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Reefinity: Bone-meal–CaCO₃–Microbes Synergy for Coral-Reef Restoration

Jiachun Qian


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Abstract
As global warming become more sever, coral bleaching and mortality are worsening. However, sustained public attention and effective remedies remain insufficient. This work examines the synergistic mechanisms between bone-meal/calcium-based materials and microbially induced calcium carbonate precipitation (MICP), focusing on two complementary pathways: First is low-temperature carbon curing/solidification via bacterial bio-gels and a lime–bone-meal “cement-like” system, and the second is nutrient-enriched bone-powder composites featuring Ca²⁺/PO₄³⁻-rich surfaces. This paper establish standardized formulations, molding and mineralization workflows, and propose explicit structural modeling and site-deployment designs.

Keywords: Coral bleaching; conservation; bone meal; innovative structure; environmentally friendly


1. 引言

珊瑚礁是世界上最复杂、最多样的生态系统,但由于高标准的生长环境,它们的分布只占地球表面的0.1%(Reaka-Kudla) 。全球变暖与局地胁迫使珊瑚礁面临灭绝风险;全球变暖对珊瑚礁的影响归因于其对共生藻zooxanthellae的影响。共生藻对珊瑚营养供给达到了惊人的90%,也是珊瑚礁色彩的来源,但对温度极为敏感,升温将导致其死亡或迁移,导致珊瑚礁“褪色”,引发“白化—饥饿 ”(Berkelmans and van Oppen)。美国国家海洋和大气管理局 (NationalOceanic and Atmospheric Administration [NOAA])的研究表明,自 20 世纪末以来,全球已发生多次严重的白化事件。研究显示 2008 年已约三分之一珊瑚濒危,若温室气体持续上升,2050 年珊瑚礁将“难以有意义地存在” (Carpenter et al.)。尽管珊瑚礁的数量逐年递减,社会依然没有给予其足够的关注来为珊瑚保育融资或是出台相关政策。2022 年全球气候投融资规模超过 1.3 万亿美元,但用于海洋和气候相关主题的资金只有1.53亿美元。其中专门投入珊瑚保护的更是不足(Global Landscape of Climate Finance 2023 - CPI)。政策层面上,全球只有10%的珊瑚礁位于no-take(无捕捞)区,且管理成效差异显著。非法采集与交易依然频繁发生,例如红珊瑚制品在例如日本等国家仍作为合法商品公开出售。这一切都表明,资金缺口、政策不足和公众意识淡薄共同加剧了珊瑚的脆弱处境。

在这样的背景下,本研究提出 Reefinity 概念:通过将低碳的遗体安置方式与珊瑚礁修复相结合,为环境保护与社会实践探索一条新路径。具体而言,Reefinity摒弃传统遗体安置方式,采用碱性水解(亦称“水化火葬”)将遗体转化为可用作原料的骨粉。在此基础上制备一种既利于珊瑚孢子/幼体附着、又环境友好且具生物可降解性的人工基底结构,安置于海域以促进珊瑚礁生态修复。同时,Reefinity 将为该结构配套定位与标识系统(如与 GPS 联动的浮标装置),以实现安全、可追踪的海上坐标管理,便于家属凭吊与定位,兼具生态价值与社会纪念意义。


2. 文献综述

2.1 珊瑚礁群白化危机的背景调查

NOAA的研究通过实地实验量化了可至使珊瑚礁白化的标准,实验结果表明在Degree Heating Week (DHW)4 °C周时,珊瑚礁出现显著白化风险;8 °C周时往往出现大范围白化并伴死亡 (NOAA Coral Reef )。DHW 是海温高于白化阈值的热量累计,所以 DHW=4 °C意味着连续4周都在阈值之上+1℃ ,具体计算公式为4×1= 4 ℃·周。此处白化阈值= 当地多年最暖月平均海温(MMM)(NOAA Coral Reef )。而在2023年时佛罗里达群礁的DHW峰值约 19 °C·周 (Neely et al.),伴随而来的2024年大堡礁的调查显示,约75%的受调查礁群经历DHW 4-8°C的威胁(Cantin et al.)。综上,NOAA 在2023年确认了我们正在经历的是因全球变暖导致的第四次全球白化性时间(Coral Bleaching Events)。因此,如果要从根本上解决白化危机,得从全球变暖给共生藻类带来的影响着手。

