苏黎世联邦理工学院一位科学家证明，细菌与数字化制造技术也可以用来建造自由形态的建筑构件。
这一工艺被视为水泥的一种有前景、更节能的替代方案。此前，该技术主要用于稳固土壤、制作模压瓦片以及科研领域。
研究表明，活体细菌能够通过形成碳酸钙（构成石灰岩的矿物质）将沙子及其他松散颗粒粘合成一种固体材料。
这一工艺在某种程度上类似于3D打印（见下方视频）。
降低热量需求
水泥制造是建筑行业最大的二氧化碳排放源之一。在苏黎世联邦理工学院建筑系，刚完成博士学位的卡伦·安托维扎·帕埃斯正在研究一种运作方式完全不同的替代方案：她不是将岩石加热到1000摄氏度以上进行烧制，而是让细菌将沙粒粘合成固态建筑构件。
“我们利用细菌生产一种矿物胶，”安托维扎·帕埃斯解释道。
当某些类型的细菌与沙子或其他固体颗粒结合时，它们会将这些颗粒连接成由相互交织的微观方解石晶体构成的固体结构。
这一过程被称为微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP），或简称生物胶结。这并非新鲜事物：用于这一过程的巴氏芽孢杆菌已经被研究多年，例如用于稳固松散的地基土壤。
它们还被用于“自修复”混凝土的研究，通过引入细菌孢子使裂缝能够自行愈合。
安托维扎·帕埃斯的创新之处在于如何控制这一过程：不是作为现有建筑材料的添加剂，而是将其本身作为一种独立的建筑材料。为实现这一目标，她将两个此前基本独立的研究领域结合起来：生物胶结与数字化制造。
尽管人们早已知道，在特定条件下细菌能够将沙子粘合成固体物体，但安托维扎·帕埃斯解释说：“此前缺少的是能够按需控制这些生物过程、并用于制造建筑构件的制造工艺。”
制造生物成因建筑材料的两种方法
在撰写博士论文的过程中，她完成了三项科学研究，描述了两种不同的制造方法。
第一种方法是3D生物水泥打印，研究团队开发了一种“生物墨水”，由基于水与天然物质海藻酸盐、黄原胶构成的凝胶，加上沙子和活体细菌组成。
与传统3D打印浆料一样，这种生物墨水可以被打印成特定的目标结构。打印完成的物体随后被浸入含有尿素和氯化钙的溶液中。
此时细菌开始发挥作用，它们通过一种名为脲酶的酶分解尿素。这一反应释放出碳酸根离子，并产生氨作为副产物。
溶液中的碳酸根与氯化钙结合形成碳酸钙，也就是石灰岩——与贻贝壳和白垩中的矿物质相同。
石灰岩会在打印物体内细菌所在的位置形成。微观晶体在沙粒之间生长，并相互“咬合”。
这正是该工艺产生粘合效果的原因：这并非传统意义上的胶水，而是由相互连接的矿物晶体构成，通过机械作用将颗粒固定在一起。
“就像烤蛋糕一样”
整个过程需要两到五天，具体取决于所需建筑构件的强度。这要求每天提供新鲜的矿化溶液，以免细菌耗尽形成石灰岩所需的物质。
随后物体被晾干。完成这一步后，整个工艺就结束了。此时结构已转化为固态矿物，细菌也不再活跃。
安托维扎·帕埃斯说：“这有点像烤蛋糕。你有面团，它仍然非常柔软、脆弱。只有烤箱才能把它变成坚固的东西。”
在她的工艺中，细菌扮演着烤箱的角色：它们在室温下缓慢地使打印结构固化，直至其变得坚固、粘合并干燥。整个过程不使用任何热源。
这一工艺已被用于制作外立面构件等。例如，它可以用来遮阳或作为隔断墙。
全数字化制造
将生物水泥应用于建筑领域的第二种方法是机器人喷涂。在这项技术中，研究人员去掉了浸泡溶液这一中间环节。
机械臂将细菌、形成石灰岩所需的矿化物质以及沙子依次反复喷涂在表面上，逐层堆叠增高。
这一工艺的灵感来自叠层石——一种层状沉积岩结构，是微生物在漫长岁月中沉积矿物质而在自然界中形成的。
在2025年威尼斯建筑双年展上，这一工艺持续运行了六个月，让参观者能够亲眼见证其成果。
“我们已经证明，整个生物胶结过程可以实现自动化，”安托维扎·帕埃斯说。
这两种工艺是互补的：“打印工艺更适用于建筑构件，而喷涂工艺更适合用于表面处理，”安托维扎·帕埃斯解释道。
打印工艺的研究重点在于材料科学——哪种生物墨水有效、如何打印，而喷涂工艺则主要关注机器本身，以及如何控制三种材料流。
因此，这两种工艺处于不同的发展阶段。安托维扎·帕埃斯表示，喷涂工艺在力学性能方面仍需要大量研究，例如颗粒与粘合介质在物体内部的排列方式。
为自然的智慧所着迷
对安托维扎·帕埃斯来说，与微生物共同工作首先意味着一件事：与建筑材料建立一种全新的关系。
“作为建筑师，你通常并不了解材料的制作过程——它是在别处生产出来的，”她说。“让我感到着迷的是，大自然找到了制造非常精密材料的方法，而我们可以将这些方法应用于当今面临的问题。”
这位建筑师目前正在进行第三项研究，关注生物胶结对环境的影响并寻找相关解决方案。原因在于，细菌与矿化溶液反应过程中产生的氨对环境危害很大。
正如安托维扎·帕埃斯所解释的：“如果我们在设计中不考虑这种化学副产物的处理方式，那么很遗憾，将生物水泥用于建筑将不会是一种可持续的做法。”
承重结构仍相去甚远
这位研究者承认，就目前而言，生物胶结材料更接近砂浆，而非混凝土。她与混凝土的对比清楚地表明，还有大量研究工作有待完成。
混凝土的配方——即如何按比例组合不同粒径的颗粒——已经历经一个多世纪的改良，至今仍在不断精细调整。
而对于生物胶结而言，这项工作才刚刚起步：尽管我们知道细菌原则上可以与某些粒径的颗粒结合，但如何利用这一点生产出尽可能稳定、持久的材料，仍是有待研究回答的问题。
“现在最大的问题已不再是生物水泥是否可行，而是其性能能够被控制到什么程度，”安托维扎·帕埃斯总结道。
Q&A
Q1：生物胶结技术是什么？它能用来做什么？
A：生物胶结是一种利用活体细菌将沙子等松散颗粒粘合成固体材料的工艺，细菌通过形成碳酸钙晶体将颗粒连接在一起，可用于制作建筑外立面构件、隔断墙等建筑元素。
Q2：生物水泥能完全替代传统水泥吗？
A：目前还不能。研究者承认生物胶结材料更接近砂浆而非混凝土，承重结构的应用还需要大量研究，尤其是在材料的力学性能和长期稳定性方面。
Q3：生物胶结工艺会对环境造成影响吗？
A：会有一定影响。细菌与矿化溶液反应过程中会产生氨这种化学副产物，对环境有害。研究者目前正在专门研究如何处理这一副产物，以确保该工艺的可持续性。
