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求生意識堅強!混凝土中的細菌們,有助於監測建築結構安全?

羅夏_96
・2021/08/28 ・3410字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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。

Structure of Concrete
混凝土的構造。圖/Using Concrete

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。

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/b/be/ASR_concrete_pillar_National_Gallery_of_Canada_02.jpg/1920px-ASR_concrete_pillar_National_Gallery_of_Canada_02.jpg
因 ASR 所產生的混凝土癌。圖/Wikipedia

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。

Chemical reactions during hydration and carbonation of cement in accelerated CO 2 curing. 
水泥的水化反應。圖/ ScienceDirect

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。

https://ars.els-cdn.com/content/image/1-s2.0-S0950061819318811-ga1_lrg.jpg
ASR 的化學反應示意。圖/ScienceDirect

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。

卜作嵐反應的化學式。圖/Wikipedia

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。

研究示意圖。圖/參考資料 1

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。

Students took DNA samples from concrete cylinders that had been exposed to the elements over a two-year period.
已取樣完的混凝土樣本。圖/ HARD-CORE BACTERIA

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。

混凝土內部的細菌種類分支圖。圖/參考資料 1

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。

混凝土原料中的細菌組成與混凝土內部在實驗初期與末期的細菌組成。圖/參考資料 1

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

  1. 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
  2. 混凝土
  3. Alkali–silica reaction
  4. 波特蘭水泥

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羅夏_96
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同樣的墨跡,每個人都看到不同的意象,也都呈現不同心理狀態。人生也是如此,沒有一人會體驗和看到一樣的事物。因此分享我認為有趣、有價值的科學文章也許能給他人新的靈感和體悟


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調香師的秘密:「糞臭素」挑起你骯髒的慾望

胡中行_96
・2022/05/16 ・2039字 ・閱讀時間約 4 分鐘

倫敦高級區梅費爾(Mayfair)的聯排透天洋房裡,他與屋主近身互動。六呎高,湛藍的雙眸,古銅的肌膚,寬闊的下顎,銀髮一絲不苟地貼齊,以及一縷迷人的香氣:肉桂、皮革和不可言喻的香味,他確定迎面襲來的深刻,源自另一個時空。

梅菲爾位在倫敦西區,它是世界上最昂貴的地區之一。圖/Wikipedia

「當你嗅聞,你是用腦在聞。最原始的,處理記憶和情緒的部位。」
屋主解釋:「若芸芸眾生試圖尋覓自我的氣味,那我正在打造專屬你的身份。」

關於香水的秘密

一場訪談,讓男性時尚雜誌《GQ》的作家 Michael Paterniti 化身高級訂製香水的顧客,而江湖人稱「香水界情色男優」(the Pornographer of Perfume)的屋主 Roja Dove,正優雅地介紹混香的秘密。「我使用『糞臭素』,一種帶有糞便氣息的醜陋分子。男女性器皆與肛門比鄰,底蘊裡一丁點的『糞臭素』,便能喚起骯髒的慾望。」[1]

Roja Dove 是一位英國調香師。圖/Wikipedia

糞臭素是怎麼來的?

來到住處之前,兩人在麗池飯店(Ritz Hotel)旁的沃爾斯利餐廳(the Wolseley)用過午餐。此時他們的消化系統正將蛋白質,分解成胺基酸(amino acid)。接著,腸道內的菌落會先進行「去胺作用」(deamination),用氫去代換胺基。於是,有一種叫做「色胺酸」(tryptophan)的胺基酸,就變成「吲哚-3-乙酸」(indole-3-acetic acid,簡稱「IAA」)。

再來,乳酸桿菌(Lactobacillus)、梭菌(Clostridium)和類桿菌(Bacteroides),透過「去羧作用」(decarboxylation;羧,注音ㄗㄨㄟ)把 IAA 中的羧基(carboxylic acid group)換成氫,人體內的「糞臭素」(skatole;即3-methylindole)就誕生了[2][3][4]

