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  細(xì)菌纖維素（BC）作為一種由微生物合成的天然高分子材料，具備超細(xì)納米網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的持水性、卓越的機(jī)械性能和生物相容性，目前在膳食纖維、醫(yī)美基材等領(lǐng)域已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化，同時(shí)也可以經(jīng)過(guò)修飾后用于采油、硝化棉、熒光材料等眾多棉纖維和塑料替代領(lǐng)域。

  隨著全球塑料污染問(wèn)題日益嚴(yán)峻，開發(fā)可降解、可持續(xù)的生物塑料已成為材料科學(xué)與生物技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程所張海波研究員團(tuán)隊(duì)在細(xì)菌纖維素的研究與應(yīng)用方面奠定了良好的基礎(chǔ)。研究組開發(fā)了微生物發(fā)酵原位合成功能性細(xì)菌纖維素材料的制備方法，實(shí)現(xiàn)了熒光功能纖維素材料的微生物合成（Nature Communications, 2019），成功的將合成生物學(xué)拓展到材料功能化領(lǐng)域，為新型生物材料的創(chuàng)制開辟了新途徑。此外，還相繼開發(fā)出具備導(dǎo)電、保鮮、增塑（ACS Applied Materials & Interfaces, 2025）、吸附（Journal of Cleaner Production, 2025）、屏蔽（Journal of Materials Chemistry A, 2025）等多樣化功能的細(xì)菌纖維素復(fù)合材料。

  2026年3月25日，基于在該領(lǐng)域的研究，青島能源所張海波研究員團(tuán)隊(duì)在Nature Communications上發(fā)表了題為“Bacterial cellulose as a promising biodegradable bioplastic for sustainability”的綜述文章，系統(tǒng)闡述了BC作為可降解生物塑料的研發(fā)進(jìn)展和未來(lái)發(fā)展前景。文章介紹了BC的合成、改性-結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系、環(huán)境影響、技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析及其對(duì)促進(jìn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的貢獻(xiàn)，重點(diǎn)闡述了BC作為生物塑料的潛力，并探討了其當(dāng)前局限性及可行解決方案。張海波研究員為該文章的通訊作者，嚴(yán)逸海、劉麗娟、王帆為共同第一作者。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、泰山學(xué)者項(xiàng)目的支持。

BC的生產(chǎn)、結(jié)構(gòu)與性質(zhì)

  BC的合成主要依賴Komagataetbacter等微生物，目前高產(chǎn)率常依賴椰子水等水果基原料，導(dǎo)致成本較高；通過(guò)利用工農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品、優(yōu)化發(fā)酵條件與代謝工程，有望降低生產(chǎn)成本。培養(yǎng)方式上，靜態(tài)培養(yǎng)生成致密膜，結(jié)晶度和機(jī)械強(qiáng)度高，產(chǎn)量更優(yōu)，而攪拌培養(yǎng)雖促進(jìn)細(xì)菌增殖、利于規(guī)模化，但產(chǎn)物機(jī)械性能較弱。后處理過(guò)程簡(jiǎn)便，常用稀堿純化、水洗至中性，可完全干燥或保留水凝膠特性，所得材料固含量雖不足1%，卻幾乎為純纖維素，無(wú)雜質(zhì)干擾（圖1）。結(jié)構(gòu)上，BC通過(guò)強(qiáng)氫鍵形成三維納米纖維網(wǎng)絡(luò)，賦予其高比表面積、優(yōu)異力學(xué)性能（楊氏模量可達(dá)78 GPa）以及良好的生物相容性；在自然環(huán)境中可快速完全降解，而在人體內(nèi)因缺乏纖維素酶而保持穩(wěn)定，適合用于一次性環(huán)保材料和長(zhǎng)期植入式醫(yī)療器械。

