《Communications Biology》：Where design meets biology: an interview on SPIKA, a prototype for microbe-mediated architecture
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面对建筑环境资源消耗的巨大挑战，欧盟Pathfinder项目“微生物水培”（Mi-Hy）的研究团队，创造性地将微生物电化学、工程化生物矿化和代谢编程相结合，开发了SPIKA功能原型。这个在米兰三年展展出的装置，不仅将废水转化为电能和生物肥料，更预示了建筑从惰性消耗体向活性、循环基础设施的范式转变，为可持续未来提供了新蓝图。
当前，我们的建筑环境正面临严峻挑战：它们是巨大的资源消耗者和废物生产者。传统的建筑设计范式建立在惰性材料之上，遵循着“提取-制造-废弃”的线性经济模式，导致了对环境的沉重负担。然而，在自然界中，微生物作为地球上最早的“建筑师”，已经高效地进行了数十亿年的物质循环与能量转换。如果我们能将这些微生物的智慧引入建筑，是否能够创造出一种具有“新陈代谢”能力的、能够自我维持甚至生产的“活”建筑？这正是SPIKA（Structural Protection for Interdependent holobiont Assembly，相互依存全生物组组装的结构保护体）项目试图探索的激动人心的前沿。
为了应对建筑向可持续、循环经济转型的迫切需求，欧盟Pathfinder项目“微生物水培”（Mi-Hy）的研究团队进行了一项开创性的跨界尝试。他们不仅从实验室走向了公共展览空间，更在2025年米兰三年展上，将一个集成了微生物电化学、工程化生物矿化和代谢编程等功能的功能性建筑原型——SPIKA——呈现给世界。这项发表在《Communications Biology》上的访谈，揭示了这一项目如何将尖端的生物技术与建筑设计深度融合，旨在从根本上重塑建筑环境的基础。其核心目标，是推动建筑从一个资源消耗者，转变为一个能够处理废水、生产能源和肥料、并最终参与到生态循环中的“生命基础设施”。
为了达成这一目标，研究人员综合运用了多项关键技术。1. 工程化微生物群落（Engineered Microbial Consortia）：研究核心在于设计并编程由多种微生物（包括细菌和真菌）组成的稳定群落，而非依赖单一菌株，以执行复杂的联合代谢功能，如废水处理、发电和养分固定。2. 微生物燃料电池（Microbial Fuel Cells, MFCs） 技术：该技术利用电活性微生物的代谢活动，将废水中的有机废物直接转化为电能，是实现“废物变能源”转化的核心电化学装置。3. 微生物诱导碳酸钙沉淀（Microbially Induced Calcium Carbonate Precipitation, MICP）：利用特定微生物的代谢产物，促使碳酸钙矿物沉淀。在SPIKA中，这项技术被用于转化MFCs产生的矿物污泥废物，生成具有潜在结构或修复功能的生物建筑材料，实现废物资源化。4. 代谢编程（Metabolic Programming）：通过合成生物学手段，对微生物的代谢通路进行设计和重编程，使其能够执行特定的、定制化的任务，例如高效降解特定污染物或产出目标分子。5. 生物感受性（Bioreceptive）材料与结构设计：建筑师团队设计出具有特定孔隙度、湿度和界面特性的物理支架与容器，旨在最优地支持所引入的工程微生物群落的定植、生长和功能发挥，实现“容器”与“所容生命”（微生物、植物乃至人）的协同。
研究结果：一个融合科学与设计的“活”原型
SPIKA：从概念到实体
SPIKA是Mi-Hy项目研究成果的实体化呈现。它被设计成一个为程序化微生物群落提供栖息地的结构。这个原型在米兰三年展的“我们，细菌：迈向一种生物建筑”展览中展出，其功能是将整合的水培系统与微生物处理单元相连。微生物在这里扮演着核心的“生产者”角色：它们净化废水，将其中的有机废物转化为电能，同时产出用于水培的生物肥料。这标志着建筑从一个惰性对象，转变为一个有生命的、具有生产力的基础设施。
