微生物发酵诱导多孔材料:制备方法和应用

田晓康，张青松，杨舒淋，白洁，陈冰洁，潘杰，陈莉，危岩

（1.天津工业大学材料科学与工程学院,2.分离膜与膜过程国家重点实验室,天津 300387；3.中国纺织工程学会,北京 100025；4.天津工业大学化学工程与技术学院,天津 300387；5.清华大学化学系,北京 100084）

早在5000多年以前，人类就已经开始利用酵母来制作发酵产品，如发酵面团、酵母酶制剂、调味剂、食品着色剂等.其中，最早在市场上销售的产品是酵母泥，其特点是发酵速度快，但运输和使用不方便.经过200余年的发展工业，酵母已经成为世界上研究最多的微生物之一，是当今生物技术产品研究开发的热点和现代生物技术发展、基因组研究的模式微生物［1］.酵母目前主要分为食品酵母、面包酵母和饲料酵母，无论何种酵母，均具有完整的细胞膜、细胞核、细胞质、细胞壁、线粒体结构，在有氧或无氧环境下均可生存，并产生CO2.有氧环境下，酵母菌进行有氧呼吸，将糖类转化为水和CO2［式（1）］；而在无氧环境下，酵母菌进行无氧呼吸，将糖转化为乙醇和CO2［式（2）］.

利用酵母发酵产生的CO2作为致孔的气源，通过在物质内部气化产生气泡可使塑料、橡胶、树脂、食品和凝胶等形成多孔材料.此类多孔材料多具有制备过程简单、廉价、制孔快速以及高比表面积和高吸附性能等优点，可应用于海水脱盐、染料吸附、电磁屏蔽、能源存储以及界面自组装纳米复合材料等领域（图1），近10年来相关研究文献呈递增趋势（图2）.这种微生物发酵技术和材料的交叉融合逐渐形成一个新的分支，既属于活体功能材料范畴，又可称之为微生物材料学.为归纳该领域的相关进展，同时为后续研究提供参考，本文基于微生物发酵多孔材料，特别是本课题组关于微生物发酵多级孔凝胶的工作，首先介绍了多孔材料、多孔水凝胶的分类、制备方法及其基本性质；然后，综合评述了微生物发酵诱导多孔材料的制备方法与应用；最后，对微生物发酵多孔材料的进一步研究进行了展望.

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

多孔材料是一种由相互贯通或封闭的孔洞构成网络结构的材料.根据获取来源分类的不同，多孔材料可分为天然多孔材料和合成多孔材料；根据孔径尺寸的大小，国际纯粹与应用化学协会（IUPAC）于1985年将多孔材料分为大孔材料（孔径大于50 nm）、介孔材料（孔径介于2～50 nm之间）和微孔材料（孔径小于2 nm）3类；2015年，IUPAC对孔径分类进行了细分和补充，即纳米孔（包括大孔、介孔和微孔，但上限仅到100 nm）、超微孔（孔径小于0.7 nm的较窄微孔）和极微孔（孔径大于0.7 nm的较宽微孔）；根据制备工艺及成品的形貌，多孔材料分为泡沫多孔材料、蜂窝多孔材料和网眼多孔材料.多孔材料具有密度小、孔隙率高、比表面积大、质量轻、隔热、隔音及渗透性好等特点，可广泛应用于航空、航天、化工、建材、冶金、原子能、石化、机械、医药和环保等领域［2～5］.

1.2 天然与合成多孔材料

天然多孔材料因具有天然的孔隙结构以及良好的生物可降解性和相容性而广泛存在于自然界中，但其固有的资源有限性导致其难以被广泛应用.而合成多孔材料具有高度可控的孔径分布、孔隙率、孔洞形貌以及比表面积等，广泛应用于过滤与分离、催化剂载体、保温隔热以及消声器等领域.

