细菌纤维素摘要：细菌纤维素是一种新型的生物纳米材料材料，具有广泛的发展前景.本文从细菌纤维素的组成和结构入手，列举了细菌纤维素合成研究过程中的方法，并进一步对细菌纤维素在环境中的应用进行阐述，最后对未来细菌纤维素发展趋势作出了展望。

关键词：细菌纤维素，纳米材料，应用众所周知，纤维素是自然界中最丰富且具有生物可降解性的天然高分子材料，是高分子化学诞生和发展阶段的主要研究对象之一。

在当今世界面临人口、资源、环境和粮食四大问题的情况下，大力开发取之不尽用之不竭的天然高分子材料造福于人类，具有重要战略意义。

目前，人类获得纤维素的途径主要通过树木、棉花等职务光合作用合成和微生物合成。

为了区别于植物来源的纤维素，称微生物合成的纤维素为微生物纤维素或者是细菌纤维素（简称BC）。

细菌纤维素最初在1886年，用英国科学家Brown AJ利用化学分析方法确定。

当时他发现在传统酿造液表面生成的类似凝胶半透明膜状物质为纤维素，在光学显微镜下观察到发酵生产的菌膜中存在菌体[1]。

自然界中有少数细菌可以产生纤维素，其镇南关木醋菌属中的木醋杆菌（简称Ax）合成纤维素的能力最强，最具有大规模生产的能力。

Ax合成细菌纤维素在纯度、抗拉强度、杨氏模量等理化性能方面均优于植物纤维素，且具有较强的生物性，在自然界中可以直接降解，是一种环境友好，性能优异型材料[2]。

近年来引起了人们广泛的研究兴趣和关注。

1.细菌纤维素的结构和特性1.1细菌纤维素的结构经过长期的研究发现，细菌纤维素和植物纤维素在化学组成和结构上没有明显的区别，都可视为D-吡喃葡萄糖单体以糖苷键连接而成的直链多糖，直链间彼此平行，不呈螺旋结构，无分支结构，又称β-1, 4-葡聚糖。

但相邻的吡喃葡萄糖的6个碳原子并不在同一平面上，而是呈稳定的椅状立体结构，数个邻近的β-1, 4-葡聚糖通过分子链内与链间的氢键作用形成稳定的不溶于水的聚合物[3]。

1.2细菌纤维素的性质1.2.1 细菌纤维素的独特性质细菌纤维素和植物或海藻产生的天然纤维素具有相同的分子结构单元, 但细菌纤维素纤维却有许多独特的性质。

①细菌纤维素与植物纤维素相比无木质素、果胶和半纤维素等伴生产物，具有高结晶度（可达95%，植物纤维素的为65%）和高的聚合度(DP值2 000～8 000)；[4]②超精细网状结构。

细菌纤维素纤维是由直径3～4 纳米的微纤组合成40～60 纳米粗的纤维束，并相互交织形成发达的超精细网络结构；③细菌纤维素的弹性模量为一般植物纤维的数倍至十倍以上，并且抗张强度高；④细菌纤维素有很强的持水能力 (water retention values, WRV)。

未经干燥的细菌纤维素的WRV值高达1 000％以上，冷冻干燥后的持水能力仍超过600％。

经100℃干燥后的细菌纤维素在水中的再溶胀能力与棉短绒相当；⑤细菌纤维素有较高的生物相容性、适应性和良好的生物可降解性；⑥细菌纤维合成时的可调控性。

1.2.2超强性能和形状可塑性细菌纤维素具有较高的机械强度，经洗涤、干燥后，其杨氏模量可达10MP，经热压处理后，杨氏模量可达30MP，远高于有机合成纤维的强度。

此外，细菌纤维索膜还具有极佳的形状维持能力和抗撕拉力，因此可将其制成各种形状及薄度。

1.2.3高亲水性和透水透气性细菌纤维素的微纤维直径较小，又可以无限制的生长合成，因而其表面积可以达到植物纤维素的300倍；纤维素分子内存在大量的亲水性基团，因此具有很强的吸水和持水能力，能吸收60"--70倍于其干重的水分，经特殊处理会更高，并具有高的湿强度；同时由于细菌纤维素内部有很多“孔道"，因而有良好的透水和透气性。

