Живые здания: 3D-печатный гель с бактериями захватывает CO₂

Зачем это важно

Бетон — второй по объёму потребления материал на планете после воды. И один из главных источников выбросов CO₂: на цементную промышленность приходится около 8% мировых выбросов углекислого газа. Миллиарды тонн CO₂ ежегодно улетают в атмосферу, чтобы мы могли строить дома, мосты и дороги.

А что если строительный материал не только не выбрасывал бы углекислый газ, но и поглощал его? Причём не однократно, а постоянно — пока стоит здание?

Команда из 13 исследователей под руководством Марка Тиббитта из ETH Zurich создала именно такой материал. Это прозрачный 3D-печатный гидрогель, внутри которого живут и работают цианобактерии — одни из древнейших фотосинтезирующих организмов на Земле. Материал захватывает CO₂ двумя путями одновременно: через фотосинтез (как растения) и через минерализацию (как кораллы). Результаты опубликованы в Nature Communications и уже получили 30 тысяч просмотров и 16 цитирований.

Самое впечатляющее — это не лабораторная фантазия. На Венецианской архитектурной биеннале 2025 года из этого материала напечатали 3,3-метровую конструкцию, которая захватывает до 18 кг CO₂ в год — как двадцатилетняя сосна.

Основная идея

Представьте аквариум с прозрачным желе, в котором плавают микроскопические зелёные «водоросли». Они живут, размножаются, поглощают CO₂ из воздуха через фотосинтез, выделяют кислород — и при этом заставляют кальций из окружающей среды превращаться в камень. Буквально: живые организмы внутри геля строят себе минеральный каркас, а заодно делают весь материал прочнее.

Цианобактерии — древнейшие фотосинтезирующие организмы на Земле (им более 2,5 млрд лет). Именно они когда-то насытили атмосферу кислородом. В отличие от растений, это бактерии — прокариоты без ядра. Штамм Synechococcus sp. PCC 7002, использованный в работе, — морская цианобактерия, способная к эффективному фотосинтезу даже при слабом освещении.

Гидрогель — трёхмерная полимерная сеть, удерживающая большое количество воды (до 90% массы и более). Представьте мармелад или контактную линзу — это гидрогели. В данной работе гидрогель на основе Pluronic F127 прозрачен, пригоден для 3D-печати и пропускает свет для фотосинтеза.

Ключевая инновация — двойной механизм захвата углерода:

Фотосинтез: цианобактерии поглощают CO₂ и превращают его в биомассу (органический углерод)
Биоминерализация (MICP): бактерии повышают pH среды, что вызывает осаждение карбоната кальция — по сути, формируется известняк прямо внутри геля

Второй механизм принципиально важен. Биомасса — штука нестабильная: когда организм погибает, углерод возвращается в атмосферу. А вот минеральный карбонат — это геологическое хранилище. Углерод в форме CaCO₃ заперт на тысячелетия, как в скальных породах.

MICP (Microbially Induced Carbonate Precipitation) — процесс, при котором микроорганизмы создают условия для осаждения карбонатных минералов. Обычно для MICP используют уреолитические бактерии, которым нужна мочевина и которые выделяют токсичный аммиак. Фотосинтетический MICP — экологически чистая альтернатива: единственный «побочный продукт» — кислород.

Схема создания фотосинтетических живых материалов для двойной секвестрации углерода

Рис. 1: Инженерия фотосинтетических живых материалов. (а) Двойной путь захвата CO₂ — фотосинтез + минерализация. (б) Химическая структура гидрогеля F127-BUM и фотосшивание. (в-г) Оптические и механические свойства. Источник: Dranseike et al., Nature Communications, 2025

Как это работает

Рецепт «живых чернил»

Основа материала — модифицированный блок-сополимер Pluronic F127, знакомый фармацевтам как Poloxamer 407. Его модифицируют bis-urethane methacrylate группами (получая F127-BUM), что позволяет закрепить структуру ультрафиолетом. Финальная рецептура биочернил:

13,2% масс. F127 + 7,3% масс. F127-BUM + 0,1% масс. фотоинициатор LAP
Цианобактерии Synechococcus sp. PCC 7002 при оптической плотности OD₇₃₀ = 0,8
Питательная среда BG11-ASNIII (имитация морской воды)
Хлорид кальция (5 мМ) добавляется с 5-го дня для запуска минерализации

Ключевое свойство — гель термочувствительный: при комнатной температуре он достаточно вязкий для печати, а после УФ-облучения (405 нм, 60 секунд) необратимо сшивается. При этом он остаётся прозрачным — пропускает 76 ± 3% видимого света.

