《Journal of Environmental Sciences》：Bridging abiotic and biotic adsorption: Biomimetic cotton for
Microcystis aeruginosa removal and valorization
编辑推荐：
本研究提出一种基于生物启发的吸附策略用于回收和资源化利用有害蓝藻微囊藻。通过将斑马贻贝分泌的信息素苯甲醇、壳聚糖和尿素固定到棉纤维表面，成功开发了BCU-m-cotton吸附剂。实验证明该吸附剂能高效吸附活体微囊藻而不破坏细胞结构，吸附动力学符合伪二级模型，最大吸附容量达46.78±1.85 mg/g。通过解吸回收蓝藻生物质，脂肪酸谱分析证实其可用于生物柴油生产。首次将吸附平衡模型和动力学模型拓展应用于生物体系，为环境修复与资源化协同提供新思路。
作者：Sehoon Oh、Yun Hwan Park、Woo Shik Jung、Yoon-E Choi
韩国大学环境科学与生态工程系，首尔02841
摘要
本研究提出了一种新型的仿生吸附策略，用于回收和利用微囊藻（Microcystis aeruginosa）——这种在淡水生态系统中广泛存在且具有生态危害的蓝藻。通过利用大型溞（Daphnia magna）分泌的信息化学物质对棉纤维进行功能化处理，开发出一种具有生物启发性的吸附剂。大型溞是微囊藻的天然捕食者。对用苄胺、壳聚糖和尿素改性的棉纤维（BCU-m-cotton）的表面特性分析证实了信息化学物质成功改性和有效结合到棉纤维中。随后通过平衡等温线和动力学模型评估了BCU-m-cotton的吸附行为。与主要针对重金属或染料等非生物污染物的传统研究不同，本研究首次证明了等温线和动力学模型可以成功应用于生物系统。Sips模型对实验数据拟合度最高，最大吸附容量为46.78 ± 1.85 mg/g；动力学分析显示其吸附行为更接近化学吸附而非物理吸附。BCU-m-cotton吸附剂能够快速高效地去除微囊藻，且不会导致细胞裂解。此外，研究还证明了通过吸附和后续解吸可以回收微囊藻生物质，脂肪酸分析进一步证实了其用于生物柴油生产的潜力。总体而言，本研究建立了一个新框架，基于微囊藻生物质的吸附动力学，开发了一个兼具环境修复和可持续资源利用双重功能的平台。
引言
由于微囊藻等蓝藻的快速生长，有害藻华（HABs）在水生环境中频繁发生（Maso和Garcés，2006）。其中微囊藻是最常见的致病菌之一。由于全球变暖，微囊藻引起的藻华发生频率和强度在全球范围内有所增加（Wells等，2015），使其成为长期存在的全球性环境问题。藻华会阻断阳光并消耗溶解氧（Watson等，2016），破坏水生生态系统。此外，细胞裂解会释放微囊藻毒素和阿纳毒素-a等有害物质，直接威胁水生生物和人类健康（Sivonen和Jones，1999；Carmichael，1996）。这些环境、生态和公共卫生影响使得藻华控制成为一个重要的跨学科研究领域。藻华还给饮用水设施、水产养殖和娱乐产业带来了重大经济负担，因此迫切需要安全可行的控制技术。
已经开发出多种物理、化学和生物方法来处理和预防藻华（Gallardo-Rodríguez等，2019）。常见的方法包括混凝沉淀、氧化处理、超声波破坏和生物控制策略，这些方法在减少蓝藻生物质方面效果显著。然而，这些方法的共同缺点是容易导致细胞裂解，从而引发毒素的释放和二次污染。因此，非裂解型蓝藻去除策略成为重要的研究方向。基于静电相互作用（Wei等，2025），利用带正电的吸附剂与微囊藻带负电的细胞表面之间的相互作用，吸附技术成为一种有前景的替代方案（Park等，2022；Hnatukova等，2011；Hadjoudj等，2010；Kim等，2018）。与破坏性控制方法相比，吸附技术能够同时去除水生环境中的蓝藻生物质和吸附剂，便于后续处理和潜在的再利用。因此，基于吸附的藻华控制方法逐渐成为连接蓝藻缓解和资源化水资源管理的平台（Abbas等，2020）。
然而，大多数现有吸附材料仍主要基于简单的物理化学表面改性，因此在环境相关条件下仍有提升选择性和效率的空间。为了提高吸附剂处理藻华的效率，本研究借鉴了捕食者-猎物相互作用机制。特别是大型溞能够分泌促使蓝藻聚集的信息化学物质（Lürling，2003），表明生物来源的信号分子可以调节自然水生系统中的蓝藻行为。因此假设将这些信息化学物质固定在吸附剂上可以提高其吸附性能。通过气相色谱-质谱（GC-MS）和液相色谱-质谱（LC-MS）分析，确定苄胺和尿素为候选化合物，并将其结合到壳聚糖改性的棉纤维（CS-m-cotton）中。傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和X射线光电子能谱（XPS）分析证实，这种环保吸附剂含有更多的胺基团，可视为受生态信号机制启发的仿生吸附平台。该策略区别于传统的化学改性方法，将吸附技术扩展到生物相关系统。通过等温线和动力学模型评估了该材料的吸附性能，特别关注其对活细胞的适用性，并考察了其用于生物柴油生产的潜力。
材料与化学试剂
棉纤维购自中国绍兴的Zhende Medical Co., Ltd。用于引入羟基的氢氧化钠珠子购自韩国首尔的Daejung公司。壳聚糖（分子量50,000–190,000 Da，去乙酰化壳聚糖）购自韩国首尔的Sigma Aldrich公司。苄胺和尿素分别购自Sigma Aldrich公司和Daejung公司。BG11培养基由...
来自大型溞的信息化学物质的鉴定及其对微囊藻的控制作用
大型溞作为蓝藻的天然捕食者，会分泌促使蓝藻聚集的化学物质（Pineda-Mendoza等，2014），从而提高其在水生环境中的可利用性。然而，关于大型溞与蓝藻之间这种聚集诱导作用的研究较少。本研究通过分析...
结论
本研究通过将尿素和苄胺（来自捕食者的信息化学物质）结合到壳聚糖改性的棉纤维中，开发出仿生吸附剂BCU-m-cotton，以增强其与微囊藻之间的静电相互作用。吸附平衡数据最佳拟合Sips模型，最大吸附容量为46.778 ± 1.85 mg/g；吸附动力学符合伪二级模型，R2值较高，表明其吸附行为类似化学吸附。回收的微囊藻...
未引用参考文献
Ayiania等，2020；Folayan等，2019
CRediT作者贡献声明
Sehoon Oh：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、实验研究、数据分析、概念构思。
Yun Hwan Park：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、实验研究、数据分析、概念构思。
Woo Shik Jung：实验研究、数据分析。
Yoon-E Choi：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、项目监督、资金筹集。
利益冲突声明
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：Yoon-E Choi表示获得了韩国环境产业技术研究院的财政支持；Yoon-E Choi还获得了韩国国家研究基金的财政支持。请说明任何可能被读者解读为利益冲突的其他关系或活动，包括担任编辑职务等。
致谢
本研究得到了韩国环境产业技术研究院（KEITI）的支持，该项目旨在开发基于野生动物和水生生态系统保护研究的环保新材料和加工技术，资金来源于韩国环境部（MOE）（项目编号2021003280004和2022003040001）。此外，本研究还获得了韩国国家研究基金（NRF）的资助（项目编号NRF-2021R1A6A1A10045235和No.RS-2024-00440975）。