1.2.1 天然多孔材料 经过亿万年的进化，天然多孔材料早已在自然界中普遍存在，如木材、骨头、海绵、珊瑚、沸石及植物叶片等（图3）.千百年来，人们广泛使用着这些天然多孔材料.在公元前约2600年，古埃及金字塔中就已经使用了木制建材［图3（A）］，在罗马时代软木就被用作酒瓶的瓶塞.人类和动物的骨骼［图3（B）］也是一种天然的多孔材料.作为骨的基础，骨质拥有多孔结构，按照孔结构的不同可以分为两种：一种由多层紧密排列的骨板构成，叫作骨密质；另一种由薄骨板即骨小梁互相交织构成立体的网，呈海绵状，叫作骨松质.股骨的两端是骨松质，中部是坚硬的骨密质，骨中央是骨髓腔.骨的这种结构使其在减轻重量的同时能够保持坚硬，并具有贮存功能［6，7］.天然海绵［图3（C）］自古就被作为卫浴用品，这是由于天然海绵润湿后孔隙增大、吸水性大幅增强，从而由质地较硬不易变形变得柔软有弹性.珊瑚［图3（D）］作为最具有代表性的分子筛，是一种可以在分子水平上筛分物质的多孔材料，具有独特的孔结构、高的催化活性和热稳定性及耐酸性.图3（E）是一种斜发沸石，其主要成分是铝硅酸盐矿物，晶体呈透明状，脱水后具有分子筛的功能，可以从空气中有选择性地提取氮并使氧富集，还可以作为离子交换剂，用于处理核废料等［8～10］.植物的叶片［图3（F）］也是一种天然的多孔材料，在叶片的表面具有表皮附属物——毛和气孔（器），其中气孔作为植物表皮特有的结构，不仅是气体和水分进出的控制器，还是光合作用和呼吸作用与外界气体交换的通道.天然多孔材料为合成多孔材料的构筑和应用提供了无限的潜力和机会，是多孔材料理论和技术创新不可替代、取之不竭的知识宝库和学习源泉.

Fig.3 Several natural porous materials

1.2.2 合成多孔材料借鉴天然多孔材料，研究人员已提出不同致孔机理制备多孔材料，归纳起来主要有固相转变机理、液相转变机理和双相转变机理等3种致孔机理.以形成沸石为例，其中，固相转变机理是指沸石晶化过程总是伴随着无定形凝胶固相的形成，无定形凝胶的结构重排形成沸石，而液相并不参与晶化过程；相反，液相转变机理认为沸石晶体是从溶液中生长的，初始凝胶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铝酸根离子，通过进一步连接构成沸石晶体的结构单元，并且逐步形成沸石晶体.而多数情况下真正的的机理可能是有固相参与的液相机理.典型的一种孔结构是由大量多边形孔在平面上聚集形成的二维结构，因其形状类似于蜂房而被称为“蜂窝”材料［11～13］，图4示出了几种合成的蜂窝状多孔材料的结构，包括水热法合成的蜂窝状多孔红磷［图4（A）］［11］、溶剂诱导相分离法制备的高度有序蜂窝状结构的聚苯乙烯薄膜［图4（B）］［12］和蒸汽退火法制备的1，2-聚丁二烯蜂窝膜［图4（C）］［13］.

Fig.4 Honeycomb porous structures of different materials

2 多孔水凝胶

2.1 多孔水凝胶的分类

水凝胶（Hydrogel）是一种以水为分散介质的凝胶，是一种具有三维网状结构的水溶性高分子.在网状结构中通过引入疏水基团（疏水基团遇水膨胀）和亲水残基（亲水残基与水分子结合，将水分子连接在网状内部），使得水凝胶具有遇水只溶胀而不溶解的特点.多孔水凝胶（Porous hydrogel）是一种具有较多孔洞和三维网络结构的弹性软湿材料.在水凝胶基体中引入多孔结构，不仅能吸收和保留大量的水［14～17］，还可摆脱凝胶尺寸对水凝胶溶胀/退溶胀速率的限制.2015年，Faheem等［18］根据水凝胶的物理性能、溶胀性、制备方法、来源、离子电荷、生物降解率以及交联方式的不同，对水凝胶进行了系统的总结［图5（A）］，重点归纳了用于生物医学、环境和工业中的刺激响应型水凝胶，包括pH响应水凝胶［19］、温敏响应水凝胶［20］、葡萄糖响应性水凝胶［21］及抗原响应性水凝胶［22］等.同年，Ahmed等［23］根据获取来源的不同，将多孔水凝胶分为天然水凝胶和合成水凝胶两类［24］；根据聚合物组成的不同将多孔水凝胶分为均聚物水凝胶［25］、共聚物水凝胶［26］和多元聚合物互穿聚合水凝胶（IPN）［27］.2015年，Singhal等［28］根据聚合物网络之间的孔径大小，将多孔水凝胶的网络结构分为无孔、微孔、大孔（1～100 μm）和超多孔（10～1000 μm）.在大多数情况下，聚合物难以只从一种单体获得所需的性能，因此可以使用两种或多种单体的组合进行聚合.根据单体的性质、数量和比例，多孔水凝胶可分为均聚物、共聚物、多聚物及互穿网络等［图5（B）］.2020年，Sharma等［29］对生物大分子多孔水凝胶的分类、制备方法及应用进行了综合评述［图5（C）］.Sharma等根据交联方式的不同，将生物大分子多孔水凝胶分为物理交联或自组装水凝胶和化学交联水凝胶；而根据多孔水凝胶物理组成的差异，又可分为固态水凝胶［30］、半固态水凝胶［31］和液态水凝胶3种［32］.

