细菌纤维素（BC）作为一种由微生物合成的天然高分子材料，具备超细纳米网络结构、优异的持水性、卓越的机械性能和生物相容性，目前在膳食纤维、医美基材等领域已经产业化，同时也可以经过修饰后用于采油、硝化棉、荧光材料等众多棉纤维和塑料替代领域。

  随着全球塑料污染问题日益严峻，开发可降解、可持续的生物塑料已成为材料科学与生物技术领域的研究热点。中国科学院青岛生物能源与过程所张海波研究员团队在细菌纤维素的研究与应用方面奠定了良好的基础。研究组开发了微生物发酵原位合成功能性细菌纤维素材料的制备方法，实现了荧光功能纤维素材料的微生物合成（Nature Communications, 2019），成功的将合成生物学拓展到材料功能化领域，为新型生物材料的创制开辟了新途径。此外，还相继开发出具备导电、保鲜、增塑（ACS Applied Materials & Interfaces, 2025）、吸附（Journal of Cleaner Production, 2025）、屏蔽（Journal of Materials Chemistry A, 2025）等多样化功能的细菌纤维素复合材料。

  2026年3月25日，基于在该领域的研究，青岛能源所张海波研究员团队在Nature Communications上发表了题为“Bacterial cellulose as a promising biodegradable bioplastic for sustainability”的综述文章，系统阐述了BC作为可降解生物塑料的研发进展和未来发展前景。文章介绍了BC的合成、改性-结构-性能关系、环境影响、技术经济分析及其对促进循环经济的贡献，重点阐述了BC作为生物塑料的潜力，并探讨了其当前局限性及可行解决方案。张海波研究员为该文章的通讯作者，严逸海、刘丽娟、王帆为共同第一作者。研究得到国家自然科学基金、泰山学者项目的支持。

BC的生产、结构与性质

  BC的合成主要依赖Komagataetbacter等微生物，目前高产率常依赖椰子水等水果基原料，导致成本较高；通过利用工农业副产品、优化发酵条件与代谢工程，有望降低生产成本。培养方式上，静态培养生成致密膜，结晶度和机械强度高，产量更优，而搅拌培养虽促进细菌增殖、利于规模化，但产物机械性能较弱。后处理过程简便，常用稀碱纯化、水洗至中性，可完全干燥或保留水凝胶特性，所得材料固含量虽不足1%，却几乎为纯纤维素，无杂质干扰（图1）。结构上，BC通过强氢键形成三维纳米纤维网络，赋予其高比表面积、优异力学性能（杨氏模量可达78 GPa）以及良好的生物相容性；在自然环境中可快速完全降解，而在人体内因缺乏纤维素酶而保持稳定，适合用于一次性环保材料和长期植入式医疗器械。

图1 BC的结构、生产、形态和纯化。

BC的改性-结构-性能关系

  尽管BC本身已具备优异的性能，但为进一步发挥其潜力、满足不同应用场景的特定需求，研究者仍采用了多种增强技术。这些技术主要涵盖对孔隙率、结晶度、化学结构及功能性的调控，通常可分为非原位改性、原位改性，以及工程活体材料（ELMs）三类（图2）。其中，非原位改性主要包括化学改性和复合材料制备；复合材料根据添加材料类型，可进一步分为合成聚合物、天然聚合物、碳基纳米材料、以及金属或金属氧化物复合材料。原位改性则是在BC生产过程中引入外源材料。ELMs通过将产纤维素细菌与其他工程菌株共培养实现，也可归入原位改性范畴。

  BC基材料的性能由其从分子到宏观尺度的多级结构决定。BC固有的纳米纤维三维网络具有高孔隙率、丰富的羟基和高结晶度，构成一个多功能支架。其结构与性能进一步取决于改性方法及所引入的添加剂。例如：间隙填充（如PLA/PEG）可致密化网络、降低孔隙率，从而减少扩散性并提升阻隔性能；纳米颗粒负载（如Ag/CNT）通过在BC纤维上修饰功能性纳米颗粒，赋予材料导电或抗菌等特性；多层堆叠（如PVA/SA/BC）通过逐层叠加不同材料或交联层，实现界面增强，提高力学强度；化学交联（如壳聚糖）则利用交联剂与BC纤维形成氢键网络，进一步致密结构。因此，通过调控添加剂、改性技术及界面设计，可精确构建BC的多尺度结构，从而面向特定应用实现功能特性的可调控制。