Два метода 3D-печати

Авторы продемонстрировали два подхода:

Прямая запись чернилами (DIW) — классическая экструзионная 3D-печать. Биочернила выдавливаются через сопло диаметром 0,41 мм при давлении 40-60 кПа. Подходит для создания дисковых образцов и простых структур.

Объёмная печать (Tomolite) — это уже научная фантастика наяву. Вместо послойной печати используется вычислительная аксиальная литография: компьютер проецирует серию 2D-изображений во вращающийся объём биочернил, и вся 3D-структура формируется одновременно. Один принт — решётка высотой 22 мм с 960 порами диаметром 0,5-1,0 мм для оптимального проникновения света и питательных веществ.

Вычислительная аксиальная литография (CAL) — революционный метод 3D-печати, в котором объект формируется целиком в объёме фотополимера за секунды, без послойного построения. Принцип схож с компьютерной томографией наоборот: вместо сканирования объекта рентгеном, проектор создаёт объект светом.

Двойная секвестрация углерода в фотосинтетических живых материалах

Рис. 2: Двойная секвестрация углерода. Временная шкала эксперимента, визуализация роста клеток, окрашивание карбонатных отложений Alizarin Red S, кинетика роста биомассы за 30 дней. Источник: Dranseike et al., Nature Communications, 2025

Условия жизни бактерий

После печати конструкции помещаются в контролируемую среду:

Температура: ~25°C
Освещение: 180 мкмоль фотонов м⁻² с⁻¹ (белый свет полного спектра)
Фотопериод: 12 часов день / 12 часов ночь
Замена питательной среды: каждые 5 дней
С 5-го дня: добавление 5 мМ CaCl₂ для запуска минерализации

Результаты

Захват CO₂: цифры

Главный вопрос: сколько углекислого газа реально захватывает материал?

Период	Захват CO₂ на грамм гидрогеля
30 дней	2,2 ± 0,9 мг
400 дней	26 ± 7 мг

За 30 дней осаждается 4,8 ± 2 мг CaCO₃ на миллилитр геля. За 400 дней бо́льшая часть захваченного углерода переходит в минеральную форму — геологически стабильное хранилище.

Для сравнения: рециклированный бетон при химической минерализации захватывает около 6,7 мг CO₂ на грамм. Живой материал ETH Zurich за 400 дней показывает 26 мг/г — почти в 4 раза больше. И он продолжает работать.

Рост и укрепление

Бактерии не просто живут — они делают материал прочнее:

Финальная концентрация: 5 × 10⁹ клеток на мл геля к 30-му дню
Модуль упругости (G’) растёт с 5,4 кПа (день 2) до 10,1 кПа (день 30) — бактерии почти удваивают жёсткость
3D-печатные решётки через 400 дней: модуль 111 кПа — в 10 раз прочнее начальных показателей

Материал буквально растёт и каменеет — биомасса и минералы к 30-му дню составляют ~45% финальной массы образца.

Формирование карбонатов внутри фотосинтетических живых материалов

Рис. 3: Формирование карбонатов. СЭМ-снимки минеральных отложений вокруг клеток, термогравиметрический анализ, элементное картирование (Ca, Mg, O, C) и динамика механических свойств во времени. Источник: Dranseike et al., Nature Communications, 2025

Состав минералов

Электронная микроскопия и рентгеновская дифрактометрия показали: осаждающиеся минералы — это магний-замещённый кальцит (Ca₇₈Mg₂₂)CO₃. Соотношение кальция к магнию — 78 ± 5% к 22 ± 5%. По сути, бактерии строят внутри геля тот же минерал, из которого состоят коралловые рифы и известняковые скалы.

Венецианская биеннале: от пробирки к архитектуре

Самая впечатляющая демонстрация — проект Picoplanktonics в Канадском павильоне на Венецианской архитектурной биеннале 2025. Из «живых чернил» (песок + биосовместимое связующее + цианобактерии) роботизированной 3D-печатью создали конструкции в форме стволов деревьев. Крупнейшая — 3,3 метра высотой.

Каждая конструкция захватывает до 18 кг CO₂ в год — эквивалент 20-летней сосны в умеренном климате. Для поддержания жизни бактерий в павильоне организовали специальные условия (свет, влажность, тепло), а команда «хранителей» ухаживала за живыми структурами на протяжении всей выставки (май–ноябрь 2025).

Цифровое производство фотосинтетических структур для двойной секвестрации углерода

Рис. 4: 3D-печатные живые структуры. Дизайн решётки для оптимального проникновения света, эволюция структуры за 365 дней, минеральный каркас после термического разложения органики, текстурированная поверхность по мотивам кораллов. Источник: Dranseike et al., Nature Communications, 2025

Критический взгляд

Данная работа опубликована в Nature Communications — рецензируемом журнале с импакт-фактором 16,6. Это не препринт. Тем не менее, любой научный результат следует рассматривать критически.

