仿生材料在环境保护中的应用现状与前景

仿生材料在环境保护中的应用现状与前景

摘要：仿生材料是材料学科的一个新的研究领域，本文介绍了环境材料的研究现状，指出环境材料的合理应用在环境保护中发挥的重要作用，并从仿生材料科学与工程以及净化环境的观点介绍了仿生材料材料的主要研究研究现状及其环境保护中的应用现状与前景，并展现与生态环境协调的材料和系统的构思。 关键词：仿生材料、环境材料、环境保护 前言：

材料是直接或间接利用自然资源来制造成有用物件的物质[1],是人类社会文明进步的物质基础和先导，材料科学家把材料科学与工程定义为关于材料的组成、结构、制备工艺与其性能及使用过程间相互关系的知识开发及应用的科学[2]。长期以来，材料的生产—使用—废弃过程，可以说是一个提取资源，再大量地将废弃物排回到环境之中的恶性循环过程。在这一过程中，人们在材料设计时很少注意到自然资源和生态环境对此恶性循环的承受能力。基于此，曾汉民提出了促进可持续发展的材料设计与自然资源密切关系的模式[3]，它充分反映出材料的设计、应用与环境、资源的和谐、协调。他认为化学组成、物理结构是材料的2个基本要素，决定了材料的性质、使用性能和制备工艺。同时，这些因素与环境及资源都紧密相关且相互作用。

所谓生态材料(eeomaterials)系指从生态学角度构思与环境协调的材料。随着社会的发展，资源消耗急速增加，大量废弃物及有害物的排出，使周围环境、地球环境日益恶化。21世纪世界人口将突破100亿，为了解决资源和环境的协调问题，必定要在材料科学与工程学科的发展中反映环境意识[4]。

在环境材料中有一类是仿生材料，它指模仿生物的各种特点或特性而开发的材料。我们在现实生活中接触过许多动物与植物，他们都属于生物的范畴。在地球上所有生物都是由理想的无机或有机材料通过组合而形成，例如能够跳动80年都不停止的人类心脏，几乎不发热量的冷血昆虫。从材料化学的观点来看，仅仅利用极少的几种高分子材料所制造的从细胞到纤维直至各种器官能够发挥如此多种多样的功能，简直不可思议。因此，仿生

材料学的研究内容就是以阐明生物体的材料构造与形成过程为目标，用生物材料的观点来思考人工材料，从生物功能的角度来考虑材料的设计与制作[5]。但是迄今为止该学科未开拓的领域和未解决的问题非常之多，可以认为仿生材料学的学科体系还没有完全形成。 1、生态材料的仿生领域 1.1仿自然材料

自然界中的物质和生物经数亿年以上的进化，迄今已具有最适宜的结构。由生态材料的观点考虑，这些生物消耗适度物质和能量而生存，能适应环境，当其主要功能丧失后，转变为夭然存在的材料。如树苗吸收太阳的能量、水分、CO2及土壤中的养分成长为树木。树木死亡后细胞木质化、心材化便得到可再生的资源，其材料化过程耗能430kWh/t，要比炼铝的17000Wh/t和炼钢的2700Wh/t小得多，而且废木料燃烧时放出的热能可再利用，在自然界中废木料经细菌作用可再循环。木材和人们关系密切，因它具有高绝热性、容积比热大可调节室内气温；它的近表面的微粒子状物质的扩散反射，能很好地吸收紫外线，反射率低适应人眼的视觉；此外它为多孔性结构，含有水分和空气，而内部的空气层有吸音和隔音性能。

又如日常接触的土壤具有许多优异的功能。土壤是支撑动、植物活动的结构材料，具有通透空气和水并保持它们存在的功能；土壤中存在荷电物质故有离子交换功能。

天然材料的自然循环特性是显而易见的，如源于岩石的石材复合结构中各种矿物经水合、水解，相应成分溶解使母材解体，而残留于土壤中。这种天然物质长期的解体、再生的循环可于低负荷下进行。模仿这种材料的自然循环性，研究与开发了易解体材料。

