田曉康，張青松，楊舒淋，白潔，陳冰潔，潘杰，陳莉，危巖

（1.天津工業(yè)大學材料科學與工程學院,2.分離膜與膜過程國家重點實驗室,天津 300387；3.中國紡織工程學會,北京 100025；4.天津工業(yè)大學化學工程與技術學院,天津 300387；5.清華大學化學系,北京 100084）

早在5000多年以前，人類就已經(jīng)開始利用酵母來制作發(fā)酵產(chǎn)品，如發(fā)酵面團、酵母酶制劑、調(diào)味劑、食品著色劑等.其中，最早在市場上銷售的產(chǎn)品是酵母泥，其特點是發(fā)酵速度快，但運輸和使用不方便.經(jīng)過200余年的發(fā)展工業(yè)，酵母已經(jīng)成為世界上研究最多的微生物之一，是當今生物技術產(chǎn)品研究開發(fā)的熱點和現(xiàn)代生物技術發(fā)展、基因組研究的模式微生物［1］.酵母目前主要分為食品酵母、面包酵母和飼料酵母，無論何種酵母，均具有完整的細胞膜、細胞核、細胞質(zhì)、細胞壁、線粒體結構，在有氧或無氧環(huán)境下均可生存，并產(chǎn)生CO2.有氧環(huán)境下，酵母菌進行有氧呼吸，將糖類轉(zhuǎn)化為水和CO2［式（1）］；而在無氧環(huán)境下，酵母菌進行無氧呼吸，將糖轉(zhuǎn)化為乙醇和CO2［式（2）］.

利用酵母發(fā)酵產(chǎn)生的CO2作為致孔的氣源，通過在物質(zhì)內(nèi)部氣化產(chǎn)生氣泡可使塑料、橡膠、樹脂、食品和凝膠等形成多孔材料.此類多孔材料多具有制備過程簡單、廉價、制孔快速以及高比表面積和高吸附性能等優(yōu)點，可應用于海水脫鹽、染料吸附、電磁屏蔽、能源存儲以及界面自組裝納米復合材料等領域（圖1），近10年來相關研究文獻呈遞增趨勢（圖2）.這種微生物發(fā)酵技術和材料的交叉融合逐漸形成一個新的分支，既屬于活體功能材料范疇，又可稱之為微生物材料學.為歸納該領域的相關進展，同時為后續(xù)研究提供參考，本文基于微生物發(fā)酵多孔材料，特別是本課題組關于微生物發(fā)酵多級孔凝膠的工作，首先介紹了多孔材料、多孔水凝膠的分類、制備方法及其基本性質(zhì)；然后，綜合評述了微生物發(fā)酵誘導多孔材料的制備方法與應用；最后，對微生物發(fā)酵多孔材料的進一步研究進行了展望.

Fig.1 Applications of porous materials inspired by microbial fermentation

Fig.2 Tendency of published papers upon porous materials inspired by microbial fermentation from 2011 to 2020

1 多孔材料

1.1 多孔材料的特征

多孔材料是一種由相互貫通或封閉的孔洞構成網(wǎng)絡結構的材料.根據(jù)獲取來源分類的不同，多孔材料可分為天然多孔材料和合成多孔材料；根據(jù)孔徑尺寸的大小，國際純粹與應用化學協(xié)會（IUPAC）于1985年將多孔材料分為大孔材料（孔徑大于50 nm）、介孔材料（孔徑介于2～50 nm之間）和微孔材料（孔徑小于2 nm）3類；2015年，IUPAC對孔徑分類進行了細分和補充，即納米孔（包括大孔、介孔和微孔，但上限僅到100 nm）、超微孔（孔徑小于0.7 nm的較窄微孔）和極微孔（孔徑大于0.7 nm的較寬微孔）；根據(jù)制備工藝及成品的形貌，多孔材料分為泡沫多孔材料、蜂窩多孔材料和網(wǎng)眼多孔材料.多孔材料具有密度小、孔隙率高、比表面積大、質(zhì)量輕、隔熱、隔音及滲透性好等特點，可廣泛應用于航空、航天、化工、建材、冶金、原子能、石化、機械、醫(yī)藥和環(huán)保等領域［2～5］.

1.2 天然與合成多孔材料

天然多孔材料因具有天然的孔隙結構以及良好的生物可降解性和相容性而廣泛存在于自然界中，但其固有的資源有限性導致其難以被廣泛應用.而合成多孔材料具有高度可控的孔徑分布、孔隙率、孔洞形貌以及比表面積等，廣泛應用于過濾與分離、催化劑載體、保溫隔熱以及消聲器等領域.

