《Journal of Environmental Management》：Interface modification of membrane substrates: Mitigating microbial interfacial adhesion and augmenting adsorptive capacity for seawater uranium recovery
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海水提鈾膜組件面臨微生物污染導致吸附效率下降的問題。本研究通過靛藍修飾支撐基體而非吸附膜，在抑制微生物附著的同時保持吸附性能。實驗表明修飾后膜組件對單一菌種的截留率從79.8%降至45.6%，對混合菌群截留率從77.3%降至57.1%。分子動力學模型分析顯示該修飾能抑制Langmuir吸附和菌絲成熟，基因組學證實優先抑制高粘附性微生物。28天實際海水測試中鈾吸附量提升125%，驗證了分層修飾策略的有效性。
Piao Yi Jiang|韓唐|王凱通|劉家祥|劉克偉|唐文祥|劉家兵|高敏天|劉楠|胡家軍|李繼祥
上海大學生命科學學院生物能源作物重點實驗室，中國上海200444
摘要
海水中含有大量高價值微量元素（如金、鋰、鈾），這些元素具有回收利用的價值。然而，由于這些元素的濃度極低，需要通過基于膜的系統進行長時間、大規模的海水處理，這會導致嚴重的微生物污染并顯著降低吸附效率。鑒于實際使用的膜模塊具有多組分結構，本研究通過用靛藍改性膜支撐基底來減輕微生物污染，同時保持吸附膜的結構和功能完整性。這種方法避免了直接對膜進行抗菌改性所導致的吸附位點和多孔結構的損傷。通過柱穿透實驗評估了膜模塊的污染特性和污染程度，包括宏觀保留能力和結構演變。改性前，膜模塊對單一菌株和原位海洋微生物群落的截留率分別為79.8%和77.3%，改性后分別降至45.6%和57.1%。雙動力學位點附著-脫附模型的分析表明，靛藍改性的基底減少了朗繆爾吸附和成熟過程，而微生物群落內的功能互補性緩解了這些效應。宏基因組分析證實，該改性方法選擇性地抑制了具有強附著能力和生物膜形成能力的微生物的附著。在實際海水中進行的28天吸附驗證實驗中，改性后的膜模塊鈾吸附容量從1.05毫克/克提高到了2.38毫克/克，有效減輕了微生物污染對吸附性能的影響。基底抗附著性與膜吸附功能的空間解耦集成為膜模塊的設計和優化提供了新的思路，拓展了其在海洋鈾回收中的應用潛力。
引言
聯合國通過的《改變我們的世界：2030年可持續發展議程》包含一個關鍵目標：保護和可持續利用海洋、海域和海洋資源以實現可持續發展（聯合國大會，2015年）。海洋中富含多種金屬元素，盡管濃度極低，但其中許多元素在能源和經濟發展中起著重要作用（Buonomenna，2022年）。例如，鈾離子（作為核燃料）的總儲量可達數十億噸，但其濃度僅為十億分之一（Vartanian，2024年）。因此，在海洋環境中，微量資源的回收和利用是一個相對具有挑戰性的問題，而原位吸附是解決這一問題的重要方法。
目前，已經開發出一系列新型吸附材料，如多孔芳香框架、共價有機框架、金屬有機框架和多孔有機聚合物，用于吸附這些微量元素（Zhang等人，2025年）。然而，微量資源的回收需要處理大量海水（Takano等人，2024年），在此過程中會發生嚴重的生物污染，從而降低吸附材料的吸附效率（Lim等人，2023年）。為了應對微生物污染這一主要生物污染源，通過引入抗菌功能基團來改性吸附膜材料可以有效減少生物污染（Alenazi等人，2017年）。然而，直接的表面改性可能導致抗菌劑堵塞膜的吸附位點，而且引入抗菌基團可能會改變膜的表面形態（Kong等人，2021年），從而影響其吸附性能。盡管許多抗菌方法在實驗室中表現良好，但在實際海洋環境中效率會大幅下降（Tian等人，2021年）。此外，雖然定期物理清洗結合其他方法可以有效去除污染層（Fran?ois等人，2025年），但由于膜在實際海洋環境中通常以卷狀排列以提高包裝密度，因此通過清洗去除污染變得不可行。