全球变暖和碳排放有着紧密的连接,而火葬作为碳排放的源头之一常常被潜意识忽略,Harris的研究表明一具遗体的火葬会产生535 磅的 CO2,这相当于一辆小型轿车行驶609 英里的路的排放量 (Harries)。调查显示,这种碳排放量高且消耗能源的殡葬方式在香港和日本的使用率都是96.9%,无疑是为大气增添了一份压力(International Statistics 2023。而Reefinity采用的骨粉原料为遗体性水解 (alkaline hydrolysis) 的产物,这是一种新型的环保殡葬方法,该做法已在英国公开发表并在多个发达国家实施(donald)。其原理是在高温高压条件下,使用含碱性溶液(通常为氢氧化钾)的水来分解人体软组织,最终仅保留骨骼。与传统火化相比,其能耗更低、温室气体排放更少。Olson的研究指出该工艺的能耗可降低90%,且与焚化相比,碳排放减少超过75%(Olson)。

公众对珊瑚礁保护意识的缺失,无疑加剧了温度变化对珊瑚礁造成的影响。调查数据显示,2022年全球气候投融资达到13000亿美元,但与海洋和气候相关的主题只有1.53亿美元,其中面向珊瑚的Global Fund for Coral Reef从2021-2025的累积总数也不到1亿美元(Global Landscape of Climate Finance 2023 -CPI)。全球在珊瑚礁保育方面的法规更是少之又少,汇总显示,只有10%的珊瑚礁位于无捕捞区(no-take zones),而且管理质量差距也较为明显,没有足够数据支撑这些无捕捞区的作用性(Vizzuality)。

保护政策和社会关注的的缺失也引向了珊瑚的另一种濒危原因——采集。尽管在中国,红珊瑚(Corallium spp)已被列为一级保护动物,并被赋予最高等级的法律保护,走私案件仍频繁发生。人民日报写明2023年沈阳海关就在包裹中查获224件红珊瑚制品。更有甚者,在日本这类珊瑚交易被视作合法行为的国家更是有专门售卖红珊瑚的本土品牌,比如说奢侈品牌KAWAMURA,据了解,一枚KAWAMURA的珊瑚戒指就可售卖至约16万人民币。

2.2 珊瑚礁保护与修复的现有路径

首先,化学粘合剂(e.g.环氧Epoxy, 瞬干胶)是众多珊瑚礁保育机构用于珊瑚礁群的修复和制造的碳酸钙结构的物质。这些机构之所以选择碳酸钙,是因为其多孔结构有利于珊瑚附着,且化学成分与天然珊瑚相似,但由于除自然生成的碳酸钙外其余碳酸钙没有一体性质,只有类似碳酸钙粉及方解石碎片的粉装物,所以才会采用粘合剂。比如说Mote Marine Laboratory就会利用环氧/胶黏剂进行固着(Pageet al.)。还有一家名为Objectsand ideograms的珊瑚礁3D打印技术本质上也只是是喷射液体粘合剂来把碳酸钙粉末粘合在一起(“Coral Carbonate”)。这种做法的核心问题在于粘合剂其本身的水生毒性,比如说环氧的组分本身就对水生生物有毒,并且具有长期影响,有针对珊瑚修复用水下胶黏剂的实验指出单独组分的粘合剂对珊瑚急性高毒(数小时内 100% 死亡)(Rojano),虽然充分混合固化后毒性会有降低但依旧无法规避风险(Rojano)。而且环氧的生物可降解性非常低,是海面塑料碎片的重要来源,在部分海域占比全年最高(Jaini and Namboothri)。

为了让珊瑚礁白化事件得到一定社会影响力,也有机构试图把殡葬和珊瑚保育联系在一起,如Eternalreef选择把骨灰溶进混凝土这种相对稳定材质后沉入海内,虽然解决了化学残留和影响里问题,但是因为其采用材质仍为骨灰所以无法减少火化产生的碳排放(Eternal reefs),反而间接鼓励了这种行为。同时混凝土不具备碳酸钙的多孔结构以及生物可降解性, 这有可能是至使Enternal Reef 官网内的结构实地照片上珊瑚虫附着微少的原因。而且其球形将无法保证内部珊瑚群的光照度。总结来说,是一种只能提升社会关注度但是无法解决实际问题(e.g. 温室气体 和藻类营养供给)。

