細菌や菌類を使って家が建てられると信じられますか?

制作：中国科学普及協会

著者: Denovo チーム

プロデューサー: 中国科学博覧会

バイオ製造業というと、バイオ医薬品や先進バイオ燃料を思い浮かべるかもしれません。しかし、この分野の応用範囲はこれらのカテゴリーをはるかに超えています。エタノールからポリ乳酸のような生分解性プラスチックまで、バイオ製​​造は私たちの日常生活を静かに変えています。最近では、この技術が住宅建設という意外な分野にも進出しています。

現在、建設分野におけるバイオ製造の主な用途には、「自己修復コンクリート」、「バイオセメント」、「菌糸体材料」などが含まれますが、これらに限定されません。これらの革新的なアプリケーションは、建設工学におけるバイオファブリケーションの大きな可能性を実証するだけでなく、研究とアプリケーションのまったく新しい次元を私たちに切り開きます。

建設現場でのセメントの敷設

（写真提供：veerフォトギャラリー）

壁のひび割れを修復するバチルス

コンクリートは、セメント、砂、砂利、水を特定の割合で混ぜて作られた建築材料です。低コスト、高圧縮強度、優れた耐久性のため、土木工事で広く使用されています。

コンクリートは理想的な条件下では天然石に匹敵する長い寿命を持ちますが、風、太陽、雨、冬と夏の季節の交代による凍結融解サイクルに長期間さらされるため、実際の寿命は大幅に短くなることがよくあります。これにより、建物、橋、トンネルのメンテナンスの頻度が増加するだけでなく、修理コストも増加します。

家のひび割れ

（写真提供：著者撮影）

この耐久性の問題に対処するために、科学者たちは自己修復能力を備えたコンクリートを開発しました。オランダの微生物学者ヘンドリック・ヨンカースは、石灰化による人間の骨細胞の自己修復機構にヒントを得て、「バイオコンクリート」と呼ばれる素材を開発しました。その優れた特徴は、自己修復能力です。バイオコンクリートにはバチルスと呼ばれる微生物が含まれており、石灰環境で生存でき、食物や酸素がなくても胞子の形で約 200 年間生存できます。

このバチルスを乳酸カルシウムと混ぜてコンクリートを製造すると、コンクリートにひび割れが生じ、浸透した雨水によって休眠中の胞子が目覚めます。復活した胞子は乳酸カルシウムを消費してカルシウムイオンを放出し、これが水中の炭酸イオンと反応して炭酸カルシウム（石灰石）を形成し、自動的に亀裂を修復します。

修復が完了すると、雨水が浸透しなくなり、生育環境が破壊されるため、胞子は再び休眠状態に入り、将来の被害に対処する準備が整います。研究によれば、このバイオコンクリートは幅約0.5mmのひび割れを約3週間で自己修復できるため、建物の耐用年数が大幅に延びることが分かっています。

この自己修復コンクリートは、高額なメンテナンス費用を節約するだけでなく、建物をより安全にします。しかし、この技術は比較的コストが高いため、大規模な建設プロジェクトではまだ広く使用されていません。

バチルスと自己修復コンクリート

（画像出典：参考文献[1]）

珪藻類を含むバイオセメント

前述のコンクリートの主成分はセメントであり、世界中で大量に生産され使用されています。しかし、この業界は世界の二酸化炭素排出量の大きな原因でもあります。このような背景から、バイオ製​​造技術はセメント業界に革新的なソリューションをもたらしました。

珪藻は、水域内で急速に繁殖することで知られる単細胞の独立栄養微生物です。珪藻類の細胞壁には多孔質シリカが含まれており、これは材料の機械的強度を効果的に高めることができる物質です。

珪藻類をセメント製造プロセスに組み込んでいわゆる「バイオセメント」を形成することにより、セメントの機械的特性とレオロジー特性を改善し、必要なセメントの量を削減することが可能になります。これは炭素排出量の削減に役立つだけでなく、炭素の生物学的捕捉も増加させます。しかし、この技術は現在、費用対効果の面で課題に直面しています。

珪藻類

(画像出典: Wikipedia)

さらに、珪藻には他の応用価値もあります。例えば、珪藻泥の製造において、珪藻泥は数十億年かけて進化してきた珪藻やその他のプランクトンの堆積物で構成されており、環境に優しい新しいタイプの素材です。この素材はラテックス塗料や壁紙の代わりに使用でき、別荘、ホテル、アパート、病院などの壁の装飾に最適です。

珪藻泥は、豊かな質感と柔らかい色だけでなく、強力な物理吸着能力も持っています。室内空気中の遊離ホルムアルデヒド、ベンゼン、アンモニアなどの有害物質を効果的に吸収し、喫煙やゴミによる悪臭を除去し、室内の空気を浄化します。

キノコの菌糸を使って建物を建てることはできますか？

キノコは「野菜」とみなされることが多いですが、実際には植物ではなく、真菌性の微生物です。

さらに注目すべきは、私たちが日常的に食べているのはキノコの子実体部分だけであるということです。実際には、キノコの下（または腐った木の内部）には、菌糸体とも呼ばれる無数の細胞で構成された菌糸のネットワークがあります。

菌糸体

（写真提供：veerフォトギャラリー）

これらの菌糸は、菌類が栄養素を吸収、輸送、貯蔵するために使用する主要な構造単位であり、その細胞壁は主にキチン、グルカン、タンパク質で構成されています。

キチンの引張強度は炭素繊維に匹敵し、熱安定性と難燃性にも優れています。これらの特性により、菌糸体は材料科学者の注目を集め、建築材料の開発と製造に使用され始めています。

ニューヨークには、「Hy-Fi」と呼ばれる一時的な屋外生分解性パビリオンがあります。このパビリオンは、わずか 5 日で成長する菌糸体レンガで作られています。その後、レンガは3つの絡み合った円筒形の構造に積み重ねられ、そのユニークな形状は非常に目を引くものとなっています。

屋外パビリオンの建設に使用される菌糸体材料

（画像出典：参考文献[6]）

結論

バイオ製造技術は、建物の耐用年数を延ばす「自己修復コンクリート」から、炭素排出量を削減する「バイオセメント」、高速で効率的な「菌糸体材料」まで、建設業界に破壊的なイノベーションをもたらしました。近い将来、これらのバイオファブリケーション技術は住宅建設にさらに広く使用され、私たちの生活環境にさらなる可能性と楽しさがもたらされると信じています。

参考文献:

[1]ヘンク・M・ヨンカーズ自己修復コンクリート：生物学的アプローチ。 Springerシリーズ材料科学、2007年、100、195-204。

[2] 于建、包亜芳。高性能コンクリート混和材としての珪藻土の改質効果。建築用石膏およびセメント系材料、2003年、12、11-12。

[3] 郭ビンダ、方コンコン。環境に優しい装飾材料珪藻土の分析。江西建築材料、2017(19):286-286.

[4] Wang Jing、Ji Zhijiang、Zhang Jingjun、他。珪藻土装飾壁材の研究、評価及び応用技術。建設科学技術、2018年、366、30-33。

[5]エカラジ・パウデル、レムコ・M・ブーム、エルス・ヴァン・ハーレンほか。キノコの保水能力に対する細胞構造と細胞壁成分の影響。食品工学ジャーナル、2016年、187：106-113。

[6]アビナッシュ・ラジャゴパル。 MoMA PS1Metropolis の Living の「100% オーガニック」パビリオンの裏側、2014 年 2 月 10 日。