1.2.1 天然多孔材料 經(jīng)過億萬年的進化，天然多孔材料早已在自然界中普遍存在，如木材、骨頭、海綿、珊瑚、沸石及植物葉片等（圖3）.千百年來，人們廣泛使用著這些天然多孔材料.在公元前約2600年，古埃及金字塔中就已經(jīng)使用了木制建材［圖3（A）］，在羅馬時代軟木就被用作酒瓶的瓶塞.人類和動物的骨骼［圖3（B）］也是一種天然的多孔材料.作為骨的基礎，骨質(zhì)擁有多孔結構，按照孔結構的不同可以分為兩種：一種由多層緊密排列的骨板構成，叫作骨密質(zhì)；另一種由薄骨板即骨小梁互相交織構成立體的網(wǎng)，呈海綿狀，叫作骨松質(zhì).股骨的兩端是骨松質(zhì)，中部是堅硬的骨密質(zhì)，骨中央是骨髓腔.骨的這種結構使其在減輕重量的同時能夠保持堅硬，并具有貯存功能［6，7］.天然海綿［圖3（C）］自古就被作為衛(wèi)浴用品，這是由于天然海綿潤濕后孔隙增大、吸水性大幅增強，從而由質(zhì)地較硬不易變形變得柔軟有彈性.珊瑚［圖3（D）］作為最具有代表性的分子篩，是一種可以在分子水平上篩分物質(zhì)的多孔材料，具有獨特的孔結構、高的催化活性和熱穩(wěn)定性及耐酸性.圖3（E）是一種斜發(fā)沸石，其主要成分是鋁硅酸鹽礦物，晶體呈透明狀，脫水后具有分子篩的功能，可以從空氣中有選擇性地提取氮并使氧富集，還可以作為離子交換劑，用于處理核廢料等［8～10］.植物的葉片［圖3（F）］也是一種天然的多孔材料，在葉片的表面具有表皮附屬物——毛和氣孔（器），其中氣孔作為植物表皮特有的結構，不僅是氣體和水分進出的控制器，還是光合作用和呼吸作用與外界氣體交換的通道.天然多孔材料為合成多孔材料的構筑和應用提供了無限的潛力和機會，是多孔材料理論和技術創(chuàng)新不可替代、取之不竭的知識寶庫和學習源泉.

Fig.3 Several natural porous materials

1.2.2 合成多孔材料借鑒天然多孔材料，研究人員已提出不同致孔機理制備多孔材料，歸納起來主要有固相轉(zhuǎn)變機理、液相轉(zhuǎn)變機理和雙相轉(zhuǎn)變機理等3種致孔機理.以形成沸石為例，其中，固相轉(zhuǎn)變機理是指沸石晶化過程總是伴隨著無定形凝膠固相的形成，無定形凝膠的結構重排形成沸石，而液相并不參與晶化過程；相反，液相轉(zhuǎn)變機理認為沸石晶體是從溶液中生長的，初始凝膠至少是部分溶解到溶液中，形成溶液中具有活性的硅酸根和鋁酸根離子，通過進一步連接構成沸石晶體的結構單元，并且逐步形成沸石晶體.而多數(shù)情況下真正的的機理可能是有固相參與的液相機理.典型的一種孔結構是由大量多邊形孔在平面上聚集形成的二維結構，因其形狀類似于蜂房而被稱為“蜂窩”材料［11～13］，圖4示出了幾種合成的蜂窩狀多孔材料的結構，包括水熱法合成的蜂窩狀多孔紅磷［圖4（A）］［11］、溶劑誘導相分離法制備的高度有序蜂窩狀結構的聚苯乙烯薄膜［圖4（B）］［12］和蒸汽退火法制備的1，2-聚丁二烯蜂窩膜［圖4（C）］［13］.

Fig.4 Honeycomb porous structures of different materials

2 多孔水凝膠

2.1 多孔水凝膠的分類

水凝膠（Hydrogel）是一種以水為分散介質(zhì)的凝膠，是一種具有三維網(wǎng)狀結構的水溶性高分子.在網(wǎng)狀結構中通過引入疏水基團（疏水基團遇水膨脹）和親水殘基（親水殘基與水分子結合，將水分子連接在網(wǎng)狀內(nèi)部），使得水凝膠具有遇水只溶脹而不溶解的特點.多孔水凝膠（Porous hydrogel）是一種具有較多孔洞和三維網(wǎng)絡結構的彈性軟濕材料.在水凝膠基體中引入多孔結構，不僅能吸收和保留大量的水［14～17］，還可擺脫凝膠尺寸對水凝膠溶脹/退溶脹速率的限制.2015年，F(xiàn)aheem等［18］根據(jù)水凝膠的物理性能、溶脹性、制備方法、來源、離子電荷、生物降解率以及交聯(lián)方式的不同，對水凝膠進行了系統(tǒng)的總結［圖5（A）］，重點歸納了用于生物醫(yī)學、環(huán)境和工業(yè)中的刺激響應型水凝膠，包括pH響應水凝膠［19］、溫敏響應水凝膠［20］、葡萄糖響應性水凝膠［21］及抗原響應性水凝膠［22］等.同年，Ahmed等［23］根據(jù)獲取來源的不同，將多孔水凝膠分為天然水凝膠和合成水凝膠兩類［24］；根據(jù)聚合物組成的不同將多孔水凝膠分為均聚物水凝膠［25］、共聚物水凝膠［26］和多元聚合物互穿聚合水凝膠（IPN）［27］.2015年，Singhal等［28］根據(jù)聚合物網(wǎng)絡之間的孔徑大小，將多孔水凝膠的網(wǎng)絡結構分為無孔、微孔、大孔（1～100 μm）和超多孔（10～1000 μm）.在大多數(shù)情況下，聚合物難以只從一種單體獲得所需的性能，因此可以使用兩種或多種單體的組合進行聚合.根據(jù)單體的性質(zhì)、數(shù)量和比例，多孔水凝膠可分為均聚物、共聚物、多聚物及互穿網(wǎng)絡等［圖5（B）］.2020年，Sharma等［29］對生物大分子多孔水凝膠的分類、制備方法及應用進行了綜合評述［圖5（C）］.Sharma等根據(jù)交聯(lián)方式的不同，將生物大分子多孔水凝膠分為物理交聯(lián)或自組裝水凝膠和化學交聯(lián)水凝膠；而根據(jù)多孔水凝膠物理組成的差異，又可分為固態(tài)水凝膠［30］、半固態(tài)水凝膠［31］和液態(tài)水凝膠3種［32］.

