《Frontiers in Systems Biology》：The archibiome: extending engineered living materials to multiscale built environments
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将生命系统整合到建筑学中的进程正通过生物技术、材料科学以及基于再生原则的设计方法的快速发展而迅速推进。工程活体材料（Engineered Living Materials, ELMs）和活体人工制品展示了微生物系统如何被嵌入材料中，以实现响应性、代谢活性和自适
将生命系统整合到建筑学中的进程正通过生物技术、材料科学以及基于再生原则的设计方法的快速发展而迅速推进。工程活体材料（Engineered Living Materials, ELMs）和活体人工制品展示了微生物系统如何被嵌入材料中，以实现响应性、代谢活性和自适应功能。然而，当前的应用仍主要局限于离散的材料组件，忽视了建筑中已经存在的复杂且动态的微生物生态系统。这篇观点论文引入了拱形生物圈（archibiome）概念，作为将ELMs从孤立系统扩展到相互连接的建筑环境的框架。拱形生物圈将建筑概念化为动态的微生物生态系统，其中工程系统、材料界面和本地微生物群落在空间和时间尺度上相互作用。虽然这一转变为适应性和再生设计提供了机遇，但也带来了与系统稳定性、环境变异性、生物安全和监管约束相关的挑战。应对这些挑战需要跨学科方法，整合微生物生态学、材料工程学、建筑设计学和监管科学。最终，拱形生物圈将微生物生命定位为一个设计变量，促成了向预测性、系统级策略的活体建筑的转变。
1. 研究背景与现存问题
现代建筑环境的设计与运营长期忽视了一个关键要素：微生物。人类约90%的时间在室内度过，而室内空间中天然存在着复杂且动态的微生物群落，它们与建筑材料、环境条件和人体健康密切相关。然而，当前的工程活体材料（Engineered Living Materials, ELMs）和活体人工制品研究，虽已成功将微生物系统嵌入材料以实现响应性和代谢活性，但其应用范围仍高度局限于孤立的材料组件或小型物件，未能触及建筑环境中已然存在的庞大微生物生态系统。这种“微生物现实”与“设计实践”之间的鸿沟，导致建筑内的微生物群落往往被视为设计的被动产物，而非可调控的主动设计变量。因此，亟需一个能够将微生物生态学与建筑学深度融合的理论框架，以推动从描述性研究向预测性、系统性设计范式的转变。
2. 研究内容、结论与意义
为弥合上述差距，研究人员提出了“拱形生物圈”（archibiome）概念。该框架将建筑环境视为一个多尺度、反馈控制的生态系统，其中工程化引入的微生物（通过ELMs）、原生微生物群落、材料界面与环境条件（如温度、湿度、光照）通过复杂的反馈回路相互作用。其核心在于将微生物生命视为一种可设计、可调控的建筑参数，而非不可控的环境副产品。研究得出的主要结论是：通过将ELMs的原理从孤立材料拓展至互联的建筑生态系统，可以实现全新的再生性与适应性设计。例如，通过调控材料成分、空间布局和环境梯度，可以引导微生物群落执行碳封存、污染物降解、氧气生产及自我修复等系统级功能。这一框架的重要意义在于，它标志着活体建筑研究从经验性、描述性阶段迈向了预测性、工程化的新阶段，为实现可持续、自适应的未来建筑环境提供了理论基础。
3. 关键技术方法
为实现拱形生物圈框架下的研究，作者提出了一套整合性的技术方法论，主要包括：
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多尺度建模框架：采用耦合的多尺度动力系统模型，在微观尺度利用随机或基于约束的代谢模型描述微生物对环境刺激的响应；在中观尺度利用层级消费者-资源模型捕捉群落组装与功能稳定性；在宏观尺度利用建筑信息模型（Building Information Modeling, BIM）或计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）模拟建筑环境中的气流、湿度梯度等异质性。
