第一作者（或者共同第一作者）：Wu Mengran, Zhang Chen
通訊作者（或者共同通訊作者）：Xu Yingfeng, Ho Ghim Wei
通訊單位：浙江工商大學，新加坡國立大學
報道一種光熱磁耦合的懸浮吸附體 (SMAG)，它集成了靜電微藻捕獲，磁收集和太陽光驅動的光熱微藻脫附和同步滅殺功能，結合定制化的自巡航系統，實現自然水體微藻的可持續捕獲和水華預防。
全球多地正面臨水華頻發的問題，嚴重威脅水生態系統、水資源利用以及公眾健康。水華的形成受多重因素影響，包括水體富營養化、氣候溫度、光照強度及水流流速等。這些因素的復雜交互使得水華的發生難以預測和防控。而水華的治理面臨多重挑戰，比如高昂的治理成本、難以持續的治理效果、次生藻毒素等環境問題解決困難，以及潛在的對水生態系統的二次破壞。研發一種選擇性微藻的捕獲技術，使水體中的藻密度長期維持在較低水平，可主動預防水華爆發，維持健康水體生態。此外，收集到的微藻可以進一步加工轉化為有價值的生物質資源。因此，從水華防治和資源再利用的雙重視角出發，開發一種綠色高效的微藻捕獲技術顯得尤為重要。
針對微藻的生活習性和生理特性，開發出具有目標水層懸浮、微藻靜電吸附、磁收集、光熱再生以及同步滅殺等功能的可持續微藻捕獲劑(SMAGs)。通過精確的設計密度，SMAGs能夠穩定懸浮于特定水層，并通過靜電吸附捕獲水體中的微藻。經過磁收集和分離過程后，通過太陽能驅動的光熱作用，SMAGs上的微藻可自主脫附并失活，從而實現SMAGs的有效再生和循環利用。將SMAGs與自巡航裝置相結合，可在自然水域中實現無監督可持續的微藻捕獲和水華預防（圖1）。
圖1. SMAGs可持續微藻捕獲與滅殺的原理圖。(I) SMAGs高效的靜電微藻捕獲(Ⅱ) SMAGs的磁收集，(Ⅲ) SMAGs光熱驅動的微藻脫附/再生過程。將SMAGs與自巡航系統相結合，可在自然水體中可持續捕獲微藻。
主要研究結果
(1) SMAG的設計與構建
SMAG是由氨基改性的PDMS (NH2-PDMS) 包裹Fe納米顆粒(FeNPs) 構成一種柔性復合膜。其中NH2-PDMS使SMAGs在水體中表面帶正電，使其能夠靜電吸附微藻，并有效防止內部的FeNPs被氧化。FeNPs構成的網絡結構賦予SMAG軟鐵磁性和光熱轉化性質，使其能夠進行磁性回收，并在太陽光照下進行微藻的脫附和再生，有效地克服了傳統吸附劑一次性使用的限制。通過精確控制成分和結構，可以靈活調整SMAG的密度，以滿足對不同水體中特定水層微藻的選擇性捕獲需求。
圖2. SMAGs的構建和表征。(a) FeNPs的TEM和對應的的SAED。(b) 調整Fe含量及孔隙結構，根據目標水層定制SAMGs的密度。(c) Fe-PDMS、OH-Fe-PDMS和SMAG的Zeta電位。(d) SMAGs的尺寸定制性和磁收集性能。(e) SMAG和PDMS的吸收光譜。(f) 單片SMAG和PDMS的光熱升溫曲線。
(2) SMAGs的微藻吸附機制與性能
選擇銅綠微囊藻（M. aeruginosa）這種經常引起淡水水華的藻種作為研究對象，探究SMAGs對微藻的吸附行為。研究結果表明，SMAGs對M. aeruginosa的吸附效率可超過90%。相比于未改性的Fe-PDMS，SMAGs對M. aeruginosa的吸附性能提高了2.5倍。這主要歸因于SMAGs可變形表面，使其能夠自發調整以貼合柔性的微藻表面，從而縮小它們之間的距離，增強靜電吸引力，進而提高對微藻的吸附能力。此外，得益于高效的表面修飾，不同尺寸的SMAGs對微藻的吸附量相差很小，這使得在面對不同實際水域環境進行微藻捕獲時，可以根據需求定制選擇SMAGs的尺寸。
圖3. SMAGs吸附微藻的機制與性能研究。(a) SMAGs或Fe-PDMS（對照組）的投加量對M. aeruginosa的吸附效率研究(ηharvest)。(b-d) M. aeruginosa在Fe-PDMS表面(b)和SMAG表面(c)的SEM偽彩圖，以及對應(b)和(c)中圓形線條上的二次電子線性強度分布圖。(e) SMAGs對不同M. aeruginosa濃度的吸附容量(Qe)和吸附效率(ηharvest)。(f) 不同尺寸SMAGs對微藻的吸附容量研究(Qe)。
(3) 光熱驅動SMAGs的解吸和再生
在模擬太陽光照下，SMAGs表現出優異的光熱性能。通過AFM研究光熱處理前后微藻細胞的膜表面特性，發現與健康的微藻細胞相比，在光熱處理后微藻細胞表面的EPS層受損，這導致微藻表面的負電荷密度顯著降低，降低了其與SMAGs的靜電吸附，使得藻細胞能夠從SMAGs表面主動脫附。進一步研究發現，經過光熱處理后的微藻細胞雖然能保持完整的細胞壁結構，但發生熱凋亡，這可以有效防止處理過程中胞內物質的釋放和微藻外溢引發的二次污染。
圖4. 微藻光熱解吸與同步滅活機制研究。(a) 吸附微藻的SMAGs的光熱升溫曲線。(b-e) 初始微藻的偽彩色透射電子顯微鏡（TEM）圖像（b）及其對應微藻膜的放大圖（c）。d, e, 在2分鐘照明后從SMAGs解吸的微藻的偽彩色TEM圖像（d）及其對應微藻膜的放大圖(e)。Thy：類囊體；CG：藻膽素顆粒；CW：細胞壁；CM：細胞膜。圖d中的箭頭指示細胞壁和膜之間的分離。(f, g) 原子力顯微鏡（AFM）測量示意圖(f)以及在光熱處理過程中不同時間點，SMAGs吸附的微藻膜的力-距曲線(g)。
(4) 大規模實際水體運行評估
SMAGs的靈活設計允許其根據不同規模的水體定制生產，因此能夠適應不同的水體環境。通過密度調控，SMAGs能夠懸浮在微藻生長的目標水層。利用微藻柔軟且帶負電的表面，通過表面改性，SMAGs可以高效選擇性的捕獲微藻。通過磁回收和光熱脫附，SMAGs可多次循環使用。因此，利用SMAGs高效的微藻吸附、磁回收、光熱再生和同步滅活等特性，將其與自巡航裝置先結合，可在大面積富營養化水域中高效可持續地捕獲各種微藻，微藻的選擇性高達89.6%，并且可以顯著提高水體水質，為主動預防水華提供了一種高效、環保、經濟且靈活可擴展的策略。實現對自然水域中微藻的無人監督連續捕獲，從而主動預防水體水華，并有效提取生物質資源。
總結與展望
該研究不僅直接提供了一種可持續水華主動預防的新策略，所提出的光熱脫附策略有望為傳統工業吸附劑的綠色再生提供一種解決方案，為可持續吸附劑的設計研發提供全新思路。
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s44221-024-00195-9
