浙江大学学报(工学版)

浙江大学学报(工学版), 2026, 60(3): 478-486 doi: 10.3785/j.issn.1008-973X.2026.03.003

交通工程、土木工程

微生物基建筑材料开发与应用可行性

孙晓燕,, 华文岑, 王海龙,, ALBIOL-IBÁÑEZJosé Ramón

1. 浙江大学 建筑工程学院，浙江 杭州 310058

2. 瓦伦西亚理工大学 建筑技术研究中心，西班牙 瓦伦西亚 46022

Feasibility on development and application of microbial building material

SUN Xiaoyan,, HUA Wencen, WANG Hailong,, ALBIOL-IBÁÑEZ José Ramón

1. College of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China

2. Building Technology Research Centre, Polytechnic University of Valencia, Valencia 46022, Spain

通讯作者: 王海龙，男，教授，博导. orcid.org/0000-0003-0805-7151. E-mail：hlwang@zju.edu.cn

收稿日期: 2025-04-9  

基金资助: 国家自然科学基金资助项目（52478284）；浙江省尖兵领雁计划资助项目（2023C01154）；山西浙江大学新材料与化工研究院研发资助项目（2022SZ-TD016）；中国建筑材料行业重大科技攻关揭榜挂帅项目（2023JBGS040）.

Received: 2025-04-9  

Fund supported: 国家自然科学基金资助项目（52478284）；浙江省尖兵领雁计划资助项目（2023C01154）；山西浙江大学新材料与化工研究院研发资助项目（2022SZ-TD016）；中国建筑材料行业重大科技攻关揭榜挂帅项目（2023JBGS040）.

作者简介 About authors

孙晓燕（1976—），女，教授，博导，从事增材智能建造混凝土结构的研究.orcid.org/0000-0003-0708-9565.E-mail：selina@zju.edu.cn , E-mail：selina@zju.edu.cn

摘要

按照地表环境的不同，区分海洋/热泉和风化物，探讨微生物碳酸钙沉积机制，围绕土体加固、结构修复和生物混凝土3个建筑材料开发方向，分析微生物种类、矿化材料类型及物理特征、矿化效率和产物性能. 研究表明，缺陷尺度和损伤龄期是微生物修复建筑材料的关键因素，0.1~1.5 mm裂缝宽度下，普通混凝土强度恢复率可以大于50%，微生物修复开裂龄期为28 d的混凝土强度恢复率为3 d的54%. 利用载体固定化技术，可以延长微生物基建筑材料活跃周期2.5倍，增大沉积碳酸钙晶体尺寸10~25倍，7 d内可以提升抗压强度约40%. 面向太空无人建造，海洋/热泉微生物更适合火星环境，风化物微生物更适合面向月球环境进行开发应用.

关键词： 混凝土 ; 绿色材料 ; 智能建造 ; 碳酸钙沉淀 ; 微生物

Abstract

The mechanism of microbial calcium carbonate deposition was explored by distinguishing between ocean/hot springs and weathered materials based on different surface environment. Three development directions of building materials which are soil reinforcement, structural repair, and bio-concrete were focused on microbial species, mineralized material types together with physical characteristics, mineralization efficiency, and product properties. Results show that defect size and damage age are key factors for microbial remediation of building materials. The strength recovery rate of ordinary concrete can reach over 50% under the crack width of 0.1~1.5 mm, and the strength recovery rate of concrete with 28 days of microbial remediation cracking age is 54% of that at 3 days. Carrier immobilization technology can be used to extend the active period of microbial based building materials by 2.5 times, increase the size of deposited calcium carbonate crystals by 10~25 times, and improve the compressive strength within 7 days by about 40%. Marine/hot spring microorganisms are more suitable for the Martian environment for unmanned construction in space, while weathered microorganisms are more suitable for development and application in the lunar environment.