Fig.5 Classification of porous hydrogels in different ways

2.2 多孔水凝膠的制備方法

目前，國內(nèi)外普遍報道的成孔思路主要集中于冷凍干燥法［33］、相分離法［34］、超臨界CO2發(fā)泡法［35］、模板法［36］、致孔劑法［37］、發(fā)泡法［38～41］、3D打印技術［42～44］和微生物誘導法等，具體列于表1.從表1可以看出，超臨界CO2流體法與發(fā)泡法都是利用產(chǎn)生的CO2（或其它氣體）來填充凝膠孔隙以形成孔洞結構，雖然形成的氣體無毒且環(huán)保，但是所用設備復雜且反應條件不易控制；冷凍干燥法通過簡單的物理過程（冷凍-升華）達到致孔的目的，該方法安全環(huán)保，現(xiàn)已成為最基本的致孔方法，但是與模板法和致孔劑法相比，冰晶生長形態(tài)不易控制，且孔結構不易調(diào)控.而3D打印技術作為一種新興的增材策略，可高度還原復雜孔洞形態(tài)，在具有特殊孔結構需求的場合下使用較多，但是成本高且效率較低.

Table 1 Comparison of preparation methods of Porous hydrogel

2.3 多孔水凝膠的基本性質(zhì)

2.3.1 溶脹性傳統(tǒng)水凝膠具有晶狀結構，其聚合物鏈段彈性較低，達到溶脹平衡需要1～2 d的時間，高分子鏈間的自由體積形成了傳統(tǒng)水凝膠中的孔隙，可容納的自由水很少，高分子鏈向溶劑中的擴散也慢，凝膠韌性低，慢的響應速度限制了傳統(tǒng)水凝膠的應用.在水凝膠基體中引入多孔結構，除了基于凝膠交聯(lián)網(wǎng)絡形成的孔隙以外，發(fā)泡過程中被凝膠網(wǎng)絡截留的氣泡形成的有序孔隙使得比表面積大幅增加，從而使水凝膠的溶脹性大幅提升.水凝膠的溶脹度（Q，%）根據(jù)下式計算：

式中：m（sg）為溶脹狀態(tài)下凝膠的質(zhì)量；m（dg）為干態(tài)下凝膠的質(zhì)量.

Chen等［45］于1998年以碳酸氫鈉為發(fā)泡劑將丙烯酸（AAc）和丙烯酰胺（AM）共聚首次合成了超大孔水凝膠（SPH），所合成的凝膠溶脹速率較快，通常數(shù)秒至數(shù)分鐘內(nèi)溶脹度可達幾百倍.但其合成的多孔凝膠由于含水高（95%以上），因而機械強度差.為提高多孔凝膠的機械性能，Chen等［46］合成了第二代SPH.通過加入另一種交聯(lián)的羧甲基纖維素鈉，與聚（丙烯酸-丙烯酰胺）網(wǎng)絡形成局部纏繞或交聯(lián)，使多孔凝膠的力學性能略有提高.2004年開始出現(xiàn)第三代SPH，即含有互穿網(wǎng)絡聚合物（IPN）結構的超大孔水凝膠.Yang等［47］在聚合體系中引入親水性低分子聚乙烯醇鏈，合成半互穿網(wǎng)絡結構，明顯提高了多孔凝膠的力學性能.多孔水凝膠中多孔結構的引入極大地提高了水凝膠的吸水速率和吸水倍率.多孔水凝膠由于高含水量、尺寸可調(diào)的多孔結構和良好的生物相容性而備受關注.

2.3.2 機械強度 多孔結構雖能顯著改善溶脹性，但同時會降低機械強度.在水凝膠交聯(lián)網(wǎng)絡中引入多孔結構，明顯增加了其孔隙率和孔徑，而孔隙率大小會直接影響材料的強度.圖6是水凝膠通過微生物發(fā)酵方式引入多孔結構前后的應力-應變曲線圖［48］.根據(jù)下式計算模量（E，kPa）：

式中：σ（kPa）為應力；ε為應變；α為彈性階段應力-應變曲線正切角.

由圖6（A）可見，未發(fā)泡的水凝膠具有優(yōu)異的拉伸性能，其拉伸強度為303 kPa，斷裂伸長率為1510%，彈性模量高達46.8 kPa；在交聯(lián)網(wǎng)絡中引入多孔后，拉伸性能變差，其拉伸強度急劇下降至只有18 kPa，其斷裂伸長率為228%，彈性模量也僅有7.9 kPa.這是由于引入孔結構后，多孔水凝膠孔隙率增大，拉伸強度隨著孔隙率的增加而降低.而孔隙率不僅影響水凝膠的拉伸強度，也影響著水凝膠的抗壓強度.壓縮性能測試結果［圖6（B）］顯示，發(fā)泡前后的水凝膠壓縮性能同樣差異明顯，多孔水凝膠壓縮模量僅為17.4 kPa，遠低于發(fā)泡之前水凝膠的壓縮模量（43.2 kPa）.

Fig.6 Mechanical strength of hydrogel before and after foaming[48]

2.3.3 孔結構參數(shù)表征孔結構的主要參數(shù)有孔隙率、密度、平均孔徑、最大孔徑、孔徑分布、孔形和比表面積.除材質(zhì)外，材料的孔結構參數(shù)對材料的力學性能和各種使用性能有決定性的影響.多級孔材料的孔結構和使用性能主要由原料的物理和化學性能，尤其是大小、分布和形狀等因素決定.當孔隙度不變時，孔徑小的材料透過性小，但是由于接觸點較多，因此強度大.多級孔結構均勻性的判斷依據(jù)是孔徑的分布.表2［49～64］列出了部分文獻報道的多孔凝膠的孔隙率、密度、比表面積以及孔徑大小.多孔水凝膠以水作為孔隙填充物，除去填充介質(zhì)可以得到類似于氣凝膠的干凝膠.氣凝膠作為世界上最輕的固體之一，其密度在0.003～0.500 g/cm3范圍內(nèi)可調(diào).無論采用哪種干燥方式，多孔水凝膠的密度可達到與氣凝膠相當?shù)乃?從表2可以看出，多孔水凝膠擁有較高的孔隙率（普遍高于55%）、較低的密度（最低可達到0.006 g/cm3）、高比表面積（最高可達到1743 m2/g）和寬孔徑分布（納米級至毫米級）.由于多孔水凝膠是一種具有納米、微米甚至毫米級結構的多孔材料，因此在熱學、聲學以及力學等方面均展示出其獨特性質(zhì).

