2.5倍），CO₂吸收率达19.68 wt.%（增加40.7%）。
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  细菌调控了CaCO₃的多晶型，加深了碳化深度，并细化了孔隙。
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  CA催化与生物矿化协同增强了C₃S₂的碳化。

引言

2025年，全球年度能源相关CO₂排放量达到创纪录的384亿吨（国际能源署，2026）。为缓解CO₂排放增加所带来的严重气候影响，全球各国正在加快工业系统的低碳转型，其中水泥行业作为人造CO₂的最大工业来源之一，是关键的脱碳目标。在中国，建筑业贡献了约50%的总CO₂排放（Guo等，2023），水泥生产是整个建筑产业链中CO₂排放的最大贡献者（Pu等，2023）。低碳胶凝材料的发展已成为建筑领域减少CO₂排放的关键策略（Ge等，2026；Ge等，2025b）。

大量研究表明，利用硅酸钙矿物进行CO₂矿化封存是一种技术可行且经济高效的减碳策略（Wang等，2022；Zhai等，2023；Zhang等，2024）。作为低碳胶凝材料的核心类别，低碳硅酸矿物可部分或完全替代普通硅酸盐水泥（OPC）作为胶凝材料，同时展现出独特的技术和环境优势（Antunes等，2023；Han等，2026；Li等，2023）。与OPC相比，低碳硅酸矿物所需熟料煅烧温度显著更低，直接减少了生产相关的能源消耗和伴随的碳排放（Wang等，2022）。更重要的是，此类矿物在碳化养护期间可与CO₂快速反应，在实现强度发展的同时永久封存大量CO₂（Wang等，2022）。总体而言，低碳胶凝材料在内在减排和生产后碳封存方面具有卓越的双重优势，使其成为低碳建筑材料领域的研究热点。

在低碳硅酸胶凝材料中，硅酸二钙（rankinite，3CaO·2SiO₂，C₃S₂）因其适中的碳化反应活性和优异的低碳潜力而日益受到关注。C₃S₂的碳化反应如式(1)所示：$$$$

值得注意的是，尽管C₃S₂通常被认为是一种非水硬性矿物，其碳化反应涉及最初形成钙硅水化物（C-S-H）凝胶，其聚合度与C₃S水化过程中形成的相似；然而，随着CO₂暴露时间延长，该中间C-S-H最终分解为钙修饰的硅胶（Ashraf和Olek，2016）。

先前的研究已系统探索了C₃S₂的碳化行为。在不同CO₂浓度和温度条件下，不同碳化程度下C₃S₂的碳化反应动力学、相演变和微观结构发展均得到了研究（Ashraf和Olek，2016，2018）。一种以C₃S₂为主导的节能低碳rankinite熟料被开发出来（Hou等，2020），验证了其在节能和温室气体减排方面的巨大潜力。然而，限制C₃S₂工程应用的核心瓶颈在于其在正常条件下可忽略的水化反应活性；它无法通过水化来发展强度。因此，加速碳化养护对于通过CO₂矿化实现快速且充分的强度发展至关重要。

传统的加速碳化通常需要高温高压，增加了能源消耗和碳排放。因此，迫切需要开发一种低能耗、环保的策略来提高C₃S₂的碳化效率。

矿物碳化的核心是碳酸钙晶体的成核、生长和沉淀（Chang等，2017；Lin等，2022；Qian等，2015）。微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP），特别是碳酸酐酶（CA）介导的生物矿化，为传统高能耗加速碳化方法提供了一种可持续、低能耗的替代方案（Erdmann和Strieth，2023；Omoregie等，2025；Wilson等，2025）。已证实MICP技术通过在骨料表面和大于0.2 μm的内部孔隙中诱导碳酸钙沉淀，有效提高了再生细骨料的性能（Liu等，2022）。此外，已证明产CA细菌可显著加速新鲜β-C₂S试件的碳化过程，使碳化度提高16.1%，抗压强度提高30.1%，从而增强钢渣基产品的力学性能和耐久性（Jin等，2019）。