Fig.5 Classification of porous hydrogels in different ways

2.2 多孔水凝胶的制备方法

目前，国内外普遍报道的成孔思路主要集中于冷冻干燥法［33］、相分离法［34］、超临界CO2发泡法［35］、模板法［36］、致孔剂法［37］、发泡法［38～41］、3D打印技术［42～44］和微生物诱导法等，具体列于表1.从表1可以看出，超临界CO2流体法与发泡法都是利用产生的CO2（或其它气体）来填充凝胶孔隙以形成孔洞结构，虽然形成的气体无毒且环保，但是所用设备复杂且反应条件不易控制；冷冻干燥法通过简单的物理过程（冷冻-升华）达到致孔的目的，该方法安全环保，现已成为最基本的致孔方法，但是与模板法和致孔剂法相比，冰晶生长形态不易控制，且孔结构不易调控.而3D打印技术作为一种新兴的增材策略，可高度还原复杂孔洞形态，在具有特殊孔结构需求的场合下使用较多，但是成本高且效率较低.

Table 1 Comparison of preparation methods of Porous hydrogel

2.3 多孔水凝胶的基本性质

2.3.1 溶胀性传统水凝胶具有晶状结构，其聚合物链段弹性较低，达到溶胀平衡需要1～2 d的时间，高分子链间的自由体积形成了传统水凝胶中的孔隙，可容纳的自由水很少，高分子链向溶剂中的扩散也慢，凝胶韧性低，慢的响应速度限制了传统水凝胶的应用.在水凝胶基体中引入多孔结构，除了基于凝胶交联网络形成的孔隙以外，发泡过程中被凝胶网络截留的气泡形成的有序孔隙使得比表面积大幅增加，从而使水凝胶的溶胀性大幅提升.水凝胶的溶胀度（Q，%）根据下式计算：

式中：m（sg）为溶胀状态下凝胶的质量；m（dg）为干态下凝胶的质量.

Chen等［45］于1998年以碳酸氢钠为发泡剂将丙烯酸（AAc）和丙烯酰胺（AM）共聚首次合成了超大孔水凝胶（SPH），所合成的凝胶溶胀速率较快，通常数秒至数分钟内溶胀度可达几百倍.但其合成的多孔凝胶由于含水高（95%以上），因而机械强度差.为提高多孔凝胶的机械性能，Chen等［46］合成了第二代SPH.通过加入另一种交联的羧甲基纤维素钠，与聚（丙烯酸-丙烯酰胺）网络形成局部缠绕或交联，使多孔凝胶的力学性能略有提高.2004年开始出现第三代SPH，即含有互穿网络聚合物（IPN）结构的超大孔水凝胶.Yang等［47］在聚合体系中引入亲水性低分子聚乙烯醇链，合成半互穿网络结构，明显提高了多孔凝胶的力学性能.多孔水凝胶中多孔结构的引入极大地提高了水凝胶的吸水速率和吸水倍率.多孔水凝胶由于高含水量、尺寸可调的多孔结构和良好的生物相容性而备受关注.

2.3.2 机械强度 多孔结构虽能显著改善溶胀性，但同时会降低机械强度.在水凝胶交联网络中引入多孔结构，明显增加了其孔隙率和孔径，而孔隙率大小会直接影响材料的强度.图6是水凝胶通过微生物发酵方式引入多孔结构前后的应力-应变曲线图［48］.根据下式计算模量（E，kPa）：

式中：σ（kPa）为应力；ε为应变；α为弹性阶段应力-应变曲线正切角.

由图6（A）可见，未发泡的水凝胶具有优异的拉伸性能，其拉伸强度为303 kPa，断裂伸长率为1510%，弹性模量高达46.8 kPa；在交联网络中引入多孔后，拉伸性能变差，其拉伸强度急剧下降至只有18 kPa，其断裂伸长率为228%，弹性模量也仅有7.9 kPa.这是由于引入孔结构后，多孔水凝胶孔隙率增大，拉伸强度随着孔隙率的增加而降低.而孔隙率不仅影响水凝胶的拉伸强度，也影响着水凝胶的抗压强度.压缩性能测试结果［图6（B）］显示，发泡前后的水凝胶压缩性能同样差异明显，多孔水凝胶压缩模量仅为17.4 kPa，远低于发泡之前水凝胶的压缩模量（43.2 kPa）.