Table 2 Pore structure parameters(porosity,density,specific surface area and pore size)of porous hydrogel

3 微生物發(fā)酵誘導制備多孔材料

3.1 微生物發(fā)酵過程

人類利用發(fā)酵制備各種面食已有久遠的歷史.隨著技術的提高，發(fā)酵工程已經(jīng)從過去單純的利用發(fā)酵產(chǎn)物擴展成為生物工程領域的一個重要分支.微生物發(fā)酵是發(fā)酵工程中常見的一種發(fā)酵方法，早在1857年，法國微生物家巴斯德就已經(jīng)提出了著名的發(fā)酵理論：“一切發(fā)酵過程都是微生物作用的結果”.微生物發(fā)酵技術就是將發(fā)酵所用的微生物通過人工培養(yǎng)，再根據(jù)不同的要求去誘發(fā)各種類型材料發(fā)酵的技術.它可以分為固體發(fā)酵和液體發(fā)酵兩種，其中固體發(fā)酵適合于發(fā)酵工藝較為簡單的產(chǎn)品的生產(chǎn)，而液體發(fā)酵更適合于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn).之所以利用微生物進行發(fā)酵，首先是因為微生物對周圍環(huán)境的溫度、壓強、滲透壓及酸堿度等條件具有極大的適應能力，同時微生物自身還具有極強的繁殖能力.此外，原料豐富、生產(chǎn)條件溫和、產(chǎn)量大且產(chǎn)品多等眾多優(yōu)勢，使微生物在發(fā)酵行業(yè)得到普遍應用.

3.2 酵母菌發(fā)酵誘導多孔凝膠

受微生物發(fā)酵工程的啟發(fā)，Zhang等［65］于2012年首次提出了酵母菌發(fā)酵和凝膠化作用協(xié)同成孔的學術思路和微生物誘導水凝膠（MIH）的概念.利用微生物發(fā)酵工程優(yōu)勢，可克服傳統(tǒng)制備多孔凝膠需要特殊設備、操作復雜、后處理繁瑣、化學藥品污染和成本昂貴等缺點.所制備的水凝膠具有類面包結構的多級孔結構.至此，一種由微生物發(fā)酵誘導制備多孔凝膠的設計思想被眾多研究人員所關注并借鑒.2015年，Zhang等［66］進一步闡明了溫度對酵母發(fā)酵能力、氣泡聚結、凝膠時間和溶脹行為的影響，指出在35℃和40℃下，發(fā)酵速率達到最大，CO2產(chǎn)量最大；隨著反應溫度從25℃提高到50℃，多孔水凝膠的凝膠化時間從25 min降到7.5 min；當反應溫度為35℃時，20 min可達到最大平衡溶脹狀態(tài)，最大溶脹度為10.2 g/g，分別是25℃和30℃下的2.5倍和1.6倍.2016年，張敏等［67］采用微生物發(fā)泡法，以酵母菌作為微生物發(fā)泡劑，結合循環(huán)冷凍-解凍法制備了聚乙烯醇（PVAL）/羧甲基纖維素（CMC）多孔復合材料.通過單因素試驗探討了酵母菌與葡萄糖比例（Y/G）、發(fā)泡時間、發(fā)泡溫度和CMC與PVAL比例（CMC/PVAL）對發(fā)泡效果的影響，采用正交試驗優(yōu)化了發(fā)泡條件.2018年，施小寧等［68］以1-（3-二甲氨基丙基）-3-乙基碳二亞胺鹽酸鹽（EDC）活化丙烯酸（AA）羧基與小麥膚質(zhì)蛋白（WG）接枝交聯(lián)，以酵母發(fā)酵淀粉產(chǎn)生的CO2為模板，通過自由基聚合制備了聚丙烯酸鈉多孔復合水凝膠.動力學分析表明孔狀網(wǎng)絡有利于水分子在凝膠內(nèi)部進行快速擴散，溶脹-退溶脹循環(huán)試驗表明該多孔水凝膠同時具有可逆且靈敏的pH和NaCl敏感性，為該水凝膠在藥物控釋領域應用提供了無限的可能性.2018年，Joshi等［69］在其綜合評述中指出酵母菌和凝膠的交叉融合屬于工程活性材料（ELM）的范疇，他們認為ELM利用生物系統(tǒng)的自適應響應、自我復制潛力和強健性來進行新材料的程序組裝和調(diào)制.這些材料可通過遺傳、空間模式設計或化學手段而實現(xiàn)工程化或多功能化.作為一種將合成材料與生物系統(tǒng)相結合的生物混合裝置，ELM可用作微型甚至大型結構材料，或用于特殊應用，如生物催化或毒素隔離.2018年，Xing等［70］將酵母發(fā)酵過程和凝膠膜形成過程完美結合，開發(fā)出具有多級孔結構的酵母菌/葡萄糖/海藻酸鈣/絲膠/京尼平凝膠膜，利用海藻酸鈉/Ga2+的離子交聯(lián)機理，構建了水凝膠的第二交聯(lián)網(wǎng)絡.值得注意的是，所形成的水凝膠膜表現(xiàn)為低透明度、寬孔徑分布（5 nm～1 mm）和高疏水性等.2020年，張敏等［71］利用酵母菌發(fā)泡制備了聚乙烯醇/羧甲基纖維素多孔水凝膠（D-PC），研究結果表明，酵母菌的制孔作用明顯提高了水凝膠對亞甲基藍（MB）的吸附，且酵母菌的量越多對MB的吸附性越好.此外，酵母菌代謝產(chǎn)生的酶對材料中的PVA進行了降解，減少了廢棄后材料可能對環(huán)境產(chǎn)生的二次污染.

