在应对气候变化的过程中，科学家们一直在探索更高效、更环保的碳捕集技术。

最近，苏黎世联邦理工学院的跨学科研究团队取得突破性进展——他们将传统材料与微生物（包括细菌、藻类和真菌）相结合，开发出了具有特殊功能的活性材料。

这项由大分子工程教授马克·蒂比特（Mark Tibbitt）领导的研究，成功将光合细菌（蓝藻）与3D打印技术融合，创造出一种能够自主捕获二氧化碳的活体材料。相关研究成果已发表于《自然·通讯》期刊。

这种创新材料不仅能像植物一样吸收二氧化碳，还能将其转化为坚固的矿物质，甚至还拥有自我修复和强化的特性。

"作为未来建筑材料，它可以直接将二氧化碳储存在建筑物中。"蒂比特教授说道。

这项研究的核心是一种名为聚球藻的蓝藻。这种蓝藻与地球早期生命形式相似，通过现代技术，研究人员重新利用了这种古老生物的光合能力，为可持续发展提供了新思路。

蓝藻又名蓝绿藻（blue-green algae），是一种大型单细胞原核生物，拥有叶绿素但无叶绿体。

这种小生命可以吸收二氧化碳并释放氧气，它的繁衍是使整个地球大气从无氧状态发展到有氧状态的关键，为需氧生物（包括人类）的演化创造了必要条件。。

而且，蓝藻的本领还在于，它能通过代谢活动改变周围环境的酸碱度，将二氧化碳与海水中的钙、镁离子结合，形成稳定的碳酸盐矿物（如碳酸钙）。

这两种机制共同作用，实现了“双重固碳”——既储存了二氧化碳，又生成了难以分解的矿物质，真正将二氧化碳“锁”在了材料中。

研究人员表示，这种材料可以通过3D打印成型，只需要阳光、富含营养物质的人工海水以及二氧化碳即可生长。

而且，实验证明，这种生物材料吸收的二氧化碳比藻类通过自然生长吸收的多得多。 

图说：实验室中正在成长的蓝藻生物材料

来源：苏黎世联邦理工学院

“这是因为这种材料不仅可以以生物质的形式储存碳，还可以以矿物质的形式储存碳——这是蓝藻的一种特殊性质。”蒂比特解释道。

蓝藻通过光合作用改变了细胞外的化学环境，使CO2与钙镁离子结合生成固体碳酸盐，形成石膏、方解石和菱镁矿。与生物质形式相比，矿物质能够以更稳定的形式储存CO2。

根据这种特性，将蓝藻固定在支持基质中可以实现以“工程光合生物材料”的形式驱动生物二氧化碳封存，还能增加材料的结构强度。

该研究的两位主要作者之一Cui补充道：“蓝藻的光合作用非常高效，甚至可以利用最微弱的光线，将二氧化碳和水转化为生物质。” 

为了让这些蓝藻高效工作，研究团队设计了一种特殊的水凝胶“墨水”，由一种名为Pluronic F-127的生物相容性聚合物制成。

这种材料像果冻一样柔软透明，允许光线穿透以支持光合作用，同时为细菌提供生存空间。同时，该材料的网络结构还使其能够运输二氧化碳、水和营养物质。

为了确保蓝藻尽可能长时间存活并保持高效捕碳，研究人员还利用3D打印工艺优化了材料结构的几何形状，以增加表面积、光穿透力并促进营养物质的流动。

共同第一作者Dalia Dranseike表示：“通过这种方式，我们创造出能够让光线穿透并通过毛细管力将营养液被动地分配到整个身体的结构。” 

图说：3D打印出的晶格结构，内部生长着蓝藻，其绿色来自光合细菌的叶绿素（蓝藻没有叶绿体）

来源：苏黎世联邦理工学院

这些材料会随着时间“进化”：碳酸盐矿物的沉积使材料硬度逐渐提升，从最初的柔软凝胶变为可独立站立的坚固结构。

实验室测试表明，该材料在400天内持续吸收二氧化碳，其中大部分以矿物形式存在——每克材料约吸收26毫克二氧化碳。

这远远超过了许多生物质碳捕获方式，与再生混凝土的化学矿化（每克约吸收7毫克二氧化碳）相当。

在实验室中，打印的活体结构可持续工作超过一年，颜色始终保持鲜绿（表明蓝藻存活）。

“未来，我们希望研究如何将这种材料用作建筑外墙的涂层，在建筑的整个生命周期内吸收二氧化碳。”蒂比特展望道。

虽然还有很长的路要走，但建筑领域的研究人员已经以实验的方式实现了初步应用。

目前，这项基础研究成果已经在今年5月开幕的威尼斯建筑双年展上亮相。

“将生产过程从实验室规模扩展到实际建筑物的大小非常具有挑战性，”参与这项研究的建筑师兼生物设计师Andrea Shin Ling说道。

Ling在博士论文中表示，她开发出了一个生物制造平台，可以打印出建筑规模的、含有功能性蓝藻的活体结构。

图说：孵化室为蓝藻在新打印的结构中繁殖提供了条件

来源：苏黎世联邦理工学院

在加拿大馆的“Picoplanktonics”装置中，项目团队利用打印的结构作为活体积木，构建了两个树干状的物体，最大的一个约三米高。

得益于蓝藻的作用，每个装置每年可吸收高达18公斤的二氧化碳，相当于温带地区一棵20年树龄的松树的吸收量。

“这个装置是一个实验——我们对加拿大馆进行了改造，使其能够提供足够的光照、湿度和温度，让蓝藻得以生长，然后我们观察它们的行为。” Ling说道。

研究人员开发的不仅是材料，更是一个微型生态系统。或许有一天，我们的房子和城市将由这些“会呼吸”的材料建造，默默为地球减负。