«Пикопланктон» демонстрирует крупноформатные объекты, состоящие из фотосинтезирующих структур. Фото: Валентина Мори/Венецианская биеннале
Исследователи разрабатывают живой материал, который активно поглощает углекислый газ из атмосферы. Внутри него растут фотосинтезирующие цианобактерии, которые образуют биомассу и твёрдые минералы и таким образом связывают CO2 двумя разными способами.
Идея кажется футуристичной: в Швейцарской высшей технической школе Цюриха специалисты разных направлений работают вместе, чтобы объединить традиционные материалы с бактериями, водорослями и грибами. Общая цель: создать живые материалы, которые приобретают полезные свойства благодаря метаболизму микроорганизмов, — «например, способность связывать CO2 из воздуха посредством фотосинтеза», — говорит Марк Тиббитт, профессор макромолекулярной инженерии в Швейцарской высшей технической школе Цюриха.
Междисциплинарная исследовательская группа под руководством Тиббитта воплотила эту идею в жизнь: она стабильно внедрила фотосинтезирующие бактерии, известные как цианобактерии, в печатаемый гель и разработала материал, который является живым, растёт и активно поглощает углерод из воздуха. Недавно исследователи представили свой «фотосинтезирующий живой материал» в статье, опубликованной в журнале Nature Communications.
Ключевая особенность: двойное связывание углерода
Материал можно формовать с помощью 3D-печати, и для его роста требуется только солнечный свет и искусственная морская вода с легкодоступными питательными веществами в дополнение к CO2. «В качестве строительного материала он может помочь хранить CO2 непосредственно в зданиях в будущем», — говорит Тиббитт, который был одним из инициаторов исследования живых материалов в Швейцарской высшей технической школе Цюриха.
Особенность этого процесса заключается в том, что живой материал поглощает гораздо больше CO2, чем связывает в процессе органического роста. «Это происходит потому, что материал может накапливать углерод не только в биомассе, но и в виде минералов — это особое свойство цианобактерий», — рассказывает Тиббит.
Живые структуры, напечатанные на 3D-принтере
Ифань Цуй, один из двух ведущих авторов исследования, объясняет: «Цианобактерии — одни из древнейших форм жизни в мире. Они очень эффективно осуществляют фотосинтез и могут использовать даже самый слабый свет для производства биомассы из CO2 и воды».
В то же время бактерии изменяют химическую среду вокруг клетки в результате фотосинтеза, что приводит к осаждению твёрдых карбонатов (таких как известь). Эти минералы представляют собой дополнительный поглотитель углерода и, в отличие от биомассы, хранят CO2 в более стабильной форме.
Цифровая разработка фотосинтезирующих живых структур для двойного связывания углерода. Источник: Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-58761-y
Цианобактерии как главные строители
«Мы используем эту способность именно в нашем материале», — говорит Цуй, аспирант исследовательской группы Тиббитта. Практический побочный эффект: минералы оседают внутри материала и механически укрепляют его. Таким образом, цианобактерии постепенно укрепляют изначально мягкие структуры.
Лабораторные испытания показали, что материал непрерывно связывает CO₂ в течение 400 дней, в основном в минеральной форме — около 26 миллиграммов CO2 на грамм материала. Это значительно больше, чем при многих биологических подходах, и сопоставимо с химической минерализацией переработанного бетона (около 7 мг CO2 на грамм).
Гидрогель как среда обитания
Материал-носитель, в котором находятся живые клетки, представляет собой гидрогель — гель, состоящий из сшитых полимеров с высоким содержанием воды. Команда Тиббитта выбрала полимерную сеть, которая может транспортировать свет, CO2, воду и питательные вещества и позволяет клеткам равномерно распределяться внутри, не покидая материал.
Чтобы цианобактерии жили как можно дольше и оставались эффективными, исследователи также оптимизировали геометрию структур с помощью 3D-печати, чтобы увеличить площадь поверхности, улучшить проникновение света и способствовать циркуляции питательных веществ.
Соавтор исследования Далия Дрансейке: «Таким образом, мы создали структуры, которые обеспечивают проникновение света и пассивное распределение питательной жидкости по всему телу за счёт капиллярных сил». Благодаря этой конструкции инкапсулированные цианобактерии продуктивно жили более года, с радостью сообщает исследователь материалов из команды Тиббитта.
Инфраструктура как поглотитель углерода
Исследователи рассматривают свой живой материал как низкоэнергетический и экологически чистый подход, который может связывать CO2 из атмосферы и дополнять существующие химические процессы улавливания углерода. «В будущем мы хотим изучить, как этот материал можно использовать в качестве покрытия для фасадов зданий, чтобы связывать CO2 на протяжении всего жизненного цикла здания», — заглядывает в будущее Тиббит.
Предстоит ещё многое сделать, но коллеги из области архитектуры уже подхватили эту концепцию и реализовали первоначальные интерпретации в экспериментальном ключе.
«Ананас» с 3D-печатью и растущими внутри цианобактериями после 60-дневного периода развития. Зелёный цвет обусловлен хлорофиллом фотосинтезирующих бактерий. Фото: Ифань Цуй / ETH Цюрих
Две инсталляции в Венеции и Милане
Благодаря докторанту ETH Андреа Шин Линг фундаментальные исследования, проводимые в лабораториях ETH, были представлены на большой сцене Архитектурной биеннале в Венеции. «Было особенно сложно масштабировать производственный процесс от лабораторного формата до размеров помещения», — говорит архитектор и биодизайнер, который также участвует в этом исследовании.
Линг работает над докторской диссертацией на кафедре цифровых строительных технологий профессора ETH Бенджамина Дилленбургера. В своей диссертации она разработала платформу для биопроизводства, которая может печатать живые структуры, содержащие функциональные цианобактерии, в архитектурном масштабе.
Для инсталляции «Пикопланктоника» в павильоне Канады команда проекта использовала напечатанные структуры в качестве живых строительных блоков для создания двух объектов, похожих на стволы деревьев, самый большой из которых достигает трёх метров в высоту. Благодаря цианобактериям каждый из них может связывать до 18 кг CO2 в год — примерно столько же, сколько 20-летняя сосна в зоне умеренного климата.
«Кожа Дафны» — это совместный проект MAEID Studio и Далии Дрансейке.
«Эта инсталляция — эксперимент: мы адаптировали павильон Канады таким образом, чтобы в нём было достаточно света, влажности и тепла для роста цианобактерий, а затем наблюдаем за их поведением», — говорит Линг. Это обязательство: команда ежедневно следит за инсталляцией и поддерживает её в рабочем состоянии. До 23 ноября.
На 24-й Миланской триеннале «Кожа» Дафны исследует потенциал живых материалов для будущих строительных материалов. На конструкции, покрытой деревянной черепицей, микроорганизмы образуют темно-зеленую патину, которая со временем меняет цвет древесины: признак разложения становится активным элементом дизайна, который связывает CO2 и подчеркивает эстетику микробных процессов.