生物矿化可持续策略 保护海洋基建免受微生物腐蚀

微生物诱导腐蚀是海洋环境中普遍存在的现象，会导致混凝土基础设施出现裂纹等结构损坏。为解决海洋混凝土结构物的腐蚀问题，香港理工大学的研究人员开发了一种可持续的生物矿化方案，可有效保护海洋混凝土免受微生物诱导腐蚀的影响。

混凝土上的微生物诱导腐蚀，通常于存在腐蚀性微生物的不同环境中出现，例如污水结构物、污水处理厂和海洋结构物。然而，在混凝土表面形成的生物矿化膜，能够作为一道有效的屏障抑制腐蚀，通常被视为主要的防腐机制。

生物矿化技术作为一种环保的混凝土防腐涂层方法，对整体海洋生物膜群落的影响极小。此外，它利用二氧化碳产生矿物沉淀物，增强混凝土结构的持久度。这个过程不仅减少了海洋基础设施在整个建筑寿命的碳足迹和能源消耗，还能惠及碳中和及可持续发展。

该研究显示，生物矿化处理通过减少硫酸盐还原菌的总量和相对丰度，有效地防止微生物诱导腐蚀。生物矿化膜作为保护层，可以控制硫酸盐的扩散，隔离了混凝土与具腐蚀性的硫酸盐还原菌社群。这种保护机制显著延长了混凝土结构的建筑寿命，对于原生海洋微生物群落也不会产生负面影响。

如果生物矿化膜保持完整，则无需在混凝土结构物上再次涂漆。单次涂层处理免去繁复程序，进一步降低了建筑成本和碳足迹。

这种生物矿化策略在腐蚀环境中的应用潜力无穷，适用于如海洋环境、污水环境和水冷却设施，而这些地方的混凝土腐蚀都是由腐蚀性微生物引起。

这项研究名为「生物矿化可防止微生物引起的混凝土腐蚀，以实现可持续的海洋基础设施」，已在著名期刊《环境科学与技术》上刊登。研究对混凝土，综合使用化学和力学性能测量，以及对生物膜的微生物群落分析，评估了生物矿化技术在抑制海洋混凝土腐蚀方面的成效，这些评估旨在增进对微生物诱导腐蚀发展的理解。研究成果有助于开发创新技术以抑制腐蚀，实现可持续的海洋混凝土结构。

在硫酸盐化学侵蚀中，氢氧化钙和铝酸钙水合物将被消耗，形成石膏和钙矾石，引起膨胀应力和基质裂缝（图1a）。在微生物诱导腐蚀过程中，细菌可以植根腐蚀层，为微生物生长提供良好的培养基。微生物活动可以超越腐蚀层，蔓延至表面附近的腐蚀区域（图1b）。与化学腐蚀相比，微生物诱导腐蚀对海洋混凝土结构造成更严重的损害。然而，生物矿化膜在混凝土表面的形成导致了较高的表面酸碱度和较低的表面硫酸盐浓度，同时也有控制硫酸盐扩散、隔离混凝土与硫酸盐还原菌社群的作用，降低了内部硫酸盐水平（图1c）。