[5], or overexpress the urease gene (enhance the transcription and translation of the gene) to increase the concentration of the biocatalyst [9]. Potential Uses of Biocement The self-healing properties of biocement make it a perfect material for future infrastructure construction. By incorporating bacteria into bridges and urban structures, we can harness them to actively seal the gaps, preventing moisture from reaching and corroding internal steel structures [9]. Therefore, biocement also acts as a powerful tool for structural rehabilitation. Large-scale underwater engineering marvels, such as old dams and tunnels, often suffer from high hydromechanical stress from the surrounding water [4]. Biocement can be injected into existing fissures to fortify these structures. The impermeability of the calcium carbonate formed can effectively reduce, or stop water flow across the structure, preventing catastrophic failures [4, 11]. Soil stabilization is another possible use. Loose terrain is vulnerable to erosion and landslides. MICP has demonstrated its potential to prevent erosion and landslides by holding loose sand particles together, although the efficacy is also subject to soil type and slope geometry [4, 7, 12]. Conclusion After all, nature has spent millions of years perfecting its own kind of engineering. By letting bacteria do the work, we have the potential to build smarter cities that can “fix” themselves while using fewer scarce resources. This gives a whole new meaning to the phrase "concrete jungle." 引言 在過去幾個世紀裡，我們一直依賴龐大的工廠製造 水泥來建造城市 — 但你知道嗎？科學家正開發利用活 生物製造水泥的嶄新方法！ 甚麼是水泥？ 水泥是混凝土（俗稱「石屎」）的關鍵成分。當水泥被 送到施工現場並與水混合時，水泥漿便可作為黏合劑，將 骨材（建築用的碎石）黏在一起形成混凝土 [1]。製造水 泥需要消耗大量能量，過程中原料需被加熱至 1,500°C， 並產生數以噸計的二氧化碳。目前水泥工業佔全球二氧 化碳排放量5–8% [2]。隨著城市發展持續推動對建築 材料的需求，研究人員開始尋求更環保的方法生產水泥。 大自然的啟示：生物礦化 我們能向大自然學習嗎？事實上，自然界一些最耐用 的結構材料都是生物礦化作用的產物 [3]。生物礦化可定 義為「活生物產生礦物的過程」。生物礦物包括磷酸鹽、 碳酸鹽和硫酸鹽，常見例子有珊瑚、貝殼、蟻丘、牙齒琺 瑯質和鹿角 [3]。由於生物體內的反應都是在較溫和的 條件下進行，能節省不必要的能量消耗，因此生物工程 師渴望為生物礦化尋求現實世界的應用。 初探生物水泥 其中一種開發中的物料是活微生物透過「微生物誘 導碳酸鈣沉澱作用」所產生的生物水泥 [4]，這個生物化 學轉化過程由Sporosarcina pasteurii 等土壤細菌主 導 [5]。與傳統水泥不同，生物水泥是在室溫下 [6] 由細 菌、尿素、鈣鹽，以及砂、碎石或礫石等結構基質的混合 物轉化而成 [5, 7]。 S. pasteurii 是一種在鹼性環境下生長良好，而且 具高尿素酶活性的菌種 [5]。該細菌細胞質中的尿素酶 會把經運輸或擴散進入細胞的尿素（CO(NH2)2）分解成 氨（NH3）和碳酸（H2CO3），碳酸在生理pH值下會以 碳酸氫根離子（HCO3-）的形態存在。由於氨是弱鹼，它 會接受質子（H+）並提高周圍pH值，根據勒沙得利爾 原理（Le Chatelier’s principle），這會進一步使碳酸 鹽平衡偏向生成碳酸根離子（CO3² -），該離子及後會被 運輸至細胞外。由於最初添加的鈣鹽提供了鈣離子，使 碳酸鈣（CaCO3）晶體得以沉澱出來。 細菌的細胞壁是晶體核形成的地方，會長出大顆而 堅硬的碳酸鈣晶體，形成用以黏合鬆散骨材的骨架，藉 此模擬傳統水泥的特性 [7]。 尿素的分解代謝： CO(NH2)2 + 2 H2O → 2 NH3 + H2CO3 碳酸鹽平衡： H2CO3 ⇌ HCO3 − + H+ ⇌ CO3 2− + 2 H+
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