最后,利用细菌生成碳酸钙也是一种可行的方法,École Polytechnique Fédérale de Lausanne Amstad 实验室利用可生成碳酸钙的巴氏芽孢杆菌Sporosarcinapasteurii 制成3D打印墨水,在打印后浸入尿素里使碳酸钙沉淀,最后形成通体碳酸钙多孔结构(Hirsch et al.)。这种方式在材质和结构上无疑是最优解,因为是生物生成的碳酸钙所以绝对环境友好,且物质和结构与珊瑚的相似可以保证附着率,但是形成体积非常小,无法承担大型保育行动的基底,文献内表示,结构尺寸最多可到 ~10 cm左右,再往上放大就会遇到扩散受限(Hirsch et al.) 。根本上来说也无法解决碳排放和社会关注度的问题。

2.3 珊瑚礁保育未来的可能手段

在Mathieu的实验里表明KH₂PO₄与(轻烧)MgO 水化生成 K-struvite(MgKPO₄·6H₂O)晶体骨架,此材料会在中性附近 pH 下硬化与化学稳定,浆体在结晶过程中形成连通孔,因为其稳定性和无毒性常作为可注射骨修复材料和多孔胶结体系的基础(Mathieu Le Rouzic et al.),而在其中引入碳酸盐则可以显著提高孔隙率与生物相容性,而骨粉本质上富含磷酸盐(Wang et al.),所以骨粉的加入无疑是利于珊瑚虫附着的选择。


3. 研究方法

在本研究中,我们设计并比较了磷酸镁水泥基骨粉和生物矿化型骨粉-凝胶这两种复合材料未来可能在海洋环境里的表现。目标是通过标准化原料规格、配方设计、制备工艺等探索环境友好且具备实际应用潜力的材料,以支撑Reefinity概念的实现。 以下是两种材料的实验过程和测验结果。

3.1 磷酸镁水泥基骨粉复合材料 (MPC-BP)

3.1.1 原料规格与预处理

1)轻烧氧化镁(MgO): 采用化学纯试剂,关键指标为活性含量≥85%。此处的“活性”指

2)磷酸二氢钾(KH₂PO₄): 采用上海麦克林化学试剂公司提供的分析纯(AR)试剂,其纯度≥99%,pH值(50g/L,25℃)在8.9~9.4之间,为反应提供酸性源和磷酸根离子

骨灰(BP): 选用研磨牛骨粉替代骨灰材料,主要成分为羟基磷灰石Ca10(PO4)6(OH)2

3)缓凝剂:硼砂(Na₂B₄O₇·10H₂O),分析纯

4)拌合水: 使用去离子水,以避免自来水中的杂质离子(如Ca²⁺,SO₄²⁻, Cl⁻)对MPC水化晶体成核与生长产生不可控影响

在预实验中,通过调整MgO、KH₂PO₄与骨粉三者的质量比,以浆料的流动性(坍落度)、凝结时间和初步固化强度为筛选指标,进行了一系列配方优化。结果发现,当骨粉掺量超过30%时,材料的力学性能显著下降;而当MgO与KH₂PO₄的比例偏离特定范围时,则会引发反应过快或过慢的问题。通过预实验优化,确定基础固体质量配比为 MgO : KH₂PO₄ : BP = 35 : 40 : 25。据此比例,以总固体质量50g为基准,各组分质量分别为:MgO17.5g, KH₂PO₄20.0g, BP12.5g。为调节凝结性能,添加0.25g(固体总质量的0.5%)硼砂(Na₂B₄O₇·10H₂O)作为缓凝剂。初始水固比(w/s)根据普通磷酸镁水泥配置设定为0.40(即50g固体粉末对应20mL水)。MPC反应为需水反应,但过高的水固比会增大孔隙率,降低密度与强度。0.20-0.24的范围

3.1.2 制备与养护工艺

制备全过程应在25 ± 3°C的恒温室内进行,因为环境温度对MPC的反应动力学影响显著。所有操作需迅速连贯,最好在相对湿度低于60%的环境下,以减少浆体表面水分蒸发。

1)干混(固体预混合):

实验使用精度为0.01g的电子天平,按上述比例精确称取MgO、KH₂PO₄、BP共50g,全部置于一个200mL的烧杯中。混合粉末约30秒。然后,用刮刀紧贴烧杯壁和底部,以旋转和碾压的方式用力搅拌2-3分钟。