由圖7（A）可見，與部分其它多孔材料及多孔凝膠支架等材料相比，通過微生物誘導方式制備的聚丙烯酰胺多孔材料在保持有寬孔徑分布的同時也展現(xiàn)出了超高的孔隙度（高達約93%），這得益于MIH具有微生物發(fā)酵形成的特殊結構，圖7（C）～（E）分別展示了MIH的表面、斷面以及外觀形貌，不難看出在水凝膠內(nèi)外形成了大孔套小孔以及超大孔均勻分布的多級孔結構.此外，通過微生物發(fā)酵誘導制備的多孔凝膠，其密度可調(diào)控低至0.0518 g/cm3［圖7（B）］，將MIH置于花蕊頂端時，花蕊仍保持原本的直立狀態(tài)，可以證明MIH材料質(zhì)輕、密度較小的特點［48］.

Fig.7 Comparison of pore structure parameters between porous gel materials inspired by Microbial Fermentation and other porous materials[48]

在已有的研究中，微生物發(fā)酵致孔技術不僅用于多孔水凝膠的制備，還用于制備生物復合納米材料等.作為一種新型致孔方式，微生物發(fā)酵誘導技術在諸多領域已有非常實際的應用.

3.3 微生物誘導多孔材料的應用

多級孔材料沖破傳統(tǒng)上單一孔的束縛，將不同級孔的優(yōu)勢集中起來，因此被研究人員越加重視［72～75］.多級孔材料不僅兼具各種單一孔材料的優(yōu)點，還具有單一孔結構所不具備的分級優(yōu)勢，這使多級孔材料具備多種孔道結構、高的熱穩(wěn)定性、大比表面積和大的孔容以及良好的擴散性和存儲性等，因此在染料吸附、海水脫鹽、電磁屏蔽以及新型功能性生物材料的制備等領域中有著巨大的應用前景.

3.3.1 染料吸附 有機物污染是水體污染的一種類型.當水中碳氫化合物及其衍生物濃度發(fā)生異常時，有機污染物在水中存在時間變長，易在土壤中流動，導致水環(huán)境質(zhì)量惡化，危害水生生物生存，威脅人畜健康.目前在有機污染物中，農(nóng)藥、酚類化合物和藥品是亟需注意的新興污染物.2003年，歐盟禁止使用了致癌性阿拉特津（除草劑）.世界衛(wèi)生組織（WHO）指出，目前常用除草劑噻草平濃度低于0.5 mg/L時不會威脅人體健康.雙酚A是世界上使用最廣泛的工業(yè)化合物之一，多用于塑料用品的制造.該塑料成品在日常生活中應用廣泛，其安全性問題便成為了公眾關注的焦點.歐洲食品安全管理局指出人體每日攝入的雙酚A的安全濃度低于50 μg/kg.

有機物水污染物處理方法包括過濾法、吸附法和降解法.這些方法雖然有效果，但是都存在一定的弊端.比如降解法，雖然可去除原污染物，但是可能產(chǎn)生新的有毒代謝物；采用吸附法時，活性炭盡管有很強吸附能力，可以清除水中污染物，是理想的吸附材料，但是活性炭制作過程耗能大，成本高，且產(chǎn)生大量的溫室氣體CO2，不具備經(jīng)濟環(huán)?？沙掷m(xù)的特點.陽離子染料結晶紫（CV）屬于三苯甲烷類，通過簡單的接觸、攝入或吸入CV，都會對皮膚、黏膜和呼吸系統(tǒng)有害.Xing等［70］利用微生物誘導法制備出具有多級孔結構的酵母菌/葡萄糖/海藻酸鈣/絲膠/京尼平凝膠膜（MIHM），為考察CV接觸時間對吸附容量的影響，將所有MIHM樣品浸入30 mL濃度為10 mg/L的25℃CV水溶液中.在吸附過程中，每隔一定時間進行取樣測試，通過紫外/可見分光光度計（TU-1901），在λmax=584 nm波長下測試分析CV的濃度.在時間t1被MIHM水凝膠膜吸附的CV的量q（tmg/g）根據(jù)下式進行計算：

式中：V（mL）是溶液體積；m（g）是冷凍干燥后的MIHM水凝膠膜樣品的質(zhì)量；c0（mg/mL）和ct（mg/mL）分別是初始和指定時間的CV濃度.

研究結果（圖8）表明，當CV的初始濃度為10 mg/L時，MIHM凝膠膜的最大吸附量為8.78 mg/g.根據(jù)膜的重量和孔隙率，MIHM水凝膠膜在10 mg/L的CV下的吸附能力為5.97～18.40 mg/g，說明MIHM的最佳孔徑與CV有關.動力學研究表明，分散染料的吸附可以很好地用準一級動力學方程定義，具有較高的相關系數(shù)（R2＞0.97）.該工作為今后利用發(fā)酵法制備多孔水凝膠膜奠定了堅實的基礎.

Fig.8 Effect of contact time on CV adsorption capacity(10 mg/L)of prepared MIHM hydrogel membranes[70]

張敏等［71］研究了由酵母菌發(fā)泡制備的聚乙烯醇/羧甲基纖維素多孔水凝膠（D-PC）在不同條件下對亞甲基藍（MB）的吸附效果，并分析了D-PC對MB的吸附機制.MB的吸附率（η，%）根據(jù)下式進行計算：

式中：c0（mg/L）為MB的初始濃度；ce（mg/L）為吸附平衡后MB的濃度；η（%）為MB吸附率.