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

2.3.3 孔结构参数表征孔结构的主要参数有孔隙率、密度、平均孔径、最大孔径、孔径分布、孔形和比表面积.除材质外，材料的孔结构参数对材料的力学性能和各种使用性能有决定性的影响.多级孔材料的孔结构和使用性能主要由原料的物理和化学性能，尤其是大小、分布和形状等因素决定.当孔隙度不变时，孔径小的材料透过性小，但是由于接触点较多，因此强度大.多级孔结构均匀性的判断依据是孔径的分布.表2［49～64］列出了部分文献报道的多孔凝胶的孔隙率、密度、比表面积以及孔径大小.多孔水凝胶以水作为孔隙填充物，除去填充介质可以得到类似于气凝胶的干凝胶.气凝胶作为世界上最轻的固体之一，其密度在0.003～0.500 g/cm3范围内可调.无论采用哪种干燥方式，多孔水凝胶的密度可达到与气凝胶相当的水平.从表2可以看出，多孔水凝胶拥有较高的孔隙率（普遍高于55%）、较低的密度（最低可达到0.006 g/cm3）、高比表面积（最高可达到1743 m2/g）和宽孔径分布（纳米级至毫米级）.由于多孔水凝胶是一种具有纳米、微米甚至毫米级结构的多孔材料，因此在热学、声学以及力学等方面均展示出其独特性质.

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

3 微生物发酵诱导制备多孔材料

3.1 微生物发酵过程

人类利用发酵制备各种面食已有久远的历史.随着技术的提高，发酵工程已经从过去单纯的利用发酵产物扩展成为生物工程领域的一个重要分支.微生物发酵是发酵工程中常见的一种发酵方法，早在1857年，法国微生物家巴斯德就已经提出了著名的发酵理论：“一切发酵过程都是微生物作用的结果”.微生物发酵技术就是将发酵所用的微生物通过人工培养，再根据不同的要求去诱发各种类型材料发酵的技术.它可以分为固体发酵和液体发酵两种，其中固体发酵适合于发酵工艺较为简单的产品的生产，而液体发酵更适合于大规模工业化生产.之所以利用微生物进行发酵，首先是因为微生物对周围环境的温度、压强、渗透压及酸碱度等条件具有极大的适应能力，同时微生物自身还具有极强的繁殖能力.此外，原料丰富、生产条件温和、产量大且产品多等众多优势，使微生物在发酵行业得到普遍应用.

3.2 酵母菌发酵诱导多孔凝胶

受微生物发酵工程的启发，Zhang等［65］于2012年首次提出了酵母菌发酵和凝胶化作用协同成孔的学术思路和微生物诱导水凝胶（MIH）的概念.利用微生物发酵工程优势，可克服传统制备多孔凝胶需要特殊设备、操作复杂、后处理繁琐、化学药品污染和成本昂贵等缺点.所制备的水凝胶具有类面包结构的多级孔结构.至此，一种由微生物发酵诱导制备多孔凝胶的设计思想被众多研究人员所关注并借鉴.2015年，Zhang等［66］进一步阐明了温度对酵母发酵能力、气泡聚结、凝胶时间和溶胀行为的影响，指出在35℃和40℃下，发酵速率达到最大，CO2产量最大；随着反应温度从25℃提高到50℃，多孔水凝胶的凝胶化时间从25 min降到7.5 min；当反应温度为35℃时，20 min可达到最大平衡溶胀状态，最大溶胀度为10.2 g/g，分别是25℃和30℃下的2.5倍和1.6倍.2016年，张敏等［67］采用微生物发泡法，以酵母菌作为微生物发泡剂，结合循环冷冻-解冻法制备了聚乙烯醇（PVAL）/羧甲基纤维素（CMC）多孔复合材料.通过单因素试验探讨了酵母菌与葡萄糖比例（Y/G）、发泡时间、发泡温度和CMC与PVAL比例（CMC/PVAL）对发泡效果的影响，采用正交试验优化了发泡条件.2018年，施小宁等［68］以1-（3-二甲氨基丙基）-3-乙基碳二亚胺盐酸盐（EDC）活化丙烯酸（AA）羧基与小麦肤质蛋白（WG）接枝交联，以酵母发酵淀粉产生的CO2为模板，通过自由基聚合制备了聚丙烯酸钠多孔复合水凝胶.动力学分析表明孔状网络有利于水分子在凝胶内部进行快速扩散，溶胀-退溶胀循环试验表明该多孔水凝胶同时具有可逆且灵敏的pH和NaCl敏感性，为该水凝胶在药物控释领域应用提供了无限的可能性.2018年，Joshi等［69］在其综合评述中指出酵母菌和凝胶的交叉融合属于工程活性材料（ELM）的范畴，他们认为ELM利用生物系统的自适应响应、自我复制潜力和强健性来进行新材料的程序组装和调制.这些材料可通过遗传、空间模式设计或化学手段而实现工程化或多功能化.作为一种将合成材料与生物系统相结合的生物混合装置，ELM可用作微型甚至大型结构材料，或用于特殊应用，如生物催化或毒素隔离.2018年，Xing等［70］将酵母发酵过程和凝胶膜形成过程完美结合，开发出具有多级孔结构的酵母菌/葡萄糖/海藻酸钙/丝胶/京尼平凝胶膜，利用海藻酸钠/Ga2+的离子交联机理，构建了水凝胶的第二交联网络.值得注意的是，所形成的水凝胶膜表现为低透明度、宽孔径分布（5 nm～1 mm）和高疏水性等.2020年，张敏等［71］利用酵母菌发泡制备了聚乙烯醇/羧甲基纤维素多孔水凝胶（D-PC），研究结果表明，酵母菌的制孔作用明显提高了水凝胶对亚甲基蓝（MB）的吸附，且酵母菌的量越多对MB的吸附性越好.此外，酵母菌代谢产生的酶对材料中的PVA进行了降解，减少了废弃后材料可能对环境产生的二次污染.