圖1 BC的結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)、形態(tài)和純化。

BC的改性-結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系

  盡管BC本身已具備優(yōu)異的性能，但為進(jìn)一步發(fā)揮其潛力、滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的特定需求，研究者仍采用了多種增強(qiáng)技術(shù)。這些技術(shù)主要涵蓋對(duì)孔隙率、結(jié)晶度、化學(xué)結(jié)構(gòu)及功能性的調(diào)控，通常可分為非原位改性、原位改性，以及工程活體材料（ELMs）三類（圖2）。其中，非原位改性主要包括化學(xué)改性和復(fù)合材料制備；復(fù)合材料根據(jù)添加材料類型，可進(jìn)一步分為合成聚合物、天然聚合物、碳基納米材料、以及金屬或金屬氧化物復(fù)合材料。原位改性則是在BC生產(chǎn)過(guò)程中引入外源材料。ELMs通過(guò)將產(chǎn)纖維素細(xì)菌與其他工程菌株共培養(yǎng)實(shí)現(xiàn)，也可歸入原位改性范疇。

  BC基材料的性能由其從分子到宏觀尺度的多級(jí)結(jié)構(gòu)決定。BC固有的納米纖維三維網(wǎng)絡(luò)具有高孔隙率、豐富的羥基和高結(jié)晶度，構(gòu)成一個(gè)多功能支架。其結(jié)構(gòu)與性能進(jìn)一步取決于改性方法及所引入的添加劑。例如：間隙填充（如PLA/PEG）可致密化網(wǎng)絡(luò)、降低孔隙率，從而減少擴(kuò)散性并提升阻隔性能；納米顆粒負(fù)載（如Ag/CNT）通過(guò)在BC纖維上修飾功能性納米顆粒，賦予材料導(dǎo)電或抗菌等特性；多層堆疊（如PVA/SA/BC）通過(guò)逐層疊加不同材料或交聯(lián)層，實(shí)現(xiàn)界面增強(qiáng)，提高力學(xué)強(qiáng)度；化學(xué)交聯(lián)（如殼聚糖）則利用交聯(lián)劑與BC纖維形成氫鍵網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)一步致密結(jié)構(gòu)。因此，通過(guò)調(diào)控添加劑、改性技術(shù)及界面設(shè)計(jì)，可精確構(gòu)建BC的多尺度結(jié)構(gòu)，從而面向特定應(yīng)用實(shí)現(xiàn)功能特性的可調(diào)控制。

圖2 BC的改性。

BC作為替代塑料的生物塑料

  BC兼具優(yōu)異的物理與化學(xué)特性，如高機(jī)械強(qiáng)度、可生物降解性、生物相容性，以及在生產(chǎn)、純化和改性方面的良好適應(yīng)性，使其成為未來(lái)多種塑料應(yīng)用中具有前景的可持續(xù)替代材料。然而，盡管潛力巨大，BC作為可降解生物塑料的商業(yè)化仍處于起步階段，主要受限于較高的生產(chǎn)成本。現(xiàn)有研究表明，BC在一次性產(chǎn)品中展現(xiàn)出良好的替代潛力，如吸管、包裝材料、食品級(jí)塑料及特種紙（圖3）。

  先進(jìn)的改性策略進(jìn)一步拓展了BC在基礎(chǔ)生物塑料之外的應(yīng)用。例如，其光學(xué)與電學(xué)性能可按需定制，應(yīng)用于超級(jí)電容器、電池隔膜、聲學(xué)材料及面向人工智能的可穿戴設(shè)備等高科技領(lǐng)域。在醫(yī)療方面，具有抗菌功能的BC在傷口敷料、面膜等產(chǎn)品中已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，成為替代傳統(tǒng)塑料的重要組成部分。此外，在農(nóng)業(yè)與紡織領(lǐng)域，性能增強(qiáng)的BC同樣展現(xiàn)出替代傳統(tǒng)材料的潛力，如地膜與功能性織物（圖3）。上述應(yīng)用充分體現(xiàn)了BC的多功能性與廣泛應(yīng)用前景，是推動(dòng)多個(gè)行業(yè)創(chuàng)新與可持續(xù)發(fā)展的重要材料。