Keywords： concrete ; green material ; intelligent construction ; calcium carbonate precipitation ; microorganism

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本文引用格式

孙晓燕, 华文岑, 王海龙, ALBIOL-IBÁÑEZJosé Ramón. 微生物基建筑材料开发与应用可行性. 浙江大学学报(工学版)[J], 2026, 60(3): 478-486 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2026.03.003

SUN Xiaoyan, HUA Wencen, WANG Hailong, ALBIOL-IBÁÑEZ José Ramón. Feasibility on development and application of microbial building material. Journal of Zhejiang University(Engineering Science)[J], 2026, 60(3): 478-486 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2026.03.003

工程建造对建筑材料提出轻质高强、高韧性、抗老化、耐腐蚀、抗疲劳、智能化、自修复等性质需求，现阶段对建筑材料在分子尺度到宏观尺度之间的微纳结构控制应用研究非常少. 与之对应，自然界普遍存在至少已有 35 亿年的生物矿化作用，形成超过 60 种的矿物，可以实现自然环境分子级精度控制，形成具有光、磁和力学性能的生物基矿物材料[1]. 生物矿化的重要特征在于无机相成核、结晶、形貌及定向均受到生物有机质在微−宏观水平上的控制[2]，实现了具有特殊多级结构和组装方式的生物矿物[3]，在外部形态、内部结构和使用性能上超越了依靠化学、物理方式的人工合成材料.

微生物诱导碳酸盐、磷酸盐、硫酸盐等矿物沉积[4]广泛存在于岩石和生物体中. 碳酸钙是现代建筑工业应用最广的建筑材料之一，也是最广泛的生物矿物[5]. 随着微生物学、地球化学、土木工程等学科间交叉研究的不断发展，将微生物诱导碳酸钙沉积开发建筑材料技术逐渐应用于微生物混凝土[6]、钙质石材修复[7]、软土地基增强与加固[8]、污水处理[9]等. 本文针对微生物诱导沉积碳酸钙的基本原理，区分海洋/热泉和风化物环境，厘清碳酸钙沉积矿化胶结的机理，分别结合土体加固、结构修复、微生物混凝土分析碳酸钙沉积效率和成型建筑材料性能，探讨面向太空建造、建筑修复和生态建筑材料的技术发展可行性.

1. 微生物诱导碳酸钙沉淀的原理

碳酸钙有3种常见的晶型[10]：方解石、文石、球霰石. 微生物作用下的碳酸钙沉积由以下4个关键因素诱导机制控制：钙浓度、无机碳浓度、环境 pH 值和成核点数. 按照地表环境的不同，可以区分为海洋/热泉和风化物2种微生物，探讨碳酸钙沉积机制.

1.1. 海洋/热泉光合微生物诱导碳酸钙沉淀

光合生物诱导碳酸钙沉积是自然界中最常见的形式[11]. 研究表明[12]，地球沉积岩与微生物之间存在关联，蓝藻、灌草及硅藻等类微生物在一定环境温度、湿度下，在新陈代谢过程中利用水中溶解的二氧化碳，通过表面设置成核点干预形成晶体矿物[13]，诱导碳酸钙沉积，如图1所示. 化学反应如下所示.

图 1

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图 1   海洋/热泉光合微生物诱导碳酸钙沉淀的原理

Fig.1   Principle of microbially induced carbonate precipitation in marine/hot spring environment


$ {\text{C}}{{\text{O}}_2}+{{\text{H}}_{\text{2}}}{\text{O}} \to \left( {{\text{C}}{{\text{H}}_{\text{2}}}{\text{O}}} \right)+{{\text{O}}_{\text{2}}} $

$ {\text{CO}}_3^{2 - }+{{\text{H}}_{\text{2}}}{\text{O}} \to {\text{HCO}}_3^ - +{\text{O}}{{\text{H}}^ - } $

$ 2{\text{HCO}}_3^ - \to {\text{C}}{{\text{O}}_2}+{\text{CO}}_3^{2 - }+{{\text{H}}_{\text{2}}}{\text{O}} $

$ {\text{C}}{{\text{a}}^{2+}}+{\text{HCO}}_3^ - +{\text{O}}{{\text{H}}^ - } \to {\text{CaC}}{{\text{O}}_3}+{{\text{H}}_{\text{2}}}{\text{O}}$

1.2. 风化物生物诱导碳酸钙沉淀

自然界广泛存在地表风化物厌氧细菌，如产脲酶菌、硝化细菌、胶质芽孢杆菌等，通过促进氨基酸氨化、硝酸盐还原、尿素水解，诱导加速碳酸钙沉积反应，从而促使风化物胶结矿化[14]，如图2所示. 尿素水解诱导沉积的化学反应如下所示.

