生物可以降解水泥吗？
要回答“生物能否降解水泥”这个问题，我们需要深入探讨一下水泥的构成以及微生物与这些成分相互作用的复杂性。简而言之，直接的、像分解有机物那样将水泥“吃掉”并转化为无害物质的生物过程，目前来看是非常有限且效率极低的。 不过，随着我们对水泥及其潜在微生物相互作用的理解加深，一些更微妙的“降解”或“转化”机制正在被发现和研究。
让我们来拆解一下这个问题：
1. 水泥究竟是什么？
水泥，特别是我们最常用的波特兰水泥，是一种由硅酸盐、铝酸盐、铁酸盐等组成的人工无机胶凝材料。它的生产过程是在高温窑炉中将石灰石（主要成分是碳酸钙）和黏土等原料煅烧而成，形成熟料。随后，将熟料与少量石膏（用于调节凝固时间）一起磨成细粉，就得到了水泥。
在水泥与水混合发生水化反应后，会形成一种叫做水化产物的复杂三维网络结构，这就是我们所说的“水泥石”。这个结构主要由以下成分组成：
水化硅酸钙（CSH凝胶）： 这是水泥石中最主要的成分，也是赋予水泥强度和耐久性的关键。它是一种纳米级别的凝胶状物质，结构复杂且不规则。
氢氧化钙（Ca(OH)₂）： 也称为“钙华”或“熟石灰”，这是水泥水化过程中的副产物。它是一种具有一定碱性的晶体。
铝酸钙水化物和铁铝酸钙水化物： 这些成分在水化过程中也起重要作用，影响早期强度和某些特性。
2. 生物能“吃掉”这些无机物吗？
与我们熟悉的有机物（如木头、食物残渣）不同，水泥的构成是无机矿物。绝大多数生物，包括细菌、真菌、植物等，都没有直接分解这些稳定无机化合物的酶系统。我们的消化系统之所以能处理食物，是因为我们体内有能够分解蛋白质、碳水化合物、脂肪的酶。水泥的化学键和结构与这些有机分子完全不同，普通生物无法直接将其分解为可吸收的营养。
3. 那么，为什么会有人说生物可以“降解”水泥？
这里，“降解”的含义可能比字面意思要宽泛一些，更多地指的是生物对水泥产生影响，导致其结构或化学性质发生变化，从而可能在某种程度上“破坏”或“转化”水泥。这些影响通常是间接的，或者依赖于特定的生物类型和环境条件：
通过影响水泥的碱性环境： 水泥水化产物中的氢氧化钙使得水泥石具有较高的碱性（pH值可达1213）。这种强碱性环境对大多数微生物是不利的，会杀死或抑制它们的生长。然而，一些特定的微生物，特别是嗜碱性微生物（alkaliphilic microorganisms），却能在这种高pH环境下生存并繁衍。
酸生成微生物（Acidproducing bacteria, APB）： 一些细菌（如某些假单胞菌、芽孢杆菌）可以通过代谢某些有机物产生酸。例如，如果水泥基材料暴露在含有有机物的环境中，或者材料本身含有易于被微生物利用的有机添加剂，那么微生物就可以进行代谢活动。这些代谢产物中的酸，例如醋酸、乳酸等，可以与水泥中的碱性组分（如氢氧化钙）发生反应，将其中和，或者侵蚀水泥石的矿物相。
Ca(OH)₂ + 2H⁺ → Ca²⁺ + 2H₂O
这个过程虽然不是直接“吃掉”水泥，但它改变了水泥的化学环境，可能会导致水泥石结构的疏松。
生物矿化（Biomineralization）和生物侵蚀（Biocorrosion）： 有些微生物，特别是形成碳酸盐的细菌（carbonateprecipitating bacteria），可以在其细胞周围析出碳酸钙。如果这些微生物生长在水泥表面或内部，它们可能会通过以下几种方式影响水泥：
填充孔隙： 它们析出的碳酸钙晶体可能会填充水泥石的微小孔隙，在一定程度上“修复”或“堵塞”裂缝，这被称为“生物修复”（bioremediation）或“生物填筑”（biocementation）。这是一种积极的影响。
