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海水提铀膜组件面临微生物污染导致吸附效率下降的问题。本研究通过靛蓝修饰支撑基体而非吸附膜，在抑制微生物附着的同时保持吸附性能。实验表明修饰后膜组件对单一菌种的截留率从79.8%降至45.6%，对混合菌群截留率从77.3%降至57.1%。分子动力学模型分析显示该修饰能抑制Langmuir吸附和菌丝成熟，基因组学证实优先抑制高粘附性微生物。28天实际海水测试中铀吸附量提升125%，验证了分层修饰策略的有效性。
Piao Yi Jiang|韩唐|王凯通|刘家祥|刘克伟|唐文祥|刘家兵|高敏天|刘楠|胡家军|李继祥
上海大学生命科学学院生物能源作物重点实验室，中国上海200444
摘要
海水中含有大量高价值微量元素（如金、锂、铀），这些元素具有回收利用的价值。然而，由于这些元素的浓度极低，需要通过基于膜的系统进行长时间、大规模的海水处理，这会导致严重的微生物污染并显著降低吸附效率。鉴于实际使用的膜模块具有多组分结构，本研究通过用靛蓝改性膜支撑基底来减轻微生物污染，同时保持吸附膜的结构和功能完整性。这种方法避免了直接对膜进行抗菌改性所导致的吸附位点和多孔结构的损伤。通过柱穿透实验评估了膜模块的污染特性和污染程度，包括宏观保留能力和结构演变。改性前，膜模块对单一菌株和原位海洋微生物群落的截留率分别为79.8%和77.3%，改性后分别降至45.6%和57.1%。双动力学位点附着-脱附模型的分析表明，靛蓝改性的基底减少了朗缪尔吸附和成熟过程，而微生物群落内的功能互补性缓解了这些效应。宏基因组分析证实，该改性方法选择性地抑制了具有强附着能力和生物膜形成能力的微生物的附着。在实际海水中进行的28天吸附验证实验中，改性后的膜模块铀吸附容量从1.05毫克/克提高到了2.38毫克/克，有效减轻了微生物污染对吸附性能的影响。基底抗附着性与膜吸附功能的空间解耦集成为膜模块的设计和优化提供了新的思路，拓展了其在海洋铀回收中的应用潜力。
引言
联合国通过的《改变我们的世界：2030年可持续发展议程》包含一个关键目标：保护和可持续利用海洋、海域和海洋资源以实现可持续发展（联合国大会，2015年）。海洋中富含多种金属元素，尽管浓度极低，但其中许多元素在能源和经济发展中起着重要作用（Buonomenna，2022年）。例如，铀离子（作为核燃料）的总储量可达数十亿吨，但其浓度仅为十亿分之一（Vartanian，2024年）。因此，在海洋环境中，微量资源的回收和利用是一个相对具有挑战性的问题，而原位吸附是解决这一问题的重要方法。
目前，已经开发出一系列新型吸附材料，如多孔芳香框架、共价有机框架、金属有机框架和多孔有机聚合物，用于吸附这些微量元素（Zhang等人，2025年）。然而，微量资源的回收需要处理大量海水（Takano等人，2024年），在此过程中会发生严重的生物污染，从而降低吸附材料的吸附效率（Lim等人，2023年）。为了应对微生物污染这一主要生物污染源，通过引入抗菌功能基团来改性吸附膜材料可以有效减少生物污染（Alenazi等人，2017年）。然而，直接的表面改性可能导致抗菌剂堵塞膜的吸附位点，而且引入抗菌基团可能会改变膜的表面形态（Kong等人，2021年），从而影响其吸附性能。尽管许多抗菌方法在实验室中表现良好，但在实际海洋环境中效率会大幅下降（Tian等人，2021年）。此外，虽然定期物理清洗结合其他方法可以有效去除污染层（Fran?ois等人，2025年），但由于膜在实际海洋环境中通常以卷状排列以提高包装密度，因此通过清洗去除污染变得不可行。
