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水資源在人類生活中至關重要，但由於工業化和人口增長等原因，全球皆面臨水資源污染和短缺的問題。為此，發展可持續且高效的水處理技術越來越受關注。工程生物材料(Engineered Living Materials, ELMs)¹的應用對於改善水質、去除污染物和處理廢水，提供了一種環境友善且可持續的解決方案。本文將概述工程生物材料的特性(圖1.)及其在水處理領域的主要應用現況與未來發展。

圖1. 工程生物材料的特性¹
 

工程生物材料利用生物系統的適應性反應、自我複製潛力和穩定性來對新型材料進行編程和組裝。該材料可以通過遺傳工程、物理空間調控或生化學手段進行工程設計，並且可以設計用於多種功能應用；這些工程生物材料可以用作微型至大規模的結構材料，供作為一種將合成材料與生物系統(biological systems)集成的生物混合架構，或用於生物催化或毒素封存等特殊應用。首先，就目前較高的技術成熟度及市場普及率而言，以下是工程生物材料在水處理領域的主要應用：

1. 生物濾床²：廣泛應用於污水處理和水質改善。透過利用工程生物材料如生物膜或生物顆粒固定在固體載體上，形成具有高活性微生物表面，能夠降解有機物、去除污染物和提升水質；常見的應用包括植物性濾床用於分散式污水處理和二次水再利用。
2. 生物吸附劑³：工程生物材料作為吸附劑用於去除水中的污染物。活性碳和生物炭是常見的生物吸附劑，能有效吸附有機物和重金屬離子；可應用於污水處理廠和飲用水處理中，去除有害物質。
3. 微生物燃料電池(microbial fuel cells)⁴：利用微生物的代謝活動產生電力的技術。工程生物材料作為陽極提供優越的表面結構支持微生物生長和活性，並從有機廢水中產生電力。多應用於有機廢水處理同時發電。
4. 仿生膜³：以生物體的組織型態和功能運作原理為設計靈感；仿生膜具有選擇性通透、抗污染和高效分離等特色能力。在水處理中的應用包括反滲透膜、超過濾膜、親水性膜和生物仿生膜，用於淡化海水、處理工業廢水及生產飲用水等。

除了上述較成熟的應用外，通過不斷的改進和研究，工程生物材料在水處理領域的應用仍在不斷擴大。以下舉出一些發展中的應用：(1)生物降解材料 - 某些工程生物材料具有生物降解性質，可以用於處理生物可降解廢水和有機污染物。這些材料在接觸水中的有機物時會進行降解，將其轉化為環境友善的產物。(2)生物濃縮技術 - 工程生物材料可以被利用來濃縮水中的污染物。這些材料可以吸附或降解污染物，從而將其濃縮在材料中，方便進一步處理和處置。(3)生物膜技術- 利用工程生物材料形成的生物膜可以用於處理廢水中的有機物和污染物。這些生物膜可以在固體表面上生長，形成微生物社區，高效地去除污染物。(4)微生物群落工程 - 利用工程生物材料調節和控制水中的微生物群落，以提高水處理效能。這涉及選擇性地固定或移除特定類型的微生物，以改善水質和提高處理效果。

    工程生物材料在水處理技術中的應用具有重要意義。該材料提供了一種可持續且環境友善的新穎對策。生物濾床、生物吸附劑、微生物燃料電池和仿生膜等應用技術展示了工程生物材料在水處理領域的廣泛應用性。這些應用不僅可以提高水處理程序效率，還能減少對傳統化學處理方法的依賴，從而實現更可持續和經濟的水資源管理。未來，隨著科學技術的不斷進步，工程生物材料將繼續在水處理技術中發揮重要作用，為人類社會創造更清潔、更健康的水環境。

【參考文獻】
1. Nguyen PQ, Courchesne ND, Duraj-Thatte A, Praveschotinunt P, Joshi NS. Adv Mater. 2018 May;30(19):e1704847.
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4. Gul H, Raza W, Lee J, Azam M, Ashraf M, Kim KH. Chemosphere. 2021 Oct;281:130828.

撰寫人：王嘉宏
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