酵母菌發(fā)泡法制備的多孔水凝膠增加了材料的孔徑（從12.3 nm增加到20.2 nm）和比表面積（從1.56 m2/g增加到3.1 m2/g）.吸附研究表明：MB初始濃度的增加有助于提高D-PC對MB的吸附率，當MB初始濃度為50 mg/L時，伴隨著酵母菌投料量的增加，吸附率也逐漸增大，最高可達90%以上.

通過微生物發(fā)酵技術得到的多孔水凝膠不但可以有效地吸附水環(huán)境中的有機污染物，而且不會對環(huán)境造成二次污染.該材料來源廣且成本低，在染料吸附領域有望成為環(huán)境友好型的吸附材料.

3.3.2 海水脫鹽 淡水資源短缺一直是限制當今世界可持續(xù)發(fā)展的主要因素.與日漸緊張的內(nèi)陸湖泊江河等淡水資源相比，海洋水體占據(jù)了世界上絕大部分的水資源儲量，因此將海洋水體轉(zhuǎn)化為可以加以利用的淡水資源近年來受到研究人員的廣泛關注.與多級閃蒸及反滲透等傳統(tǒng)的大規(guī)模海水淡化工藝相比，太陽能蒸發(fā)因其合理利用可再生太陽能能源、低成本、不受場地限制、經(jīng)濟高效等優(yōu)勢，漸漸成為極具應用前景的海水淡化手段.太陽能界面蒸發(fā)使用可持續(xù)的太陽能來凈化海水和污水.光熱蒸發(fā)材料的形狀和內(nèi)部通道尺寸對于調(diào)節(jié)三維（3D）蒸發(fā)設備的熱量利用率和供水速率至關重要.

受本課題組微生物發(fā)酵誘導多孔水凝膠的啟發(fā)，Liang等［56］將聚乙烯醇（PVA）、粉末活性炭、葡萄糖和酵母組成的溶液置于40℃的烘箱中，酵母菌的發(fā)酵過程即被觸發(fā)產(chǎn)生大量CO2氣體，通過凝膠和固定化工藝，得到外形和內(nèi)部孔道可調(diào)的聚乙烯醇多孔水凝膠［圖9（A）］.使用普通冰箱在-20～25℃之間進行3次簡單的凍-融循環(huán)，隨后發(fā)酵過程中產(chǎn)生的多孔結構被固定在水凝膠中，最終構建出多孔的光熱蒸發(fā)材料（FPH）.通過將不同形狀的模具用于聚乙烯醇水凝膠的凝膠化過程，可以制備不同3D形狀的蒸發(fā)裝置［圖9（B）］.同時，通過控制發(fā)酵時間［圖9（C）］來調(diào)節(jié)多孔水凝膠的內(nèi)部通道尺寸，發(fā)現(xiàn)在最初的50 min內(nèi)孔隙尺寸和孔隙率逐漸增加，密度法計算出50 min內(nèi)孔隙率的變化（0～73.4%）.該發(fā)酵過程需50 min，隨著發(fā)酵時間的延長，氣泡逐漸破裂.此外，采用壓汞法（MIP）測量凍干FPH-30（發(fā)酵時長為30 min的FPH）的孔徑、比表面積和孔隙率，在206 MPa下分別為21.34 μm，0.275 m2/g和42.95%.

Fig.9 Schematic images of preparation process of FPHs(A),castability of FPHs using different shape of molds(B)and time-regulated internal-channel size of FPHs(C)[56]

研究結果表明，發(fā)酵是一種高效的快速形成孔和簡單地調(diào)整通道大小的方法，其靈活性極強，能夠在特定的光強下匹配水蒸發(fā)所需的供水速率，有利于在不同輻射強度的地區(qū)進行高效脫鹽.生產(chǎn)過程中沒有殘留化學試劑，生產(chǎn)設備簡單，成本低，效率高.微生物發(fā)酵的靈感為多功能蒸發(fā)材料的合成提供了極其有用的幫助，并有望被迅速用于簡單制備可調(diào)節(jié)的多功能材料，如比表面積大的催化劑、光降解材料和光熱殺菌材料等.

3.3.3 電磁屏蔽 隨著現(xiàn)代化電子工業(yè)的快速發(fā)展，電磁干擾（EMI）或輻射能夠影響電子器件本身的正常工作狀態(tài)或給生物體的健康帶來了潛在的威脅，迫切需要制備具有高EMI屏蔽性能的電磁屏蔽材料.特別是隨著智慧照明和可穿戴設備的發(fā)展，迫切需要尺寸小、質(zhì)量輕、柔韌性好、疏水性強、EMI屏蔽性能好的材料.基于納米材料（碳納米材料、MXene或金屬納米材料）優(yōu)異的力、電性能及所具有的小尺寸大比表面積特征，有效設計納米結構的宏觀構筑體，使其具有優(yōu)秀的EMI屏蔽性能獲得大量的關注.此外，在自支撐的EMI屏蔽材料中引入多孔狀結構，通過增加入射電磁波在屏蔽材料內(nèi)的反射次數(shù)（多重反射）可以有效提高屏蔽效能（SE）.