由图7（A）可见，与部分其它多孔材料及多孔凝胶支架等材料相比，通过微生物诱导方式制备的聚丙烯酰胺多孔材料在保持有宽孔径分布的同时也展现出了超高的孔隙度（高达约93%），这得益于MIH具有微生物发酵形成的特殊结构，图7（C）～（E）分别展示了MIH的表面、断面以及外观形貌，不难看出在水凝胶内外形成了大孔套小孔以及超大孔均匀分布的多级孔结构.此外，通过微生物发酵诱导制备的多孔凝胶，其密度可调控低至0.0518 g/cm3［图7（B）］，将MIH置于花蕊顶端时，花蕊仍保持原本的直立状态，可以证明MIH材料质轻、密度较小的特点［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，微生物发酵致孔技术不仅用于多孔水凝胶的制备，还用于制备生物复合纳米材料等.作为一种新型致孔方式，微生物发酵诱导技术在诸多领域已有非常实际的应用.

3.3 微生物诱导多孔材料的应用

多级孔材料冲破传统上单一孔的束缚，将不同级孔的优势集中起来，因此被研究人员越加重视［72～75］.多级孔材料不仅兼具各种单一孔材料的优点，还具有单一孔结构所不具备的分级优势，这使多级孔材料具备多种孔道结构、高的热稳定性、大比表面积和大的孔容以及良好的扩散性和存储性等，因此在染料吸附、海水脱盐、电磁屏蔽以及新型功能性生物材料的制备等领域中有着巨大的应用前景.

3.3.1 染料吸附 有机物污染是水体污染的一种类型.当水中碳氢化合物及其衍生物浓度发生异常时，有机污染物在水中存在时间变长，易在土壤中流动，导致水环境质量恶化，危害水生生物生存，威胁人畜健康.目前在有机污染物中，农药、酚类化合物和药品是亟需注意的新兴污染物.2003年，欧盟禁止使用了致癌性阿拉特津（除草剂）.世界卫生组织（WHO）指出，目前常用除草剂噻草平浓度低于0.5 mg/L时不会威胁人体健康.双酚A是世界上使用最广泛的工业化合物之一，多用于塑料用品的制造.该塑料成品在日常生活中应用广泛，其安全性问题便成为了公众关注的焦点.欧洲食品安全管理局指出人体每日摄入的双酚A的安全浓度低于50 μg/kg.

有机物水污染物处理方法包括过滤法、吸附法和降解法.这些方法虽然有效果，但是都存在一定的弊端.比如降解法，虽然可去除原污染物，但是可能产生新的有毒代谢物；采用吸附法时，活性炭尽管有很强吸附能力，可以清除水中污染物，是理想的吸附材料，但是活性炭制作过程耗能大，成本高，且产生大量的温室气体CO2，不具备经济环保可持续的特点.阳离子染料结晶紫（CV）属于三苯甲烷类，通过简单的接触、摄入或吸入CV，都会对皮肤、黏膜和呼吸系统有害.Xing等［70］利用微生物诱导法制备出具有多级孔结构的酵母菌/葡萄糖/海藻酸钙/丝胶/京尼平凝胶膜（MIHM），为考察CV接触时间对吸附容量的影响，将所有MIHM样品浸入30 mL浓度为10 mg/L的25℃CV水溶液中.在吸附过程中，每隔一定时间进行取样测试，通过紫外/可见分光光度计（TU-1901），在λmax=584 nm波长下测试分析CV的浓度.在时间t1被MIHM水凝胶膜吸附的CV的量q（tmg/g）根据下式进行计算：

式中：V（mL）是溶液体积；m（g）是冷冻干燥后的MIHM水凝胶膜样品的质量；c0（mg/mL）和ct（mg/mL）分别是初始和指定时间的CV浓度.

研究结果（图8）表明，当CV的初始浓度为10 mg/L时，MIHM凝胶膜的最大吸附量为8.78 mg/g.根据膜的重量和孔隙率，MIHM水凝胶膜在10 mg/L的CV下的吸附能力为5.97～18.40 mg/g，说明MIHM的最佳孔径与CV有关.动力学研究表明，分散染料的吸附可以很好地用准一级动力学方程定义，具有较高的相关系数（R2＞0.97）.该工作为今后利用发酵法制备多孔水凝胶膜奠定了坚实的基础.

