产尿素酶的芽孢杆菌属与链霉菌属在砂粒黏结中的生物胶结潜力

微小建造者如何修复裂缝混凝土

现代城市建立在混凝土之上，但这种关键材料容易产生裂缝，导致水和盐分渗入，逐步削弱建筑、桥梁和道路。修补这些裂缝既昂贵又碳排放高。本文研究一种有趣的替代方案：利用天然存在的细菌作为微观建造者，在裂缝和松散砂体内生长新矿物，可能让混凝土具备自我修复能力，使地基随时间变得更坚固而非逐渐损耗。

为什么混凝土裂缝至关重要

混凝土在受压时坚固，但在拉伸或弯曲时脆弱，日常荷载、干燥和收缩常产生细小裂缝。表面上看似无害的裂缝，实际上像敞开的门，让水和侵蚀性化学物质进入，腐蚀内部钢筋，缩短构筑物寿命并要求频繁维修。工程师们开始研究“自愈合”混凝土，通过有益微生物在内部形成新矿物来封堵裂缝。核心想法是把问题的一部分——水和溶解的化学物质——转化为解决方案，让细菌把它们转化为填充缝隙的固体材料。

把细菌变成天然胶

研究人员将注意力集中在两类细菌上，它们均最初采自秘鲁碱性石灰岩矿床土壤：一类属于Bacillus（芽孢杆菌）群，另一类属于Streptomyces（链霉菌）群。这些微生物可以分解尿素——一种常见的含氮化合物——在此过程中改变局部化学环境，使周围溶液中的钙结晶为碳酸钙，这正是贝壳和石灰岩的主要成分。在检验这些微生物是否能将砂粒粘结在一起之前，团队先确认它们能否在类似混凝土内部那样较高的碱性条件中存活和保持活性，因为混凝土环境往往比大多数自然环境更严苛。

在恶劣条件下存活并生成新矿物

两株细菌在使周围液体相当碱性的条件下仍能良好生长，表明它们可耐受类似裂缝混凝土内部的环境。当置于含有尿素和氯化钙的营养溶液中时，两类微生物都生成了可见的碳酸钙晶体。在高倍显微镜下，来自Bacillus菌株的矿物呈许多细小近球状颗粒，均匀分布在表面，而来自Streptomyces菌株的矿物则形成较大的棱柱状形态。X射线测量显示，Bacillus主要产生一种称为vaterite的碳酸钙形态及一种密切相关的相，同时在相关矿物中掺入了其他元素，这些元素可增加机械强度。这些圆润、细小的晶体具有较高的比表面积，有助于它们在颗粒之间形成致密的桥接结构。

从松散砂到坚实柱体

为了模拟这些微生物在真实材料中的可能作用，团队将每种细菌与清洁砂和富含尿素与钙的营养溶液混合，然后将混合物填装入小柱中，让细菌作用数日。在经Bacillus处理的柱体中，砂粒最终被牢固地粘结在一起：柱体在搬动时保持完整，显微图像显示许多连接颗粒间的矿物桥，证实碳酸钙已在缝隙中形成。相比之下，经Streptomyces处理的砂柱表现出较弱的内聚力，分析时在砂体内部没有明显的碳酸钙沉积。取而代之的是以其他硅酸盐矿物为主，这表明尽管Streptomyces能在简单的实验室溶液中生成碳酸钙，但在像砂这样多孔材料内部其固结效果要差得多。

对未来混凝土的意义

研究得出结论，原生的Bacillus菌株作为自愈合混凝土和土壤改良的“活性”组分具有较强潜力。它能在类似真实构筑物的碱性条件下存活，产生大量形状和分布适合封堵孔隙与裂缝的碳酸钙，并通过天然矿物桥将松散砂转变为有黏结性的整体。Streptomyces菌株虽然在理论上有趣，但在实践中对颗粒胶结的能力有限。总体而言，这些发现支持了这样的设想：经过精挑细选的细菌有一天可能帮助建筑和地基自我修复，降低维护成本并减少我们建构环境的环境足迹。

引用: Farfán-Córdova, M., Otiniano, N.M. Biocementing potential of ureolytic Bacillus sp. and Streptomyces sp. in the cohesion of sand particles. Sci Rep 16, 13425 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43845-6

关键词: 自愈合混凝土, 生物固结, 碳酸钙, 芽孢杆菌, 砂土加固