图 2

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图 2   风化物中微生物诱导碳酸钙沉淀的原理

Fig.2   Principle of microbially induced carbonate precipitation in weathering product


$ \text{CO}{\left( {\text{N}{\text{H}_2}} \right)_2}+{\text{H}_2}\text{O} \to \text{C}{\text{O}_2}+2\text{N}{\text{H}_3} $

$ 2\text{N}{\text{H}_3}+\text{C}{\text{O}_2}+{\text{H}_2}\text{O} \to 2\text{NH}_4^++\text{CO}_3^{2 - } $

$ \text{C}{\text{O}_2}+{\text{H}_2}\text{O} \to \text{HCO}_3^ - +{\text{H}^+} $

$ \text{C}{\text{a}^{2+}}+\text{HCO}_3^ - +\text{O}{\text{H}^ - } \to \text{CaC}{\text{O}_3}+{\text{H}_2}\text{O} $

2. 微生物基建筑材料的开发

针对现有的微生物诱导碳酸钙沉积试验，区分土体加固、结构修复和微生物混凝土3种应用场景，分析建筑材料配比、成型工艺和材料性能.

2.1. 土体加固

以微生物矿化碳酸钙晶体填充土体孔隙改善力学性能的土体加固技术，在边坡防护与地基处理领域中展现出重要的应用价值. 土体颗粒粒径、孔隙率及加固工艺对土体加固效率和加固后性能具有显著的影响，如图3所示. 其中，fc为试块抗压强度.

图 3

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图 3   生物土体加固成型工艺对强度的影响

Fig.3   Effect of biological soil reinforcement molding process on strength


粗粒砂土，如石英砂、珊瑚砂，常用入渗法生成热力学稳定的方解石碳酸钙晶型，呈菱面体或柱状结构（见图3(a)）. 尺寸集中在2~10 μm[15]，胶结层厚度约为10~30 μm，均匀填充于砂粒孔隙.

珊瑚砂表面富含活性钙离子，孔隙率可达35%~50%，具有优越的孔隙结构沉积附着点，相对于石英砂和硅砂20%~30%的孔隙率，更有助于胶结液流通和碳酸钙均匀沉积. 研究表明，石英砂经微生物碳酸钙沉积后的抗压强度为2~5 MPa[16]；珊瑚砂在相同工艺下的强度可达21.65 MPa[17-18]. 良好的沉积物晶态、较高的强度和长期稳定性使得粗粒砂土经微生物碳酸钙沉积处理后，适用于深度小于1 m的浅层地基加固工程[19]和微生物砌体砖[20]的制作.

细粒土（如粉土）因孔隙小于10 μm，导致渗透性不足，常采用拌合法或入渗-拌合法加固. 生成物由方解石和球霰石共同组成（见图3(b)），晶粒尺寸仅为1.0~2.0 μm，粉土颗粒之间未形成有效的桥接作用，导致强度较低. 研究显示，利用拌合法加固粉土的抗压强度为0.1~1 MPa[21-22]. 采用入渗-拌合法，通过预先拌合、多次入渗、引入外加剂等工艺，有效地改善胶结效果，将晶粒尺寸扩大到5~10 μm，包裹粉土颗粒，起到桥接作用（见图3(c)）. 通过添加氧化镁，使碳酸钙与碱式碳酸镁协同胶结[23]，将粉土强度提升至4.5 MPa，符合边坡加固强度的要求[24]. 通过改善灌注工艺及土体渗透性的方式，可以提高加固效果[25]. 目前，微生物加固主要用于深度小于1 m的边坡加固[26-27].

