近日，美国科罗拉多大学博尔德分校（CU Boulder）和北卡罗来纳大学威尔明顿大学 (UNCW)的研究人员在美国国家可再生能源实验室 (NREL)合作开发了一种生产碳中和水泥的独特新方法，他们通过微藻的光合作用自然产生石灰石颗粒，这种新材料可以完全停止由传统硅酸盐水泥驱动的碳排放，从而大大减少全球建筑活动造成的环境污染。

根据该团队的估计，只需要100万-200 万英亩的露天池塘就可生产美国所需的所有水泥，这仅仅是美国所有土地面积的 0.5%，相当于玉米种植土地面积的 1%。

这项研究基于名为“生产负碳硅酸盐石灰石水泥的光合作用途径”的科研项目，现已获得美国能源部320万美元的资金支持，该研究团队最近也被 HESTIA 计划（该计划优先克服与碳储存建筑相关的障碍，包括稀缺、昂贵和地理有限的建筑材料）选择开发和扩大生物石灰石水泥的制造，并帮助实现建材业的零碳未来。

图说：科罗拉多大学博尔德分校副教授 Wil Srubar 博士和藻类混凝土样品

来源：UNCW

传统水泥与来自生物石灰石的水泥

传统水泥工业生产流程分为熟料生产和水泥生产两个阶段，水泥行业的碳排放主要来源于熟料的生产过程。熟料生产过程中石灰石等原材料被研磨成粉末再高温煅烧，释放出二氧化碳。水泥熟料生产过程导致的碳排放占据了整个水泥行业排放量的 90%，其中原料石灰石分解和燃烧与燃料燃烧是水泥生产过程中碳排放的主要来源。

图说：水泥生产全周期过程中的能耗和排放

来源：麦肯锡

藻类生物石灰石的想法源自于科罗拉多大学博尔德分校副教授 Wil Srubar的一次旅行。2017年，Wil Srubar教授在泰国度蜜月浮潜时，在珊瑚礁中亲眼目睹了大自然如何利用碳酸钙（石灰石的主要成分）自己生长出耐用、持久的结构。看着珊瑚礁周围自然形成的碳酸钙结构，他想到也许石灰石也可以自然生长，而不是从采石场提取。他问自己：“如果大自然可以种植石灰石，我们为什么不能呢？”

图说：覆有碳酸钙壳的颗石藻

来源：Wikimedia Commons

当他回到美国时，他和他的研究团队决定培养一种叫做颗石藻的微藻。这种藻类能够通过在光合作用过程中产生碳酸钙沉积物来产生生物石灰石。研究人员注意到，与需要数百万年才能在地下形成的天然石灰石不同，颗石藻的生物版本石灰石可以实时产生。Srubar 教授说：“从表面上看，他们创造了这些非常复杂、美丽的碳酸钙壳。它基本上是围绕细胞的石灰石盔甲。” 

与Wil Srubar 教授在泰国观察到的珊瑚礁相比，颗石藻可以在更短的时间内产生碳酸钙，而且速度比珊瑚礁更快。在海水中形成生物石灰石所需的原材料仅包括溶解的二氧化碳和阳光。全球海洋中的颗石藻数量巨大且分布广泛，甚至从太空中都可以看到。几千年来，颗石藻一直是黑海生态系统的一部分，而在夏季，这些脱落钙质的浮游植物可以使黑海的大部分呈青色。

图说：黑海生态系统中的颗石藻

来源：NASA

该研究小组用颗石藻生产生物生长的石灰石，这些石灰石被用来替代采石厂的石灰石，以制造对环境影响更小的混凝土。Srubar说，这些混凝土“看起来、感觉和性能与传统混凝土完全一样”，但用于制造混凝土的水泥是净碳中性的，甚至是负碳的，因为相关的二氧化碳排放量低于微藻类所捕获的数量。

生物石灰石的未来

颗石藻是一种耐寒的微生物，可以生活在世界各地的温暖和寒冷、咸水和淡水中，使它们成为几乎任何地方，无论海洋还是陆地、城市还是农村的理想养殖对象。根据该团队的估计，只需要 100万-200 万英亩的露天池塘就可生产美国所需的所有水泥。

对于建筑行业，这些钙质微生物种通过光合作用完成的自然过程（就像珊瑚礁生长一样），创造一种制造碳中和水泥的新方式，如果全世界所有以水泥为基础的建筑都被替换成生物石灰石水泥，每年将有高达20亿吨的二氧化碳不再被排入大气中，还有超过2.5亿吨的二氧化碳将储存在这些生物材料中，使建筑变为碳汇。因此，由这种生物水泥制成的混凝土可以开启全球可持续建筑的新时代。

Srubar 教授表示：“对于这个行业来说，现在是解决这个非常棘手的问题的时候了。我们相信，即使不是最佳解决方案，我们也可以为水泥和混凝土行业解决碳问题提供最佳解决方案之一。” Srubar 教授和他的同事们相信，他们的革命性材料完全有可能取代开采的石灰石，并拯救地球免受它所造成的所有环境破坏。

图说：实验室中的颗石藻被用来生产石灰石并制造碳中性水泥

来源：CU Boulder

而石灰石并不是微藻可以制造的唯一产品：微藻的脂质、蛋白质、糖和碳水化合物可用于生产生物燃料、食品和化妆品，这意味着这些微藻也可能是其他更昂贵的副产品的来源——有助于抵消生物石灰石生产成本。

为了从藻类生物质中创造这些副产品并尽快扩大石灰石的生产规模，UNCW 的藻类资源收集中心正在协助微藻的菌株选择和生长优化。NREL 则提供最先进的分子和分析工具，致力于颗石藻微藻的遗传改良，以实现最大产量，并研究将藻类生物质生化转化为生物燃料和生物基产品。

目前，Wil Srubar 教授正在将颗石藻生物水泥技术进行商业化拓展，成立于 2021 年的 CU 初创公司、团队的商业化合作伙伴Minus Materials, Inc.在投资者和企业合作伙伴的财务支持下，正在推动团队对商业领域的研究。

当前全球建设步伐惊人，有望在未来 40 年内每月建设一座新纽约市。对 Srubar 而言，这种全球增长不仅仅是将建筑物转变为碳汇的机会，而且是实现建筑业可持续发展的机会。他希望用生物石灰石代替传统石灰石的过程也可以改善空气质量，减少对环境的破坏，并增加世界各地对建筑材料的公平获取。

资料来源：新知 | 从微藻到水泥：未来城市可能由生物石灰石建造 (qq.com)