综述：混凝土中的微生物过程作为人为生物地球化学生态系统：生物劣化机制与生物技术策略

混凝土基础设施可作为一种人为生物地球化学生态系统，其中微生物群落在复杂理化梯度条件下与水化水泥基体发生相互作用。尽管物理与化学劣化路径已得到广泛研究，但来源于环境的微生物对混凝土长期服役性能的贡献，在耐久性研究框架中仍整合不足。微生物定殖、生物膜发育以及代谢驱动的转化过程，可显著改变局部pH、氧化还原条件与矿物稳定性。在侵蚀性环境中，此类过程可通过微生物诱导混凝土腐蚀（MICC）等机制加速劣化，导致基体失稳、钢筋腐蚀及服役寿命缩短。相反，受控微生物活性也展现出新兴环境生物技术机遇，包括微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）、生物基自修复以及经由生物矿化途径实现的微结构细化。近期建模研究表明，微生物过程、化学过程与传输过程具有一体化耦合的潜力，但生物学贡献在模型中仍表征不足。本文综述了不同人为环境中微生物—混凝土相互作用的现有认识，包括污水管网、海洋基础设施、建筑与桥梁、核电站以及深地质处置库（DGR）。重点讨论生态筛选过程、驱动材料转化的生物地球化学机制，以及旨在监测、缓解或利用胶凝体系内微生物活性的生物技术策略。通过整合环境微生物学、地球化学、材料科学与生物技术，本文识别了具有统一性的代谢通路、关键知识空白以及未来研究方向，以支撑更具韧性且环境可持续的水泥基基础设施发展。

1 Introduction

文章首先将混凝土界定为现代建成环境中的基础性材料，同时强调其并非惰性矿物体系，而是可承载微生物定殖并参与环境交换的人为生物地球化学界面。正文指出，全球混凝土产量与消费量持续增长，使其成为地球上规模最大的人工矿物系统之一。基于材料科学视角，混凝土由水泥、水、骨料、钢筋和化学外加剂组成，水化后形成以水化硅酸钙（C–S–H）为核心的复合基体。作者进一步指出，该基体及其连通孔隙网络可形成受pH、水分、氧化还原电位、离子组成和营养供给共同控制的微环境，从而支持多样微生物群落生存。文中强调，酸生成硫氧化菌、硝化菌、铁循环微生物及异养联合体等可通过生物膜形成与代谢活动调控局部环境，进而促进材料劣化；而某些微生物又可通过生物矿化堵塞孔隙，增强材料致密化与稳定性。文章据此提出，应将混凝土理解为极端人为生态位，并在耐久性研究中系统纳入微生物驱动过程。引言还概述了不同服役环境下微生物作用的差异性，包括污水系统、建筑环境、海洋设施、核电站及放射性废物处置设施，并提出统一的“环境驱动—微生物活动—材料响应—工程策略”概念框架。

2 Major concrete industrial applications

2.1 Concrete as a historical construction material

该部分回顾了混凝土作为历史性建筑材料的发展脉络。文章指出，自古代起，胶凝材料已广泛用于建筑、桥梁、水坝和交通结构，罗马混凝土因其长期耐久性而具有里程碑意义。现代混凝土主要依赖普通硅酸盐水泥（OPC），其熟料由石灰石和黏土在约1450 °C下煅烧形成，随后与少量石膏共同粉磨。矿物组成以阿利特（C₃S）和贝利特（C₂S）为主，并含铝酸盐相和铁酸盐相；水化后生成C–S–H等产物，决定材料强度、尺寸稳定性和耐久性。作者还强调，骨料占据混凝土体积分数的大部分，对力学性能和环境抵抗能力具有关键作用。随后，文章讨论了高性能混凝土、钢筋混凝土及新型专用混凝土的发展，说明混凝土已从传统建材演化为兼具功能化与可持续导向的工程平台。该节尤其指出，尽管混凝土常被视作惰性材料，但其多孔性、高碱性和近表面保水能力使其可被来自原材料、土壤、大气沉降和水环境的微生物定殖，从而形成耐久性演化的生物学背景。最后，作者将低碳胶凝材料、再生骨料、预制装配、增材制造和数字建模等发展趋势，与微生物诱导矿物沉淀和生物自修复并列，体现材料科学、环境过程与生物技术的融合。