对比微生物加固不同土体强度发展的曲线发现，砂土在1.0~2.0 d时形成初期强度，后期的强度增长率不足20%，最终强度不高于10 MPa，适用于时效性优先的低强度土体加固工程. 珊瑚砂在3.0~4.0 d时开始具有一定的强度，之后进入强度快速增长期，在6.0~7.0 d时达到近260%的强度增长率，且后期仍有持续强化的趋势，适用于长期性能优先的土体加固工程.

2.2. 结构修复

微生物碳酸钙沉积技术常应用于建筑结构表面孔隙填充和裂缝修复，可以有效地改善材料密实度与耐久性. 表面孔隙尺寸在微米尺度，采用入渗法或浸泡法经微生物碳酸钙沉积处理后会填充致密的方解石，可以提升20%~30%的抗压强度[31]（见图4(a)）. 空间裂缝尺寸一般在mm尺度，反应物局部浓度较高，生成的碳酸钙晶体以不稳定的六方碳钙石、球霰石为主（见图4(b)），晶粒尺寸一般为1.0~2.0 μm.

图 4

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图 4   结构修复的微观形貌[32-33]

Fig.4   Microstructural morphology of structural repair[32-33]


裂缝宽度是微生物修复裂缝的敏感参数. 定义强度恢复率为混凝土修复后与开裂前的强度比值，如下所示：

$ R=\left(1-\frac{C_\text{u}-C_\text{r}}{C_\text{u}}\right) \times 100 {\text{%}} . $

式中：R为强度恢复率，Cu为混凝土开裂前的强度，Cr为混凝土经微生物修复后的强度.

微生物修复技术可以应用于宽度为0.1~1.5 mm的岩体结构裂缝修复[34]. 当裂缝宽度超过1.5 mm时，普通混凝土强度的恢复率下降至50%左右[35]，沥青混凝土强度的恢复率下降至15%[36]，当裂缝宽度＞2 mm时，强度恢复已不满足于实际应用.

由于早龄期混凝土湿度、孔隙率较高，存在氢氧化钙游离钙离子，微生物矿化环境更好. 当出现裂缝时，混凝土龄期越短，微生物修复效果越好. 开裂时，龄期为3 d和28 d的混凝土强度恢复率从85%下降到46%. 除此之外，pH值、湿度、孔隙率等环境参数对微生物裂缝修复的效果有较大的影响. 通过添加纤维[37]、陶粒[38]、海藻酸钠[39]等载体固定微生物，可以提高50%左右的强度恢复率.

不同宽度裂缝的混凝土经微生物修复后的样貌与强度恢复率如图5所示. 其中，RCS为抗压强度恢复率，RFS为抗折强度恢复率，w为裂缝宽度. 从图5可知，裂缝宽度与强度恢复率呈线性负相关.

图 5

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图 5   不同裂缝宽度的强度恢复率

Fig.5   Strength recovery rate at different crack width


2.3. 微生物基混凝土

混凝土内部的高碱（pH > 12）、高热（40~70 ℃）环境严重抑制微生物活性. 巨型芽孢杆菌[42]与粉煤灰改性混凝土直接拌合3 d后，活菌浓度从106 CFU/mL量级降低至104 CFU/mL量级，生成的碳酸钙晶体呈不规则簇状，尺寸仅为2~5 μm（见图6(a)），但28 d强度提升率可达19%. 利用载体固定化技术，可以延长微生物存活时间，优化矿化效果.

图 6

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图 6   生物混凝土的强度及产物微观形貌[43-47]

Fig.6   Strength and microstructural morphology of biogenic concrete[43-47]


使用硅溶胶固定巴氏芽孢杆菌[43]，并与混凝土直接拌合，使得混凝土孔隙率降低11.2%，强度提高20.6%. 与无载体保护的生物混凝土相比，载体保护下的微生物活跃周期可以延长2.5倍，生成的碳酸钙晶体尺寸增大10~25倍（见图6(b)）. 硅溶胶固定的巴氏芽孢杆菌与碳源钙源代替水泥制成的微生物砂浆强度可达55 MPa，验证了生物胶结材料的工程可行性[44].