2)湿混(浆体制备):

用量筒准确量取20.0 mL去离子水。将水一次性快速倒入烧杯中心。剧烈搅拌阶段持续约60-90秒,直至形成一团无明显干粉、相对均匀的粘稠浆体。整个湿混过程应在3分钟内完成,以防反应过度进行导致浆体变干。

3)成型与初凝

将混合好的浆体迅速倒入预定模具,将模具在实验台上轻轻抬起并放下10-20次,将模具静置于实验台上。在室温(25±3°C)下,材料通常在搅拌结束后20-30分钟达到初凝(表面干燥、不粘手)。在初凝前,用保鲜膜紧密覆盖模具口,防止水分蒸发。

4)脱模与后期养护

在室温下湿养护24小时后,小心脱模,获得MPC-BP基础试件

3.1.3 工艺特点与潜在影响因素分析

此MPC路径的核心反应为MgO与KH₂PO₄的酸碱中和反应,生成具有胶凝性的磷酸钾镁水合物,将骨粉颗粒牢固粘结

3.2 生物矿化型骨粉-凝胶复合材料 (Bio-MBP)

3.2.1 原料规格与预处理

本研究所用菌株为 Sporosarcina pasteurii (ATCC11859)。该菌为好氧菌,具有高脲酶活性,能将尿素(CO(NH₂)₂)水解为氨(NH₃)和二氧化碳(CO₂),导致局部pH值升高,并在钙离子存在下诱导碳酸钙(CaCO₃)沉淀。菌株需在-80°C冰箱中以甘油冻存管形式长期保存。将菌株接种于基础肉汤培养基中,于30°C、200 rpm的摇床中恒温培养20-24小时,以确保菌液处于对数生长后期且脲酶活性达到峰值。活化后的菌液在4°C下可以短期保存备用(有效期不超过一周)。

明胶(Gelatin, Type A)来源于酸处理猪皮或骨胶源,Bloom强度约300

矿化液包括氯化钙(CaCl₂)、尿素(Urea)、酵母提取物(Yeast Extract)

3.2.2 配方设计与计算依据

确定的凝胶载体基础配方(质量比)为:明胶 : 水 : 海藻酸钠 : 骨粉 = 20 : 63 : 1: 6

明胶浓度: 20%的明胶浓度能在6°C固化后形成足够机械强度的凝胶支架,既能保持形状,又不会因浓度过高而过于坚硬影响细菌营养扩散

骨粉掺量: 6%的骨粉掺量

海藻酸钠用量: 1%的添加量足以起到结构改良作用,且不会引入明显的离子交联(因本方案未使用Ca²⁺进行瞬时交联)

菌液接种量: 接种量为凝胶基质总体积的10%(v/v),确保有足够数量的活性细菌分布于凝胶内部,以启动有效的MICP过程。菌液OD600控制在1.0 ± 0.1,对应菌浓度约为10^8 CFU/mL。

矿化液浓度: 0.5 M CaCl₂ 和 0.75 M 尿素 的浓度是MICP研究的常用配比,提供了过量的反应物以驱动碳酸钙沉淀。尿素的浓度略高于CaCl₂,以平衡其水解消耗。0.4 wt% 酵母提取物 提供维持细菌活性所需的最低营养。

以一个制备批次(总凝胶基质约45g)为例的具体称量/量取如下

明胶: 45g × (20/90)≈ 10.00 g

去离子水(用于溶胶): 45g ×(63/90) = 31.50 g (约31.5 mL,考虑密度近似为1g/mL)

海藻酸钠: 45g × (1/90) ≈0.50 g

煅烧牛骨粉(BP): 45g × (6/90) =3.00 g

S.pasteurii 菌液(OD600≈1.0): 总体积的10%,若最终凝胶体积约45mL,则接种 4.5 mL

矿化液(按1L计): 氯化钙(CaCl₂) 73.5g (0.5mol), 尿素 45.0g (0.75 mol), 酵母提取物 4.0g

3.2.3 制备与养护工艺

1)细菌培养与活化

a. 活化: 从-80°C冻存管中取出一环S.pasteurii菌苔,划线接种于含有尿素(20g/L)的固体琼脂平板上,倒置放于30°C恒温培养箱中培养24-48小时,直至长出单菌落