2.细菌纤维素的合成工艺和方法细菌纤维素（Bacterial cellulose，BC）是指在不同条件下，由醋酸菌属（Acetobacter）、土壤杆菌属（Agrobacterium）、根瘤菌属（Rhizobium）和八叠球菌属（Sarcina）等中的某种微生物合成的纤维素的统称[5]。

其中比较典型的是醋酸菌属中的木醋杆菌（Acetobacter xylinum），它具有最高的纤维素生产能力，被确认为研究纤维素合成、结晶过程和结构性质的模型菌株。

细菌纤维素的合成是一个通过大量多酶复合体系（纤维素合成酶，cellulose synthase，CS）精确调控的多步反应过程，首先是纤维素前体尿苷二磷酸葡萄糖(uridine diphoglucose, UDPGlu)的合成，然后寡聚CS复合物又称末端复合物(terminal complexe, TC)连续地将吡喃型葡萄糖残基从UDPGlu转移到新生成的多糖链上，形成β-1, 4-葡聚糖链，并穿过外膜分泌到胞外，最后经多个葡聚糖链装配、结晶与组合形成超分子织态结构。

2.1细菌纤维素的生物合成途径细菌纤维素的生物合成过程较为复杂，一般可分为聚合、分泌、组装与结晶四个大过程，这四个过程是高度耦合的，并且和细胞膜上的特定位点密切相关。

以木醋杆菌为例，其将葡萄糖合成纤维素主要有四个酶促反应步骤：①葡萄糖在葡萄糖激酶的作用下转化为6一磷酸一葡萄糖；②6一磷酸一葡萄糖在葡萄糖磷酸异构酶的作用下转化为1-磷酸-葡萄糖；③1-磷酸-葡萄糖在焦磷酸化酶的作用下生成尿苷二磷酸葡(UDPG）④在细胞膜上，纤维素合成酶将UDPG合成为B-l，4-糖苷键链，然后再聚合成纤维素。

果糖在激酶、磷酸化酶和异构酶等的催化作用下转变为6-磷酸-葡萄糖后同样依照上述步骤合成纤维素。

细菌纤维素的具体合成过程可用图2.2表示[6]。

图2.2 细菌纤维素的生物合成途径3.细菌纤维素的应用作为一种新兴得生物纳米材料，细菌纤维素作为环境友好型材料日益受到各界的广泛关注。

它从各个领域的应用显现出对环境保护作用。

3.1在造纸工业中的应用日本在造纸工业中，将醋酸菌纤维素加入纸浆，可提高纸张强度和耐用性，同时解决了废纸回收再利用后，纸纤维强度大为下降的问题[7]。

加细菌纤维于普通纸浆可造出高品质特殊用纸。

Ajinomoto公司与三菱公司合作开发用于流通货币制造的特级纸，印制的美元质量好、抗水、强度高。

用细菌纤维改性的高级书写纸吸墨均匀性、附着性好。

由于纳米级超细纤维对物体极强的缠绕结合能力和拉力强度，使细菌纤维机械匀浆后与各种相互不亲和的有机、无机纤维材料混合制造不同形状用途的膜片、无纺布和纸张产品十分牢固[8]。

在制造过滤吸附有毒气体的碳纤维板时，加入醋酸菌纤维素，可提高碳纤维板的吸附容量，减少纸中填料的泄漏。

3.2高级音响设备振动膜醋酸菌纤维素的高纯度、高结晶度、高聚合度及分子高度取向的特性，使其具有优良的力学性能。

经热压处理后，杨氏模量可达30吉帕，比有机合成纤维的强度高4倍，可满足当今顶级音响设备声音振动膜材料所需的对声音振动传递快、内耗高的特性要求[9]。

日本Sony公司与Ajinomoto公司携手开发了用醋酸菌纤维素制造的超级音响、麦克风和耳机的振动膜，在极宽的频率范围内传递速度高达 5 000 米/秒，内耗为 0.04，复制出的音色清晰、宏亮。