改变化学成分： 某些微生物的代谢活动可能改变水泥基体内的化学成分，间接影响其结构稳定性。例如，它们可能会消耗或转化水泥水化产物中的某些成分。
产生腐蚀性代谢物： 除了酸，有些微生物还能产生硫化物等腐蚀性物质，这些物质可能与水泥中的矿物相发生反应，导致水泥的劣化。例如，硫酸盐还原菌（SRB）在缺氧条件下会产生硫化氢，硫化氢在有氧条件下会进一步氧化为硫酸，硫酸与水泥石中的氢氧化钙和水化硅酸钙反应，生成膨胀性的钙矾石，从而破坏水泥结构。
物理侵蚀： 植物的根系生长也可能对水泥产生物理破坏。植物根系在生长过程中会产生压力，而且植物根系分泌的有机酸也能溶解矿物质。虽然这种作用更多是物理上的“破裂”而非化学上的“分解”，但也是一种生物对水泥的“改造”。
特殊微生物的研究： 科学研究中，有一些专门研究能够“降解”水泥或其组分的微生物。例如，有一些研究发现某些真菌（如某些曲霉菌）能够分泌柠檬酸等有机酸，这些有机酸可以溶解水泥中的钙质成分。还有一些研究尝试利用特定微生物来“分解”建筑废料中的水泥，以实现资源的循环利用。但这些研究中的“降解”往往是指在实验室条件下，通过高度浓缩的微生物活性或特定的培养基来实现的，离自然环境下的普遍降解还有很大距离。
4. 总结：
直接分解水泥如同消化有机物？ 绝大多数情况下，不能。 普通微生物缺乏分解水泥复杂无机化学键的能力。
生物能否对水泥产生影响，改变其性质？ 可以，并且这种影响正在被积极研究。
积极影响（生物修复）： 某些微生物能够通过生物矿化在水泥孔隙中形成碳酸钙，从而填充裂缝，提高材料的耐久性。
消极影响（生物侵蚀）： 某些微生物产生的酸或硫化物等代谢物，可以与水泥中的矿物发生化学反应，导致水泥的劣化、强度下降。植物根系也可能造成物理破坏。
“降解”的定义： 在生物与水泥相互作用的语境下，“降解”常常是一个更宽泛的概念，包含化学侵蚀、溶解、结构破坏以及生物矿化等多种形式，而不仅仅是简单的有机物分解。
总而言之，虽然没有生物能够像吞食有机物那样“吃掉”水泥，但某些特定的微生物，在特定的环境条件下，确实能够通过化学或物理的方式影响水泥的结构和性能，从而在某种意义上实现对水泥的“降解”或“转化”。这既是微生物对水泥的一种挑战，也是人类利用微生物进行材料修复和资源循环利用的潜在机遇。
让我们来拆解一下这个问题：
1. 水泥究竟是什么？
水泥，特别是我们最常用的波特兰水泥，是一种由硅酸盐、铝酸盐、铁酸盐等组成的人工无机胶凝材料。它的生产过程是在高温窑炉中将石灰石（主要成分是碳酸钙）和黏土等原料煅烧而成，形成熟料。随后，将熟料与少量石膏（用于调节凝固时间）一起磨成细粉，就得到了水泥。
在水泥与水混合发生水化反应后，会形成一种叫做水化产物的复杂三维网络结构，这就是我们所说的“水泥石”。这个结构主要由以下成分组成：
水化硅酸钙（CSH凝胶）： 这是水泥石中最主要的成分，也是赋予水泥强度和耐久性的关键。它是一种纳米级别的凝胶状物质，结构复杂且不规则。
氢氧化钙（Ca(OH)₂）： 也称为“钙华”或“熟石灰”，这是水泥水化过程中的副产物。它是一种具有一定碱性的晶体。
铝酸钙水化物和铁铝酸钙水化物： 这些成分在水化过程中也起重要作用，影响早期强度和某些特性。
2. 生物能“吃掉”这些无机物吗？
