石灰岩微生物溶解-再沉淀路径的创新研究：生物水泥绿色制备新策略

《Applied Microbiology and Biotechnology》：A novel microbial dissolution-reprecipitation pathway for bio-sintering of limestone for biocement production

为解决传统尿素分解生物水泥技术存在的氨气释放、氯离子腐蚀及环境不可持续性等问题，研究人员开展了基于乙酸杆菌（Acetobacter aceti）介导的石灰岩生物烧结（bio-sintering）研究。该研究通过微生物代谢实现石灰岩（CaCO3）在常温下的溶解与方解石（calcite）再沉淀，成功制备出生物水泥。结果表明，该路径无需尿素或化学添加剂，直接以石灰岩为钙源，降低了碳足迹，为土壤稳定、生态混凝土等可持续建筑提供了绿色解决方案。

　　

在自然界中，宏伟的地质构造如叠层石、凝块石和海滩岩，都是通过生物胶结作用（biocementation）形成的。这一过程涉及碳酸钙（CaCO₃）的连续溶解和再沉淀，如同一位技艺精湛的建筑师，利用微生物的代谢活动，在温和的环境条件下，将松散的颗粒牢固地胶结在一起。受此启发，科学家们一直致力于模仿自然，开发出环境友好、可持续的生物水泥技术，以应对传统建筑材料生产过程中的高能耗、高污染问题。

然而，当前主流的生物水泥技术——尿素分解途径（ureolytic pathway）——尽管研究广泛，却存在明显的局限性。该技术依赖于尿素和氯化钙作为原料，在微生物作用下分解尿素产生碳酸根离子，进而与钙离子结合形成碳酸钙沉淀。但这一过程会释放氨气，造成空气污染，并且氨的转化可能引发水体富营养化风险。同时，引入的氯离子对钢筋混凝土结构具有潜在的腐蚀威胁。更重要的是，尿素的生产本身属于高能耗、高碳排放的化工过程，这使得传统生物水泥技术的整体环境可持续性受到质疑。因此，探索不依赖尿素、利用天然原料的新型生物水泥路径，成为该领域迫切的需求。

正是在这一背景下，由Raja Murugan、Anant Dubey、Navdeep Dhami和Abhijit Mukherjee组成的研究团队，在《Applied Microbiology and Biotechnology》上发表了一项创新性研究。他们提出并验证了一种名为“生物烧结”（biosintering）的新途径。该过程巧妙地利用了一种常见的、生物安全的食品级微生物——乙酸杆菌（Acetobacter aceti， ATCC 15973），以自然界广泛存在的石灰岩（主要成分为CaCO₃）作为唯一的钙源，在环境温度下成功实现了石灰岩的微生物溶解和碳酸钙的再沉淀，从而生成生物水泥。这项研究不仅模拟了自然界的成岩过程，更重要的是，它摒弃了尿素和有害化学添加剂，为开发下一代绿色建筑材料奠定了坚实的基础。

为了验证这一新颖的生物烧结路径，研究人员设计了一套严谨的实验方案。他们首先复苏并培养了乙酸杆菌（Acetobacter aceti）。核心的生物烧结实验在一个含有乙醇、石灰岩粉末和少量酵母提取物的培养基中进行。研究人员将活菌接种到该培养基中，并在摇床中于30°C下进行培养。为了确证过程的生物依赖性，他们设置了使用灭活细菌的对照组以及在无石灰岩条件下仅观察乙醇氧化的对照组。在整个培养周期（长达392小时）中，研究团队定期取样，监测培养基中乙醇、乙酸根离子（acetate）、可溶性钙离子（Ca²⁺）的浓度以及pH值的变化。对于最终形成的生物水泥沉淀物，他们采用了傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析其化学基团，利用扫描电子显微镜（SEM）观察其微观形貌，通过X射线衍射（XRD）进行物相定性和定量分析，并采用粒度分析仪测定其颗粒尺寸分布。

溶解和再沉淀CaCO₃

研究人员首先通过对照实验排除了非生物因素的作用。使用热灭活的A. aceti进行实验时，未观察到乙醇消耗、pH下降或CaCO₃溶解，证明活性微生物代谢是驱动该过程的必要条件。在仅含乙醇和菌体的培养基中（无CaCO₃），乙醇被迅速氧化为乙酸，导致pH显著下降至3.5，这表明A. aceti代谢产生的酸性环境足以溶解碳酸钙。

