理大研發生物礦化可持續策略 保護海洋基建免受微生物腐蝕

微生物誘導腐蝕（MIC）是海洋環境中普遍存在的現象，會導致混凝土基礎設施出現裂紋等結構損壞。海洋基建持續受侵蝕，縮減建築結構的耐用壽命，帶來重大經濟損失。為解決海洋混凝土結構物的腐蝕問題，香港理工大學(理大)的研究人員開發了一種可持續的生物礦化方案，可有效保護海洋混凝土免受微生物誘導腐蝕的影響。

理大建設及環境學院院長、可持續城市發展研究院院長、高贊明可持續城市發展教授、及環境科學及技術講座教授李向東教授帶領的研究團隊，成功開發一種創新的生物礦化策略，有效地隔離海洋混凝土免受微生物誘導腐蝕的影響，實現海岸結構物的可持續應用。

混凝土上的微生物誘導腐蝕，通常於存在腐蝕性微生物的不同環境中出現，例如污水結構物、污水處理廠和海洋結構物。然而，在混凝土表面形成的生物礦化膜，能夠作為一道有效的屏障抑制腐蝕，通常被視為主要的防腐機制。

李教授表示︰「生物礦化技術作為一種環保的混凝土防腐塗層方法，對整體海洋生物膜群落的影響極小。此外，它利用二氧化碳產生礦物沉澱物，增強混凝土結構的持久度。這個過程不僅減少了海洋基礎設施在整個建築壽命的碳足跡和能源消耗，還能惠及碳中和及可持續發展。」

該研究顯示，生物礦化處理通過減少硫酸鹽還原菌的總量和相對豐度，有效地防止微生物誘導腐蝕。硫酸鹽還原菌是一種厭氧細菌，可生產具腐蝕性的硫化氫，會導致物料損耗。

生物礦化膜作為保護層，可以控制硫酸鹽的擴散，隔離了混凝土與具腐蝕性的硫酸鹽還原菌社群。這種保護機制顯著延長了混凝土結構的建築壽命，對於原生海洋微生物群落也不會產生負面影響。

李教授補充道：「如果生物礦化膜保持完整，則無需在混凝土結構物上再次塗漆。單次塗層處理免去繁複程式，進一步降低了建築成本和碳足跡。」

這種生物礦化策略在腐蝕環境中的應用潛力無窮，適用於如海洋環境、污水環境和水冷卻設施，而這些地方的混凝土腐蝕都是由腐蝕性微生物引起。

李教授這項研究名為”生物礦化可防止微生物引起的混凝土腐蝕，以實現可持續的海洋基礎設施”，已在著名期刊《環境科學與技術》上刊登。研究對混凝土，綜合使用化學和力學性能測量，以及對生物膜的微生物群落分析，評估了生物礦化技術在抑制海洋混凝土腐蝕方面的成效，這些評估旨在增進對微生物誘導腐蝕發展的理解。研究成果有助於開發創新技術以抑制腐蝕，實現可持續的海洋混凝土結構。

在硫酸鹽化學侵蝕中，氫氧化鈣和鋁酸鈣水合物將被消耗，形成石膏和鈣礬石，引起膨脹應力和基質裂縫（圖1a）。在微生物誘導腐蝕過程中，細菌可以植根腐蝕層，為微生物生長提供良好的培養基。微生物活動可以超越腐蝕層，蔓延至表面附近的腐蝕區域（圖1b）。與化學腐蝕相比，微生物誘導腐蝕對海洋混凝土結構造成更嚴重的損害。然而，生物礦化膜在混凝土表面的形成導致了較高的表面酸鹼度和較低的表面硫酸鹽濃度，同時也有控制硫酸鹽擴散、隔離混凝土與硫酸鹽還原菌社群的作用，降低了內部硫酸鹽水平（圖1c）。

考慮到被細菌滲入的物質表面類型也會影響生物礦化的處理效果，項目將進一步研究生物礦化技術在不同混凝土類型中的效果，以拓展其應用潛力。此外，相關功能預測亦可用於日後的研究，從而在機理上了解微生物作用對混凝土腐蝕的潛藏代謝能力。這些研究結果有利於揭開硫酸鹽還原菌和海洋混凝土結構建築壽命之間的奥秘。