圖3 BC的部分改性與塑料應(yīng)用。

BC對(duì)環(huán)境和循環(huán)經(jīng)濟(jì)的影響

  BC在生物基聚合物中具備獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，例如在全生命周期內(nèi)碳足跡較低，且與循環(huán)經(jīng)濟(jì)理念高度契合，展現(xiàn)出顯著的環(huán)境效益。基于對(duì)各類聚合物的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析（TEA），BC作為生物塑料替代材料展現(xiàn)出適度的經(jīng)濟(jì)可行性，其成本受原料價(jià)格、發(fā)酵時(shí)間及干重產(chǎn)率等因素的顯著影響，提示了潛在的降本方向，如優(yōu)化發(fā)酵條件、提高產(chǎn)率或采用更廉價(jià)的底物。總體而言，BC的廣泛推廣有助于減少對(duì)化石基塑料的依賴、降低污染、減輕生態(tài)損害，從而增強(qiáng)環(huán)境可持續(xù)性。其可生物降解與可再生的特性，為向循環(huán)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型提供了支撐，而廣泛的應(yīng)用前景也使其成為可持續(xù)發(fā)展領(lǐng)域中的重要材料。

展望與未來(lái)前景

  BC因其可生物降解、環(huán)境友好、可持續(xù)且性能優(yōu)異，正成為一種高潛力的生物塑料，有望替代傳統(tǒng)化石基塑料。其富含羥基的納米纖維結(jié)構(gòu)便于功能化，可賦予材料光學(xué)、磁性、催化及抗菌等先進(jìn)性能，從而在緩解塑料污染方面實(shí)現(xiàn)多種應(yīng)用。在一次性塑料領(lǐng)域，如食品包裝和餐具，BC表現(xiàn)出良好的機(jī)械強(qiáng)度；其功能化材料則適用于電池隔膜、生物傳感器等高技術(shù)領(lǐng)域。在生物醫(yī)學(xué)方面，BC憑借良好的生物相容性用于傷口敷料和組織支架；農(nóng)業(yè)應(yīng)用則顯示出優(yōu)于聚乙烯地膜的環(huán)境效益，為作物生產(chǎn)和土壤管理提供了可持續(xù)替代方案。在紡織品領(lǐng)域，BC尤其適用于功能性紡織品，因其獨(dú)特的可修飾性展現(xiàn)出良好前景。

  盡管前景廣闊，BC在工業(yè)規(guī)模的商業(yè)化仍面臨顯著挑戰(zhàn)，其規(guī)模化生產(chǎn)成本，尤其是原材料與加工費(fèi)用，仍是商業(yè)化的主要障礙。應(yīng)對(duì)策略包括：利用具有成本效益的農(nóng)業(yè)或工業(yè)副產(chǎn)物作為發(fā)酵原料；通過(guò)誘變或基因工程開發(fā)高產(chǎn)菌株，提高其抗逆性及對(duì)廢棄碳源的利用能力；系統(tǒng)優(yōu)化培養(yǎng)條件與發(fā)酵工藝；與現(xiàn)有塑料制造體系整合，推進(jìn)如溶解/再生等加工方法。此外，BC在干燥條件下延展性差、易脆，限制了其結(jié)構(gòu)應(yīng)用，而添加增塑劑的復(fù)合材料可提高柔韌性并降低玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。

  目前，BC已在面膜、傷口敷料等特定領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)商業(yè)化。面向未來(lái)，解決其廣泛工業(yè)應(yīng)用中的挑戰(zhàn)需綜合運(yùn)用多種技術(shù)手段，尤其是系統(tǒng)性的生物工程方法。隨著研究的持續(xù)深入，BC材料有望大幅減少對(duì)化石基塑料的依賴，緩解塑料污染及其他環(huán)境影響，推動(dòng)材料體系向更可持續(xù)、更環(huán)保的方向發(fā)展。

  原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-71025-7