图2 BC的改性。

BC作为替代塑料的生物塑料

  BC兼具优异的物理与化学特性，如高机械强度、可生物降解性、生物相容性，以及在生产、纯化和改性方面的良好适应性，使其成为未来多种塑料应用中具有前景的可持续替代材料。然而，尽管潜力巨大，BC作为可降解生物塑料的商业化仍处于起步阶段，主要受限于较高的生产成本。现有研究表明，BC在一次性产品中展现出良好的替代潜力，如吸管、包装材料、食品级塑料及特种纸（图3）。

  先进的改性策略进一步拓展了BC在基础生物塑料之外的应用。例如，其光学与电学性能可按需定制，应用于超级电容器、电池隔膜、声学材料及面向人工智能的可穿戴设备等高科技领域。在医疗方面，具有抗菌功能的BC在伤口敷料、面膜等产品中已实现商业化，成为替代传统塑料的重要组成部分。此外，在农业与纺织领域，性能增强的BC同样展现出替代传统材料的潜力，如地膜与功能性织物（图3）。上述应用充分体现了BC的多功能性与广泛应用前景，是推动多个行业创新与可持续发展的重要材料。

图3 BC的部分改性与塑料应用。

BC对环境和循环经济的影响

  BC在生物基聚合物中具备独特优势，例如在全生命周期内碳足迹较低，且与循环经济理念高度契合，展现出显著的环境效益。基于对各类聚合物的技术经济分析（TEA），BC作为生物塑料替代材料展现出适度的经济可行性，其成本受原料价格、发酵时间及干重产率等因素的显著影响，提示了潜在的降本方向，如优化发酵条件、提高产率或采用更廉价的底物。总体而言，BC的广泛推广有助于减少对化石基塑料的依赖、降低污染、减轻生态损害，从而增强环境可持续性。其可生物降解与可再生的特性，为向循环经济转型提供了支撑，而广泛的应用前景也使其成为可持续发展领域中的重要材料。

展望与未来前景

  BC因其可生物降解、环境友好、可持续且性能优异，正成为一种高潜力的生物塑料，有望替代传统化石基塑料。其富含羟基的纳米纤维结构便于功能化，可赋予材料光学、磁性、催化及抗菌等先进性能，从而在缓解塑料污染方面实现多种应用。在一次性塑料领域，如食品包装和餐具，BC表现出良好的机械强度；其功能化材料则适用于电池隔膜、生物传感器等高技术领域。在生物医学方面，BC凭借良好的生物相容性用于伤口敷料和组织支架；农业应用则显示出优于聚乙烯地膜的环境效益，为作物生产和土壤管理提供了可持续替代方案。在纺织品领域，BC尤其适用于功能性纺织品，因其独特的可修饰性展现出良好前景。

  尽管前景广阔，BC在工业规模的商业化仍面临显著挑战，其规模化生产成本，尤其是原材料与加工费用，仍是商业化的主要障碍。应对策略包括：利用具有成本效益的农业或工业副产物作为发酵原料；通过诱变或基因工程开发高产菌株，提高其抗逆性及对废弃碳源的利用能力；系统优化培养条件与发酵工艺；与现有塑料制造体系整合，推进如溶解/再生等加工方法。此外，BC在干燥条件下延展性差、易脆，限制了其结构应用，而添加增塑剂的复合材料可提高柔韧性并降低玻璃化转变温度。

  目前，BC已在面膜、伤口敷料等特定领域实现商业化。面向未来，解决其广泛工业应用中的挑战需综合运用多种技术手段，尤其是系统性的生物工程方法。随着研究的持续深入，BC材料有望大幅减少对化石基塑料的依赖，缓解塑料污染及其他环境影响，推动材料体系向更可持续、更环保的方向发展。

  原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-71025-7