武汉大学团队在废弃生物质材料构建去除微塑料污染方面取得系列进展

近日，国际权威期刊《科学进展》（Science Advances）、《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）和《美国化学会纳米》（ACS Nano）连续刊发了资源与环境科学学院邓红兵教授团队在全生物质纤维框架材料去除水中微塑料污染方面取得的系列进展。

微塑料一般指直径小于5毫米的塑料颗粒，微塑料污染已成为国际社会高度关注的环境问题。由于亚微/纳米级的微塑料极难被现有污水处理手段有效拦截，相当一部分最终汇集到自然水体中，对生物和自然环境构成极大的隐患，研究能高效去除微塑料的新型环境友好材料迫在眉睫。以甲壳素、纤维素为代表的生物质纤维因其来源广泛、生物可降解等特点而在环境修复应用中备受关注。然而，由于微塑料种类繁多、分布广泛、底数不清，其与捕集材料间构效关系很难理清，导致其捕集效率低，严重制约了微塑料去除材料的构建。

针对上述问题，武汉大学团队采用自上而下的“多级结构暴露”策略，将废弃小龙虾壳制备成天然纤维束骨架和捕获位点双重暴露的三维多孔小龙虾壳，实现了其对水中小尺寸微塑料的捕获性能，并研究了捕获纳米塑料后多孔小龙虾壳的可持续应用，形成了“以废治废”的绿色循环后处理。相关成果发表在《美国化学会纳米》（ACS Nano）上，刘方恬博士和博士后吴洋为论文共同第一作者，邓红兵教授和陈朝吉教授为共同通讯作者。

随后，利用“氢键诱导重排”和“多级结构暴露”双策略，将不同来源（虾壳和鱿鱼骨/乌贼骨）的甲壳素（α-和β-甲壳素）的两种原生氢键网络打断重排，形成α-甲壳素纳米纤维束与β-甲壳素超细纳米纤维片层穿插的多级纤维框架海绵材料，该多孔材料制备方式简单、无需使用任何交联剂、可完全被降解，对100 nm聚苯乙烯微球的吸附容量高达411.14 mg/g，是已报道的其他甲壳素/壳聚糖类吸附材料的3-48倍。相关成果发表在《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）上，武汉大学团队中的博士后吴洋和动力与机械学院叶成濠博士为论文共同第一作者，邓红兵教授和陈朝吉教授为共同通讯作者。

图1. （A）利用纤维素和甲壳素自组装构建超分子生物质纤维海绵的示意图。(B)由于材料丰富的活性官能团，生物质纤维海绵可以通过多层次的相互作用（物理拦截、静电吸引和多种分子间相互作用）来去除微塑料。

进一步针对复杂水体环境中的微塑料去除，提出了基于高生物安全性的生物质多级纤维捕集材料“作用力动态转换”新方式，利用鱿鱼骨/乌贼骨来源的甲壳素纳米纤维网络和棉花来源的纤维素微纤维氢键自组装，构建了吸附位点激活且可适应复杂环境因素的全生物质多级纤维框架（图1），且该材料表现出对聚苯乙烯（583.8 mg/g）、聚甲基丙烯酸甲酯（536.2 mg/g）、聚丙烯（301.0 mg/g）和聚对苯二甲酸乙二醇酯（511.7 mg/g）均表现出良好的吸附能力，分子动力学模拟证明了对不同微塑料的亲和力归因于不同微塑料与该纤维框架材料之间多种分子间相互作用的转化。相关成果发表在《科学进展》（Science Advances）上，博士后吴洋为论文第一作者，邓红兵教授和华中科技大学周雪教授为共同通讯作者。

图2.（G）吸附PS微球后材料的扫描电镜图像。（H）材料对PS-NH2、PS-COOH 和不同直径（100、500、1000 和 3000 nm）PS微塑料的吸附能力。（I） 材料对 PS、PP、PET和PMMA颗粒的吸附能力。材料吸附（J）PS、（K）PMMA、（L）PET和（M）PP颗粒后的扫描电镜彩色图像，其中彩色区域代表微塑料。

以上工作得到国家高层次青年人才项目、国家自然科学基金、湖北省自然科学基金、中央高校基本科研业务费资助及学校科研公共服务条件平台的支持。

（长江云新闻记者 吴宝洪 汪佳睿 通讯员 吴江龙）