b. 摇瓶扩培: 挑取单个典型菌落,接种于装有50-100mL液体培养基(含尿素)的锥形瓶中。将锥形瓶置于30°C恒温摇床中,以200 rpm的转速振荡培养20-24小时。期间定期取样,用紫外分光光度计测定OD600值

c. 菌液收获: 当OD600达到1.0 ± 0.1时,停止培养。将菌液转移至无菌离心管,在4°C、6000 rpm条件下离心10分钟,弃去上清液(去除代谢产物和原培养基成分)。用无菌的0.9%生理盐水或磷酸盐缓冲液(PBS)重悬菌体,再次离心洗涤一次,最后用少量无菌水或矿化液基础液重悬至OD600≈1.0,置于4°C冰箱备用

2)骨粉-生物凝胶载体的制备

a. 明胶溶解: 在一个已灭菌的250mL锥形瓶或烧杯中,称入10.00g明胶粉末,加入31.50g(约31.5mL)无菌去离子水。将容器置于75°C的水浴锅中,并放入磁力搅拌子,持续磁力搅拌约20-30分钟,直至明胶完全溶解,溶液变得清澈透明

b. 海藻酸钠分散:0.50g海藻酸钠粉末撒入明胶溶液表面,搅拌约10分钟

c. 体系冷却与骨粉掺入: 将容器从水浴锅中取出,置于较低温度水浴(如40°C)中搅拌降温。当混合胶液温度稳定降至40°C以下,加入3.00g干燥灭菌的骨粉,并搅拌。

d. 菌液接种: 将容器转移至40°C恒温水浴锅中保温(防止明胶过早凝胶化)。用无菌移液器精确吸取4.5 mL备用菌液,沿容器壁缓慢加入,随后缓慢搅拌1-2分钟。

3)成型与凝胶固化

将混合凝胶悬浮液倒入预设模具中。将模具移入6°C的冷柜中,静置1小时,固化成型。6°C远低于明胶的凝胶点(通常25-30°C)。

4)微生物诱导矿化(MICP)处理

a. 矿化液配制: 按配方称取CaCl₂、尿素和酵母提取物,溶于无菌去离子水中,定容至1L。使用0.22μm滤膜过滤除菌,或对不含尿素的盐溶液进行高压灭菌,尿素溶液单独过滤灭菌后混合。

b. 矿化培养: 将脱模后的凝胶样品(或带模 if 模具不影响离子扩散)浸没于无菌矿化液中。将容器密封后置于30°C恒温培养箱中静置培养。

c. 矿化液更换: 每24小时更换一次新鲜的、预热的(至30°C)矿化液。更换时,小心倒出旧液,用少量无菌水或新鲜矿化液快速漂洗样品表面,然后加入新液

d. 矿化周期: 持续此矿化过程3天

3.2.4 工艺特点与潜在影响因素分析

该Bio-MBP路径的核心是仿生矿化,利用微生物的代谢活动在温和条件下(常温常压,近中性pH)构建无机矿物相

严格的无菌条件是成功的关键,任何杂菌污染都可能与S. pasteurii竞争甚至抑制其生长,导致MICP失败。菌液接种时的胶体温度(<40°C)、凝胶固化温度(6°C)和矿化温度(30°C)

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表1 两种骨粉基材料成型路径的对比

3.3 性能表征与评估方法

为系统评估与比较两种骨粉基材料(磷酸镁水泥粘结型、生物矿化型凝胶)的性能,本研究从成型性、力学性能两个核心维度进行表征

3.3.1. 成型性评估

1)流动性测试:制备简易圆柱形模具,将新拌浆体装满模具,垂直缓慢提起模具。让浆体在光滑、不吸水的平板(如玻璃板、亚克力板)上流动摊开。30秒后,用直尺测量浆体摊开后的最大直径(D1)和与其垂直方向的直径(D2),计算平均值 D = (D1 + D2)/2

目标摊开直径 D = 60 ± 5 mm。

2)凝结时间测试:将部分浆体装入一个浅盘或一次性小杯中进行观察。每隔5分钟,用一根直径约2mm的平头玻璃棒或金属针,让其自重垂直落在浆体表面。初凝时间为针尖在表面不再留下明显凹痕,或仅留下轻微印记,且浆体表面不粘附针尖时,即为初凝。记录从加水搅拌完成到此刻的时间。用指甲或钝器用力划刻表面,几乎不留痕迹时,可认为终凝