与我们熟悉的有机物（如木头、食物残渣）不同，水泥的构成是无机矿物。绝大多数生物，包括细菌、真菌、植物等，都没有直接分解这些稳定无机化合物的酶系统。我们的消化系统之所以能处理食物，是因为我们体内有能够分解蛋白质、碳水化合物、脂肪的酶。水泥的化学键和结构与这些有机分子完全不同，普通生物无法直接将其分解为可吸收的营养。
3. 那么，为什么会有人说生物可以“降解”水泥？
这里，“降解”的含义可能比字面意思要宽泛一些，更多地指的是生物对水泥产生影响，导致其结构或化学性质发生变化，从而可能在某种程度上“破坏”或“转化”水泥。这些影响通常是间接的，或者依赖于特定的生物类型和环境条件：
通过影响水泥的碱性环境： 水泥水化产物中的氢氧化钙使得水泥石具有较高的碱性（pH值可达1213）。这种强碱性环境对大多数微生物是不利的，会杀死或抑制它们的生长。然而，一些特定的微生物，特别是嗜碱性微生物（alkaliphilic microorganisms），却能在这种高pH环境下生存并繁衍。
酸生成微生物（Acidproducing bacteria, APB）： 一些细菌（如某些假单胞菌、芽孢杆菌）可以通过代谢某些有机物产生酸。例如，如果水泥基材料暴露在含有有机物的环境中，或者材料本身含有易于被微生物利用的有机添加剂，那么微生物就可以进行代谢活动。这些代谢产物中的酸，例如醋酸、乳酸等，可以与水泥中的碱性组分（如氢氧化钙）发生反应，将其中和，或者侵蚀水泥石的矿物相。
Ca(OH)₂ + 2H⁺ → Ca²⁺ + 2H₂O
这个过程虽然不是直接“吃掉”水泥，但它改变了水泥的化学环境，可能会导致水泥石结构的疏松。
生物矿化（Biomineralization）和生物侵蚀（Biocorrosion）： 有些微生物，特别是形成碳酸盐的细菌（carbonateprecipitating bacteria），可以在其细胞周围析出碳酸钙。如果这些微生物生长在水泥表面或内部，它们可能会通过以下几种方式影响水泥：
填充孔隙： 它们析出的碳酸钙晶体可能会填充水泥石的微小孔隙，在一定程度上“修复”或“堵塞”裂缝，这被称为“生物修复”（bioremediation）或“生物填筑”（biocementation）。这是一种积极的影响。
改变化学成分： 某些微生物的代谢活动可能改变水泥基体内的化学成分，间接影响其结构稳定性。例如，它们可能会消耗或转化水泥水化产物中的某些成分。
产生腐蚀性代谢物： 除了酸，有些微生物还能产生硫化物等腐蚀性物质，这些物质可能与水泥中的矿物相发生反应，导致水泥的劣化。例如，硫酸盐还原菌（SRB）在缺氧条件下会产生硫化氢，硫化氢在有氧条件下会进一步氧化为硫酸，硫酸与水泥石中的氢氧化钙和水化硅酸钙反应，生成膨胀性的钙矾石，从而破坏水泥结构。
物理侵蚀： 植物的根系生长也可能对水泥产生物理破坏。植物根系在生长过程中会产生压力，而且植物根系分泌的有机酸也能溶解矿物质。虽然这种作用更多是物理上的“破裂”而非化学上的“分解”，但也是一种生物对水泥的“改造”。
特殊微生物的研究： 科学研究中，有一些专门研究能够“降解”水泥或其组分的微生物。例如，有一些研究发现某些真菌（如某些曲霉菌）能够分泌柠檬酸等有机酸，这些有机酸可以溶解水泥中的钙质成分。还有一些研究尝试利用特定微生物来“分解”建筑废料中的水泥，以实现资源的循环利用。但这些研究中的“降解”往往是指在实验室条件下，通过高度浓缩的微生物活性或特定的培养基来实现的，离自然环境下的普遍降解还有很大距离。
4. 总结：
直接分解水泥如同消化有机物？ 绝大多数情况下，不能。 普通微生物缺乏分解水泥复杂无机化学键的能力。