在某些情况下，杀死微生物可能并非减少微生物污染的最佳方法，因为杀灭速率可能低于新污染物积累的速率。在海洋生物污染中，微生物是主要的污染源（Li和Ning，2019年）。以铀离子吸附为例：海水中铀离子的平均浓度约为3.3 × 10^-6克/升（Zhu等人，2022年），这意味着理论上需要至少3.03 × 10^5升海水才能吸附1克铀离子。由于1毫升海水中大约有100万个微生物（Zehr等人，2017年），这意味着每吸附1克铀离子会有3.03 × 10^14个微生物通过多孔吸附材料。然而，在实际的海水铀提取过程中，由于材料吸附效率和平衡性以及海水成分的复杂性，所需的海水流量远大于理论值，导致通过吸附材料的微生物负荷更高。此外，在热带和亚热带地区的稳定混合层水中，溶解有机碳的浓度范围为70至90微摩尔/升，相当于0.84至1.08毫克/升（Pan等人，2014年），这为微生物的生长和繁殖提供了有限的支撑。因此，减少微生物对吸附材料的附着可能比使用抗菌功能基团抑制微生物生长和代谢甚至杀死它们更为有效。
此外，生物膜的形成是微生物应对环境挑战的生存策略，也是膜生物污染最关键的因素之一（Takimoto等人，2023年）。生物膜的发展通常包括五个阶段：可逆附着、不可逆附着、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，金黄色葡萄球菌的初始附着阶段（包括可逆和不可逆附着）可持续数小时，微菌落从基底层细胞开始形成需要5.5小时（Moormeier和Bayles，2017年）。值得注意的是，海水中的有机碳含量极低，这意味着维持膜上微生物繁殖的碳源很可能来自最初附着的微生物。因此，针对生物膜发展的前两个阶段并有效减轻微生物对膜的附着可能是减轻膜生物污染的更有效策略。这两个阶段被认为是减少微生物附着引起的膜生物污染的关键。本研究重点关注铀吸附膜模块。考虑到这些模块在海洋应用中通常被卷成圆柱形并放置在容器中进行吸附，因此使用色谱柱作为容器，以缩放后的膜模块作为研究对象。基于流体力学的相关理论，采用了双动力学位点附着-脱附模型系统评估了海水渗透后模型菌株和本地海洋微生物群落对膜模块的污染特性和影响机制。靛蓝被用作改性剂，膜模块中的支撑基底（而非吸附膜）被改性以减少微生物污染，同时分析了其机制。最后，验证了改性模块在实际应用中对目标吸附物的吸附效果。这项研究将为解决海洋环境中多孔材料的微生物污染问题提供参考。
膜模块
膜模块（图1A）由非织造布（用于保护膜表面免受穿透损伤）、膜（用于吸附）和基底（用于结构支撑和保护）组成。实验前，将膜模块切割成25厘米×9厘米（长×宽）的矩形条状，然后从上到下依次组装非织造布、膜和基底。之后将其卷起，使基底位于最外层，并尽可能紧密地卷起。
用于膜污染研究的模型微生物选择
首先，在高微生物生物量条件下，对每种菌株的生长特性进行了表征。与初始值（图2A）相比，金黄色葡萄球菌和枯草芽孢杆菌的浓度在培养24小时后显著增加，而大肠杆菌的浓度则降低。这表明大肠杆菌在高微生物生物量条件下的生长受到显著抑制，因此将其排除在后续实验之外。
本研究旨在探讨微生物
结论
微生物污染是海水资源回收中的一个严重挑战。本研究从两个方面进行了探索：首先，专注于修改基底（而非膜）以最大化其各自的功能而不影响其他功能；其次，减少微生物的滞留而不是抑制其生长和代谢。在实际海水中的验证表明，铀的吸附容量从1.05毫克/克提高到了2.38毫克/克，有效减轻了污染。海水中溶解的微量有机碳限制了
CRediT作者贡献声明
Piao Yi Jiang：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法学研究，数据分析。韩唐：方法学研究，数据分析。王凯通：方法学研究，数据分析。刘家祥：方法学研究，数据分析。刘克伟：方法学研究，数据分析。唐文祥：方法学研究，数据分析。刘家兵：方法学研究，数据分析。高敏天：资源协调。刘楠：数据可视化，验证，资源协调。胡家军：
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了中国国家核公司（CNNC-CXLM-202205）的领先科学研究项目的支持。感谢谢洁坤在海水采样方面提供的帮助。
