图1.2不同的生物催化剂在是微反应器中的应用

Figure 1.2 Different biocatalysts format applied in micro-reactors

1.3.2 微流控生物被膜的研究进展

十多年前，人们一直尝试将生物被膜作为一种新型的全细胞催化剂用于化学合成，后逐步拓展到精细化学品、生物燃料和微生物电池等领域。然而大多情况下，生物被膜在反应器内无序过度生长甚至无法控制，使物料传质受阻，而降低反应效率[1]。近年来，人们探索将生物被膜应用于微反应器，如Ng等用阳离子改性蛋白cBSA-147作为静电介导将大肠杆菌E. coli BL21 star（DE3）定植在毛细管柱中，可对映选择性拆分乙酰乙酸乙酯合成R -（-）羟基丁酸乙酯[17]。但是，这些探索遇到了重重阻力，因为生物被膜在毫米甚至微米尺寸的微通道内难以固定。直到2014年，德国多特蒙德工业大学Schmid和Buehler教授课题组在微通道内定植生物被膜取得了重大突破，课题组应用分段流技术在连续流多相反应器中实现了生物被膜生长和分布的精密调控（图 1.4），使细胞生长速率提高了3至4倍，培养24 h后膜表面覆盖率超过95%，而且膜结构更加紧密（粗糙系数<1）。该技术制备的Pseudomonas sp. VLB120DC单菌膜（图1.3）催化苯乙烯环氧化反应高效生成（S）-氧化苯乙烯（ee > 99.8%）[18, 19]。这为微通道反应器内构建生物被膜提供了有效方法，也为构建微流控生物被膜提供了参考依据。

图1.3微通道中分段流技术制备的单菌膜[13, 18]

Figure 1.3 single channel membrane prepared by fractional flow technique in microchannels [13, 18]

图1.4生物被膜两相体系示意图

Figure 1.4 Schematic diagram of biofilm two-phase system

1.4 纳米粒子

1.4.1 纳米材料

随着纳米科技的迅速发展，纳米材料越来越多地应用到生产与生活中，进入环境中的量也日益增多，其对环境及人体健康的潜在风险己经引起广泛关注[3]。纳米材料（Nanomaterial）是指在维空间中至少有一维在1-100 nm的材料，包括纳米颗粒、纳米管、纳米线等纳米尺度材料。当颗粒巧寸进入纳米量级时，由于纳米颗粒的表面原子与体相总原子数之比随粒径尺寸的减小而急剧增大，其物理化学性质将发生改变，显示出强烈的体积效应、量子效应、表面效应和宏观量子隧道效应，从而使纳米材料显示出不同的特性。由于纳米颗粒的尺寸小，导致了声、光、电、磁、热力学等呈现新的特性，即小尺寸效应[20]。纳米颗粒具有很大的比表面积，其吸附、催化等与表面有关的特性明显与常规颗粒不同。此外比表面积的改变也导致一系列热力学性质的变化，如物理、化学平衡条件的变化。很多研究表明，具有纳米尺寸的物质的性质不同于组成相同的大尺寸的物质。常规尺度的金是惰性的，而纳米金颗粒表面则表现出较强的活性，可在其表面修饰或嫁接不同基团[21]。

1.4.2 纳米粒子的研究进展

随着纳米科技的发展，人工纳米材料被大量生产和应用，进入环境中的量也日益增多，其对环境化及人体健康的潜在风险已经引起广泛关注。目前对纳米材料的毒性研究已有不少，研究较多并己表现出纳米毒性的颗粒主要有碳纳米管（CNT）、富勒帰（C60)、纳米Ag、Au、TiO2、ZnO、SiO2、Al2O3、CuO和CeO2等[3]。在目前的毒性研究中，通常采用单一生物模型来评价或研究纳米材料的毒性，细菌作为单细胞生物是研究纳米颗粒毒性及对细胞或机体功能影响的最为有效的模型生物。

Sheng等[22]研究了银纳米粒子（Ag-NPs）对废水中细菌生物膜的影响。结果表明原废水中生物膜对Ag-NP处理具有高度耐受性。在200 mg Ag/L Ag-NPs情况下，采用异养板计数法测定生物膜在24 h后无显着差异。在相同条件下进行处理，去除细菌细胞外聚合物（EPS)，生物膜的生存能力下降。相比之下，当被视为浮游纯净从废水生物膜分离出来的细菌培养物对Ag-NPs非常脆弱。具有类似的初始细胞密度，大多数细菌在1 h内死亡。这里得到的结果表明EPS和微生物群落生物膜中的相互作用在控制抗微生物作用方面起重要作用银纳米颗粒。此外，缓慢的生长速度可能会增加某些细菌的耐受性银纳米颗粒