2.2 Concrete in drainage systems and sewer pipelines

本节聚焦排水与污水管网环境中的混凝土服役特征。文章指出，污水系统具有持续高湿、热波动、复杂水力状态、有限通风以及较高有机质、硫酸盐和氨浓度等特征，使混凝土暴露于高度异质且动态变化的理化环境中。由于这些条件，混凝土易发生酸性侵蚀、开裂、截面损失及最终结构失效。作者同时强调，排水管道、检查井、泵站与进水构筑物等均面临类似问题，且全球污水网络规模巨大，因此理解该环境中的混凝土耐久性具有重要经济与环境意义。文中进一步指出，污水内部普遍存在显著的氧浓度、氧化还原状态及pH空间梯度，淹没区、间歇润湿区和顶部气相区环境显著不同。这些梯度与持续输入的营养物共同促进多样微生物群落的建立，使污水管网成为化学、机械与生物多因素耦合作用下的高风险劣化场景。作者认为，只有综合理解化学反应、机械应力和微生物活性的协同效应，才能改善耐久性评估与维护决策。

2.3 Concrete in marine environments

该节讨论海洋工程中混凝土面临的侵蚀条件。文章将海洋暴露环境分为近岸盐雾区、潮汐与浪溅作用显著的岸边区以及永久浸没区。海洋混凝土不仅承受波浪循环荷载、悬浮颗粒磨蚀和船舶撞击等机械应力，还长期与富含氯离子和硫酸根的海水接触，后者会促进裂缝萌生、加速氯离子侵入并提高钢筋腐蚀风险。除理化作用外，文中强调宏观生物与微生物可通过改变混凝土—海水界面化学、调节局部传输过程及影响氧化还原环境参与耐久性演变。海洋微生物包括细菌、古菌、真菌和藻类，具有嗜盐适应机制，如胞内盐积累、相容性溶质合成及酶学调节。其代谢产物，尤其有机酸、硫化物和硫酸，可加速混凝土微结构弱化。尽管海洋环境条件苛刻，混凝土仍因其质量大、结构稳健和在合理设计维护下可提供长期服役能力而成为海洋基础设施的首选材料。

2.4 Concrete in nuclear energy and radioactive waste management systems

本节分析核能设施和放射性废物管理体系中的混凝土作用。文章指出，在核电站中，混凝土安全壳结构（CCS）是约束放射性物质的最终工程屏障，需同时满足结构完整性、辐射屏蔽与密封要求。中子辐照可诱发骨料辐照致体积膨胀（RIVE），导致晶内和晶间开裂；γ辐照则会升高温度，引起孔隙水损失及浆体与骨料之间的差异热应力。与此同时，碳化、含湿梯度、碱—骨料反应、硫酸盐侵蚀、淋滤、冻融和钢筋腐蚀等传统老化过程也会共同影响结构耐久性。对于深地质处置库（DGR），混凝土作为多重屏障系统的一部分，用于衬砌、封堵、容器及密封构件，承担地下水控制、结构稳定与核素固持等功能。作者指出，这类环境通常具有高pH、低氧和低营养条件，但来自围岩、地下水或施工过程的微生物仍可能长期存活，并通过影响氧化还原状态、矿物稳定性、气体生成和局部化学梯度而作用于工程屏障。因此，在核设施与DGR中，混凝土应被视为同时受辐射、化学、力学与生物作用耦合影响的反应性系统。

3 Deterioration mechanisms across diverse environments

3.1 Cracking and physical degradation mechanisms

作者首先指出，开裂是钢筋混凝土中最常见且往往难以完全避免的损伤形式，可由干缩、温度梯度、设计与施工缺陷、冻融循环及侵蚀性化学环境引发。早期开裂通常表现为微米尺度微裂纹，虽不易检测，但一旦连通，将显著提高材料渗透性，促进氯离子、硫酸盐、水分和微生物进入孔隙体系。文章强调，裂缝宽度、连通性和环境暴露条件决定其对耐久性的影响程度；过度开裂会破坏抗渗性、加速钢筋腐蚀、削弱钢筋—混凝土黏结，并最终降低结构服役性能。

3.2 Microbially induced concrete corrosion (MICC)

该部分系统阐述微生物诱导混凝土腐蚀（MICC）的机理。作者将其定义为由表面污损与结垢、生物物理相互作用和生物化学过程共同构成的自维持性劣化机制。微生物在混凝土表面和孔隙中定殖后形成由胞外聚合物（EPS）包埋的生物膜，能够滞留水分和营养物，并形成具有强烈化学梯度的局部微环境。最具破坏性的途径是生物源硫酸生成：在厌氧区，硫酸盐还原菌（SRB）将硫酸盐还原为H₂S；H₂S扩散至有氧区后，被硫氧化菌（SOB）氧化为硫酸（H₂SO₄）。该过程可使混凝土表面pH由约12–13降至2以下，进而与CaCO₃、Ca(OH)₂及C–S–H等反应，生成石膏和钙矾石等次生膨胀相，诱发软化、开裂、剥落及钢筋腐蚀。文章还指出，异养真菌和硝化细菌等也可分别通过有机酸和硝酸生成促进脱钙与钙淋失，因此MICC本质上是多微生物、多过程共同作用的结果。

