石墨烯改造纖維用于紫外線誘導(dǎo)的光催化去除藍(lán)藻藻華

生物醫(yī)學(xué)材料Frontierr

光催化技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中面臨催化劑回收困難、粉末狀光催化劑易造成二次污染等挑戰(zhàn)，限制了其在有害藻華治理領(lǐng)域的推廣。本研究通過(guò)將石墨烯原位聚合于聚酯纖維表面，成功開(kāi)發(fā)出石墨烯改性纖維（GMF）作為光催化劑，并應(yīng)用于藍(lán)藻水華的滅活控制。在紫外照射下，GMF表現(xiàn)出穩(wěn)定的光催化性能，可持續(xù)抑制銅綠微囊藻生長(zhǎng)（抑制率達(dá)56.4%），并降解18.4%的微囊藻毒素-LR。GMF引發(fā)的強(qiáng)氧化應(yīng)激導(dǎo)致細(xì)胞結(jié)構(gòu)損傷、光合活性抑制，同時(shí)提升抗氧化酶活性及非酶抗氧化物質(zhì)水平。GMF吸收充足能量誘發(fā)帶間躍遷，產(chǎn)生羥基自由基直接參與細(xì)胞內(nèi)氧化還原反應(yīng)。雖然石墨烯組分對(duì)氮磷具有吸附作用，但研究確認(rèn)光催化途徑是抑制藻類生長(zhǎng)和降解藻毒素的主導(dǎo)機(jī)制。在連續(xù)流反應(yīng)器和中試圍隔實(shí)驗(yàn)中，0.2%濃度的GMF對(duì)藍(lán)藻生長(zhǎng)的抑制率達(dá)到61.5%–92.2%。這些結(jié)果表明，GMF為有害藻華治理及藻毒素同步去除提供了一種綠色高效的解決方案，為石墨烯基光催化材料在環(huán)境治理中的實(shí)際應(yīng)用奠定了前瞻性基礎(chǔ)。

藍(lán)藻水華是當(dāng)前全球水體面臨的一大環(huán)境挑戰(zhàn)，其暴發(fā)不僅破壞水生生態(tài)平衡，還會(huì)釋放藻毒素，威脅飲用水安全與人體健康。傳統(tǒng)治理方法如物理打撈、化學(xué)殺藻和生物調(diào)控等，或效率有限，或易造成二次污染，難以兼顧高效與環(huán)保。近年來(lái)，光催化技術(shù)以其高效、清潔的特點(diǎn)備受關(guān)注，但粉狀光催化劑易流失、難回收的問(wèn)題制約了其實(shí)際應(yīng)用。針對(duì)這一瓶頸，一項(xiàng)發(fā)表于《Chemical Engineering Journal》的研究提出了一種創(chuàng)新解決方案：通過(guò)原位聚合法將石墨烯牢固負(fù)載于聚酯纖維上，制備出具有光催化功能的石墨烯改性纖維，為實(shí)現(xiàn)藍(lán)藻及其毒素的同步綠色治理提供了新思路。

該研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的石墨烯改性纖維（GMF）采用化學(xué)鍵合方式，在聚酯纖維基質(zhì)中均勻分散石墨烯片層，形成穩(wěn)定的復(fù)合結(jié)構(gòu)。這種設(shè)計(jì)不僅保留了石墨烯優(yōu)異的光電特性與吸附能力，還克服了粉體材料易流失、難分離的缺點(diǎn)，極大提升了材料的實(shí)用性與環(huán)境安全性。

實(shí)驗(yàn)表明，在紫外光照射下，GMF能有效抑制典型藍(lán)藻——銅綠微囊藻的生長(zhǎng)，并對(duì)其特征毒素微囊藻毒素-LR 表現(xiàn)出降解能力。隨著石墨烯負(fù)載量增加，光催化效果進(jìn)一步增強(qiáng)。當(dāng)石墨烯負(fù)載量為2%時(shí)，GMF對(duì)藻細(xì)胞生長(zhǎng)的抑制率可達(dá)56.4%，對(duì)微囊藻毒素-LR的降解率達(dá)18.4%。在連續(xù)流反應(yīng)器及太湖實(shí)地圍隔實(shí)驗(yàn)中，GMF也展現(xiàn)出良好的實(shí)際應(yīng)用潛力，抑制率最高可達(dá)92.2%。

示意圖

機(jī)理研究揭示，GMF在紫外光激發(fā)下產(chǎn)生羥基自由基，這是其發(fā)揮效用的關(guān)鍵活性物種。羥基自由基攻擊藻細(xì)胞膜，引發(fā)脂質(zhì)過(guò)氧化，破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)完整性。同時(shí)氧化細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)與光合色素，干擾光合作用系統(tǒng)，抑制能量代謝。盡管藻細(xì)胞會(huì)啟動(dòng)抗氧化酶系統(tǒng)進(jìn)行防御，但無(wú)法完全抵消GMF產(chǎn)生的強(qiáng)烈氧化應(yīng)激，最終導(dǎo)致細(xì)胞生長(zhǎng)受阻乃至死亡。此外，石墨烯組分還能吸附水體中的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，間接抑制藻類生長(zhǎng)，但光催化途徑被證實(shí)是主要的抑制機(jī)制。

除了高效的光催化性能，GMF還表現(xiàn)出良好的機(jī)械穩(wěn)定性與環(huán)境相容性。長(zhǎng)時(shí)間紫外照射后其力學(xué)性能未發(fā)生明顯下降，且實(shí)驗(yàn)證實(shí)其在作用過(guò)程中無(wú)石墨烯脫落，對(duì)水生模式生物大型蚤無(wú)急性毒性，避免了二次污染風(fēng)險(xiǎn)。聚酯纖維載體賦予材料良好的柔韌性與可加工性，易于組裝成各種形式的反應(yīng)組件，為實(shí)際水體的模塊化、可回收治理提供了便利。

綜上所述，這項(xiàng)研究不僅成功構(gòu)建了一種新型、穩(wěn)定、易回收的光催化纖維材料，更系統(tǒng)闡釋了其對(duì)藍(lán)藻生長(zhǎng)抑制與毒素降解的雙重作用機(jī)制。石墨烯改性纖維將光催化技術(shù)的優(yōu)勢(shì)與纖維載體的實(shí)用性相結(jié)合，為應(yīng)對(duì)藍(lán)藻水華這一全球性環(huán)境問(wèn)題提供了一條綠色、高效且具有實(shí)際應(yīng)用潛力的技術(shù)路徑，在湖泊、水庫(kù)等水體的生態(tài)修復(fù)與長(zhǎng)效治理方面展現(xiàn)出廣闊前景。

來(lái)源：生物醫(yī)學(xué)材料Frontier