3.3.2 力学性能测试

养护至规定龄期(24小时脱模时)后,进行破坏性手感评估;从1m高度自由落到地面上,仅边角轻微破损,强度等级划分为高;用力捏压时感觉坚硬,从1m高度跌落会破裂成数大块;用手可轻松捏碎或掰断,强度等级划分为中;观察断裂面,断裂面是“颗粒状散开”可认为粘结性弱,如果是“呈现贝壳状断口”则代表粘结较强。


4. 结果分析

4.1 成型性评估

4.1.1 MPC-BP材料

水固比(w/s)是调控MPC-BP材料成型性的核心参数。如表2所示,随着w/s从0.40增加至0.48[1] w/s,浆体流动性(摊铺直径)显著改善,操作窗口(初凝时间)也随之延长,当w/s增加至0.46时,材料获得较好的强度。

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表2 不同水固比下MPC-BP材料的成型性与力学性能对比

分析表明:当w/s从0.40增加至0.46时,水分的增加有效润滑了固体颗粒,使浆体流动性显著提升,可适当增加抗凝剂为混合、灌注和排气提供更宽裕的操作窗口。在此区间内,浆体均未出现泌水,保证了材料的均质性。

力学性能与w/s的关系呈现非线性。虽然理论上水灰比增加会降低强度,但本研究发现,在0.46的配比下,由于浆体获得极佳流动性,能够更充分地填充模具和包裹骨粉,形成更均匀的微观结构,因此其24小时强度表现优于w/s=0.48的配方,且远优于w/s=0.42的配方,显示出“较好”的强度等级。

当w/s增至0.48时,过量的水分开始无法被水化反应和颗粒间作用所完全束缚,导致轻微泌水。这不仅引入了缺陷,降低了最终强度,也会影响表面质量。
综合考量,w/s=0.46被确定为最优工艺参数。 该配比在确保不发生泌水的前提下,同时提供了优异的工作性、宽裕的操作窗口和令人满意的早期强度,是实现材料可制备性与性能理想结合的关键。


4.1.2 Bio-MBP材料

Bio-MBP材料的成型性依赖于明胶的热可逆特性。在40°C以上,体系为低粘度溶胶,具备极佳的流动性和填充性,适用于复杂模具。其“凝结”过程为物理凝胶化,在6°C下静置1小时即可完成,无需化学反应,过程温和。该路径的优势在于成型条件温和、对设备要求低;劣势在于成型速度受限于热传导效率,且成型后的凝胶强度在遇热或长期浸泡时有下降风险。


4.2 力学性能与耐水性测试分析

4.2.1 MPC-BP材料

如表2所示,MPC-BP材料(尤其是w/s=0.46)表现出优异的力学性能。其1米跌落测试后“完好或微损”的表现,证明了其具有足以应对运输、安装过程中常见冲击的韧性。在浸泡养护过程中,所有配比试件均保持形状完整,初期水体微黄,浸泡1 day后换水再次浸泡,水体清澈无杂志,浸泡后强度无任何衰减。这归因于其水化产物(磷酸钾镁水合物)在海水中的化学稳定性以及低孔隙率带来的物理屏障作用,表明其具有作为永久性或半永久性海洋结构材料的潜力。


4.2.2 Bio-MBP材料

与MPC-BP形成鲜明对比的是,Bio-MBP[1] 材料表现出固有的力学强度弱势。即使经过3天的MICP矿化处理,其沉淀物的强度依然较低,可用于轻松捏碎或掰断。水浸泡实验进一步揭示了其结构稳定性问题:试件出现轻微变软和体积膨胀,且浸泡初期水体浑浊。

材料的强度主要来源于明胶的三维网络和少量沉积的碳酸钙。明胶网络本身力学强度不高,而MICP过程沉积的碳酸钙晶体在凝胶内部是离散的、非连续的整体粘结相,无法像MPC水化产物那样形成贯穿的坚固骨架。明胶是亲水性高分子,在水中会发生溶胀。虽然表面的碳酸钙沉积层有一定阻挡作用,但长期浸泡下,水分仍会逐渐渗入,破坏凝胶分子的氢键,导致网络软化、强度进一步丧失。水体的初期浑浊,可能是未牢固结合的碳酸钙微粒或极少量凝胶组分溶出所致。Bio-MBP材料的力学性能和长期耐水性是其应用于动态海洋环境的主要制约因素。