3.2.1 MICC in sewer systems

作者认为污水系统是MICC最典型且侵蚀性最强的场景。高相对湿度、富硫酸盐废水、适中温度及交替厌氧—好氧区共同维持活跃硫循环。厌氧废水和沉积物中的SRB产生H₂S，而高于液面的湿润混凝土表面则由SOB将H₂S氧化为硫酸，表面pH可降至1–2。再生的SO₄²⁻又可作为SRB电子受体，形成闭合硫循环。该自增强过程导致快速表面损失、开裂与截面减薄，因此污水系统中的MICC常被视为生物驱动混凝土腐蚀的参照案例。

3.2.2 MICC in marine environments

在海洋环境中，MICC与氯离子诱导钢筋腐蚀并存。文章指出，硫酸盐供给、盐度、温度、氧供应和潮汐润湿循环共同控制海洋MICC的发生与强度。生物膜形成可改变混凝土表面传输与局部化学环境，而微生物导致的软化、酸化与开裂又会提高渗透性，促进氯离子侵入和钢筋钝化膜破坏。反过来，钢筋腐蚀所引起的开裂和剥落又为微生物定殖和代谢产物迁移提供通道，形成协同劣化。

3.2.3 MICC in radioactive waste storage facilities

针对放射性废物储存设施，正文指出，尽管长期以来研究重点集中于物理化学劣化，但国际监管框架已要求将生物过程纳入长期安全评价。高湿、地下水渗入、有限氧供以及难以检修的局部区域可支持微生物活动；即使高碱和辐射具有抑制作用，仍已有研究在相关环境中观察到SRB及耐辐射菌群。随着微裂隙和淋滤发展，保水性和营养富集可进一步增强，从而促进生物膜形成、持续产酸、脱钙、次生相生成和渗透性增加，最终削弱缓冲能力与屏障性能。作者强调，现有预测模型多将这些过程割裂处理，可能低估微生物活动的协同影响。

3.2.4 MICC mechanisms in construction and built environments

在建筑与桥梁环境中，MICC通常弱于污水和海洋环境，但在持续潮湿、通风不足及中等污染条件下仍是重要的长期劣化因素。文章指出，微裂缝和保湿条件促进混凝土表面被细菌与真菌定殖，形成近表层生物膜，并在局部改变pH和氧化还原条件。硫氧化菌、硝化菌和异养微生物可持续低速地产生无机酸和有机酸，逐步中和碱度，使Ca(OH)₂和C–S–H脱钙，导致表面软化、孔隙率增加和微结构削弱。裂缝在这一过程中既充当微生物栖息位点，又是水分和营养迁移的优先通道，因此会形成自强化的劣化回路。

4 Sustainable strategies to improve concrete performance and durability

该部分总结提高混凝土耐久性和可持续性的主要策略。首先，低碳胶凝材料与辅助胶凝材料（SCMs）可通过部分替代OPC降低CO₂排放，同时细化孔结构、降低水化热并提高抗硫酸盐侵蚀、抗氯离子侵入、抗碳化及抗辐照能力。其次，再生骨料和替代骨料可减少天然资源消耗与建筑废弃物排放，在适当表面处理和级配优化后可满足结构应用要求。第三，纳米材料与智能外加剂，如纳米二氧化硅、石墨烯衍生物和碳纳米管（CNTs），可致密化基体、改善界面结合并赋予压阻或传感功能，用于结构健康监测（SHM）。第四，疏水涂层、硅烷处理、矿物结晶材料和缓蚀体系可降低水分、氯离子和CO₂侵入，尤其适用于海洋、污水和封闭屏障环境。第五，优化配合比、钢筋配置与受力分布，并结合有限元和性能化设计，可降低裂缝形成并延长寿命。