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

张敏等［71］研究了由酵母菌发泡制备的聚乙烯醇/羧甲基纤维素多孔水凝胶（D-PC）在不同条件下对亚甲基蓝（MB）的吸附效果，并分析了D-PC对MB的吸附机制.MB的吸附率（η，%）根据下式进行计算：

式中：c0（mg/L）为MB的初始浓度；ce（mg/L）为吸附平衡后MB的浓度；η（%）为MB吸附率.

酵母菌发泡法制备的多孔水凝胶增加了材料的孔径（从12.3 nm增加到20.2 nm）和比表面积（从1.56 m2/g增加到3.1 m2/g）.吸附研究表明：MB初始浓度的增加有助于提高D-PC对MB的吸附率，当MB初始浓度为50 mg/L时，伴随着酵母菌投料量的增加，吸附率也逐渐增大，最高可达90%以上.

通过微生物发酵技术得到的多孔水凝胶不但可以有效地吸附水环境中的有机污染物，而且不会对环境造成二次污染.该材料来源广且成本低，在染料吸附领域有望成为环境友好型的吸附材料.

3.3.2 海水脱盐 淡水资源短缺一直是限制当今世界可持续发展的主要因素.与日渐紧张的内陆湖泊江河等淡水资源相比，海洋水体占据了世界上绝大部分的水资源储量，因此将海洋水体转化为可以加以利用的淡水资源近年来受到研究人员的广泛关注.与多级闪蒸及反渗透等传统的大规模海水淡化工艺相比，太阳能蒸发因其合理利用可再生太阳能能源、低成本、不受场地限制、经济高效等优势，渐渐成为极具应用前景的海水淡化手段.太阳能界面蒸发使用可持续的太阳能来净化海水和污水.光热蒸发材料的形状和内部通道尺寸对于调节三维（3D）蒸发设备的热量利用率和供水速率至关重要.

受本课题组微生物发酵诱导多孔水凝胶的启发，Liang等［56］将聚乙烯醇（PVA）、粉末活性炭、葡萄糖和酵母组成的溶液置于40℃的烘箱中，酵母菌的发酵过程即被触发产生大量CO2气体，通过凝胶和固定化工艺，得到外形和内部孔道可调的聚乙烯醇多孔水凝胶［图9（A）］.使用普通冰箱在-20～25℃之间进行3次简单的冻-融循环，随后发酵过程中产生的多孔结构被固定在水凝胶中，最终构建出多孔的光热蒸发材料（FPH）.通过将不同形状的模具用于聚乙烯醇水凝胶的凝胶化过程，可以制备不同3D形状的蒸发装置［图9（B）］.同时，通过控制发酵时间［图9（C）］来调节多孔水凝胶的内部通道尺寸，发现在最初的50 min内孔隙尺寸和孔隙率逐渐增加，密度法计算出50 min内孔隙率的变化（0～73.4%）.该发酵过程需50 min，随着发酵时间的延长，气泡逐渐破裂.此外，采用压汞法（MIP）测量冻干FPH-30（发酵时长为30 min的FPH）的孔径、比表面积和孔隙率，在206 MPa下分别为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]

研究结果表明，发酵是一种高效的快速形成孔和简单地调整通道大小的方法，其灵活性极强，能够在特定的光强下匹配水蒸发所需的供水速率，有利于在不同辐射强度的地区进行高效脱盐.生产过程中没有残留化学试剂，生产设备简单，成本低，效率高.微生物发酵的灵感为多功能蒸发材料的合成提供了极其有用的帮助，并有望被迅速用于简单制备可调节的多功能材料，如比表面积大的催化剂、光降解材料和光热杀菌材料等.

3.3.3 电磁屏蔽 随着现代化电子工业的快速发展，电磁干扰（EMI）或辐射能够影响电子器件本身的正常工作状态或给生物体的健康带来了潜在的威胁，迫切需要制备具有高EMI屏蔽性能的电磁屏蔽材料.特别是随着智慧照明和可穿戴设备的发展，迫切需要尺寸小、质量轻、柔韧性好、疏水性强、EMI屏蔽性能好的材料.基于纳米材料（碳纳米材料、MXene或金属纳米材料）优异的力、电性能及所具有的小尺寸大比表面积特征，有效设计纳米结构的宏观构筑体，使其具有优秀的EMI屏蔽性能获得大量的关注.此外，在自支撑的EMI屏蔽材料中引入多孔状结构，通过增加入射电磁波在屏蔽材料内的反射次数（多重反射）可以有效提高屏蔽效能（SE）.