而目前的普通高级音响铝制振动膜的传递速度为 5 000 米/秒，内耗为 0.002。

松木纸振动膜传递速度为500 米/秒，内耗为 0.04。

醋酸菌纤维素振动膜的这个优异特性主要来自其极细的高纯度纤维素组成的超密结构，经热压处理制成了具有层状结构的膜，因而形成了更多氢键，使其杨氏模量和机械强度大幅度提高[10]。

3.3 纺织工业细菌纤维素的结构特点和功能特性，使之能代替或与各种常用的树脂用于无纺布中作粘合剂，改善无纺布的强度、透气性、亲水性及最终产品的手感等，所适用的纤维包括当前广泛使用于无纺布的给类纤维，如尼龙、聚酯、木材纤维、碳纤维及玻璃纤维等[11]。

细菌纤维素的粘合机理在于其网状结构分布以及物理缠结，基本没有渗透到其它纤维的内部。

细菌纤维素的高比表面积及其产生的强有力的氢键结合能力促进了这种缠结作用，从而表现出优异的粘结性能。

除此之外，细菌纤维素还可以粘合矿物质，如高岭土、二氧化钛等。

4.细菌纤维素纳米纤维的设计及发展趋势在生物合成中，从纳米到微米尺度的结构控制是设计纳米结构功能材料的新方法。

通过设计和制备不同图案的模板，以纤维素纳米纤维为建筑原材料, 以醋酸菌为纳米机器人(nano-robot)可组装出各种花样的新功能材料[12]。

该类材料经过低能源的生物合成产生，具有规则的结构，并兼有生物相容性和生态相容性，是理想的环境友好材料。

4.1 细菌纤维素可做成功能材料细菌纤维素纳米纤维制成的膜、管或片材等形态与其他高分子、有机或无机分子的复合掺杂，可获得各种新的功能材料。

由细菌纤维素制成的功能膜材料，其在醇水渗透汽化分离中对三羟醇如丙三醇具有高选择性，而与壳聚糖复合后的膜材料适合于乙醇和水的分离[13]。

细菌纤维素与明胶、海藻酸钠和卡拉胶等多糖类形成了高力学强度的双网络水凝胶，其弹性模量和断裂强度达百万数量级，几乎与关节软骨相当。

4.2细菌纤维素作为填充剂纳米纤维已广泛作为增强填充剂应用于塑料、橡胶等制品中。

在纳米复合材料中，当组分的尺寸小于波长的1/10时无散射产生，可保持光学透过性。

用电纺尼龙4,6做增强填充剂时，纤维含量在3.9% 时能获得透明的复合物，但纤维含量进一步升高时将产生光学透过性的显著下降。

当细菌纤维素纳米纤维作为工程塑料的增强填充剂时，在纤维含量高达70%时，不仅具有普通工程塑料5倍的高强度，与硅晶相似的低热膨胀系数，而且同时保持高的透光率[14]。

利用这种特性可开发出柔性显示屏、精密光学器件配件和汽车或火车车窗等新产品。

最近，用细菌纤维素做高解析度动态显示器件的研究，已取得突破性进展，有望作为电子书籍、电子报刊、动态墙纸、可写地图和识字工具的新材料[15]。

细菌纤维素对传统纤维素纸的挑战和革新将开辟信息、新闻出版媒体的新天地。

5.结语在世界人口增长与耕地有限的矛盾日益突出，资源日益短缺的情况下，细菌纤维素作为一种用途十分广泛的生物材料，蕴藏着无限商机和美好发展前景。

预计在不久的将来，细菌纤维素在中国将会发展成一个大产业，人类几千年来仅能依赖棉、麻等植物获得纤维素的历史将会改变。

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