4.3 综合讨论与路径对比

MPC-BP路径成功地将高强度、高耐久性与固有的多孔表面相结合。其性能优势,特别是w/s=0.46[2] 配比的发现,表明通过优化基体材料本身即可实现结构与生态功能的初步统一,非常适用于需要承受波浪、水流等力学载荷的珊瑚礁修复基础结构、人工鱼礁核心构件等场景。

Bio-MBP路径则体现了优异的生物相容性、温和的制备过程,但其低力学强度和在水环境中长期稳定性不足的问题突出。这决定了其应用场景应侧重于低能量、受保护的静水环境,或作为辅助性生态单元附着于主结构之上,用于吸引和培育微生物膜及小型底栖生物。
材料的选择并非简单的好坏之分,而是基于具体应用场景需求的精准匹配。 对于需要快速提供结构性支撑且追求长期稳定性的项目,MPC-BP是更优选择;而对于侧重于基础生态培育、且力学风险极低的场景,Bio-MBP则展现出其独特价值。未来的研究方向可探索将两者结合,构建“MPC-BP为骨架,Bio-MBP为表面功能层”的复合材料体系。

5. 结论

5.1 材料选择

通过实验课的出MPC-PB在材料对比中,因其成分,结构,坚硬度和可降解性的出色表现无疑是更适用于制造环境友好的Reefinity结构。

5.2 局限性

其一,无法进行实地测验,珊瑚礁群对生长环境要求严格,而中国大陆对投放实验礁体有明确管控,所以无发进行实地测验,进而导致珊瑚虫附着率数据对缺失,无法作证结构是否可吸引珊瑚虫的附着及其对珊瑚礁生长的后期影响。

其二,化学成分上的差别可能降低珊瑚虫附着率。选择MPC-B作为主材料虽然能维持结构上的相似性但无法保证结构与珊瑚礁化学成分上的共性,具体的影响任是未知,需要将结构放置在海水中一段时间过后才能收集有效数据

其三,磷酸盐的残留对珊瑚礁的毒性。骨粉作为磷酸盐的来源如果反应不完全的话可能会污染周围水质,除了会造成富营养化外,PO₄³⁻ 会抑制碳酸钙结晶、降低珊瑚钙化速率(Kinsey and Davies)。

5.3 可尝试路径

1)寻求专业机构合作。在与巴厘岛的LINI,专注于珊瑚保育的NGO,沟通之后了解到当地机构有先进设备可以在水上模仿珊瑚的海内生长环境用于测试附着率和其他相关数据。

2)结合MPC-PB与Bio-MBP。因芽孢杆菌在结构和化学物质上与珊瑚的共性,可以把芽孢杆菌通过凝胶的状态涂抹在MPC-PB的表面,而后浸没到尿素内形成碳酸钙外壳。这样可以在化学共性的基础上一定程度吸收部分磷酸盐并且无需担心结构本身的硬度问题和大小问题。

对于可能残留磷酸盐的风险来说,未来可能的解决方案是在结构成型后,先在37–60 °C 的环境下湿固化24–72小时(Boanini etal.) ,随后在人造海水/少量 F⁻中养护 7–14 天已用于促DCPD/ACP 反应成HAp/氟Hap (Ferizoli et al.),并在此期间期间换液/冲洗,去掉可溶性磷。

5.4 研究与意义

当今,在珊瑚白化问题愈发严重却屡遭漠视的情况下,Reefinity的存在让那些关注环境和珊瑚礁的人士们可以用自己或宠物的遗体呼吁人们注意到失去色彩的礁石们。此外,Reefinity从始至终都贯彻了两个词语,第一个是“环保”,从材料上的选择提升了水化的社会关注度,号召人们让人们摒弃不环保的殡葬方式。第二个则是爱,Reefinity 以骨粉上寄托的爱意和思念为保护环境的力量,让我们与逝去的挚爱见面之时不再对着一面小小的石碑默默流泪,而是潜入海底,穿梭在一株株色彩斑斓的珊瑚间的时候,咸涩的海水会代替你流泪。我想,除了璀璨的珊瑚之外,Reefinity代表的更是逝者的第二次生命。

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