在某些情況下，殺死微生物可能并非減少微生物污染的最佳方法，因為殺滅速率可能低于新污染物積累的速率。在海洋生物污染中，微生物是主要的污染源（Li和Ning，2019年）。以鈾離子吸附為例：海水中鈾離子的平均濃度約為3.3 × 10^-6克/升（Zhu等人，2022年），這意味著理論上需要至少3.03 × 10^5升海水才能吸附1克鈾離子。由于1毫升海水中大約有100萬個微生物（Zehr等人，2017年），這意味著每吸附1克鈾離子會有3.03 × 10^14個微生物通過多孔吸附材料。然而，在實際的海水鈾提取過程中，由于材料吸附效率和平衡性以及海水成分的復雜性，所需的海水流量遠大于理論值，導致通過吸附材料的微生物負荷更高。此外，在熱帶和亞熱帶地區的穩定混合層水中，溶解有機碳的濃度范圍為70至90微摩爾/升，相當于0.84至1.08毫克/升（Pan等人，2014年），這為微生物的生長和繁殖提供了有限的支撐。因此，減少微生物對吸附材料的附著可能比使用抗菌功能基團抑制微生物生長和代謝甚至殺死它們更為有效。
此外，生物膜的形成是微生物應對環境挑戰的生存策略，也是膜生物污染最關鍵的因素之一（Takimoto等人，2023年）。生物膜的發展通常包括五個階段：可逆附著、不可逆附著、微菌落形成、生物膜成熟和生物膜分散（Ma等人，2022年）。研究表明，金黃色葡萄球菌的初始附著階段（包括可逆和不可逆附著）可持續數小時，微菌落從基底層細胞開始形成需要5.5小時（Moormeier和Bayles，2017年）。值得注意的是，海水中的有機碳含量極低，這意味著維持膜上微生物繁殖的碳源很可能來自最初附著的微生物。因此，針對生物膜發展的前兩個階段并有效減輕微生物對膜的附著可能是減輕膜生物污染的更有效策略。這兩個階段被認為是減少微生物附著引起的膜生物污染的關鍵。本研究重點關注鈾吸附膜模塊。考慮到這些模塊在海洋應用中通常被卷成圓柱形并放置在容器中進行吸附，因此使用色譜柱作為容器，以縮放后的膜模塊作為研究對象。基于流體力學的相關理論，采用了雙動力學位點附著-脫附模型系統評估了海水滲透后模型菌株和本地海洋微生物群落對膜模塊的污染特性和影響機制。靛藍被用作改性劑，膜模塊中的支撐基底（而非吸附膜）被改性以減少微生物污染，同時分析了其機制。最后，驗證了改性模塊在實際應用中對目標吸附物的吸附效果。這項研究將為解決海洋環境中多孔材料的微生物污染問題提供參考。
膜模塊
膜模塊（圖1A）由非織造布（用于保護膜表面免受穿透損傷）、膜（用于吸附）和基底（用于結構支撐和保護）組成。實驗前，將膜模塊切割成25厘米×9厘米（長×寬）的矩形條狀，然后從上到下依次組裝非織造布、膜和基底。之后將其卷起，使基底位于最外層，并盡可能緊密地卷起。
用于膜污染研究的模型微生物選擇
首先，在高微生物生物量條件下，對每種菌株的生長特性進行了表征。與初始值（圖2A）相比，金黃色葡萄球菌和枯草芽孢桿菌的濃度在培養24小時后顯著增加，而大腸桿菌的濃度則降低。這表明大腸桿菌在高微生物生物量條件下的生長受到顯著抑制，因此將其排除在后續實驗之外。
本研究旨在探討微生物
結論
微生物污染是海水資源回收中的一個嚴重挑戰。本研究從兩個方面進行了探索：首先，專注于修改基底（而非膜）以最大化其各自的功能而不影響其他功能；其次，減少微生物的滯留而不是抑制其生長和代謝。在實際海水中的驗證表明，鈾的吸附容量從1.05毫克/克提高到了2.38毫克/克，有效減輕了污染。海水中溶解的微量有機碳限制了
CRediT作者貢獻聲明
Piao Yi Jiang：撰寫 – 審稿與編輯，撰寫 – 原稿，方法學研究，數據分析。韓唐：方法學研究，數據分析。王凱通：方法學研究，數據分析。劉家祥：方法學研究，數據分析。劉克偉：方法學研究，數據分析。唐文祥：方法學研究，數據分析。劉家兵：方法學研究，數據分析。高敏天：資源協調。劉楠：數據可視化，驗證，資源協調。胡家軍：
利益沖突聲明
作者聲明他們沒有已知的可能會影響本文報告工作的財務利益或個人關系。
致謝
本工作得到了中國國家核公司（CNNC-CXLM-202205）的領先科學研究項目的支持。感謝謝潔坤在海水采樣方面提供的幫助。