Сильные стороны

Двойной механизм — принципиальное отличие от всех предыдущих подходов к биологическому захвату CO₂. Минерализация обеспечивает долгосрочное хранение углерода, а не только временное связывание в биомассе.
Полноценная демонстрация — от лабораторных дисков до 3,3-метровой архитектурной конструкции на одной из крупнейших выставок мира. Это не теоретическая работа, а действующая технология.
Экологическая чистота — в отличие от уреолитического MICP, здесь не нужна мочевина и не образуется токсичный аммиак. Единственный побочный продукт — кислород.

Ограничения

Скромная скорость захвата. 2,2 мг CO₂ на грамм за месяц — это на порядки меньше, чем у промышленных систем прямого захвата воздуха (DAC). Авторы честно признают: до замены химических технологий далеко.
Зависимость от условий. Бактериям нужны свет, тепло, влажность и солёная вода. Рост биомассы выходит на плато к 25-му дню — внутренние слои получают всё меньше света по мере роста. Прозрачность падает с 76% до ~30%.
Неизвестна долгосрочная стабильность. 400-дневный эксперимент показал обнадёживающие результаты, но что будет через 10, 50 лет? Авторы не проводили оценку жизненного цикла (LCA) и не моделировали поведение при реальных атмосферных условиях.

Открытые вопросы

Каков чистый углеродный баланс с учётом производства гидрогеля, печати и обслуживания?
Можно ли генетически модифицировать цианобактерии для увеличения скорости фотосинтеза без потери способности к MICP?

Что дальше

Авторы намечают несколько направлений развития:

Прямые электродные измерения O₂ для точного количественного учёта фотосинтеза
Компьютерное моделирование зависимости pH от ассимиляции CO₂
Генная инженерия цианобактерий для усиления фотосинтетической активности
Оптические волноводы в структуре материала для доставки света вглубь
Оценка жизненного цикла (LCA) — расчёт реального углеродного следа от колыбели до могилы

Технология пока далека от того, чтобы заменить бетон. Но она указывает на совершенно новый класс строительных материалов — живых, самоукрепляющихся и работающих на снижение CO₂ в атмосфере. Как выразился Марк Тиббитт: «Мы видим наш живой материал как низкоэнергетический и экологически чистый подход, который может связывать CO₂ из атмосферы и дополнять существующие химические процессы».

А Андреа Шин Линг, создавшая конструкции для Венецианской биеннале, добавляет: «Бактерии сотрудничают в процессе производства, инициированном человеком. Биопринт может высохнуть, если воздух слишком сухой, и многие бактерии погибнут. Но поскольку система регенеративна, популяция бактерий способна восстановиться, когда условия улучшатся».

Здания, которые дышат, растут и поглощают углекислый газ — звучит как научная фантастика. Но это уже стояло на Венецианской биеннале.

Часто задаваемые вопросы

Насколько живой материал сравним с обычным бетоном по прочности?

Пока — несопоставим. Модуль упругости живого гидрогеля (~10-111 кПа) на порядки ниже, чем у бетона (~30 ГПа). Это не замена несущих конструкций, а материал для фасадных панелей, облицовки и декоративных элементов, которые параллельно захватывают CO₂.

Как долго живут бактерии внутри геля?

В эксперименте бактерии оставались живыми и активными более 400 дней. Более того, система регенеративна: даже если часть популяции погибает (например, при высыхании), оставшиеся бактерии способны восстановить колонию при возврате благоприятных условий.

Можно ли использовать такой материал в обычных зданиях?

На данном этапе — только в специально оборудованных условиях (свет, влажность, периодическое обслуживание). Для массового применения необходимы дальнейшие разработки в области автономности и устойчивости к внешним воздействиям.

Сколько CO₂ может захватить целое здание из такого материала?

По данным Венецианской биеннале, одна 3,3-метровая конструкция захватывает ~18 кг CO₂ в год. Если покрыть фасад здания площадью 1000 м² подобным материалом, теоретический потенциал — сотни килограммов CO₂ в год. Но точные расчёты требуют оценки жизненного цикла.

Чем фотосинтетический MICP лучше традиционного?

Традиционный MICP использует уреолитические бактерии, которым нужна мочевина и которые выделяют аммиак (NH₃) — токсичный побочный продукт. Фотосинтетический MICP работает на CO₂ и воде, выделяя только кислород. Это делает его безопасным для использования в жилых помещениях и открытой среде.