CA是一种含锌金属酶，被广泛认为是将CO₂可逆水化为碳酸氢盐和氢离子最快的生物催化剂之一，在矿物碳化过程中起着关键作用（Khan等，2025；Mwandira等，2023；Sharma等，2020）。因此，产CA细菌作为提高C₃S₂碳化效率的低能耗、环保方法显示出巨大潜力。同时，值得注意的是，过高的CA活性可能导致试件碳化速率过快。在这种情况下，碳化产物倾向于在试件表面形成，进而阻碍碳化深度的向内推进（Zhuang等，2018）。

然而，关于微生物对低碳硅酸矿物（尤其是C₃S₂）碳化过程影响的研究十分有限。与OPC不同，C₃S₂表现出可忽略的水化活性，在新拌状态下容易形成松散聚集体（Wang等，2022），因此在制备试件时需要施加一定的成型压力。然而，过高的成型压力将导致基体过于致密，阻碍CO₂向试件内部的扩散，抑制碳酸钙沉淀，最终导致碳化不充分和微生物功能受限（Jin等，2019；Mu等，2019）。此外，过高的细菌用量可能导致表面碳化过快，形成致密层，阻碍CO₂向内扩散，降低整体性能。因此，本研究重点关注细菌粉用量对细菌改性C₃S₂碳化性能的影响，而其他工艺参数（包括成型压力、碳化压力和CO₂浓度）则根据初步试验予以固定，以分离微生物的贡献。此外，细菌掺入对C₃S₂碳化的相演变、微观结构发展及其潜在增强机制的影响尚未被系统阐明。

为解决上述研究空白，本研究使用产CA细菌系统研究了它们对C₃S₂试件碳化度、力学性能、矿物相组成和微观结构发展的影响。本工作为C₃S₂的高效碳化活化提供了一种新颖、低能耗、环保的方法，有望进一步推动低碳胶凝材料在绿色低碳建筑中的工程应用。除本工作提供的机理见解外，未来对该生物辅助方法环境可持续性的评估将从低碳胶凝材料生命周期评价（LCA）的成熟方法学框架中受益（Ge等，2026；Ge等，2025a）。

章节摘要

C₃S₂的合成

C₃S₂样品通过高温固相反应合成，使用分析纯CaCO₃和SiO₂作为前驱体。试剂按3:2的化学计量摩尔比（CaCO₃:SiO₂）配料，以匹配C₃S₂的理论组成。粉体混合物装入聚乙烯球磨罐中，通过干法球磨18小时进行均化。随后，均化的粉末与少量无水乙醇混合，然后单轴压制为圆柱形

产CA细菌对碳化C₃S₂试件抗压强度、晶体相和组成的影响

产CA细菌的掺入可显著增强C₃S₂样品的抗压强度，如图4(a)所示。经1天碳化养护后，空白组和掺入0.5%、1.0%和2.0% CA的C₃S₂组的抗压强度分别为11.3、26.2、41.4和46.0 MPa。将碳化养护期延长至7天后，含2.0% CA试件的抗压强度达到51.7 MPa，而空白组为

结论

本研究使用碳酸酐酶（CA）产生细菌来增强C₃S₂的碳化养护，并研究了它们对力学性能、CO₂封存能力、相演变、碳化深度、孔隙结构和微观结构的影响。主要结论如下：

• (1)
  产CA细菌显著增强了C₃S₂试件的力学性能和CO₂封存能力。在测试的用量（0–2.0%）中，添加2.0%

CRediT作者贡献声明

Siyuan Bian：验证、数据管理。 Anji Yuan：撰写—初稿、可视化、数据管理。 Ruixing Wang：撰写—审阅与编辑、指导、资源、方法论、资金获取、概念化。 Cheng Yao：撰写—审阅与编辑、撰写—初稿、可视化、形式分析

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响到本文所报道的工作。

致谢：

本研究由国家自然科学基金项目资助（52472021）。

Ruixing Wang|Cheng Yao|Siyuan Bian|Anji Yuan