细菌也能产“丝”?关键是用处还不少

提起自然中的“丝”,我们很容易想起蚕丝、藕丝、蜘蛛丝,它们与我们生活联系紧密。比如蚕丝,数千年前就开始利用它制作服饰;藕丝不仅存在于美味可口的食物藕内,而且在荷梗、莲蓬中也都有;蜘蛛丝则多隐藏在房前屋后小树林中,时时刻刻准备糊我们一脸。

除了这些由动物或植物产生的丝之外,其实那些微小到我们肉眼看不见的细菌也能产“丝”——细菌纤维素。

什么是细菌纤维素?

细菌纤维素主要由醋酸杆菌、农杆菌等细菌合成,本质上是它们的细胞外多糖,是它们保护自己的一种手段。

细菌纤维素电镜照片 图片来源:作者拍摄

细菌纤维素具有很多优点,比如纯度高、强度高、可塑性好、保水能力强等,因此在生物技术和材料科学上都具有很广泛的应用前景。但由于过去我们对这种材料了解极为有限,所以主要把它用来制作食品,例如大家都非常熟悉的椰果!

椰果是每一个奶茶店的常备材料,很多人非常喜欢吃这种优质天然膳食纤维 图片来源:wikipedia

随着我们对细菌纤维素的了解越来越深入,也就越发希望将它广泛应用起来。

比如它具有良好的生物相容性和可降解性,当前面对全球塑料污染的严峻环境挑战,这些特性让它可作为一种用于生产可降解塑料的材料,有助于缓解塑料污染的问题。

细菌纤维素膜降解情况 图片来源:作者拍摄

已有研究证明,改良的细菌纤维素可以用于替代传统塑料,例如利用细菌纤维素复合材料制作的可降解吸管,它的耐热性、抗张强度、弯曲强度等都明显优于目前商用疏水涂层纸吸管,且价格低廉,在解决白色污染方面有很大的潜力。

用细菌纤维素制造的吸管,相比纸吸管和塑料吸管具有很多优点。其不易在冷热水中变软,也很容易在自然条件下分解,是一种非常有前景的新材料 图片来源:参考文献[1]

此外,细菌纤维素在造纸、声学、医学等多个行业中也都有重要的用途。比如在造纸行业,由于其强度高,在制作超强纸的时候会作为重要的添加成分使用;在声学领域,由于其对声音振动传导快、内耗低,被用于制作高保真扬声器和耳机的振动膜。

在医学领域,它已经过测试并成功用作伤口敷料,特别是在烧伤病例中被广泛运用。研究表明,用细菌纤维素覆盖物治疗的烧伤比传统治疗愈合得更快,疤痕更少。

这是因为纤维素同时具备保水能力和渗透性,高保水能力保持伤口湿润的同时,高渗透性能让伤口渗出物及时排出并透气。

用作伤口敷料的细菌纤维素 图片来源:参考文献[2]

由于细菌纤维素的应用越来越广,人们对它的需求越来越强烈。传统细菌纤维素的生产主要依赖椰子汁,但受到原料来源和成本的限制,使得细菌纤维素的生产难以满足目前的需求,所以寻找低成本原料和高效低能耗的生产方式是解决问题的关键。

如何获得细菌纤维素的原料?

通过分子选育,可以筛选获得以葡萄糖为原料能够高产细菌纤维素的菌株;并通过改良它的发酵条件,能够显著地提高细菌纤维素的产量,同时降低生产成本和能耗。

筛选高产菌株(右侧具显著优势)图片来源:作者拍摄

高产菌株在烧杯中发酵 图片来源:作者拍摄

培养过程中,将木葡糖醋酸杆菌的单个菌落接种到少量培养基中振荡培养获得种子液;然后把种子液接种到富含糖类的发酵培养基中,静置培养。

看似静止,实际上菌体是在不断运动的,木葡糖醋酸杆菌分泌细菌纤维素犹如蚕吐丝一样,分泌的纳米级细菌纤维素微纤维会先像拧麻绳一样拧成单根细菌纤维素纤维,然后由无数根细菌纤维素纤维交错纵横形成细菌纤维素的三维网状结构——细菌纤维素膜。

细菌纤维素的制备 图片来源:作者制作/参考文献[3]

一般来说,培养时间越长细菌纤维素膜越厚。合成的细菌纤维素通常经过洗涤或其它后处理,除去残余的培养基和菌体,可以得到果冻状的细菌纤维素产品,将生产的细菌纤维素烘干失水后,就能成为一张形似塑料薄膜的优质材料。

成品细菌纤维素膜 图片来源:作者拍摄 注:a. 刚脱离培养液的细菌纤维素膜;b. 处理后的细菌纤维素膜干膜。

总而言之,目前细菌纤维素的生产尚不具备大规模地商业化能力,而开发成本更低、产量更大的细菌纤维素规模化生产方式还需要进一步探索。

相信随着对细菌纤维素研究程度的加深,我们除了可以在日常生活中吃到之外,在未来还可以用上细菌纤维素纸、细菌纤维素袋、细菌纤维素衣服等等。

出品:科普中国

作者:系统微生物工程研究组(中国科学院青岛生物能源与过程研究所)

监制:中国科普博览

编辑:王婷婷

参考文献:

[1] Yang HB, Liu ZX, Yin CH, et al. Edible, Ultrastrong, and Microplastic‐Free Bacterial Cellulose‐Based Straws by Biosynthesis[J]. Advanced Functional Materials, 2022, 32(15): 2111713.

[2] Sabbagh F, Muhamad II, Pa’e N, et al. Strategies in improving properties of cellulose-based hydrogels for smart applications[M]//Cellulose-Based Superabsorbent Hydrogels. Springer, Cham, 2019: 887-908.

[3] Gao MH, Li J, Bao ZX, et al. A natural in situ fabrication method of functional bacterial cellulose using a microorganism[J]. Nature communications, 2019, 10(1): 1-10.

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