混凝土早期水化过程中的微生物矿化作用占主导，相较于普通混凝土，有、无载体保护对强度提升的影响显著，无载体保护的情况下强度提升10%，有载体的情况下提升40%. 后期微生物失活，混凝土水化作用带来的强度提升占主导，有、无载体体系的强度提升率均为10%~20%.

与溶液环境下的直接矿化效率相比，有载体保护下的微生物矿化效率显著降低，硅溶胶保护下的巴氏芽孢杆菌矿化效率仅为正常溶液环境下的1/3[45]. 另一方面，生成物碳酸钙与C-S-H凝胶存在热膨胀系数的差异，混凝土基体的热膨胀系数为8×10−6~12×10−6 /℃，碳酸钙的热膨胀系数平均为3×10−6 /℃[46-47]，在水化热应力作用下会产生界面剥离.

微生物诱导生成碳酸钙与混凝土基质的相容性较强，可以直接掺入原位矿化，降低孔隙率，提升力学性能，如图6(c)所示. 早期（0~7 d）抗压强度提升40%，可以满足早期力学性能要求较高的工程.

3. 微生物基建造材料技术发展

3.1. 太空建造

近年来，面向深空探测的建造技术研究逐步展开，月球与火星具有低重力、高真空、强辐射、大温差等特征，对传统的建造技术构成严峻挑战.

生物太空建造技术的核心目标在于探寻适应极端环境的微生物开发地外极端环境的生物矿化建造体系. 对比月球、火星的环境参数和海洋/热泉、风化物微生物的环境适应性，如图7所示[48-50]. 其中，RS为太阳辐射量，θl、θh分别为最低和最高温度，p为大气压强. 环境参数对微生物的敏感性排序为：最低温度＞最高温度＞大气压强＞太阳辐射≈表面重力.

图 7

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图 7   微生物对月球与火星环境的适应能力

Fig.7   Microbial adaptation capability to lunar and martian environment


低重力不会抑制微生物活性，反而刺激微生物环境响应，使培养基中的营养物质分布均匀，促进微生物的生长和代谢. 在10−3g的微重力环境下，小球藻[51-52]浓度在14 d内提升超过170%.

高真空的环境会限制气体交换，导致缺氧失水，破坏微生物活性. 部分芽孢杆菌，如巴氏芽孢杆菌在无氧的环境下仍可进行矿化作用. 藻类可以在低氧、低二氧化碳环境下，利用有机物作为碳源进行光合作用. 芽孢杆菌和藻类外表具有多层保护结构，脱水耐受性显著高于营养细胞，可以在10−6 ~10−3 Pa量级的高真空环境下存活数月[53].

月球与火星宇宙辐射是地球的300倍左右. 其中，UVA、UVB和UVC辐射会直接破坏微生物的DNA链. 在国际空间站外部进行的抗辐射实验表明，蓝藻和绿藻[54]在太空辐射下的存活时间远超16个月，保持大于90%的生物活性.

月球与火星表面存在极大的昼夜温差，地下恒温层建造策略[55]可以为生物矿化反应提供20~30 ℃的适宜温度区间.

火星高浓度的二氧化碳更可以提供充足碳源. 图7对比显示，海洋/热泉微生物在火星环境参数下的面积覆盖度比风化物微生物高118%，更适合火星环境适应性的研究. 风化物微生物在月球环境参数下的面积覆盖度比海洋/热泉微生物高23%，更适合面向月球环境进行开发应用.

在建造技术方面，生物太空建造技术的核心在于将原位资源转化为功能性建材，并与智能化相结合，减少人力消耗. 选用巴氏芽孢杆菌[56]，采用入渗法12次加固模拟月壤，抗压强度可达1.3 MPa. 将巴氏芽孢杆菌与模拟月壤[28]直接混合，添加瓜尔胶为增稠剂，在5 d内生成强度达到5.65 MPa的“太空砖”，该技术具备可加工特性. 希瓦氏菌[57]可从火星风化层提取铁元素，经3D打印的金属构件强度较传统工艺提升4倍，验证了微生物对硅酸盐、赤铁矿、地质风化物等资源的转化能力.