生物能否对水泥产生影响，改变其性质？ 可以，并且这种影响正在被积极研究。
积极影响（生物修复）： 某些微生物能够通过生物矿化在水泥孔隙中形成碳酸钙，从而填充裂缝，提高材料的耐久性。
消极影响（生物侵蚀）： 某些微生物产生的酸或硫化物等代谢物，可以与水泥中的矿物发生化学反应，导致水泥的劣化、强度下降。植物根系也可能造成物理破坏。
“降解”的定义： 在生物与水泥相互作用的语境下，“降解”常常是一个更宽泛的概念，包含化学侵蚀、溶解、结构破坏以及生物矿化等多种形式，而不仅仅是简单的有机物分解。
总而言之，虽然没有生物能够像吞食有机物那样“吃掉”水泥，但某些特定的微生物，在特定的环境条件下，确实能够通过化学或物理的方式影响水泥的结构和性能，从而在某种意义上实现对水泥的“降解”或“转化”。这既是微生物对水泥的一种挑战，也是人类利用微生物进行材料修复和资源循环利用的潜在机遇。
网友意见
多种细菌、古菌、真菌可以参与分解水泥。
水泥的主原料为石灰或硅酸钙，种类繁多，按矿物组成分为硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、氟铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥等。水泥不常单独使用，而是用来与沙、砾（骨料）接合。水泥与细致的骨料混合后形成砂浆（用来接合砖块），水泥与沙砾混合后形成混凝土。被细菌生物膜覆盖后，不同的混凝土材料的分解速度不同，在水中通常每一百天可以腐蚀与细菌生物膜接触的水泥颗粒的百分之十到十五。
截图引用自文献[1]
1945 年，Parker 提出硫细菌代谢产生的硫酸是造成混凝土管道腐蚀的主要原因：
- 硫酸盐还原细菌在厌氧条件下将管道底部的硫酸盐或有机硫还原为硫化氢，硫化氢进入管道内未充水的空间；
- 硫氧化细菌在上述空间内将硫化氢氧化为硫酸，导致水泥水化物分解，硫酸根还跟污水中的钙离子生成石膏进而产生钙矾石，通过膨胀进一步破坏管壁。
- 上述模型于 1947 年发表于自然杂志[2]。
Mori 的后续研究认为真菌也参与了混凝土的微生物腐蚀，它可以在很宽的酸碱度范围内分解有机含硫物质、为硫氧化细菌供应硫，还可以厌氧代谢产生乙酸、丙酸、草酸等有机酸来缓慢地分解水泥水化物。
另有实验发现，硝化细菌通过对胺的硝化作用产生的硝酸同样可以对混凝土造成严重腐蚀。铁氧化细菌亦可参与在管道内制造硫酸。
参考
- ^ 何静, 杨纯田, 李中. 建筑行业微生物腐蚀与防护研究进展. 中国腐蚀与防护学报[J], 2021, 41(2): 151-160 DOI: HE Jing, YANG Chuntian, LI Zhong. Research Progress of Microbiologically Influenced Corrosion and Protection in Building Industry. Journal of Chinese Society for Corrosion and Protection[J], 2021, 41(2): 151-160
- ^ Parker C D. Species of sulphur bacteria associated with the corrosion of concrete [J]. Nature, 1947, 159: 439
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