碳泡沫（CF）具有相互连接的三维蜂窝网络，这使它们具有许多引人入胜的性能，包括：质量轻、可调节的导热性和导电性、耐高温和冲击阻尼特性等.因此，碳泡沫被广泛应用于热管理、航空航天、储能和阻尼吸收等领域.尽管石墨烯已经广泛用于制造大块体泡沫，但所制备的泡沫机械稳定性较差.此外，制备石墨烯泡沫操作复杂、耗时较长且成本较高，使得石墨烯泡沫的大规模生产相当困难.因此，开发一种环境友好且廉价的方法来制备机械刚性泡沫仍然是巨大的科学和技术挑战.Yuan等［76］借鉴微生物诱导发酵水凝胶多孔材料的思想制备了一种具有良好机械稳定性、高电磁屏蔽效率和热稳定性的可控多级结构的碳泡沫材料.多级孔结构的独特优势可通过一系列性能测试进一步证明.基于面包制作过程来初步制作泡沫干面包.随后的碳化过程如图10（A）所示，在氩气气氛中简单碳化后，干面包转化为碳泡沫.与干面包相比，孔结构的原始形状保持不变，但尺寸减小.这个过程包括两个反应：脱水和碳化.在碳化期间，会发生以下反应：

碳泡沫材料继承了面包的形状和原始的分层网络结构，能够承受相当大的载荷而不变形.数据显示：测试的碳泡沫的最大压缩强度约为3.6 MPa，密度可低至0.29 g/cm3，其压缩模量约为121 MPa，高于之前报道的相同密度的碳泡沫的值，且碳化温度为1000℃时，泡沫碳的电导率为0.26 S/cm.厚度为3 mm的CF在6.0～12.4 GHz的频率范围内测得的屏蔽效能约为15.7 dB.EMI屏蔽效能的增加主要归因于互连的分级碳孔网络.由图10（B）可见，增大的孔可以通过在单元壁之间的反射和散射来衰减入射的电磁微波，并且微波在被吸收并转为热量之前难以从CF中逃逸.结果还表明，电磁干扰屏蔽效率随着CF厚度的增加而提高.由图10（C）可见，厚度为4 mm和5 mm的CF的EMI屏蔽效率分别约为16.3 dB和17.2 dB.对于飞机或航空应用，必须考虑密度.比EMI屏蔽效能（EMI屏蔽效能除以密度）更适合用于比较典型金属和CF之间的屏蔽性能.该作者通过测量计算出CF（厚度为3 mm）的比EMI屏蔽效能为71.36 dB·cm3·g-1，远远高于金属屏蔽材料实心铜的比EMI屏蔽效能（为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]

这种制造方案不仅提高了对电磁干扰屏蔽效率，还可以广泛应用于其它复合材料结构的设计，用于各种轻质、低热导率材料的技术开发.该制备过程绿色环保、价格低廉且操作简单，在隔热多孔材料等制备过程中具有潜在的应用价值.

3.3.4 新型功能性生物材料 碳纳米管（CNTs）是当今工业化规模生产的无机材料，其可作为一个可调谐的平台，以模拟细胞在纳米结构表面生长时所发生的变化.而设计微生物与纳米材料之间界面上微生物的营养和生长机制是一个尚未探索的领域.在最近的几项研究中，CNTs被证明是酶和细胞应用中非常有用的电子转移剂.考虑到CNTs的导电性质，微生物与碳纳米管之间的相互作用可以用来制备具有出色电学性质的仿生纳米材料.因为兼有生物材料和非生物材料的优点：生物材料可以进行自组装；非生物材料又具有电子运输等功能，所以这种生物材料可以被认为是仿生纳米复合材料.

基于此，Luca等［77］报道了在CNTs水分散体中，通过酵母提取物直接生产啤酒酵母细胞/CNTs复合物［图11（A）］.对复合材料进行机械性能测试后，观察到其拉伸强度、杨氏模量和韧性都得到了提升［图11（B）］.电学和光学分析表明，在CNTs存在下啤酒酵母提高了复合膜的电导率和光电活性.Luca等［78］开发了一种简单而通用的方法来制备各种纳米相的多孔复合材料.如图12（A）所示，将酵母的水分散液、石墨烯纳米片（GNPs）或碳纳米管（GNTs）添加在油/水界面，由于浮力作用，酵母被糖活化后产生了副产物CO2，气泡将从水相迁移到油/水界面，在界面形成浮动的纳米结构膜.在这个过程中，CO2一旦与油/水界面接触便会收缩，这有利于石墨烯纳米片或碳纳米管薄膜在界面处进行自组装.从这个简单的方法出发，Luca等进一步提出了一个在不互溶的液体界面上稳定一些较难处理的聚合物颗粒的通用方法，他们将这种思路扩展到制备难控制聚合物的自组装过程中［图12（B）］.例如将聚醚醚酮（PEEK）颗粒吸附在这种改性后的油/水界面上并进行自组装，稳定之后，进一步烧结成具有多孔结构、隔热性良好且力学性能优异的纳米复合材料.这种材料在质轻的结构部件、减震器、航空用的隔热材料和组织工程上使用的强固支架材料等领域都有较大的应用前景.