当前蓝藻和巴氏芽孢杆菌、希瓦氏菌等生物矿化常用菌在复合太空极端环境下的试验仍未见报道，未来针对极端环境下的适应能力、矿化效率和控制精度是深入研发的目标，为月球和火星基地建设提供可持续性解决方案.

3.2. 建筑物修复

随着我国基础设施建设检测修复的需求日益增多，当前的微生物修复技术聚焦于外观修复和结构修复两方面. 微生物修复文物的核心优势体现在以下4个方面：1）材料兼容性高； 2）微观修复能力强；3）沉积速率可控； 4）复杂形态适应性强. 建筑行业规范要求结构修复面积、渗透性能、抗氯离子渗透的修复率均大于95%[58]. 微生物修复洼水库裂缝[24]，使得渗透性能修复率达到99.3%. 基于微生物加固技术修复石质文物[59]，通过后续监测验证了修复有效性，修复面积率满足规范要求，如图8所示.

图 8

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图 8   微生物修复石质佛指[59]

Fig.8   Microbial restoration of stone buddhist relics[59]


3.3. 绿色生物基建筑材料

建筑建材行业的温室气体排放量约占全球总排放量的11%[60]. 利用生物矿化技术，可以将二氧化碳、碳酸盐以碳酸钙的形式长期封存在建筑材料中，该技术成为极具潜力的绿色生物基建筑材料解决方案.

光合微生物，如小球藻、节旋藻、螺旋藻等，依靠光合作用吸收二氧化碳，通过有机物合成、溶解有机碳和生物矿化的方式进行固碳. 固碳效率是陆生植物的10~50倍[61]，封存周期达到数十年至上万年不等，不同藻类的固碳效率ηA如图9(a)所示，其中小球藻的固碳效率最高. 采用光驱动控制藻类生物在凝胶材料中矿化位置[71]的方法制作3D打印生物基水泥，可以实现100 kPa级强度的材料[72]，并作为环保建筑材料.

图 9

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图 9   微生物的固碳效率

Fig.9   Carbon sequestration efficiency of microorganism


风化物微生物依靠自身的高效矿化作用，将碳酸盐转化为碳酸钙，实现强度最高可达40 MPa的建筑材料制作，封存周期可达百年以上，不同风化物的固碳效率ηB如图9(b)所示. 其中巴氏芽孢杆菌的固碳能力最强[73]. 此外，风化物微生物可以用于治理污染土体[74]，实现绿色发展. 风化物微生物高效固碳与副产物存在平衡问题，高浓度尿素会带来铵离子污染，高浓度钙源也会带来部分阴离子对建筑的损害，如氯离子. 须优化胶结液组成成分或通过基因工程优化菌株脲酶活性.

4. 结　语

将微生物碳酸钙沉积技术用于固化不同颗粒特性土体，展现出广泛的工程适用性，可以实现不同等级的矿化强度. 土体孔隙和粒径是微生物碳酸钙沉积的敏感参数. 微生物碳酸钙沉积修复建筑材料主要受控于缺陷尺度和损伤龄期. 此外，pH值、湿度、孔隙率等环境参数对修复效果有较大的影响. 微生物基混凝土由于内部的高碱、高热环境，抑制生物活性. 利用载体固定化技术，可以延长微生物活跃周期，增大沉积碳酸钙晶体的尺寸，提升早期抗压强度.

微生物具备适应月球与火星低重力、高真空、强辐射、大温差等极端环境的能力. 对比微生物环境适应性和月球、火星环境参数可知，海洋/热泉微生物更适合火星环境适应性研究，风化物微生物更适合面向月球环境进行开发应用. 利用微生物碳酸钙沉积开发建筑材料，可以将二氧化碳、碳酸盐长期封存在建筑材料中，具有良好的固碳效果. 该技术为绿色建材革新提供了新方向.

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