基于蛋白质和多糖的重金属去除材料：批量处理与连续系统

《ACS Sustainable Resource Management》：Protein- and Polysaccharide-Based Heavy Metal Removal Materials: Batch and Continuous Systems

高效生物吸附剂开发及再生机制研究

　　在当今工业化和信息化快速发展的背景下，水体中的重金属污染已成为全球范围内亟需解决的环境问题之一。重金属，如铅（Pb）和锌（Zn）等，因其毒性以及在生物体内积累的特性，对生态系统和人类健康构成了严重威胁。因此，开发高效的重金属去除技术，尤其是基于生物材料的吸附剂，对于环境保护具有重要意义。生物基材料因其可再生性、低环境影响以及易于制造的特性，正逐渐成为替代传统化学吸附剂的新选择。

在众多生物基材料中，多糖和蛋白质因其独特的物理化学性质，被认为是具有广泛应用前景的吸附材料。然而，多糖类材料虽然易于获取，但其吸附性能往往难以调控，且在不同环境条件下表现不稳定。而蛋白质类材料虽然具有较高的金属选择性，但其生产过程通常涉及复杂的提取和纯化步骤，尤其是蛋白质纯化环节，需要耗费大量的人力和时间，限制了其在实际应用中的推广。因此，本研究提出了一种融合蛋白质和多糖的新型复合材料，旨在克服上述问题，同时提高材料的吸附性能和设计灵活性。

本研究设计了一种融合蛋白，将金属硫蛋白（Metallothionein, MT）与壳聚糖结合域（Chitin-Binding Domain, ChBD）连接，并将其固定在壳聚糖骨架上，用于重金属吸附。实验结果显示，该吸附材料在0.1 mM的Pb²⁺和Zn²⁺混合溶液中，能够去除85.1%的Pb²⁺和81.9%的Zn²⁺。此外，研究还提出了一种简化蛋白质纯化的方法，即通过将壳聚糖添加到粗细胞裂解液中，实现融合蛋白的直接吸附，从而简化了整体生产流程。在连续吸附-解吸系统中，该材料在使用4次后仍能保持76.9%的Pb和76.5%的Zn吸附能力，显示出良好的可重复使用性。这些结果表明，该生物基吸附材料不仅具备高效的重金属吸附能力，而且在重复使用方面也表现出优异的性能。

重金属污染的治理技术多种多样，包括沉淀、过滤、离子交换以及吸附等。其中，吸附因其操作简便、成本较低以及环境友好等优点，成为近年来研究的重点。传统化学吸附剂虽然在重金属去除方面表现出色，但其生产成本高、对环境影响较大，限制了其在大规模水处理中的应用。而生物基吸附材料则因其来源于天然资源，且具有可降解性和可再生性，被认为是更具可持续性的选择。然而，目前的生物基吸附材料仍面临一些挑战，如吸附性能的调控难度、纯化过程的复杂性以及材料的可重复使用性等。

本研究提出了一种创新性的解决方案，通过融合金属硫蛋白和壳聚糖结合域，构建了一种具有高金属选择性和良好吸附性能的生物基吸附材料。金属硫蛋白是一种富含半胱氨酸和组氨酸的蛋白质，能够通过硫醇基团与多种重金属离子形成稳定的配位键，从而实现高效的吸附。壳聚糖结合域则具有与壳聚糖骨架结合的能力，通过疏水相互作用和氢键作用，确保融合蛋白在吸附材料中的稳定性。通过将这两种功能模块结合，构建的MT-ChBD融合蛋白不仅保留了金属硫蛋白的高吸附能力，还利用壳聚糖作为骨架，提高了材料的结构稳定性和重复使用性。

实验结果表明，该材料在不同pH条件下表现出不同的吸附行为。例如，在pH 2至7的范围内，Pb的吸附能力随着pH的升高而增强，而在pH 7至8之间，Zn的吸附能力显著提升。这种pH依赖性的吸附特性使得该材料在实际应用中能够根据水体的pH条件进行优化，从而提高其吸附效率。此外，通过使用EDTA和柠檬酸作为解吸剂，可以有效地从吸附材料中释放吸附的重金属离子。其中，EDTA是一种常用的金属解吸剂，具有强螯合作用，但其对环境和生态系统的潜在影响较大。相比之下，柠檬酸作为解吸剂，不仅具有较好的螯合能力，还对环境影响较小，是一种更为理想的解吸剂选择。

在吸附动力学方面，MT-ChBD@Chitin材料表现出良好的吸附性能。通过批次实验，研究发现该材料在120分钟内能够有效吸附Pb²⁺和Zn²⁺，并且其吸附动力学符合准二级动力学模型。准二级动力学模型的拟合度较高，表明吸附过程主要受到化学吸附的控制。同时，该材料在连续吸附-解吸系统中表现出良好的稳定性，能够在4个循环中保持较高的吸附能力，显示出良好的重复使用性。这些结果表明，MT-ChBD@Chitin材料不仅具有高效的吸附能力，还具备良好的重复使用性，适合用于大规模的水处理系统。

此外，研究还提出了一种简化蛋白质纯化和吸附材料制备的方法。通过将壳聚糖直接添加到细胞裂解液中，实现了融合蛋白的直接吸附，避免了复杂的纯化步骤。这种方法不仅降低了生产成本，还提高了材料的可重复使用性。同时，通过使用柱式连续流动系统，能够实现高效的吸附-解吸循环，进一步提高了材料的实用性和经济性。这种柱式连续流程不仅适用于实验室研究，也适用于实际的工业应用，为重金属污染治理提供了一种新的技术路径。

在可持续性方面，壳聚糖作为一种天然多糖，广泛来源于甲壳类动物的外壳和昆虫的外骨骼，具有丰富的储量和较低的获取成本。然而，目前壳聚糖的利用仍受到加工难度的限制。本研究通过将壳聚糖作为吸附材料的骨架，不仅提高了其利用效率，还为壳聚糖的可持续开发提供了新的思路。同时，通过使用农业废弃物来源的壳聚糖，进一步提高了材料的环境友好性，使其更符合绿色化学和可持续发展的理念。

综上所述，本研究开发了一种基于生物材料的新型重金属吸附剂，该吸附剂具有良好的吸附性能、可重复使用性以及较低的环境影响。通过融合金属硫蛋白和壳聚糖结合域，构建的MT-ChBD@Chitin材料不仅保留了金属硫蛋白的高吸附能力，还利用壳聚糖作为骨架，提高了材料的结构稳定性和可重复使用性。此外，通过使用柠檬酸作为解吸剂，进一步提高了材料的环境友好性。这种材料的开发为重金属污染治理提供了一种新的解决方案，具有重要的理论和实际意义。未来的研究将进一步优化其吸附性能和解吸效率，以提高其在实际应用中的效果。