当在培养基中加入石灰岩粉末后，一个清晰的、分为两个阶段的过程被揭示出来。在0至96小时的“溶解相”中，A. aceti氧化乙醇产生乙酸，导致培养基pH值从初始的约7.0下降至5.96。这种酸性条件促使石灰岩溶解，释放出Ca²⁺，其浓度在96小时达到峰值76±4 mM。计算得出的乙醇氧化速率和CaCO₃溶解速率分别为2.87±0.35 mM/h和1.23±0.2 mM/h。在96至392小时的“再沉淀相”中，乙醇已耗尽，A. aceti开始氧化之前积累的乙酸。乙酸氧化消耗质子（H⁺），导致培养基pH值持续上升至9.7。这种碱性环境促使溶液中溶解的CO₂转化为碳酸根离子（CO₃^2-），并与Ca²⁺结合，重新沉淀出CaCO₃，表现为可溶性钙离子浓度逐渐降至接近零。此阶段的乙酸氧化速率和CaCO₃沉淀速率分别为0.565±0.11 mM/h和0.23±0.06 mM/h。

通过FTIR确认CaCO₃的再沉淀

为了确认沉淀物的化学性质，研究人员对生物烧结产生的生物水泥和原始石灰岩粉末进行了FTIR分析。两者的光谱图显示出高度一致性，均在1398 cm^-1（碳酸根C-O键的不对称伸缩振动，v3）、871 cm^-1（面外弯曲振动，v2）和712 cm^-1（面内弯曲振动，v4）处出现了特征吸收峰。这些特征峰是碳酸钙（CO₃^2-）的典型标志，证实了生物水泥的主要化学成分与原始石灰岩相同，均为碳酸钙。

SEM图像展示CaCO₃晶体的形态演变

SEM观察直观地展示了生物烧结过程中碳酸钙晶体形态的显著变化。原始石灰岩粉末中的晶体呈现棱角分明的菱面体（rhombohedral）形态，表面光滑致密，这是方解石（calcite）的典型形貌。在溶解相（培养96小时）取样观察，晶体表面出现了明显的侵蚀和孔洞，这是由于局部酸性微环境导致的溶解痕迹。到了再沉淀相结束后，形成的生物水泥晶体形态发生了根本性转变，从菱面体转变为聚集的、近球状或椭球状的颗粒，表面粗糙且多孔。这种形貌是微生物诱导矿化过程的典型特征，表明晶体的成核和生长受到了微生物活动的显著影响。

XRD确认再沉淀的生物水泥为方解石

XRD物相分析为生物水泥的晶体结构提供了确凿证据。生物水泥的XRD图谱与原始石灰岩粉末的图谱高度相似，其主要衍射峰均与标准方解石卡片对应。通过Rietveld精修定量分析表明，原始石灰岩约含94.4%的方解石，而生物水泥中的方解石含量超过97%。两者均含有少量白云石（dolomite， Ca(Mg)(CO₃)₂）杂质，这可能是由于原料石灰岩中本身含有微量镁离子所致。该结果证实，生物烧结过程再沉淀出的碳酸钙晶体主要是热力学最稳定的方解石相。

粒度分析显示生物水泥的尺寸分布

粒度分析揭示了生物烧结对产物颗粒均匀性的改善作用。原始石灰岩粉末的粒度分布较宽，其d(0.1)、d(0.5)和d(0.9)值（即累积分布达到10%、50%和90%时所对应的粒径）分别为3.58 μm、13.72 μm和31.29 μm。相比之下，生物水泥的粒度分布变窄，均匀性提高，其d(0.1)、d(0.5)和d(0.9)值变为8.13 μm、13.02 μm和16.50 μm。这表明，经过溶解-再沉淀循环后，较大的颗粒被部分溶解，而新沉淀的晶体尺寸相对均一，导致了整体颗粒分布的均质化。

本研究成功地演示了一种全新的、受自然启发的生物水泥生产路径——微生物烧结。该路径利用乙酸杆菌（Acetobacter aceti）的代谢活动，在环境条件下实现了以石灰岩为直接钙源的碳酸钙（CaCO₃）溶解与再沉淀的完整循环。研究结果表明，这一过程无需尿素或任何有害化学添加剂，最终产物为纯度高的方解石型生物水泥。其晶体形貌从初始的菱面体转变为更易形成致密结构的聚集球状体，且颗粒分布更为均一。

这项研究的意义重大。首先，在环境可持续性方面，它直接利用天然石灰岩，避免了高能耗的尿素生产，显著降低了生物水泥技术的碳足迹。其次，在材料安全性上，该过程不引入氯离子，消除了对钢筋混凝土结构的腐蚀风险。此外，该技术具有广阔的应用前景，可应用于土壤加固、海岸线防护、生态混凝土制造以及历史建筑修复等领域。研究人员也指出，未来的工作将侧重于优化工艺参数以提升可扩展性，评估生物水泥产物的机械强度（如抗压强度），并探索在真实环境下的应用效能。同时，构建能够同时产生乙醇和进行生物烧结的微生物群落，有望实现更闭环、更自给自足的生物制造系统。总之，这项研究为发展真正绿色、可持续的下一代建筑技术提供了重要的原理验证和科学基础。