跨学科协作的驱动力
项目的成功源于环境生物技术专家、再生建筑师和微生物学家的深度合作。Ezgi ??ün Ramalhete博士（博士后研究员）将其在微生物燃料电池（MFCs）用于废水处理的专业知识带入项目，但她被吸引的关键在于Mi-Hy项目重新定义了这项技术：微生物不仅是净化者，更是一个循环系统的生产核心。I??l Yücel（博士研究员）作为一名再生建筑师，她的工作重点是探索如何利用微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP），从废物（如MFCs的矿物污泥）中培养建筑材料。对她而言，最大的挑战是从追求绝对控制，转向学习引导一个生命过程。Jorge Barriuso博士（微生物学家，Mi-Hy项目首席研究员）则提供了工程化微生物群落的专业知识。他将此项目视为应用合成生态学的开创性试验台，其核心挑战在于为复杂、半开放的建筑生物反应器设计强大、可编程且能在变化环境中稳定运行的微生物群落。
应对的核心挑战
跨领域合作带来了独特的挑战。沟通与翻译：生物学家需要将生物化学参数（如生物膜生长速率、氧化还原电位）转化为能指导材料选择、空间设计和用户交互的语言。为生命过程设计：建筑师必须学会为偶然性、生长和适应而设计，提供一个湿度、孔隙度、温度等条件的框架，然后与生物制剂协作，而非完全控制。工程生态复杂性：在实验室受控环境中工程微生物是一回事，但在SPIKA这样的实际装置中，微生物群落面临波动的营养输入、环境微生物的竞争以及与新型材料的物理界面交互。科学家必须将微生物的社会动力学，如群体感应（Quorum Sensing）、交叉摄食（Cross-feeding）和生态位分配（Niche Partitioning），视为关键的设计特征来考虑。
公众与学界的反响
公众对SPIKA的反应出乎意料地直观和积极。参观者并未将其视为复杂的生物反应器，而是看作一台“吃掉废物帮助植物生长”的“活机器”，这消除了生物技术的神秘感，并激发了从城市农业到共生哲学的广泛讨论。在科学界，SPIKA引发了关于“真正意义上的环境工程”的讨论，它促使环境微生物学家思考如何设计微生物，使其持久、功能性地整合到日常材料中，从而将自己定位为未来城市生命组分的潜在建筑师。
研究结论与重要意义
本研究通过SPIKA原型的成功构建与展示，强有力地证明了将微生物技术与建筑设计深度融合的可行性与巨大潜力。其核心结论在于，未来可持续建筑的基础可能在于“微生物介导的建筑环境”，其中微生物群落不再是需要被清除的威胁，而是建筑“新陈代谢”的核心驱动力，能够实现废水处理、能源回收、物质循环和材料生成等多种生态系统服务。
这项工作的深远意义体现在多个层面：
- 1.
范式转移：它推动建筑范式从追求“无菌”的防御性、消耗性模式，转向与微生物“共生”的再生性、生产性模式。这不仅是技术的进步，更是文化与认知的转变，呼应了建筑史学者所指出的现代建筑因对微生物的恐惧而走向“无菌环境”的历程。
- 2.
科学方法论创新：研究强调，环境生物技术的未来在于“群落水平”的编程，而不仅仅是“菌株水平”的工程。它要求科学家从设计单一基因回路，转向理解和工程化微生物间的生态关系，以在开放系统中获得长期稳定性。这为合成生态学在真实环境中的应用提供了范例。
- 3.
跨学科融合新路径：项目证明，通过创建微生物学家、工程师和设计师并肩工作的实体原型协作环境，可以催生突破性创新。它指出，未来的科学家需要为“现实世界的复杂性”而设计，缩短“从实验室到现场”的过渡；未来的建筑师则需要具备基本的微生物学和生态学素养，成为生命系统合格的合作者。
- 4.
社会参与与教育：SPIKA作为一种有形的、功能性的艺术装置，成功地在智识和情感层面与公众互动，将尖端的生物技术“民主化”，激发了社会对再生未来的想象和讨论，这被研究者认为是实现社会转型的前提。
总之，SPIKA不仅仅是一个展品，它更是一个关于未来生活方式的宣言。它预示着，我们的城市和建筑可以像自然生态系统一样，充满生机、循环不息，而微生物，这些最微小的生命，将成为构建这个未来最强大的盟友之一。