碳泡沫（CF）具有相互連接的三維蜂窩網(wǎng)絡，這使它們具有許多引人入勝的性能，包括：質(zhì)量輕、可調(diào)節(jié)的導熱性和導電性、耐高溫和沖擊阻尼特性等.因此，碳泡沫被廣泛應用于熱管理、航空航天、儲能和阻尼吸收等領域.盡管石墨烯已經(jīng)廣泛用于制造大塊體泡沫，但所制備的泡沫機械穩(wěn)定性較差.此外，制備石墨烯泡沫操作復雜、耗時較長且成本較高，使得石墨烯泡沫的大規(guī)模生產(chǎn)相當困難.因此，開發(fā)一種環(huán)境友好且廉價的方法來制備機械剛性泡沫仍然是巨大的科學和技術挑戰(zhàn).Yuan等［76］借鑒微生物誘導發(fā)酵水凝膠多孔材料的思想制備了一種具有良好機械穩(wěn)定性、高電磁屏蔽效率和熱穩(wěn)定性的可控多級結構的碳泡沫材料.多級孔結構的獨特優(yōu)勢可通過一系列性能測試進一步證明.基于面包制作過程來初步制作泡沫干面包.隨后的碳化過程如圖10（A）所示，在氬氣氣氛中簡單碳化后，干面包轉(zhuǎn)化為碳泡沫.與干面包相比，孔結構的原始形狀保持不變，但尺寸減小.這個過程包括兩個反應：脫水和碳化.在碳化期間，會發(fā)生以下反應：

碳泡沫材料繼承了面包的形狀和原始的分層網(wǎng)絡結構，能夠承受相當大的載荷而不變形.數(shù)據(jù)顯示：測試的碳泡沫的最大壓縮強度約為3.6 MPa，密度可低至0.29 g/cm3，其壓縮模量約為121 MPa，高于之前報道的相同密度的碳泡沫的值，且碳化溫度為1000℃時，泡沫碳的電導率為0.26 S/cm.厚度為3 mm的CF在6.0～12.4 GHz的頻率范圍內(nèi)測得的屏蔽效能約為15.7 dB.EMI屏蔽效能的增加主要歸因于互連的分級碳孔網(wǎng)絡.由圖10（B）可見，增大的孔可以通過在單元壁之間的反射和散射來衰減入射的電磁微波，并且微波在被吸收并轉(zhuǎn)為熱量之前難以從CF中逃逸.結果還表明，電磁干擾屏蔽效率隨著CF厚度的增加而提高.由圖10（C）可見，厚度為4 mm和5 mm的CF的EMI屏蔽效率分別約為16.3 dB和17.2 dB.對于飛機或航空應用，必須考慮密度.比EMI屏蔽效能（EMI屏蔽效能除以密度）更適合用于比較典型金屬和CF之間的屏蔽性能.該作者通過測量計算出CF（厚度為3 mm）的比EMI屏蔽效能為71.36 dB·cm3·g-1，遠遠高于金屬屏蔽材料實心銅的比EMI屏蔽效能（為10 dB·cm3·g-1）.

Fig.10 Raw diagram for the fabrication of carbon foam derived from bread(A),schematic representation of microwave transfer across the hierarchical pore structure of CF(B)and EMI shielding efficiency of carbon foam(carbonized at 1000℃)(C)[76]

這種制造方案不僅提高了對電磁干擾屏蔽效率，還可以廣泛應用于其它復合材料結構的設計，用于各種輕質(zhì)、低熱導率材料的技術開發(fā).該制備過程綠色環(huán)保、價格低廉且操作簡單，在隔熱多孔材料等制備過程中具有潛在的應用價值.

3.3.4 新型功能性生物材料 碳納米管（CNTs）是當今工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)的無機材料，其可作為一個可調(diào)諧的平臺，以模擬細胞在納米結構表面生長時所發(fā)生的變化.而設計微生物與納米材料之間界面上微生物的營養(yǎng)和生長機制是一個尚未探索的領域.在最近的幾項研究中，CNTs被證明是酶和細胞應用中非常有用的電子轉(zhuǎn)移劑.考慮到CNTs的導電性質(zhì)，微生物與碳納米管之間的相互作用可以用來制備具有出色電學性質(zhì)的仿生納米材料.因為兼有生物材料和非生物材料的優(yōu)點：生物材料可以進行自組裝；非生物材料又具有電子運輸?shù)裙δ?，所以這種生物材料可以被認為是仿生納米復合材料.

基于此，Luca等［77］報道了在CNTs水分散體中，通過酵母提取物直接生產(chǎn)啤酒酵母細胞/CNTs復合物［圖11（A）］.對復合材料進行機械性能測試后，觀察到其拉伸強度、楊氏模量和韌性都得到了提升［圖11（B）］.電學和光學分析表明，在CNTs存在下啤酒酵母提高了復合膜的電導率和光電活性.Luca等［78］開發(fā)了一種簡單而通用的方法來制備各種納米相的多孔復合材料.如圖12（A）所示，將酵母的水分散液、石墨烯納米片（GNPs）或碳納米管（GNTs）添加在油/水界面，由于浮力作用，酵母被糖活化后產(chǎn)生了副產(chǎn)物CO2，氣泡將從水相遷移到油/水界面，在界面形成浮動的納米結構膜.在這個過程中，CO2一旦與油/水界面接觸便會收縮，這有利于石墨烯納米片或碳納米管薄膜在界面處進行自組裝.從這個簡單的方法出發(fā)，Luca等進一步提出了一個在不互溶的液體界面上穩(wěn)定一些較難處理的聚合物顆粒的通用方法，他們將這種思路擴展到制備難控制聚合物的自組裝過程中［圖12（B）］.例如將聚醚醚酮（PEEK）顆粒吸附在這種改性后的油/水界面上并進行自組裝，穩(wěn)定之后，進一步燒結成具有多孔結構、隔熱性良好且力學性能優(yōu)異的納米復合材料.這種材料在質(zhì)輕的結構部件、減震器、航空用的隔熱材料和組織工程上使用的強固支架材料等領域都有較大的應用前景.