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]

上述研究为这类仿生结构的实现和开发开辟了道路，从而实现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体的制造中，在功能组织、能量存储和光收集应用领域中.酵母是一个细胞工厂，它能够从环境中摄取糖等简单的小分子物质，并在温和的温度下合成生长所需的新元素.此外，在自然界中许多这样的微生物在其生长期间能够黏附于不同的表面，并形成相应的生物膜.例如，纳米材料和水的混合溶液可以与微生物所需的营养物质混合，在消化过程发生后赋予最终合成的材料以新的优异性能.因此，微生物在纳米材料存在的情况下进行发酵可能是一种可行的创造生物复合材料的新方法.

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 总结与展望

本文从近年来制备多孔材料的方法出发，从酵母菌发酵致孔的角度，较为系统地综述了微生物发酵诱导制备多孔材料的研究和应用进展.微生物诱导发酵的制备方法克服了传统制备多孔材料需要特殊设备、操作复杂、后处理繁琐、化学药品污染和成本昂贵等的缺点，不仅为多孔材料的形成提供了一种全新的思路，而且该方式所制备的材料具有类面包结构的多级孔结构（超大孔、大孔和微孔）.另外，基于此方法诸多的优势，已有研究人员在染料吸附、海水蒸发脱盐、电磁屏蔽、界面自组装等领域开始应用.通过综述微生物诱导发泡的应用进展，不仅进一步验证了该方法在诸多材料中发泡的可行性，而且为微生物诱导发酵方式在其它材料（如金属材料、陶瓷材料以及其它高分子材料）中发泡通用性的研究提供了一定的理论基础和实践参考价值.

与传统制备多孔材料的方法相比，传统制备多孔材料的方法确实有助于利用许多金属、陶瓷以及其它高分子材料等构筑高度可控、性能优异、功能强大的泡沫结构或多孔骨架，其应用也愈加广泛；但是作为一种“师法自然”的制备手段，相比于诸多使用化学发泡剂、设备复杂的方法，微生物诱导制备多孔材料的方法可操作性大、成孔快速、无毒无害且可大大降低制备成本，通过引入诸多功能单体或添加剂，各种功能已经实现.然而，近年来对于酵母菌的研究主要集中在酿酒、生物降解、表面活性剂等领域，而针对酵母菌发酵致孔诱导多孔材料的构筑却鲜有报道.

目前来看，微生物诱导发泡的方法主要是采用酵母菌作为发泡剂在聚合物内部膨胀来制备，就像制作面包一样，先把酵母菌和面粉混合均匀揉成面团，酵母菌产生的CO2在热的作用下膨胀使实心面团变为蓬松体.尽管利用该简便而有效的策略可以制备多孔材料，但是对于该方法的研究仍有以下两个难点亟待进一步解决：

（1）明确成孔机理.多级孔结构形成过程一般经历气体体系形成、泡孔形核、泡孔生长及泡孔稳定等4个阶段.其中，泡孔形核和生长是最关键的部分，它直接决定了凝胶体系中泡孔孔密度和气泡的均匀性.聚合物的发泡过程决定了其泡孔结构的形成，泡孔结构对聚合物材料的力学性能有很大的影响，对力学性能的影响又决定了其是否能在更广泛的领域中应用.因此，在气泡化和凝胶化协同作用下，阐明泡孔在凝胶基体中的气泡形核和生长机理，确定气泡成核和生长速率的最优内外因素，对其应用有重要的意义.

（2）精准调控孔结构.通过微生物发酵可以获得具有丰富孔隙结构的多级孔材料.但是某些特殊的材料对多级孔隙结构的需求很少，例如在制备电池电极材料时，大量的孔隙结构不利于材料体积性能的提高，大孔或微孔的存在大大限制了离子快速传输.而微生物发酵过程中，气体的产生以及气泡的长大和合并都是多级孔形成的关键性因素.因此，如何精准地控制微观泡孔形貌和宏观泡沫结构仍然是一个难点.

通过评估微生物发酵多孔材料的开发，并高度重视将其用于吸声、降噪以及生物医用材料的可行性研究，为多孔材料的制备简便化、低成本化、材料功能化、工业化和活性化提供一条清晰的路径.但基于微生物发酵策略制备多孔材料的工业化还只是在探索阶段，该过程需要来自不同领域和专业的专家们紧密合作.随着新技术的发展，微生物发酵诱导多孔材料的制备方法将会越来越成熟，这种方法也将成为今后多孔材料科学发展的发展趋势之一.