实际上生物的形状及构成生物的骨和纤维等材料，其结构能很好地适应重力、风和生物本身的运动。这和材料的微结构、材料组成及结构密切相关。例如在非洲南部灼热气候中生长的称为Fenstraria的植物，其主体埋于地下，仅叶尖露出地面，此叶端相当于透明的窗，作为吸收光的入口，同时作为有害紫外线的滤光器，光通过叶内部的透明质均匀地在地下的叶壁分配。具有这种结构的光能变换元件，其单位表面积的变换效率甚高，现正以此为模式设计三维集成化器件。 1.2仿生过程

为有效地协调生产物与自然环境之间的生态平衡，人们研究与开发了模仿生物功能的人工过程，兹举例说明。

(1)利用细菌过程。土壤受重金属污染可用细菌处理，如人们从重金属污染的土壤中分离出镉耐性菌，将其在含50g/m3的培养导报基上培养20h，此菌可存贮27.3mg镉，该量相当于干燥菌体重的53%。亦有用六价铬耐性菌和水银耐性霉等吸收除去Cr和Hg的报道。此外利用微生物除去活性污泥中的金属，这可能与微生物所含的多糖、蛋白质、脂质和核酸等的官能基与金属结合有关。迄今地球上存在的微生物仅很少一部分被利用。极限环境(高温、强酸性、高碱性、高盐性环境、深海底和地热等)下微生物的检索、采集、培养与利用是很有意义的课题。

(2)生物吸着过程。生物吸着是指利用生物物质吸着水溶液中的金属离子使其浓缩的过程。吸着介质可为特定的菌类和藻类，其吸着量可达33-72Omg/g。此藻类和菌类的细胞壁由蛋白质和多糖类组成，其氨基、羧基、酰胺基和羟基能与金属离子结合，故生物吸着机理是在细胞表面迅速产生离子交换反应，随之进行扩散与还原以及配位反应等。调节藻类溶液的pH可改变其离子吸附特性。利用生物物质可开发出经济的金属回收方法，但需进一步研究生物生与死时吸着机理的差异。 1.3仿生科学与工程

旨在阐明自然过程的特征，且以人工的合成分子组成反应装置或机械，来模拟自然过程。以此构思金属的精制和金属化合物的合成过程。下面介绍以细抱为基本单元的物质传递控制功能，以启迪仿生的思路。

(l)选择性主动传递过程。物质经细咆膜的传递过程与一般精制和分离过程迥异。前者是以分子或离电化学位为基础的主动传递现象，对特定分子和离子传递的选择性特别受人注目。从细胞的分子生物学分析，K+在细咆内的浓度比细胞外的浓度高约20倍，Na+的浓度则相反，这是由于输运体蛋白质腺苷三磷酸酶(ATPase)将Na+向细咆外，而将K+向细胞内主动传递的结果。

为模仿细胞膜的这种选择性的主动传递过程，应设计柔性的物理或化学载体，它可使膜在低浓度侧选择性结合特定离子；而在膜的高浓度侧此离子脱离。

(2)选择性被动传递过程。细胞膜由于具有离子通道开闭的门功能，它的选择性要比一般分离膜高得多。因此，仿照生体膜的离子传递体系，可将人工离子通道预埋于脂质体中，进行Co2+的选择传递研究，开发具有开关功能的特定物质传递器件或自动控制物质传递器件。

(3)利用人工微球过程。自1965年Bangham用磷脂质制成了接近细胞膜的人工脂质双层膜以来：生体膜的物理化学发展甚快。如研究与开发了微球状封闭的双层脂质体，其大小可调节(由直径25nm的微脂质体到数μm大小的红血球)。此外，模仿生体膜又制成直径μm级的微囊，其内部的芯物质和外部环境隔离成微小容器。此芯物质微粒子分散在连续介质中，由界面聚合法成膜，膜厚可在nm到μm范围调节。上述脂质体和微囊类具有物质传递控制功能。

(4)利用膜动传递过程。细胞独特的物质传递是很有意义的现象。细胞内外的蛋白质、多糖等巨大分子通过细胞膜的变形、粘连、融合和分离可在细胞内外出入，即细胞的内摄作用和细胞排粒作用。仿照细胞膜动态传递过程虽有困难，但可启发人们构思选择效率高的浓缩装置[3]。

