石墨烯改造纖維用于紫外線誘導的光催化去除藍藻藻華

生物醫(yī)學材料Frontierr

光催化技術(shù)在實際應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。本研究通過將石墨烯原位聚合于聚酯纖維表面，成功開發(fā)出石墨烯改性纖維（GMF）作為光催化劑，并應用于藍藻水華的滅活控制。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（抑制率達56.4%），并降解18.4%的微囊藻毒素-LR。GMF引發(fā)的強氧化應激導致細胞結(jié)構(gòu)損傷、光合活性抑制，同時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胞內(nèi)氧化還原反應。雖然石墨烯組分對氮磷具有吸附作用，但研究確認光催化途徑是抑制藻類生長和降解藻毒素的主導機制。在連續(xù)流反應器和中試圍隔實驗中，0.2%濃度的GMF對藍藻生長的抑制率達到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)境治理中的實際應用奠定了前瞻性基礎(chǔ)。

藍藻水華是當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，光催化技術(shù)以其高效、清潔的特點備受關(guān)注，但粉狀光催化劑易流失、難回收的問題制約了其實際應用。針對這一瓶頸，一項發(fā)表于《Chemical Engineering Journal》的研究提出了一種創(chuàng)新解決方案：通過原位聚合法將石墨烯牢固負載于聚酯纖維上，制備出具有光催化功能的石墨烯改性纖維，為實現(xiàn)藍藻及其毒素的同步綠色治理提供了新思路。

該研究團隊開發(fā)的石墨烯改性纖維（GMF）采用化學鍵合方式，在聚酯纖維基質(zhì)中均勻分散石墨烯片層，形成穩(wěn)定的復合結(jié)構(gòu)。這種設(shè)計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，極大提升了材料的實用性與環(huán)境安全性。

實驗表明，在紫外光照射下，GMF能有效抑制典型藍藻——銅綠微囊藻的生長，并對其特征毒素微囊藻毒素-LR 表現(xiàn)出降解能力。隨著石墨烯負載量增加，光催化效果進一步增強。當石墨烯負載量為2%時，GMF對藻細胞生長的抑制率可達56.4%，對微囊藻毒素-LR的降解率達18.4%。在連續(xù)流反應器及太湖實地圍隔實驗中，GMF也展現(xiàn)出良好的實際應用潛力，抑制率最高可達92.2%。

示意圖

機理研究揭示，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胞膜，引發(fā)脂質(zhì)過氧化，破壞細胞結(jié)構(gòu)完整性。同時氧化細胞內(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。盡管藻細胞會啟動抗氧化酶系統(tǒng)進行防御，但無法完全抵消GMF產(chǎn)生的強烈氧化應激，最終導致細胞生長受阻乃至死亡。此外，石墨烯組分還能吸附水體中的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)，間接抑制藻類生長，但光催化途徑被證實是主要的抑制機制。

除了高效的光催化性能，GMF還表現(xiàn)出良好的機械穩(wěn)定性與環(huán)境相容性。長時間紫外照射后其力學性能未發(fā)生明顯下降，且實驗證實其在作用過程中無石墨烯脫落，對水生模式生物大型蚤無急性毒性，避免了二次污染風險。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組件，為實際水體的模塊化、可回收治理提供了便利。

綜上所述，這項研究不僅成功構(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)闡釋了其對藍藻生長抑制與毒素降解的雙重作用機制。石墨烯改性纖維將光催化技術(shù)的優(yōu)勢與纖維載體的實用性相結(jié)合，為應對藍藻水華這一全球性環(huán)境問題提供了一條綠色、高效且具有實際應用潛力的技術(shù)路徑，在湖泊、水庫等水體的生態(tài)修復與長效治理方面展現(xiàn)出廣闊前景。

來源：生物醫(yī)學材料Frontier