ACS编辑精选！中科院过程所/东北林大ACS Appl. Eng. Mater.：活体乳液及其应用前景

传统乳液是由不 互溶 的 水油两组组分混合而成，并由诸如表活剂、高分子、 纳米颗粒等稳定的 经典胶体体系。 近些年来，随着人们对 胶体系统认知的进一步 深化，以及对活体材料（ living matter ）的 广泛兴趣， 一种名为 “活体乳液 （ living emulsion ） ” 的创新体系在胶体科学与微生物学的交叉领域崭露头角。 基于此 ，中国科学院过程工程研究所卢翊研究员与东北林业大学宦思琪教授合作， 在 《ACS Applied Engineering Materials》 期刊上 发表 了题为 “Living Emulsions: Role and Functionality of Active Bacteria in Multiphase Systems” 的 前沿 综述 ，并入选 ACS Editors ’ Choice 文章。该体系突破传统乳液依赖化学稳定剂的局限，借助活体微生物的代谢活性与功能表达，赋予体系传统乳剂所不具备的动态响应特性与环境适应调控能力，为绿色化学发展提供新思路。

文章 主要从细菌在 活体乳液 中的三重角色 —— 界面稳定剂、 生物制造者和生物媒介 ， 深入解析其多重角色的科学机制，并探讨了其潜在应用价值。

图 1 ：细菌在活体乳液中同时充当 Pickering 稳定剂、生物 制造 者 和污染物降解者

文章首先就细菌作为 Pickering 稳定剂进行了介绍。 Pickering 乳液的稳定性受颗粒润湿性，颗粒大小等性质影响，接触角是关键参数，接触角小于 90° 的亲水性颗粒主要用于稳 定水包油乳液，大于 90° 的疏水性颗粒常用于稳定油包水乳液。颗粒从该界面分离所需的解吸能（ Δ E ）与接触角相关，如 方程 1 所示

Δ =−π 2 γ(1−| COS θ |) 2 ( 1)

其中 r 为颗粒粒径， γ 为油 - 水界面张力， θ 为接触角

细菌细胞大小和表面疏水性满足方程 1 中的需求因此细菌可作为有效的 Pickering 颗粒稳定活乳液，其在油水界面的吸附取决于细胞表面的物理化学性质，而微生物稳定的 Pickering 乳液存在差异，主要与微生物的形态、分泌的化学物质和表面接触角等生物活性特征有关 。 此外，细菌的疏水性 （图 2a ）以及 释放的生物表面活性剂等也会对乳液产生影响 。 目前，细菌 作为 Pickering 颗粒 稳定的泡沫（图 2b ）和乳液（图 2c ）已经获得了一定的研究。

图 2 ：活细菌被用作皮克林稳定剂

文章随后对细菌在界面作为制造者进行了介绍。 主要 通过在水相中添加营养物质，在油相中提供氧气 ，使得细菌的活动转移到水油界面，在界面处进行生命活动以制造物质，相较于传统的空气 - 水界面，有油层充当物理屏障可以有效的防止蒸发和污染。文章中以好氧菌 K. medellinensis 为例，其通过在油相中获取溶解氧在界面形成 BNC 膜，增强活乳液的稳定性（图 3a ），除此之外还对 BNC 产率与油中的氧溶解度的关系（图 3b ）以及利用界面生物制造技术生产微胶囊（图 3c ）和弹性凝胶（图 3d ）进行了展示。

图 3 ：活乳液中的多相生物制造

文章还对细菌作为界面催化剂进行了介绍（图 4 ），生物催化具有选择性高、反应条件温和、环境友好等特点，但全细胞生物催化剂仍然具有明显的缺点：它们通常仅在水性环境中表现出活性，而许多底物在此类环境中的溶解度有限。而细菌稳定的 Pickering 乳液可以将催化活性细菌定位在油 - 水界面，从而显著增加液 - 催化剂 - 液界面面积，从而降低底物向催化剂扩散的阻力，并允许油溶性和水溶性反应物在界面处有效相互作用，从而显著提高反应速率和催化效率。

图 4 ： Pickering 乳液界面催化示意图

细菌 还可作为生物 治理 媒介 ， 在环境治理 方面 展现出较强的能力，如 专性碳氢化合物碎屑细菌 (OHCB) 是海洋环境中普遍存在的一类独特细菌。这些细菌具有独特的能力，能够将碳氢化合物作为唯一的碳源和能源来维持生存。在正常情况下，由于碳氢化合物相对稀缺， OHCB 的密度保持在较低水平。在发生石油泄漏等特殊情况时， OHCB 能够以更快的速度增殖，胜过其他细菌，成为主要的微生物群落 ，这类细菌在增值时可以有效降解油相以实现污染物降解。 文章以 Alcanivorax borkumensis SK2 （图 5 ）为例介绍了这类细菌在环境治理中的应用 。

图 5 ： Alcanivorax borkumensis SK2 在降解油时界面生物膜的变化

最后文章对活乳液进行了展望 ： 活乳液是新兴的多相系统，它利用细菌作为活性胶体来实现动态稳定、材料生物合成和污染物降解。它们的代谢活动能够实时调节界面特性，例如自修复生物膜和 pH 驱动的结构变化。未来，在农业领域，可以提高植物促生长细菌的存活率，并实现农药和生物制剂的联合递送。在食品工业中，可应用于开发新型功能性食品，增强食品稳定性。在生物技术领域，它可以为生物催化和其他应用等提供一个新的平台。生物制造应用利用油 - 水界面处的细菌纳米纤维素（ BNC ）生产，产生可调结构，例如分层水凝胶、微胶囊和乳凝胶。这些结构对于构建高度仿生的组织工程支架具有很大的前景，从而为器官修复和再生医学的发展做出重大贡献。 专性碳氢化合物碎屑细菌 通过生物膜介导的界面管和酶降解来加强溢油修复。生命系统的整合提供了环保优势，包括可生物降解和减少对合成稳定剂的依赖。通过连接胶体科学和微生物学，活性乳液为环境、工业和生物医学领域的适应性、可持续技术铺平了道路，释放了微生物作为功能性、响应性胶体的潜力。

来源：高分子科学前沿

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