Roja Dove 的調香手法

在正式調香之前,Roja Dove 會提供約莫 200 張的試香紙,讓訂製高級香水的顧客挑選最能觸發當下感覺,並連結過往回憶的幾種氣味。Roja Dove 將以它們為發想的根據,把原料輕拍到試香紙上,再把試香紙與一只金屬小風車連結。當小風車運轉,微風迎面吹來,他便能感受這些原料的效果。

當然,調香運用的糞臭素不是靠「人體製造」,而是在實驗室或工廠裡「人工合成」。1883 年德國化學家費雪(Hermann Emil Fischer, 1852-1919)發明了「費雪吲哚合成」(Fischer Indole Synthesis):一種苯肼(phenylhydrazine)和醛(aldehyde)或酮(ketone),透過酸觸媒(acid catalyst)催化產生的作用。一般罐裝糞臭素,便是這麼來的[2][5]

從溝通、聞香、構想、嘗試、製作到完成需要耗時一到二年。圖/Pixabay

從溝通、聞香、構想、嘗試、製作到完成,長達一、二年後,每 3.4 盎司(100.55 毫升)要價 4 萬美元的訂製香水,才會被呈現在顧客面前。所幸,對花不起重金與不特別愛好香水的人來說,還是有其他巧遇糞臭素的機緣。因為某個程度上來說,糞臭素就像愛。它撲朔迷離地存在生活中出乎意料之處:香水、茉莉、橙花、甜菜、香菸、糞便、煤焦油與草莓冰淇淋。糞臭素時臭時香,載舟亦能覆舟,令人欲拒還迎。

氣味的關鍵在於濃度

氣味由香變臭的關鍵,在於濃度。像是過多的愛,使人無法擔待。以體積比來說,一旦超過 60 pptV(0.327 ng/L)[註1],就會開始臭得一去不返[7]。如果以重量比計算,健康人體製造的糞便中,糞臭素濃度約為 5 μg/g,但消化道疾病患者,則可高達 80 到 100 μg/g[註2]。換句話說,腸道保健雖然不會讓人芬芳馥郁,但至少能避免如廁之後臭名遠揚[8]

回顧過去的調香職涯,Roja Dove 感嘆上等的原料不再是小農收成,產地直銷,人工合成的產物也逐漸取代天然素材。

「的確,我們必須在香水裡添加合成物。」他向時尚作家 Michael Paterniti 坦承,那是為了襯托自然的味道,但是如果大比例的使用人造成份,「合成的香水聞起來,就永遠僅是人工的氣息。」然而大時代的趨勢,就連知名調香師也無力回天。諷刺的是,在這場產業變遷的遺憾裡,得知糞臭素並非天然,卻多少能帶給香水顧客卑微的慰藉。

註解

  1. pptV(parts per trillion by volume),則是兆分之一體積比。ng/L,指每公升幾奈克。
  2. μg/g,又作 mcg/g,指每公克中有幾微克,也就是 ppmW(parts per million by weight)百分之一重量比。

參考資料

  1. How to Smell Like a God (GQ, 2014)
  2. Skatole – A Natural Monstrosity In Perfume, Parliaments, Produce And Poop (American Council on Science and Health, 2020)
  3. Impact of the Gut Microbiota on Intestinal Immunity Mediated by Tryptophan Metabolism (Frontiers in Cellular and Infection Microbiology, 2018)
  4. 羧酸(教育部重編國語辭典修訂本,臺灣學術網路第六版)
  5. Emil Fischer Biographical (the Nobel Prize)
  6. Skatole (American Chemical Society, 2021)
  7. Identification, quantification and treatment of fecal odors released into the air at two wastewater treatment plants (Journal of Environmental Economics and Management, 2016)
  8. New Insights Into Gut-Bacteria-Derived Indole and Its Derivatives in Intestinal and Liver Diseases (Frontiers in Pharmacology, 2021)

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胡中行_96
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曾任澳洲臨床試驗研究護理師,以及臺、澳劇場工作者。 西澳大學護理碩士、國立台北藝術大學戲劇學士(主修編劇)。臉書:荒誕遊牧。