活体建筑材料：真菌和细菌如何创造自我修复建筑

建筑物在人类文明中一直作为静态避难所发挥作用。工程活体材料（ELMs）提出了一个根本性的转变：能够响应环境变化、自主修复损坏并随时间演变的建筑材料。虽然实验性的微藻立面展示了建筑中活体与生物体的整合，新一代材料将多种微生物或真菌物种结合起来，实现单一生物无法实现的复杂行为。

从骨骼启发的结构到生物水泥

最具感染力的多株ELMs将真菌菌丝体与生物矿化细菌结合。菌丝体提供可塑形的轻质网络（结构支架），而细菌通过在纤维基质中通过碳酸钙沉淀催化生物胶结的形成。这种分工反映了骨骼、珊瑚和土壤生态系统等自然系统，这些系统既有合作也有重复，从而获得韧性。

蒙大拿州立大学及其合作机构的研究人员利用Neurospora crassa mycelium和Sporosarcina pasteurii菌创建了生物复合材料。受皮层骨内部结构启发，团队制造了生物矿化支架，其微观结构为同心环，围绕促进营养物质运输的内部通道展开。

细菌有效地使菌丝基质生物矿化，增加了复合质量，同时材料表现出高生存率，在30°C下近一个月内保持活体和响应性。这种延长的生存能力代表了显著进展，因为大多数ELMs在数周内因养分耗竭、微生物竞争或干燥而开始降解。

另一种方向是将聚合物水凝胶（胶状、喜水物质）注入工程微生物。这些水合基质为生物提供了最佳环境，同时促进养分和气体的分布。麻省理工学院的工程师开发了含有多种工程大肠杆菌菌株的ELM水凝胶，每种菌株具有不同的功能：检测环境毒素如重金属、释放保护酶，或表现出颜色变化，传递污染信号。

这些多样化的角色难以由单一菌株轻松完成。从结构角度看，水凝胶ELM可以实现智能膜或生物皮肤，响应污染物，或基于气候波动自我调节孔隙度，从而创造可编程材料适应环境条件。

最先进的多菌株ELMs具有相互的自营养微生物群体——这意味着生物体在代谢上相互依赖，获取包括维生素、酶和氨基酸在内的必需营养素。这种互利关系增强了物质的韧性和耐力。

在高温、干燥或盐碱等环境压力下，一些微生物进入休眠状态，而另一些则保持活跃以保护系统。随着环境变化，角色也会互换。瑞士洛桑联邦理工学院及其他实验室的研究发现，这类ELM即使在变化的条件下也能比单一栽培更持久。

能够自稳定并在应力下演变的材料在建筑应用中非常受欢迎。面对环境恶劣的立面系统或地下环境，需要偶尔通过光照或湿气补充材料，而非频繁维护或更换，将更为有利。

尽管取得了进展，商业化仍面临重大障碍。长期生存能力有限：大多数ELM在数周或数月内会退化。实现自我维持的多变株生态需要在代谢工程和材料设计上进行重大创新。

生物安全也带来了另一个挑战。尽管大多数菌株无致病性，监管机构仍可能要求严格控制，以防止潜在污染或微生物不受控制地生长。目前建筑规范和性能标准缺乏评估生长、变异和演变材料的框架。公众对生物建筑表面的接受度仍不确定。

然而，随着气候波动加速，传统被动建筑产品在压力下老化，生物材料能够感知变化的环境并通过自我修复来应对，带来了切实的益处。未来的材料组装不仅可能被指定，还可能被培养，模块化微生物工具包提供可选择的功能菌株，满足特定功能：污染检测、裂纹修复、抗紫外线或碳封存。

多元ELMs邀请人们将建筑重新想象，而非惰性产品的集合，而是活生生的生态系统：响应性强、再生性强、适应性强，尽管在建构环境中表现出非凡的参与者。