4.6 Microbial self-healing concrete approaches

文章特别强调微生物自修复混凝土的前沿意义。其核心在于利用微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）实现裂缝闭合与基体完整性恢复。研究表明，尿素分解菌如Bacillus pasteurii和Sporosarcina pasteurii因矿化过程可控而成为主流应用对象，此外，硫化物氧化、光合作用和反硝化等替代矿化途径也在探索中。文中概括了两类主要应用方式：一是在拌合阶段将细菌嵌入混凝土中，待裂缝进水后激活沉淀CaCO₃；二是在裂缝形成后向缝内喷洒或灌注含菌悬液、营养物和底物，实现后处理式修复。相关研究显示，这些方法可提高抗压强度、降低渗透性并改善钢筋防护。作者同时指出，细菌寿命、营养与钙源供应、养护条件及环境因素均影响修复效率，因此发展包埋技术、营养载体和适于高碱高盐环境的菌株筛选，是后续关键方向。文中还提到外部水凝胶封缝和地聚物体系中的非钙基微生物矿化，表明生物增强修复策略正在从传统OPC体系拓展至更广泛的低碳材料平台。

5 Quantitative assessment of microbially-induced degradation and self-healing in concrete

该节提供了微生物劣化与生物自修复的定量比较。文章指出，在污水系统等强侵蚀环境下，MICC腐蚀速率通常约为0.5–5 mm·year⁻¹，在温暖或通风不良条件下局部还可更高。与常见30–60 mm保护层厚度相比，该速率足以在10–50年内引起钢筋暴露。海洋环境中，微生物与化学侵蚀耦合作用可导致10–30%的抗压强度损失，并伴随孔隙率上升和截面退化。相对地，微生物自修复可对小于0.5 mm的裂缝实现约80–100%的闭合效率，抗压强度恢复幅度可达10–40%，渗透性降低可达90%。作者借此说明，微生物作用既可能显著缩短混凝土寿命，也可在适当调控下成为耐久性提升手段。

6 Modeling and prediction of microbial-concrete interactions

本节讨论微生物—混凝土相互作用的建模进展。文章认为，尽管MICC机制研究已有较大进展，但其在定量模型中的整合程度仍明显低于化学劣化过程。原因在于MICC涉及生物、化学和物理过程跨尺度紧密耦合。作者介绍了将实验、现场观测和反应传输模型结合的思路，例如利用HYTEC模拟生物源硫酸在水泥基体中的传输、反应及矿相演化。与此同时，TOUGHREACT等反应传输代码已被广泛用于描述孔隙介质中的流体流动、物种迁移和地球化学反应，能够再现酸驱动溶解、C–S–H脱钙、石膏沉淀以及孔隙结构与传输性质演变。多物理场耐久性模型则进一步整合热—水—化—力耦合过程，可模拟湿分迁移、离子扩散、化学反应与损伤演化之间的反馈；相场模型、HTECM模型以及基于近场动力学和三维显微结构表征的方法，则在裂缝萌生扩展、腐蚀耦合及多尺度退化模拟方面显示出潜力。然而，作者明确指出，现有模型普遍缺乏对微生物定殖、生物膜形成、代谢动力学和生物源酸生成的显式表征。

7 Limitations, knowledge gaps, and research needs

作者在本节系统总结了研究不足。首先，不同研究在试件几何、养护条件、暴露环境和测试方法上的差异，削弱了结果的可比性与可重复性。其次，温度、湿度、pH及氯盐、硫酸盐、CO₂等环境因子的时空波动常在实验和数值研究中被简化，使服役寿命预测存在局限。更关键的是，当前反应传输与多物理模型大多忽略微生物定殖、生物膜形成和代谢活动，导致在MICC情景下可能显著低估腐蚀速率并无法重现局部劣化模式。文章还指出，微生物群落与环境梯度、孔结构演化和材料性质变化之间的耦合关系尚不清楚，尤其是在污水系统、海洋基础设施和部分饱和区域这类具有强梯度和瞬变条件的环境中。针对这些问题，作者提出未来应建立标准化测试体系、将微生物动力学纳入现有模型、整合孔尺度到结构尺度数据、发展生物传感与活性监测技术，并系统刻画微生物适应性与代谢通路。

8 Conclusions

结论部分强调，混凝土耐久性来源于物理、化学与生物过程在多变环境中的长期耦合。MICC不应再被视为边缘性因素，而是控制混凝土长期性能的重要机制。微生物定殖、生物膜形成以及酸化和矿物转化等代谢过程能够显著改变孔结构、渗透性和胶凝相稳定性，而裂缝则既促进侵蚀介质进入，也为微生物提供生态位。与此同时，生物技术为混凝土耐久性提升提供了新路径，包括生物介导矿物沉淀、细菌辅助自修复及微生物知情材料设计。作者最终主张，应将环境微生物学系统融入水泥科学、耐久性预测、检测维护和性能化设计框架之中，从仅将微生物视为劣化因子，转向同时将其视为可工程化功能组分，以支撑低碳、循环且高韧性的水泥基基础设施发展。