Fig.11 Schematic representation and appearance of the fermentation-mediated assembly of carbon nanotubes and yeast cells(A)and stress-strain curves obtained from tensile tests on fermented yeast sample(green curve)and yeast/CNT composites prepared before fermentation(blue curve)and after fermentation(red curve)(B)[77]

上述研究為這類仿生結構的實現(xiàn)和開發(fā)開辟了道路，從而實現(xiàn)新型功能性生物材料的合成，如在具有多功能特性的物理智能物體的制造中，在功能組織、能量存儲和光收集應用領域中.酵母是一個細胞工廠，它能夠從環(huán)境中攝取糖等簡單的小分子物質(zhì)，并在溫和的溫度下合成生長所需的新元素.此外，在自然界中許多這樣的微生物在其生長期間能夠黏附于不同的表面，并形成相應的生物膜.例如，納米材料和水的混合溶液可以與微生物所需的營養(yǎng)物質(zhì)混合，在消化過程發(fā)生后賦予最終合成的材料以新的優(yōu)異性能.因此，微生物在納米材料存在的情況下進行發(fā)酵可能是一種可行的創(chuàng)造生物復合材料的新方法.

Fig.12 Schematic illustration of the assembly process of the GNPs(CNTs)(A)and optical microscope image of oil-water interface prepared with PEEK particles and GNPs(B)[78]

4 總結與展望

本文從近年來制備多孔材料的方法出發(fā)，從酵母菌發(fā)酵致孔的角度，較為系統(tǒng)地綜述了微生物發(fā)酵誘導制備多孔材料的研究和應用進展.微生物誘導發(fā)酵的制備方法克服了傳統(tǒng)制備多孔材料需要特殊設備、操作復雜、后處理繁瑣、化學藥品污染和成本昂貴等的缺點，不僅為多孔材料的形成提供了一種全新的思路，而且該方式所制備的材料具有類面包結構的多級孔結構（超大孔、大孔和微孔）.另外，基于此方法諸多的優(yōu)勢，已有研究人員在染料吸附、海水蒸發(fā)脫鹽、電磁屏蔽、界面自組裝等領域開始應用.通過綜述微生物誘導發(fā)泡的應用進展，不僅進一步驗證了該方法在諸多材料中發(fā)泡的可行性，而且為微生物誘導發(fā)酵方式在其它材料（如金屬材料、陶瓷材料以及其它高分子材料）中發(fā)泡通用性的研究提供了一定的理論基礎和實踐參考價值.

與傳統(tǒng)制備多孔材料的方法相比，傳統(tǒng)制備多孔材料的方法確實有助于利用許多金屬、陶瓷以及其它高分子材料等構筑高度可控、性能優(yōu)異、功能強大的泡沫結構或多孔骨架，其應用也愈加廣泛；但是作為一種“師法自然”的制備手段，相比于諸多使用化學發(fā)泡劑、設備復雜的方法，微生物誘導制備多孔材料的方法可操作性大、成孔快速、無毒無害且可大大降低制備成本，通過引入諸多功能單體或添加劑，各種功能已經(jīng)實現(xiàn).然而，近年來對于酵母菌的研究主要集中在釀酒、生物降解、表面活性劑等領域，而針對酵母菌發(fā)酵致孔誘導多孔材料的構筑卻鮮有報道.

目前來看，微生物誘導發(fā)泡的方法主要是采用酵母菌作為發(fā)泡劑在聚合物內(nèi)部膨脹來制備，就像制作面包一樣，先把酵母菌和面粉混合均勻揉成面團，酵母菌產(chǎn)生的CO2在熱的作用下膨脹使實心面團變?yōu)榕钏审w.盡管利用該簡便而有效的策略可以制備多孔材料，但是對于該方法的研究仍有以下兩個難點亟待進一步解決：

（1）明確成孔機理.多級孔結構形成過程一般經(jīng)歷氣體體系形成、泡孔形核、泡孔生長及泡孔穩(wěn)定等4個階段.其中，泡孔形核和生長是最關鍵的部分，它直接決定了凝膠體系中泡孔孔密度和氣泡的均勻性.聚合物的發(fā)泡過程決定了其泡孔結構的形成，泡孔結構對聚合物材料的力學性能有很大的影響，對力學性能的影響又決定了其是否能在更廣泛的領域中應用.因此，在氣泡化和凝膠化協(xié)同作用下，闡明泡孔在凝膠基體中的氣泡形核和生長機理，確定氣泡成核和生長速率的最優(yōu)內(nèi)外因素，對其應用有重要的意義.

（2）精準調(diào)控孔結構.通過微生物發(fā)酵可以獲得具有豐富孔隙結構的多級孔材料.但是某些特殊的材料對多級孔隙結構的需求很少，例如在制備電池電極材料時，大量的孔隙結構不利于材料體積性能的提高，大孔或微孔的存在大大限制了離子快速傳輸.而微生物發(fā)酵過程中，氣體的產(chǎn)生以及氣泡的長大和合并都是多級孔形成的關鍵性因素.因此，如何精準地控制微觀泡孔形貌和宏觀泡沫結構仍然是一個難點.

通過評估微生物發(fā)酵多孔材料的開發(fā)，并高度重視將其用于吸聲、降噪以及生物醫(yī)用材料的可行性研究，為多孔材料的制備簡便化、低成本化、材料功能化、工業(yè)化和活性化提供一條清晰的路徑.但基于微生物發(fā)酵策略制備多孔材料的工業(yè)化還只是在探索階段，該過程需要來自不同領域和專業(yè)的專家們緊密合作.隨著新技術的發(fā)展，微生物發(fā)酵誘導多孔材料的制備方法將會越來越成熟，這種方法也將成為今后多孔材料科學發(fā)展的發(fā)展趨勢之一.