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数据驱动校准：通过整合宏基因组学、代谢组学等多模态数据集与实时环境传感数据，对机制模型进行数据同化校准。
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控制理论应用：运用控制论方法设计建筑干预措施，将微生物群落动态导向期望的功能状态，如增强的污染物降解能力或稳定的有益菌群定殖。
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案例项目验证：文中引用了ARCHI-SKIN项目和REMEDY项目作为实证案例。ARCHI-SKIN项目开发了基于黑酵母菌（Aureobasidium pullulans）生物膜的活体涂层系统，用于建筑材料的自我保护与再生；REMEDY项目则探索将设计微生物联合体作为“活体墨水”，结合数字制造技术，实现碳封存、污染物修复与空间图案化。
4. 研究结果
4.1 从工程活体材料到活体人工制品
通过回顾ELMs和活体人工制品的发展，研究发现当前实施仍局限于离散物或组件，无法与建筑环境中已有的分布式微生物生态网络有效互动。室内微生物组在空气化学、表面交互和人体暴露中扮演重要角色，但在建筑实践中极少被当作可设计系统对待。这凸显了整合微生物生态学与建筑思维的紧迫性。
4.2 拱形生物圈概念
研究人员明确定义了拱形生物圈，将其与现有的“建筑微生物组”、“城市微生物组”等描述性术语区分开来。拱形生物圈特指那些通过建筑和材料干预有意塑造的建筑环境微生物组子集，是一个连接微生物动态与可控设计参数的操作性框架。它同时涵盖通过ELMs引入的工程微生物，以及通过设计策略调控其募集、选择和相互作用的原生微生物群落。该框架将建筑环境视为一个多尺度反馈系统，微生物过程与建筑参数（如材料组成、空间构型、水分、光照和温度）通过反馈回路耦合，从而实现对系统级功能的预测与调控。与“益生菌设计”相比，拱形生物圈更强调对微生物群落的调控、协调与稳定化，注重系统级的生态功能与反馈，并整合了机制性多尺度建模，使形成可检验的设计假说成为可能。
4.3 对可持续性、人类健康和监管方面的影响
研究表明，设计考虑微生物生态的室内空间对人类健康具有潜在重要性，因为室内微生物群落是暴露组的关键组成部分。微生物群落参与碳氮循环、污染物降解和环境缓冲，因此设计这些过程有助于减少资源消耗、改善室内环境质量。然而，大规模工程化微生物生态系统也带来了重大挑战，包括长期动态稳定性、非预期生态后果以及与不断演变的监管框架的交织。对于含有基因改造微生物的产品，欧盟和美国均实施了严格的生物安全法规。因此，当前建筑应用更可行地依赖于自然存在的、耐极端环境的微生物。公众对微生物失控生长、过敏反应和病原体存活的担忧，需要通过透明沟通和稳健的安全分类体系（如QPS、RG分类、FDA GRAS框架）来解决。物理和生物学遏制策略（如水凝胶、营养缺陷型、自杀开关）是确保ELMs长期稳定和安全的关键。
5. 讨论与结论总结
讨论部分指出，合成生物学和细胞-材料通讯的最新进展为将ELMs转化为大型自适应系统组件提供了基础能力。拱形生物圈在此基础上，将工程化功能置于建筑环境动态的更广阔背景下，其核心挑战从优化限定材料边界内的细胞行为，扩展为管理分布于建筑空间中的多个工程与原生微生物种群间的相互作用。从系统生物学视角，拱形生物圈可形式化为一个耦合的多尺度动力系统，连接细胞内调控网络、种间相互作用和环境介导的边界条件。这为建立连接生物功能与建筑设计决策的预测性、可检验模型提供了基础。研究强调，性能评估必须从单一材料指标转向系统级功能标准，如塑造微生物群落动态、污染物修复以及微生物生态系统影响局部环境条件的能力。ARCHI-SKIN和REMEDY等项目展示了拱形生物圈概念如何在实践中操作化，例如通过假设空间环境暴露差异会调节微生物代谢活性和群落组成，并利用计算模型与实地测量相结合的方式进行验证。研究还讨论了量化系统行为的指标，如微生物多样性的空间格局、代谢产物转化率和表面定殖动态。
研究结论翻译：最终，拱形生物圈将微生物生态学定位为建筑环境的一个设计变量，而非副产品，标志着活体建筑从描述性方法向预测性和工程驱动方法的转变。
