我們都知道生命是非常頑強的，在一些極端環境如高熱強酸的火山溫泉、高壓強鹼的深海等，都能找到一些生物定居。不過如果想找極端的生存環境，不必到這麼危險的地方，你我身邊其實隨處都有，那就是「混凝土」之中。混凝土內部的環境對生物來說也是極端苛刻：強鹼、高鹽、乾旱、缺乏食物。而近期發表在 mSystems 上的研究顯示，即便是混凝土之中，也有生命存在[1]。
混凝土的組成與缺陷
混凝土是由骨料 (礫石和沙子)、水泥、水和添加物依適當比例配置而成的複合材料。混凝土因有著硬度高、耐高壓、可塑性強、成本低廉、製作簡單、可適用於各種自然環境等特性，成為世界上使用最多最廣的建築材料，幾乎絕大部分的現代土木工程都會用到。
混凝土雖然是優秀的建材，但也並非沒有弱點。鹼-矽反應（alkali–silica reaction, ASR）就是一個會破壞混凝土結構的常見因素。ASR 會讓混凝土產生俗稱「混凝土癌」的狀態。而形成 ASR 的主要原因，就在混凝土中的水泥身上。
混凝土中最常使用的水泥為「波特蘭水泥」，即矽酸鹽水泥。當水泥和水混和後會發生一系列複雜的物理與化學反應，使其凝結與固化。而在這個過程中，會產生大量強鹼物質如氫氧化鈣，這就讓混凝土內部的 pH 值處在 12.5 左右。
正常的混凝土其內部結構相當緻密，基本沒有水分。但當混凝土受到撞擊、搖晃等外在衝擊而產生裂縫後，水就能滲入其中。而當水進入混凝土後，會使混凝土內部的強鹼和矽酸鹽類產生反應，形成水合矽酸鹽。這些水合矽酸鹽會在混凝土內部產生不均勻的膨脹，而當水合矽酸鹽的數量達到一定後，就會造成混凝土的破裂。
要避免 ASR 的一個方法，是在混凝土中加入飛灰（fly ash）。飛灰是火力發電廠在燃燒後所產生的廢棄物，其主要成分為 SiO2、AI2O3 和 CaO。飛灰會和水泥中的強鹼進行卜作嵐反應（pozzolanic reaction），該反應是透過 SiO2 和 AI2O3 等物質與強鹼反應形成膠體。因此加入飛灰到混凝土中，不僅能降低 pH 值，產生的膠體也可用來填補孔隙並膠結骨材，以更好的填塞混凝土中的孔隙。
混凝土中的細菌種類
研究已知有多種細菌能生長在混凝土的表面，而當混凝土因 ASR 或其他因素產生裂縫後，細菌也能從表面進入到混凝土內部，而這就有可能會對混凝土產生進一步的影響。由於混凝土是世界上最常見的建材，為了確保建築物、橋梁和道路的結構安全，越來越多科學家開始關注生存在此的微生物群，與其可能對混凝土所造成的影響。
過往的研究已證實混凝土內部確實有細菌生長，但這些研究的主要對象是隨著裂縫從表面進入混凝土之中的細菌。而美國德拉瓦大學的研究團隊更進一步，研究「本來」就生活在混凝土內部的細菌[1]。
為了進行研究，研究團隊製作了兩種混凝土樣本：一般混凝土和加入飛灰的混凝土，並將這兩種樣本放在屋頂上模擬自然風化的環境，然後每六週進行一次取樣分析，以了解混凝土內部的細菌組成。
他們最初的設想是，沒有加入飛灰的樣本會因 ASR 產生更多裂縫，這樣混凝土表面的細菌進入到內部的機會就更大，這就會讓兩種混凝土內部的細菌種類會隨著時間推移而有所不同。
在持續兩年的分析和追蹤後，研究團隊發現混凝土內部的細菌組成主要為變形菌門（Proteobacteria）、厚壁菌門（Firmicutes）和放線菌門（Actinobacteria）這三大類。雖然這三大類細菌是主要組成，不過隨著時間推移和季節的改變，混凝土內部的細菌組成也會有所不同。舉例來說，實驗初期的細菌種類明顯較多，但隨著時間的推移，細菌的多樣性會持續下降。不過這種多樣性的下降，會在溫暖多雨的夏季有短暫的反彈，只是一過了夏季，多樣性又會再次降低。
而上述的結果在兩種混凝土的樣本中並沒有明顯的差異。也就是說，不論混凝土的材質是否能抗 ASR，其內部的細菌組成和變化都差不多。
研究團隊認為，這些主要菌種很可能是隨著混凝土的主要原料 – 即骨料和水泥進到混凝土內部的，因此牠們才是最能適應混凝土內強鹼、高鹽、缺水和缺乏食物環境的優勢物種。雖然在高溫多雨的季節，混凝土的外的細菌能進到內部，但牠們終究無法很好地適應混凝土的環境。所以夏季結束後，這些外來的細菌不是進入休眠狀態，就是被內部的細菌當成食物給吃掉了。也因此在有無 ASR 的情況下，混凝土內部的細菌組成都不會有太大的改變。
為了驗證混凝土內部的細菌可能是來自組成原料，研究團隊先分析了混凝土原料中的細菌組成，並和實驗初期與末期的混凝土樣本中的細菌組成做比較。結果發現，礫石（骨料的一部份）提供了混凝土內 50~60% 的細菌來源。
另一個提供細菌的重要來源是水泥，雖然水泥提供的細菌種類不像礫石那麼多，但隨著時間的推移會逐漸增加為第二多，而這個結果在有無加入飛灰的樣本中，都是一樣的。這也證實了，混凝土原料中的骨料（礫石）和水泥，是提供混凝土內部細菌組成的主要來源。
混凝土與細菌的關係
那麼這個研究的結果，能提供我們甚麼樣的資訊呢？研究團隊認為，既然混凝土內部的細菌組成是不太變動的，可以將細菌組成當作混凝土內部環境的「指標」。例如當檢測到混凝土內部的細菌組成有改變時，就表示混凝土內部的環境很可能也改變了。要知道混凝土內部環境的改變，會影響到混凝土的整體結構和安全性。
但想做這個應用，首先要確認混凝土內部環境的改變，確實也會讓細菌組成改變。另外這個研究只在美國進行兩年的實驗，因此研究的結果是否能應用到全世界的混凝土，要打一個很大的問號。畢竟混凝土所處的環境不同，其內部的細菌組成是否也會有所不同，是需要實驗驗證的。
除了做為「檢測」混凝土結構安全的指標，其實很早以前就有其他科學家提出讓細菌作為「修復」混凝土工具的想法了。這個想法的原理其實很簡單，藉由加入能產生碳酸鈣等可以填補縫隙的細菌到混凝土中，就能達到生物修復了。不過這種應用方法比起「檢驗」需要更多的實驗，畢竟我們現在連這些細菌會對混凝土產生怎樣的影響都不知道，一個弄不好，說不定本以為是修補用的細菌，最後卻變成破壞者。
雖然這個研究並不能告訴我們這些生活在混凝土內部的細菌，會對混凝土造成何種影響，但卻是一個讓我們了解細菌與混凝土之間的起頭。另外這個研究也再次證明了，即便環境再惡劣，生命自然會找到自己的出路~
參考資料
- Kiledal EA, Keffer JL, Maresca JA. Bacterial Communities in Concrete Reflect Its Composite Nature and Change with Weathering. mSystems. 2021 May 4;6(3):e01153-20
- 混凝土
- Alkali–silica reaction
- 波特蘭水泥
