不需要搅拌！淀粉样蛋白纤维气凝胶：可持续性高效吸附清除水中有机污染物

目前在有机污染物中，农药，酚类化合物和药品是亟需注意的新兴污染物。2003年欧盟禁止使用了致癌性阿拉特津（除草剂）。世界卫生组织（WHO）指出，目前常用除草剂噻草平浓度低于0.5 ppm时不会威胁人体健康。双酚A是世界上使用最广泛的工业化合物之一，多用于塑料用品的制造。该塑料成品在日常生活中应用广泛，人们经常接触。其安全性问题成为了公众的关注焦点。

目前婴幼儿用品禁止使用双酚A。欧洲食品安全管理局指出人体每日摄入的双酚A的安全浓度低于50μg kg-1。布洛芬是被列入WHO “基本药物清单”世界上使用最普遍的活性药物之一。仅每天排入瑞士格赖芬塞河的布洛芬就高达6.07g。即使是少量的布洛芬经生物体的消化系统代谢，其产物也会严重影响水生生态系统危害人类健康。现存的有机物水污染处理方法包括过滤法，吸附法，和降解法。这些方法虽然有效果但是都存在一定的弊端。比如降解法，虽然可去除原污染物，但是可能产生新的有毒代谢产物。在吸附法中，活性炭尽管有很强吸附能力，可以清除水中污染物，是理想的吸污材料，但是活性炭制作过程耗能大，成本高，且产生大量的温室气体二氧化碳，不具备经济环保可持续的特点。

基于以上背景，瑞士苏黎世大学的Raffaele Mezzenga教授课题组使用一种全新的材料——淀粉样蛋白纤维气凝胶清除水中有机物。他们此项工作使用β-乳球蛋白制备具有低密度，孔隙结构发达，极高比表面积等类似活性炭特点的淀粉样蛋白纤维气凝胶。探究该气凝胶吸附上述三种典型有机污染物（噻草平，双酚A和布洛芬的能力）。该课题组前期工作发现淀粉样蛋白纤维可有效去除水中的重金属。沿着这个思路，他们首次将淀粉样蛋白纤维气凝胶用于有机物污水处理。

该气凝胶无需外力，仅在静止状态下就可以完成高效的有机物吸附的。使用后的气凝胶可经重生处理进行再次循环使用，该过程可进行多次，气凝胶可维持较稳定的吸附能力， 使得有机物污水处理变的经济环保可持续。淀粉样蛋白纤维气凝胶有望成为理想的有机物污水处理材料。该成果以名为“Amyloid Fibrils Aerogel for Sustainable Removal of Organic Contaminants from Water”发表在《先进材料》杂志上。后附原文链接。
图文解析

图1A. 淀粉样蛋白纤维气凝胶重量极轻可放置在蒲公英上。B.C. 在不同放大倍数下观察该气凝胶，其显微结构具有多孔隙（孔隙率高达97%），高比表面积的特点。D.可高效吸附溶解在溶液中的结晶紫染料。E. 可快速吸附溶液中的有机物正己烷（经苏丹三染色）。解析：淀粉样蛋白纤维气凝胶密度是33.18 mg cm-3，重量极轻，放置在蒲公英上，蒲公英安然无恙。该气凝胶具有孔隙丰富，薄壁而空，比表面积较大的特点有利于物质的吸附。该气凝胶放入溶解结晶紫的溶液可使其恢复至透明状，说明该凝胶可高效吸附水溶性染料结晶紫。在20s内可快速吸附水中的有机物正己烷，说明该气凝胶吸附速度极快，有望清除水中有机物。图2A. 加入淀粉样蛋白纤维气凝胶前后，使用超高液相色谱（UPLC）测得溶液中三种有机物浓度的变化。B. 表征气凝胶吸附不同有机物的能力。C.D.E. 气凝胶对不同浓度的噻草平，双酚A和布洛芬三种有机物吸收的拟合曲线。 F. pH的变化，引起气凝胶吸附有机物能力的改变。解析：使用UPLC检测淀粉样蛋白纤维气凝胶对三种有机物的吸附。加入气凝胶前，三种有机物在水溶液中的浓度约是1ppm，经过气凝胶吸附处理后，噻草平，双酚A和布洛芬三种有机物的浓度分别降到72、216、25 ppb。气凝胶对三种有机物的吸附容量分别可达到54.2、50.6、69.6 mg g-1。表明淀粉样蛋白纤维气凝胶对有机物有极高的吸附容量。但是要注意的是，有机物和气凝胶的相互作用拟合出来的结果是L-型曲线，这表明随着有机物浓度的升高，气凝胶上可结合有机物位点减少，吸附有机物变得困难。

研究表明pH改变，有机物吸附改变。原因可能是溶液pH的变化，会改变有机物的状态，影响有机物和气凝胶的带电形式，从而引起气凝胶对有机物吸附的改变。有趣的是，溶液pH的变化对气凝胶吸附噻草平和双酚A的影响小于布洛芬。图3A. 淀粉样蛋白纤维气凝胶再生步骤示意图。B.C.D. 使用后的气凝胶进行重生然后反复使用，测定其吸附有机物的性能。解析：已经吸附有机物的气凝胶，经过酸性溶液可以洗脱气凝胶吸附的有机物，把气凝胶进行冲洗和干燥，得到重生的气凝胶。重生的气凝胶，吸附有机物的能力几乎维持恒定，而且此过程可多次循环进行。值得注意的是经重生的气凝胶吸附能力有的会表现出增强趋势，这可能与蛋白质在酸性条件下水解产生新的孔隙或者气凝胶粗糙度增加有关，也可能与气凝胶表面生成更多的羟基可以与更多的有机物作用有关，与有机物本身的性质也有关。

总结：该课题组首次报道了淀粉样蛋白纤维气凝胶可高效清除水中的杀草剂噻草平，芳香化合物双酚A，常用药物布洛芬，清除率分别可达92%，78%，98%。该气凝胶制作原料常见，制备过程简单且耗能低，具备低廉经济环保的特点。而且该气凝胶可经酸性溶液多次重生保持较稳定的吸附能力具备可持续使用的特点。结合以上所列优势，淀粉样蛋白纤维气凝胶有望成为清理有机物水污染的理想材料。