2、仿生材料在环境中的应用 2．1人造生物纤维

最早开始研究并取得成功的仿生材料之一就是模仿天然纤维和人的皮肤的接触感而制造的人造纤维。对蚕或者蜘蛛吐出的丝，人类自古就有很大的兴趣，这些丝纯粹是由蛋白质构成，特别是蚕丝，具有温暖的触感和美丽的光泽。二十世纪以来，人们模仿蚕吐丝的过程研制了各种化学纤维的纺丝方法，此后又模仿生物纤维的吸湿性、透气性等服用性能研制了许多新型纤维，例如，牛奶蛋白质与丙烯晴共聚纤维(东洋纺)，商品名为稀苤的高吸湿性纤维(旭化成)等等。这些产品的出现显示了人类仿造生物纤维表面细微形态与内部构造取得了成功[6]。另外人们还对蚕的产丝体进行了卓有成效的研究(日本农业生物资源研究所)，并且对蜘蛛丝也进行了研究(日本岛根大学)，研究者们期待着有朝一日能够制造出与蚕丝完全一样的人造丝。 2．2抗污染表面图层材料

“荷叶效应”和“非光滑表面理论”的同时发现和相继发展，展示了国内外学者在仿生学研究中的竞争和挑战。1971-1990年，Bonn大学植物学家Borthlott等[7]发现荷叶表面的乳状突起构型，研究其抗污染的自清洁效应，并将模仿荷叶所制备的纳米表面涂层材料应用于汽车制造工业和建筑工程（图1）。吉林大学任露泉等人20世纪80年代起开始研究蜣螂、蚯蚓、蝼蛄等所谓土壤动物体表不被粘附的问题。生物界存在着光滑和非光滑两种界面。传统上认为，界面越光滑，阻力越小，越不被粘附。任露泉等[8]发现，在一定的条件下，生物体的一定的非光滑表面具有减粘、脱附、降阻和耐磨效应。他们开发出仿生犁壁、推土板和不粘锅等系列的减粘脱附仿生产品（图2）。

图1荷叶表面的乳状突起和污染的自清洁效应（仿Barthlott等，1997）.左：荷叶表面排污现象；中：荷叶表面的乳状突起；右：仿荷叶涂料的自清洁效应，其中左侧为普通涂料，右侧为仿荷叶涂料（4年后） 2．3仿生材料对水体中POPs的富集

POPs是指持久存在于环境中，通过食物网积聚，并对人类健康及环境造成不利影响的化学物质，具有持久性、生物累积性、长距离大气传输性和毒性。近几十年来，国内外饮用水源水中发现存在持久性有机污染物[9-11]。检测到的POPs在水体中浓度很低，甚至在ng/L~pg/L的浓度级[12-13],直接导致了监测和有效去除的困难。所以开发新型的富集材料来实现有效监测和去除POPs就显得非常重要。

在职业病毒理学和环境毒理学方面，皮肤一般被认为是有毒物质被摄入的通道。因此皮肤作为一种能够吸收有毒物质的膜受到了关注。早在1988年，Joy Houk和Richard H.Guy[14]在他们关于皮肤渗透研究模型回顾中详细介绍了1988年以前在仿皮肤渗透膜方面取得的一些研究进展。

Huckins等设计了包含三油酸甘油酯的半透膜采样器(Triolein-SPMDs)应用于环境污染监测[15]，是基于模拟生物、替代生物进行环境监测构思的基础上加以设计的。低密度聚乙烯薄长带为半渗透膜，三油酸甘油酯涂布于带内，整个结构为“三明治状”层叠式。大多数的有机污染物分子通过被动扩散的方式进入膜材料并在三油酸甘油酯内得到富集。疏水性的聚乙烯薄膜表面对水分子的排斥作用导致溶解态的疏水性有机污染物通透能力差，减慢了富集速度。为此一系列以亲水性的高分子膜内嵌三油酸甘油酯的复合膜得到开发。

包含类脂的取样器件能够长期富集水体中的有毒有机污染物，适用于环境中低剂量的POPs富集分离检测，在环境监测中得到了广泛的应用。 3展望

以上概要地介绍了生态材料的主要研究领域、现状及今后的发展趋势。先进国家自由市场经济的发展是以地球环境的破坏为代价的。现今环境意识已逐步为人们所共识，技术与环境的协调将促进文明。随环境经济的提出，生态材料的研究与开发刻不容缓地摆在人们面前，实际上以仿生科学与工程为基础的生态材料学的发展必将促进材料科学与工程学科的发展，无疑地将促进经济发展，并造福人类。 参考文献

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/5bmo.html